Adv. Funct. Mater.：納米尺寸的紅磷修飾g-C3N4有效降低了電荷復合并應用與光（電）催化

【引言】

由太陽能驅動的光催化產氫是一項具有很大潛力的綠色技術。為了使這項技術可持續發展，人們需要開發低成本和高效的非金屬光催化劑。 g-C₃N₄因其合適的帶隙，高溫和化學穩定性，毒性相對較低等優點已經被認為是一種極具前景的用于許多光催化應用的非金屬基光催化劑。然而，原始的g-C₃N₄光催化劑的整體性能仍然受到限制，因為它的表面面積較低(由聚集引起)，可見光吸收差，以及快速的電荷復合。最近，有報道稱，由于化學缺陷引起的電荷載體捕獲在決定g-C₃N₄光催化活性方面是至關重要的。

為了提高g-C₃N₄的光活性，研究人員采用了三種主要策略，包括形貌改善，金屬/非金屬摻雜，以及異質結構建。元素磷具有不同的化學相和結構。非晶相，希托夫以及纖維紅磷已經被發現，展現出了光催化活性。此外，據報道，纖維紅磷在元素光催化劑家族中擁有最高的光催化產氫記錄。

【成果簡介】

近日，香港中文大學的余濟美教授等人在Advanced Functional Materials上發文，題為：“Effective Prevention of Charge Trapping in Graphitic Carbon Nitride with Nanosized Red Phosphorus Modification for Superior Photo(electro)catalysis”。研究人員發現摻雜超小紅磷晶體在g-C3N4納米片上能夠減少g-C3N4結構的缺陷，而且通過形成新的化學鍵來產生更多的有效的電荷分離，提高光催化產氫活性。到目前為止，這一雜化體系中所獲得的產氫速率是迄今為止所報告的所有磷摻雜g-C3N4光催化劑中最高的。

【圖文導讀】

圖1. 紅磷/g-C₃N₄結構表征

a) 紅磷/g-C₃N₄合成工藝；

b) 樣品溶液的數碼照片以及相應的TEM圖：

c) CVD處理后的裸露的剝離的g-C₃N₄；

d) CVD處理后裸露的紅磷；

e–h) 不同紅磷含量（1, 5, 10, 20 wt%）的紅磷/g-C₃N₄復合物；

圖2. ?紅磷/g-C₃N₄形貌分析

SEM和相應的HRTEM圖：

a,b) CVD處理后的裸露的剝離的g-C₃N₄；

e,f,i) CVD處理后的裸露的剝離的紅磷/g-C₃N₄；

典型的開孔模式AFM圖：

c) CVD處理后的裸露的剝離的g-C₃N₄和

g) CVD處理后的裸露的剝離的紅磷/g-C₃N₄以及它們相應的截面高度圖：

d) 處理后的裸露的剝離的g-C₃N₄；

h) 處理后的裸露的剝離的紅磷/g-C₃N₄;

j) STEM；

k–m) 相應的紅磷/g-C₃N₄ EDS元素能譜圖；

圖3. 紅磷/g-C₃N₄復合物元素結構表征

紅磷的XPS圖譜： a) P 2p； ? b) C1s； ? ?c) N1s；

紅磷/g-C₃N₄復合物：

d) XRD圖譜； ? ?e) 紫外吸收光譜；

f) 樣品TGA； ? ? g) CVD過程中的紅磷/g-C₃N₄復合物原子結構演化；

圖4. 性能測試

a) 剝離的g-C₃N₄和紅磷在1M Na₂SO₄光照下的線性掃描，插圖是剝離的g-C₃N₄和紅磷/ g-C₃N₄電極照片；

b) g-C₃N₄和紅磷/g-C₃N₄光電流響應；

c) g-C₃N₄和紅磷/g-C₃N₄EIS能斯特曲線；

d) Comparison of 裸露的紅磷，原始的g-C₃N₄，剝離的g-C₃N_4，紅磷/g-C₃N₄以及紅磷和g-C₃N₄的光催化產氫活性的比較；

e)紅磷/g-C₃N₄.產氫循環測試；

圖5. 理論分析

a) g-C₃N₄ (左)，紅磷/g-C₃N₄ (右)的電荷俘獲模型的示意圖；

b) 短時間尺度；

c) 長時間尺度；

d) 納秒——TA 延遲動力學；

【總結】

研究人員在g-C₃N₄納米片上采用CVD法一步合成了結晶的紅磷納米粒子。在g-C₃N₄上摻雜磷原子能夠修復g-C₃N₄的化學缺陷。這可以抑制g-C₃N₄在深層次的電荷俘獲以及減少不活躍的陷阱態。通過優化摻雜的紅磷納米粒子的g-C₃N₄延長了活性電荷的壽命，在可見光范圍內得到了優異的穩定了光催化產氫活性。

文獻鏈接：Effective Prevention of Charge Trapping in Graphitic Carbon Nitride with Nanosized Red Phosphorus Modification for Superior Photo(electro)catalysis (Adv. Funct. Mater. 2017., DOI: 10.1002/adfm.201703484)

本文由材料人新能源學術組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。

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