福州大學Angew. Chem. Int. Ed.: 吸光范圍可達紅光區的碳氮結構光催化劑用于氧化還原催化反應

【引言】

太陽能是可再生、可持續的清潔能源，為了解決全球能源與環境問題，利用太陽能進行光催化反應將反應底物轉化為能源產品已經引起了科研界的廣泛關注。而尋找一系列廉價、穩定和高效的光催化劑成為該研究的關鍵。碳氮聚合結構光催化劑由于制備方法簡單以及擁有合適的帶隙，因此近年來被大量研究（尤其是氮化碳光催化劑）。在太陽光譜中，可見光和近紅外光分別占全光譜的45%和50%。為了更充分地利用太陽光，擴大催化劑的吸光范圍成為當前研究熱點之一，目前主要的方法包括表面等離激元修飾以及摻雜改性半導體等。一般來說，氮化碳聚合物光催化劑只能吸收到可見光區（460 nm左右），遠遠無法滿足對太陽光充分利用的要求。當前，僅有幾篇文章報道了可以將氮化碳聚合物催化劑的吸光范圍擴大到接近紅外區。

【成果簡介】

近日，福州大學能源與環境光催化國家重點實驗室在Angewandte Chemie International Edition上發表最新研究成果“Photochemical Construction of Carbonitride Superstructures for Red-Light Redox Catalysis”。本文通過一種光化學聚合方法制備了具有準二維結構的新型碳氮聚合物催化劑。通過固體核磁和X射線近邊吸收譜證實該催化劑是一種三嗪基聚合物。這種新型碳氮催化劑吸光范圍可以達到735 nm的紅光區，是目前為止所報道的碳氮基催化劑中吸光范圍最寬的。在紅光區，該催化劑可以有效發揮氧化還原催化作用，比如醇的氧化和二氧化碳的還原催化反應。另外，本文也敬賀福州大學化學學院校友吳新濤院士八十大壽。

【圖文導讀】

圖一 光化學方法合成催化劑圖示

UV light光源：125 W高壓汞燈（波長大于280 nm）

圖二 氮化碳基催化劑結構表征

a. 高角環形暗場（HAADF）和元素分布圖
b. ¹⁵N NMR （黑線）和¹⁵N CPPI NMR(參比液氨)圖
c. C的K邊X射線近邊吸收譜圖（K-edge XANES）
d. N 的K邊X射線近邊吸收譜圖
e. XPS C 1s精細譜圖
f. XPS N 1s精細譜圖

圖三 氮化碳基催化劑光響應性能和能帶結構

a. 紫外可見漫反射圖及插圖中導出的帶隙（1.68 eV）
b. 歸一化光致發光光譜圖（PL譜）
c. 光電流響應曲線圖（-0.2 V偏壓，50 W LED燈）
d. 電子順磁共振圖（EPR）
e. XPS價帶譜圖
f. 碳氮基催化劑能帶結構示意圖

圖四 氮化碳基催化劑催化活性研究

a. 不同波長照射下苯甲醇氧化活性（10 h，333 K）
b. 不同對位取代基的苯甲醇轉換為醛的選擇性（420 nm LED，10 h，333 K）
c. 不同波長照射下二氧化碳還原活性（1 h，303 K）
d. 一氧化碳動力學曲線（303 K）

【小結】

該研究通過一種光化學聚合路線合成新型的氮化碳基光催化劑，其吸光范圍達到了紅光區（735 nm），實現了對太陽光的充分利用。同時，實驗結果表明，在紅光照射下（730 nm），該催化劑也能有效催化氧化醇和催化還原二氧化碳。該研究不僅僅大大提升了氮化碳基光催化劑的吸光范圍，而且所提出的光化學聚合法也為合成碳氮類催化劑提供了一種新的合成路徑。該研究對于充分利用太陽能進行光催化反應具有重要意義。

文獻鏈接：Photochemical Construction of Carbonitride Superstructures for Red-Light Redox Catalysis（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, DOI: 10.1002/anie.201804996）

本文由材料人編輯部新人組曹曉虎編譯，杜成江審核，點我加入材料人編輯部。

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