半导体光催化分解纯水产生氢气和氧气被认为是一种将太阳能转化为化学能的理想方法。但由于光吸收与氧化还原电势之间的热力学限制，单组分光催化分解纯水体系仍面临严峻挑战。受植物光合作用的启发，耦合两种不同光催化剂构建Z型光催化体系有望实现高效分解纯水产氢产氧。构建Z型体系必须同时满足两个基本要求：能带结构匹配的产氢催化剂和产氧催化剂，两者之间有效的电荷传输。但是目前只有少数Z型体系被报道可实现光催化分解纯水同时产氢产氧。模拟自然界光合作用构建Z型光催化体系是实现光催化分解纯水的有效途径之一，但耦合能带结构匹配的产氢催化剂和产氧催化剂来构建Z型光催化体系困难重重。

       我实验室郭烈锦院士团队沈少华教授课题组利用含硼杂质/氮缺陷的g-C₃N₄超薄纳米片成功构建了具有优异光催化分解纯水性能的Z型异质结。本文制备了能带结构可连续调控的含硼杂质/氮缺陷的g-C₃N₄超薄纳米片，分别用作产氢和产氧光催化剂，并采用静电自组装法构建一系列g-C₃N₄基2D/2D异质结。研究结果表明，得益于纳米片超薄结构、界面相互作用以及交错排列的能带结构，光生载流子在异质结界面处以Z型路线高效地分离和转移。在模拟太阳光照射下，以Pt和Co(OH)₂分别作为产氢和产氧助催化剂，构建的g-C₃N₄基2D/2D Z型异质结具有优异的光催化分解纯水性能，可按照化学计量比同时产氢产氧，太阳能-氢能的能量转化效率达到1.16％。研究主要创新点如下：

       1. 利用超薄g-C₃N₄纳米片界面接触面积大、电荷传输能力强且能带结构易于调控的优点，通过静电自组装法成功构建了g-C₃N₄基2D/2D Z型异质结，并实现了高效光催化分解纯水。

       2. 将含硼杂质/氮缺陷的g-C₃N₄同时作为产氢和产氧催化剂构建Z型异质结，并调控硼杂质与氮缺陷浓度优化g-C₃N₄能带结构及g-C₃N₄基2D/2D Z型异质结的界面载流子传输性能和氧化还原驱动力。在助催化剂辅助情况下，太阳能-氢能转化效率达到1.16%。

       3. 结合一系列实验表征与理论计算结果证明，利用同种材料来分别产氢和产氧催化也可成功构筑Z型异质结，通过能带结构调控可实现高效的Z型载流子传输，并提供足够的氧化还原驱动力，从而获得优异的光催化分解纯水性能。

图1 CNN/BDCNN Z型异质结光催化分解纯水性能

图2 CNN/BDCNN Z型异质结载流子传输特性

图3 BDCNN/BDCNN Z型异质结光催化性能优化

       本研究成功构建了基于g-C₃N₄的2D/2D Z型异质结用于光催化分解纯水。通过同时引入硼杂质和氮缺陷，调控g-C₃N₄超薄纳米片的能带结构，获得了光催化性能优异的产氢催化剂和产氧催化剂；利用静电自组装法构建g-C₃N₄基Z型异质结。在Pt和Co(OH)₂助催化剂的辅助作用下，构建的g-C₃N₄基Z型异质结表现出高达1.16％的太阳能-氢能转化效率。优异的光催化性能源自产氢组分与产氧组分之间的Z型电荷传输：一方面，异质结界面的Z型电荷传输有效地促进电荷的分离和转移，另一方面，g-C₃N₄基Z异质结中产氢和产氧催化剂上的光生电子和光生空穴具有足够高的势能去驱动水还原与氧化反应，从而实现光催化分解纯水同时产氢产氧。该研究工作表明，通过精细调控聚合物半导体的能带结构，可同时获得具有高活性的产氢和产氧光催化剂，并用于构建基于同种物质的Z型异质结光催化体系。该研究为设计和构建新型高效的Z型光催化体系提供了一种可借鉴的新思路。

       该研究成果以“Boron-doped nitrogen-deficient carbon nitride-based Z-scheme heterostructures for photocatalytic overall water splitting”为题，于3月22日在《Nature Energy》杂志上在线发表。西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室副主任、国家级青年人才沈少华教授为论文通讯作者，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室赵大明博士为第一作者，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室为通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目、国家重点研发计划、动力工程多相流国家重点实验室自主课题等项目的支持。

       论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-021-00795-9

       论文原文：DOI：10.1038/s41560-021-00795-9

       沈少华教授主页：http://ircre.xjtu.edu.cn/shen/content/home.html