福州大学Angew. Chem. Int. Ed.: 吸光范围可达红光区的碳氮结构光催化剂用于氧化还原催化反应

【引言】

太阳能是可再生、可持续的清洁能源，为了解决全球能源与环境问题，利用太阳能进行光催化反应将反应底物转化为能源产品已经引起了科研界的广泛关注。而寻找一系列廉价、稳定和高效的光催化剂成为该研究的关键。碳氮聚合结构光催化剂由于制备方法简单以及拥有合适的带隙，因此近年来被大量研究（尤其是氮化碳光催化剂）。在太阳光谱中，可见光和近红外光分别占全光谱的45%和50%。为了更充分地利用太阳光，扩大催化剂的吸光范围成为当前研究热点之一，目前主要的方法包括表面等离激元修饰以及掺杂改性半导体等。一般来说，氮化碳聚合物光催化剂只能吸收到可见光区（460 nm左右），远远无法满足对太阳光充分利用的要求。当前，仅有几篇文章报道了可以将氮化碳聚合物催化剂的吸光范围扩大到接近红外区。

【成果简介】

近日，福州大学能源与环境光催化国家重点实验室在Angewandte Chemie International Edition上发表最新研究成果“Photochemical Construction of Carbonitride Superstructures for Red-Light Redox Catalysis”。本文通过一种光化学聚合方法制备了具有准二维结构的新型碳氮聚合物催化剂。通过固体核磁和X射线近边吸收谱证实该催化剂是一种三嗪基聚合物。这种新型碳氮催化剂吸光范围可以达到735 nm的红光区，是目前为止所报道的碳氮基催化剂中吸光范围最宽的。在红光区，该催化剂可以有效发挥氧化还原催化作用，比如醇的氧化和二氧化碳的还原催化反应。另外，本文也敬贺福州大学化学学院校友吴新涛院士八十大寿。

【图文导读】

图一 光化学方法合成催化剂图示

UV light光源：125 W高压汞灯（波长大于280 nm）

图二 氮化碳基催化剂结构表征

a. 高角环形暗场（HAADF）和元素分布图
b.¹⁵N NMR （黑线）和¹⁵N CPPI NMR(参比液氨)图
c. C的K边X射线近边吸收谱图（K-edge XANES）
d. N 的K边X射线近边吸收谱图
e. XPS C 1s精细谱图
f. XPS N 1s精细谱图

图三 氮化碳基催化剂光响应性能和能带结构

a. 紫外可见漫反射图及插图中导出的带隙（1.68 eV）
b. 归一化光致发光光谱图（PL谱）
c. 光电流响应曲线图（-0.2 V偏压，50 W LED灯）
d. 电子顺磁共振图（EPR）
e. XPS价带谱图
f. 碳氮基催化剂能带结构示意图

图四 氮化碳基催化剂催化活性研究

a. 不同波长照射下苯甲醇氧化活性（10 h，333 K）
b. 不同对位取代基的苯甲醇转换为醛的选择性（420 nm LED，10 h，333 K）
c. 不同波长照射下二氧化碳还原活性（1 h，303 K）
d. 一氧化碳动力学曲线（303 K）

【小结】

该研究通过一种光化学聚合路线合成新型的氮化碳基光催化剂，其吸光范围达到了红光区（735 nm），实现了对太阳光的充分利用。同时，实验结果表明，在红光照射下（730 nm），该催化剂也能有效催化氧化醇和催化还原二氧化碳。该研究不仅仅大大提升了氮化碳基光催化剂的吸光范围，而且所提出的光化学聚合法也为合成碳氮类催化剂提供了一种新的合成路径。该研究对于充分利用太阳能进行光催化反应具有重要意义。

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

本文由材料人编辑部新人组曹晓虎编译，杜成江审核，点我加入材料人编辑部。

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