新疆理化所在光催化劑表面缺陷調(diào)控及應(yīng)用研究中獲系列進展

　　半導(dǎo)體光催化技術(shù)因在環(huán)境和能源領(lǐng)域的重要應(yīng)用而引起科研工作者及企業(yè)界人士的關(guān)注。但是，傳統(tǒng)商業(yè)中TiO2半導(dǎo)體光催化劑禁帶寬度比較大，光催化活性局限于只占太陽光中4%左右的紫外區(qū)。因此，為改善TiO2半導(dǎo)體光催化劑的性能，有必要對其結(jié)構(gòu)進行修飾，擴展其光譜響應(yīng)范圍，同時提高光生電荷的利用率。

　　近年來，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室科研人員開展了缺陷結(jié)構(gòu)對TiO2光催化性能影響的系統(tǒng)研究，研究成果相繼發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental (2015, 176，354-362)，Scientific Reports (2015, 5, 15804)，Applied Catalysis A: General (2016, 510, 34-41)等國際期刊上。

　　在此基礎(chǔ)上，科研人員將缺陷結(jié)構(gòu)影響光催化活性的思路從傳統(tǒng)半導(dǎo)體光催化劑引入到新型有機聚合物光催化劑石墨相氮化碳（g-C3N4）上，在光催化劑表面缺陷的調(diào)控及應(yīng)用方面取得了進一步進展。g-C3N4是一種非金屬有機聚合物半導(dǎo)體，因具有很好的穩(wěn)定性及半導(dǎo)體性能而被認(rèn)為在太陽能利用方面有很大潛力。但是，純的g-C3N4的光催化活性不是很高。該團隊在高溫氮氣氣氛條件下對g-C3N4進行后處理，成功地在g-C3N4的表面引入了氮空位缺陷。在光催化實驗過程中，科研人員發(fā)現(xiàn)氮空位可以賦予g-C3N4在可見光照射下進行光催化固氮的能力。之后科研人員設(shè)計了一系列實驗探究g-C3N4光催化固氮的微觀機理，發(fā)現(xiàn)氮空位一方面可以使g-C3N4從空氣中選擇性地吸附氮氣并將其活化；另一方面可以促使光生電子從g-C3N4的表面向被吸附的氮氣分子轉(zhuǎn)移。該研究成果已發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。

　　此外，科研人員利用熱氬氣分子撞擊g-C3N4表面，成功地在g-C3N4的表面引入了碳空位缺陷。鑒于雙氧水在生物、環(huán)境以及化工領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用，而現(xiàn)有生產(chǎn)雙氧水的技術(shù)比較復(fù)雜而且耗費能源，科研人員利用合成出的g-C3N4以及含有碳空位的g-C3N4開展光催化活化分子氧生產(chǎn)雙氧水的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不加入任何助催化劑及犧牲劑的情況下，碳空位可以大大提高g-C3N4光催化產(chǎn)生雙氧水的能力（圖1）。研究還發(fā)現(xiàn)碳空位降低了g-C3N4的結(jié)構(gòu)對稱性及禁帶寬度，從而拓展了材料對可見光的吸收能力；碳空位周圍的氨基可以促進光生電子轉(zhuǎn)移，將g-C3N4活化分子氧的途徑從兩步單電子還原過程變成一步雙電子還原過程（圖2）。該研究成果發(fā)表在Applied Catalysis B: Environmental上并引起同行的關(guān)注。

　　相關(guān)研究工作受到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“百人計劃”、中國科學(xué)院創(chuàng)新國際團隊、中國科學(xué)院“西部之光”等項目支持。

圖1. 碳空位提高g-C3N4光催化還原氧氣生成雙氧水的能力 

圖2. 碳空位改變g-C3N4光催化還原氧氣生成雙氧水的機理