综述：基于g-C3N4的混合金属/半导体异质结纳米复合材料在光催化水分解制氢中的应用：综述

《Resources, Conservation and Recycling》：g-C 3N 4 based mixed metal/semiconductor heterojunction nanocomposites towards photocatalytic water splitting for hydrogen production: A review

氢能生产 | g-C3N4 | 光催化 | 异质结 | 金属氧化物 | 硫化物掺杂 | 缺陷工程 | 合成方法优化 | 催化效率提升 | 稳定性研究

　　g-C3N4，一种非金属半导体聚合物材料，因其独特的物理和化学特性，在光催化领域展现出了巨大的潜力。该材料具有适中的能带间隙（约2.7 eV），优异的结构稳定性，低毒性，良好的热稳定性，以及经济的合成方式，使其成为一种备受关注的光催化剂。然而，尽管g-C3N4具有诸多优点，其在光催化水分解过程中仍然存在一些关键问题，如电荷载流子的快速复合、可见光吸收范围有限以及活性位点不足等。这些问题限制了其在实际应用中的性能表现，因此，为了提升其光催化性能，研究者们采取了多种策略，包括元素掺杂、缺陷工程、负载贵金属以及构建异质结等。

光催化水分解是一种将太阳能转化为化学能的重要技术，能够生产氢气并解决能源危机和环境污染问题。然而，传统光催化剂由于能带间隙过宽，导致其在可见光范围内的吸收能力不足，同时电荷载流子的快速复合也影响了其性能。因此，研究者们不断探索改进策略，以优化g-C3N4的结构并提高其光催化水分解的效率。这些改进方法包括引入异质结、构建金属-半导体复合结构、调整材料的物理形态，以及引入非金属元素掺杂等。

在光催化过程中，电荷载流子的分离与转移是关键步骤之一。通过构建异质结，可以有效地延长电荷载流子的寿命，提高其分离效率，从而增强光催化性能。例如，S型异质结通过协同作用提高了电荷分离效率和红ox能力，为光催化水分解提供了新的思路。此外，Z型异质结通过引入中间媒介体，使得电荷载流子能够分别参与水分解的还原和氧化反应，从而提高整体反应效率。

为了进一步提高g-C3N4的光催化性能，研究者们还探索了多种材料组合，如金属氧化物、硫化物、碳化物、磷化物等。这些材料与g-C3N4结合后，可以显著提升其光催化水分解效率。例如，NiO-NiSx/g-C3N4复合材料在可见光下展现出更高的氢气生成效率，同时保持了良好的稳定性。此外，引入贵金属如Pt、Au等，不仅能够提高电荷载流子的转移效率，还能增强材料的光吸收能力，从而提升整体的光催化性能。

g-C3N4的结构设计和合成方法也是提升其光催化性能的重要因素。通过不同的合成方法，如热解、水热、固相反应、球磨、物理气相沉积、模板法、微波辅助法等，可以调控g-C3N4的形貌和结构，从而优化其光催化性能。例如，通过引入缺陷或调整材料的比表面积，可以增强其光吸收能力和电荷分离效率。此外，通过调控材料的纳米结构，如纳米片、纳米管、多孔结构等，可以增加其活性位点，提高光催化反应的效率。

在实际应用中，g-C3N4基异质结纳米复合材料的稳定性也是一个关键问题。尽管这些材料在实验室条件下表现出优异的性能，但在实际应用中仍需解决其在长期使用过程中的稳定性问题。因此，研究者们尝试通过构建稳定的异质结结构、引入高导电性的辅助材料、以及优化合成条件等方法，来提高其稳定性。

综上所述，g-C3N4基异质结纳米复合材料在光催化水分解方面展现出巨大的潜力，但其实际应用仍面临诸多挑战。未来的研究应聚焦于优化材料的结构和能带排列，提高其可见光吸收能力和电荷分离效率，同时增强其稳定性和耐久性。通过这些努力，有望开发出更加高效、经济且环保的光催化剂，为可持续的能源生产和环境治理提供新的解决方案。