近日，北京理工大学生命学院绿色生物制造团队在石墨相氮化碳（g-C3N4）光化学材料方面发表综述文章，相关成果以“Design and Application of g-C3N4-based Materials for Fuels Photosynthesis from CO2 or H2O Based on Reaction Pathway Insights”为题发表于顶级期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（影响因子9.965），北京理工大学生命学院2019级博士生贺滨为第一作者，通讯作者为孙剑教授。
随着工业化进程的加剧及人口的不断增长，能源危机和环境污染成为全球性问题。探索清洁可再生能源的生产及CO2高值化利用对于缓解能源危机、改善环境状况以及促进碳中和具有重要意义。受植物光合作用的启发，以太阳光为驱动力，在半导体催化剂的作用下，实现光催化CO2转化（CRR）及光解水制氢（HER）正在逐步成为具有巨大发展潜力的策略。如何合理地设计高效的半导体光催化剂已成为相关领域的一个研究热点（图1）。
图1. 基于Web of Science及VOS Viewer分析所得到的研究热点示意图
石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一类具有可见光响应的非金属有机聚合半导体，被誉为“圣杯光催化剂”，在实现上述过程中表现出独特的优势（如绿色、经济、产物多样等），然而，受带隙结构、界面特性等影响，g-C3N4催化效率难以有效满足实际需求。针对g-C3N4可见光利用率低、载流子复合严重等问题，课题组前期对其进行了较为系统的改性研究，从化学修饰、异质结强化、电子调控角度出发，发展了基于生物基碳修饰（ Appl. Surf. Sci. , 2020, 527, 146737； Green Energy Environ., 2020, 823-845）、碱金属-同质结构建（ Appl. Surf. Sci. , 2022, 575, 151695），聚合离子液体纳米核壳材料复合（ Chem. Eng. J., 2022, 135625）等策略，较好地提升了g-C3N4的可见光催化降解污染物以及光解水产氢性能。在本综述中，作者尝试将HER及CRR催化反应过程分解为5个主要步骤（图2）：① 光子吸收及载流子产生、② 载流子分离及迁移、③ 反应物的吸附及活化、④ 界面氧化还原反应以及⑤ 产物的脱附；其中，①~③是主要的决速步骤。其中，光子吸收作为第一步决定了对太阳光的利用率。作者指出通过表面光敏化、等离激元共振效应（SPR）可以有效地拓展光谱吸收范围，增加对可见光的捕获能力，进而产生更多的电子空穴对。同时，作者通过分析光敏化及SPR效应的作用机理，详细阐述了这两种策略的设计原则及应用条件。针对载流子复合严重的问题（第②步），作者从问题的原因出发（带隙、导电性等），总结了主要解决策略，如异质结构建、元素掺杂及提高结晶性等。进而，详细讨论了异质结种类、掺杂元素及结晶性提升的作用机理、优缺点、构建策略等。针对反应物的活化和吸附（第③步），作者指出通过界面修饰及多孔材料复合能增加对反应物的吸附活化，抑制副反应发生，从而提升催化反应的效率。
图2. CRR及HER的反应过程及强化手段
最后，针对设计高效光催化剂用于CO2转化及氢能制备，作者认为催化剂的设计除了要关注材料结构和性能之外，还需要更加关注反应体系的特点和难点。因此，结合先进的原位表征手段，深入地理解CRR及HER的反应机理、光生载流子的传输路径、反应物的界面行为等，对于催化剂的设计具有重要意义。发展多场耦合策略（光-热，光-电，光-酶等）能够集合多重优势，实现CRR及HER过程反应速率的大幅提升。本工作的开展旨在为设计高效光催化材料、光热材料等提供参考和借鉴。
论文详情：Bin He, Yuandong Cui, Yu Lei, Wenjin Li, Jian Sun, Design and Application of g-C3N4-based Materials for Fuels Photosynthesis from CO2 or H2O Based on Reaction Pathway Insights. DOI:10.1016/j.jcis.2022.09.114.
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.09.114.
附团队简介：
绿色生物制造团队围绕国家“双碳”和可持续发展战略需求，注重化学、生物、化工、材料等多学科交叉融合，开展功能化离子液体基础及应用研究，具体方向包括功能化离子液体设计及微环境作用，生物基化学品和材料合成，光、电、热、生物等过程耦合，以及仿生功能器件构建等。团队现有教师3人，负责人为孙剑教授，北京理工大学特立青年学者，中国纤维素行业协会技术委员会副主任，中国化工学会离子液体专委会委员，中国膜工业协会医药生物用膜技术委员会委员，Green Energy Resour. 编委，Energy Environ. Mater., Chinese J. Chem. Eng., Green Chem. Eng.等青年编委，长期从事基于离子液体的绿色过程研究。团队成员阎继鹏副教授，长期从事生物质的高效绿色转化，生物基材料及化学品的开发与利用；赵伟东助理教授，一直从事新型生物传感器的研究，开发了多种新型SERS基底，实现了SERS基底的规模化和图案化制备。
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