第一作者：吴官瑜

通讯作者：莫曌、佘小杰、许晖

通讯单位：江苏大学

原文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c01086

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本文研究的核心内容是关于一种新型氮化碳S型同质结（TSCN）在光催化整体水分解（OWS）中的应用。研究团队通过原位一步合成法成功构建了氮化碳纳米管/氮化碳纳米片（TSCN）型同质结,有效解决了单一半导体光催化剂载流子分离效率低以及异质结界面晶格失配等问题,实现了高效的光催化整体水分解。

背景介绍

光催化整体水分解（OWS）作为一种清洁、高效的制氢途径，可以直接利用太阳能将水分解为氢气和氧气，无需额外的牺牲剂，实现了太阳能到化学能的完全转化。然而，目前大多数光催化剂存在一些关键问题亟待解决。在众多光催化剂材料中，石墨相氮化碳（g-CN）因其独特的物理化学性质而备受关注。它具有可调节的带隙结构，能够通过改变其组成和结构来调控光吸收范围；同时，其原料来源广泛、成本低廉且对环境友好，易于大规模制备和应用。此外，g-CN还具有良好的化学稳定性和热稳定性，使其在光催化反应中能够长时间保持活性。然而，尽管g-CN具有上述诸多优势，但其在实际应用中仍面临一些挑战。首先，g-CN的光吸收范围主要集中在紫外光区域，而紫外光仅占太阳光谱的很小一部分，这大大限制了其对太阳能的有效利用。其次，光生载流子（电子和空穴）在g-CN内部的复合速率较高，导致参与光催化反应的载流子数量有限，从而降低了光催化效率。这两个主要问题严重制约了g-CN在光催化制氢领域的广泛应用，因此，开发能够有效解决这些问题的新型光催化剂材料成为了研究的关键。

研究出发点

本研究的出发点是为了解决单一半导体光催化剂在光催化整体水分解领域面临的关键问题，包括光生载流子分离效率低以及光吸收范围有限等瓶颈，同时针对异质结光催化剂由于晶格失配而引发的界面缺陷多、载流子转移受阻等难题。这些问题严重制约了光催化剂的性能和实际应用，因此本研究旨在开发一种新型光催化剂，通过构建S型同质结结构来优化光催化剂的界面匹配和载流子分离效率，以满足光催化整体水分解。

图文解析

Figure 1. (a) Schematic diagram of the synthesis of TSCN. SEM image of bulk CN (b), intermediate (c), TCN (d), SCN (e), TSCN1520 °C (f–g). (h) TEM image of TSCN1520 °C. (i) SEM image of TSCN1520 °C and the corresponding elemental mapping of C (j), N (k), and O (l).

研究团队通过调整g-CN的微观纳米结构，采用原位生长法制备了TSCN S型同质结。通过控制合成温度和原料比例，获得了具有良好界面匹配和强界面电场（IEF）的同质结。多种表征手段，结合理论计算对TSCN的光催化机制进行了深入研究。

Figure 2. UPS of TCN (a) and SCN (b). VB-XPS spectra of TCN (c) and SCN (d). (e) Energy band structure of TCN and SCN.

通过紫外光电子能谱（UPS）和价带XPS（VB-XPS）光谱测定了TCN和SCN的功函数及能带结构，最终绘制的能带结构图显示TCN和SCN具有交错的能带结构，为形成S型同质结奠定了基础。

Figure 3. (a) Atomic force microscopy (AFM) image of TSCN. (b) Line profiles of thicknesses. Corresponding surface potential distribution (c) under dark state and (d) light irradiation of 420 nm. (e,f) Line profiles of surface potential, marked in (c) and (d). (g) Schematic diagram of charge transfer of TSCN S-scheme homojunction before and after contact and after illumination.

在光照下，SCN区域的表面电位变得更负，TCN区域变得更正，表明电子从TCN向SCN转移。线轮廓分析进一步量化了这种电位变化。基于这些结果，图3提出了TSCN S型同质结的电荷转移机制：暗态下电子从SCN流向TCN形成界面电场，光照后界面电场驱动电子从TCN向SCN转移，实现光生电子-空穴对的空间分离。

Figure 5. (a) Photocatalytic OWS performance of TSCN1520 °C. (b) Comparison of the photocatalytic OWS performance of different photocatalysts. (c) Photocatalytic OWS performance stability estimation of TSCN1520 °C.

全解水活性实现单一半导体到S型同质结的从无到有，并且表现出良好的稳定性。

Figure 6. (a) Electrostatic potential diagram of a TSCN homojunction. (b) Schematic representation of the interfacial charge transfer of TSCN homojunction under dark and light conditions obtained by calculating the Bader charge versus the differential charge density. (c) Schematic of the Gibbs free energy of hydrogen adsorption of Pt on different substrates. (d–f) Schematic structure and charge transfer diagrams of TSCN, SCN, and TCN, respectively. The calculation is as follows equation: Δρ = ρ(total) – ρ(total – Nads) – ρ(Nads). Yellow and cyan regions represent electron accumulation and depletion. (g) Free energy of adsorbed H2O oxidizes to O2 changes.

