王磊/吴亭亭团队：2D/2D多孔NiCo氧磷化合物/g-C₃N₄平面异质结构，实现高效稳定光催化产氢
2023-03-14
摘要：团队通过优化NiCoOP与g-C3N4的比例，可获得的最高光催化产氢速率1.4 mmol h-1 g-1，是单体g-C3N4的33倍
光催化分解水是利用太阳光获取清洁能源的重要方式，在解决全球能源危机方面潜力巨大，近年来深受国内外的关注。在众多光催化材料体系中，由于石墨化氮化碳(g-C3N4)的制作方法简单、成本低廉、稳定性高、能带结构适合，已成为目前光催化领域的研究热点之一。但对于单体g-C3N4来说，其内部产生的光生载流子极易发生复合，同时材料表面活性位点缺乏，导致其光催化性能仍然很差。大量的研究工作表明，构建异质结是解决上述问题的重要方式之一，而异质结的界面接触质量则是决定光催化活性的关键因素。与点接触(0D/2D)和线接触(1D/2D)相比，面接触的2D/2D结构可显著减少电荷的传输距离，同时有效增加电荷的传输通道。然而，截至目前，大多数已构建的2D/2D体系仍需要沉积贵金属助催化剂才能表现出优异的光催化性能，而贵金属的高成本和稀缺性注定了这类手段在未来商业应用时会受到极大限制。因此，如何基于g-C3N4材料，设计一种无需贵金属的2D/2D高效光催化体系具有非常重要的意义。
本团队通过原位磷化方法首次合成了二维多孔NiCo氧磷化合物(NiCoOP)/g-C3N4纳米片2D/2D异质结构(OPCN)。通过优化NiCoOP与g-C3N4的比例，可获得的最高光催化产氢速率1.4 mmol h-1 g-1，是单体g-C3N4的33倍。同时本工作通过一系列的结构及电化学表征证实，该复合材料优异的光催化活性主要源于以下两个方面：（1）其界面间的键合效应及材料内部丰富的电荷转移路径均有助于光生电荷分离及传输；（2）NiCoOP材料表面的多孔结构可以提供更多的活性位点以促进表面反应的进行。进一步的测试分析表明，该材料除了具有优异的产氢性能外，其在长时间的可见光循环测试条件下同样表现出稳定的光催化特性。
图1 2D/2DNiCoOP/g-C3N4光催化材料的合成过程以及结构表征。
图2 2D/2D NiCoOP/g-C3N4光催化材料的光催化产氢活性及稳定性测试。
作者简介
王磊，教授，山东省杰青，泰山学者青年专家，青岛科技大学环境学院院长，崂山学者，博士生导师。2006年博士毕业于吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室，同年来青岛科技大学工作至今。近年来关注于无机微纳米材料的合成方法及其在在能源储存与转换方面的应用研究。已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Enery Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., Nano Lett, Science.China.Chem.、中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文三百余篇，其中通讯作者影响因子大于10.0的论文一百余篇。主持国家级和省部级项目十余项，首位获得中国石油和化学工业联合会科技进步奖、山东省高等学校科学技术奖共六项。
吴亭亭，副教授，硕士生导师，2019年获得中国科学院金属研究所材料学专业博士学位（中国科学技术大学材料学院）。2019年9月-至今，任职于青岛科技大学化工学院化工原理教研室。主要研究方向为高效能源转换材料与存储器件的设计。迄今为止已在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、ScienceBulletin、Small Methods等国际期刊发表SCI论文16篇，授权发明专利3项。
文章信息
Zhang G, Li X, Li N, et al. Face-to-face heterojunctions within 2D/2D porous NiCo oxyphosphide/g-C3N4 towards efficient and stable photocatalytic H2 evolution. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5352-6.
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