理论计算结果表明，TSCN中TCN和SCN的功函数不同，形成S型同质结后，界面处产生强IEF。在光照条件下，光生电子在IEF的驱动下从TCN向SCN转移，实现了光生电子-空穴对的空间分离，有效抑制了载流子的复合，从而提高了光催化性能。此外，TSCN在氢吸附脱附的吉布斯自由能（ΔGH*）方面表现出更接近零的值，有利于氢的生成。在氧进化反应（OER）方面，TSCN的能垒也低于TCN和SCN，表现出更好的OER性能。

总结与展望

本研究成功构建了TSCN S型同质结光催化剂，通过实验和理论计算相结合，深入探讨了其光催化机制。该研究不仅为解决单一半导体催化剂性能较低和异质结晶格失配问题提供了有效思路，而且为实现高效、低成本的光催化制氢技术提供了重要的理论依据和实验支持。

课题组介绍

许晖教授主页：https://hanxy.ujs.edu.cn/info/1251/23621.htm

许晖：江苏大学，教授，博士生导师，国家重点研发计划首席科学家、入选中组部“万人计划”青年拔尖人才、江苏省杰青、江苏省“333”工程培养对象、江苏省“六大人才高峰”高层次人才。2010年博士毕业于江苏大学，美国莱斯大学访问学者。现任中国能源学会能源与环境专业委员会委员，《催化学报》、《物理化学学报》青年编委。主要从事光电化学工程领域的研究工作，包括绿色氢能的高效制备、二氧化碳光电热催化转化等，主持了国家重点研发计划、国家级、省部级课题20余项，包括4项国家自然基金面上项目。在Nature Energy, Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Sci. Adv., AIChE J., Cell Reports Physical Science, Ind. Eng. Chem. Res.等国际期刊发表SCI论文300余篇。申请国内外专利80余项，授权中国发明专利20件。发表的论文被SCI引用24000余次，H指数83。其中33篇论文入选ESI高被引论文，10篇ESI热点论文。2013年获中国百篇最具影响国际学术论文奖(第一完成人)；2014年获得中国石油和化学工业联合会科技进步三等奖(第二完成人)；2018年与海南大学合作获海南省科技进步一等奖(第二完成人)；2019 年获得江苏省杰出青年基金，2019-2022年连续入选科睿唯安(ClarivateAnalytics)全球高被引科学家；2021-2023年连续入选爱思唯尔高被引学者；2019年指导研究生荣获第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖和江苏省赛区特等奖；2020年获侯德榜化工科学技术青年奖；2021年荣获中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖(第一完成人)。

佘小杰：江苏大学，教授/博导，主要致力于能源催化转化与利用的研究以及化学工程反应系统的设计研发。先后在美国辛辛那提大学化工系和香港理工大学应用物理系从事科研工作。目前主持香港地区及国家自然科学青年基金项目共3项，参与香港地区大型工程示范项目1项。在Nature Energy, Cell Reports Physical Science, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, ACS Nano等重要期刊发表SCI收录论文20余篇，其中5篇ESI 1%高被引论文，3篇热点论文，SCI他引超4500余次，H-Index为39。美国专利2项，中国专利3项。获得2018年江苏省优秀博士学论文奖、2020年Cell子刊最佳学术论文奖等。现为美国化学会会员，中国化学会会员。于2022年入选“江苏特聘教授”；2023年获批国家工信部海外引才专项；2024年获批江苏省优秀青年科学基金，并获得2023年第48届日内瓦国际发明展览会发明奖“金奖”、2024年第十九届“挑战杯”国赛一等奖等荣誉。

莫曌：江苏大学，副教授/硕士生导师。主要致力于能源/环境光催化材料的开发与利用。曾在新加坡南洋理工大学进行为期一年的博士联合培养。主持国家自然科学基金（青年项目）、中国博士后科学基金面上资助、企业横向等10余项。迄今发表SCI论文90余篇，其中以第一或通讯作者在ACS Catalysis、Small和Applied Catalysis B: Environmental等重要期刊发表SCI论文30余篇。先后入选ESI高被引论文10篇、ESI热点论文和封面论文各1篇。论文共计被引4638次，H因子34。申请专利37件，授权专利10件，授权PCT专利1件，成果转化1项。2021年和2024年获批江苏省高层次人才科技副总，入选斯坦福大学发布的“2023、2024年全球前2%顶尖科学家”，担任Rare Metals、Chinese Journal of Structural Chemistry（结构化学）、ChemPhysMater青年编委。2023年获批江苏省能源研究会科学技术奖二等奖。

原文信息

Guanyu Wu, Wei Zhang, Zhao Mo, Xinyu Zhao, Peipei Sun, Qiuheng Wang, Pengcheng Yan, Xiaojie She, and Hui Xu, S-Scheme Homojunction Carbon Nitride for Photocatalytic Overall Water Splitting. ACS Catal. 2025, 15, 8822−8832.