在Na?CO?辅助下，合成掺钠的晶体/非晶g-C?N?-S结构异质结光催化剂，用于提高H?O?的产率

《Chinese Journal of Catalysis》：Na 2CO 3-assisted synthesis of Na-doped crystalline/amorphous g-C 3N 4 S-scheme homojunction photocatalyst for enhanced H 2O 2 production

Na2CO3诱导结晶调控策略一步合成S型同质结g-C3N4光催化剂，其H2O2产率达444.6 μmol·L?1·h?1，较原催化剂提升6.1倍，归因于电荷分离增强与Na掺杂协同优化界面反应动力学。

　　近年来，随着对绿色能源和可持续化学工艺的需求日益增长，氢过氧化物（H?O?）作为一种高效的绿色氧化剂，受到了广泛关注。H?O?在有机合成、消毒、环境污染治理等多个领域具有重要应用价值，而目前全球超过95%的H?O?生产依赖于传统的蒽醌法。这种方法虽然在工业上成熟，但其高能耗、复杂的实验操作流程以及对环境的严重污染，限制了其进一步发展和推广。因此，寻找一种更加环保、高效且可持续的H?O?制备方法成为科研领域的重点。

在这一背景下，光催化H?O?生成技术因其利用水和氧气作为原料，同时依赖太阳能作为能量来源，展现出巨大的潜力。这种技术不仅能够降低生产成本，还能够减少对化石燃料的依赖，从而实现绿色生产的目标。然而，当前的光催化系统在实际应用中仍面临一定的挑战，主要体现在其催化效率较低、光生载流子分离能力不足以及反应界面动力学较慢等方面。这些问题严重制约了光催化技术在大规模应用中的可行性。

为了解决上述问题，研究者们不断探索新型的光催化剂材料和制备方法。其中，构建具有优异界面匹配度和低界面电荷迁移阻力的g-C?N?同质结（homojunction）被认为是一种具有前景的策略。g-C?N?是一种由三嗪环和苯并三嗪环组成的二维材料，具有可调的分子结构、合适的带隙（约2.7 eV）以及出色的可见光响应特性。然而，传统的g-C?N?材料在实际应用中也存在一定的局限性，如光吸收范围较窄、光生载流子复合率高、界面反应动力学缓慢等。

针对这些问题，研究人员提出了多种改进策略，包括掺杂、形貌调控、异质结或同质结构建等。其中，构建异质结或同质结可以有效扩展单组分g-C?N?的光响应范围，提高光生载流子的分离效率，并增强目标反应的光还原动力学。在这些方法中，同质结相较于异质结具有更优的界面匹配度、更强且持续的内建电场、更低的界面势垒以及更低的电荷迁移阻力，因此在提升光催化性能方面表现出更大的潜力。

因此，构建基于g-C?N?的同质结材料成为研究热点，其核心目标是通过优化材料结构和界面特性，克服传统g-C?N?的局限性。近年来，已有多个研究成功构建了g-C?N?同质结材料，并在光催化反应中表现出良好的性能。例如，Foo等人采用了一种基于共晶盐（KCl/LiCl）的热聚合策略，使用尿素作为前驱体，制备了七嗪/三嗪同质结，用于同时生成H?O?和氧化苯甲醇。这种方法的关键在于逐步加入KCl和LiCl，以调节聚合过程，从而形成结构有序的同质结。

此外，Shi等人开发了一种基于熔盐（NaCl/KCl）的热聚合方法，成功构建了由低结晶度和高结晶度g-C?N?组成的Z-方案异质结构。这种方法首先对尿素进行预热，随后将其与NaCl/KCl混合，进行高温煅烧，从而形成结构有序的g-C?N?材料。He等人则采用气相剥离和熔盐（NaCl/KCl）协同策略，获得了有序-无序g-C?N?同质结。该方法首先对三聚氰胺（MA）和NH?Cl进行煅烧，以生成无序g-C?N?，随后再将其与NaCl/KCl混合进行煅烧，从而形成有序-无序的同质结。

这些研究虽然在构建g-C?N?同质结方面取得了显著进展，但其制备过程通常涉及复杂的多步骤操作，并且需要借助一些有毒或有害的化学试剂，这在一定程度上限制了其实际应用的可行性。例如，许多方法使用了锂氯化物作为聚合反应的溶剂，而锂氯化物的毒性和对环境的潜在危害，使得其在绿色化学体系中难以被广泛采用。此外，这些方法中使用的共晶盐或熔盐的共熔点通常低于550°C，以确保其作为溶剂的可行性，这在一定程度上限制了溶剂的选择范围，并对方法的进一步发展提出了挑战。

为了解决这些问题，本研究提出了一种创新的基于碳酸钠（Na?CO?）诱导的结晶性调控策略，成功在一步煅烧过程中合成了一种钠掺杂的结晶/非晶g-C?N? S-方案同质结光催化剂。该策略的关键在于首先对三聚氰胺（MA）和氰尿酸（CA）分子进行预组装，随后在煅烧过程中引入碳酸钠，以调控结晶过程并实现钠掺杂。碳酸钠不仅是一种绿色环保的试剂，而且能够在煅烧过程中作为有效的反应位点，加速聚缩合反应，从而生成结构有序的g-C?N?材料，同时作为钠掺杂的来源。

此外，碳酸钠还能与未被调控的、由完全组装的MA和CA生成的非晶g-C?N?形成同质结。这种结构的形成不仅有助于提升光生载流子的分离和迁移效率，还能够优化反应界面的动力学，从而显著提高H?O?的生成速率。实验结果表明，所制备的g-C?N? S-方案同质结光催化剂表现出显著的H?O?生成性能，其生成速率高达444.6 μmol·L?1·h?1，是纯g-C?N?的6.1倍。这一优异性能的提升主要归因于S-方案同质结对光生载流子分离和迁移的协同效应，以及钠掺杂对反应界面动力学的优化作用。

通过实验和理论计算的结合，本研究进一步揭示了钠掺杂对材料性能的提升机制。钠元素的引入不仅能够调节g-C?N?的结晶性和非晶结构，还能够增强其电子导电性和光催化活性。此外，钠掺杂还能改善材料的表面性质，使其在光催化反应中表现出更高的反应活性和选择性。这些研究结果表明，通过优化材料的结构设计，可以有效提升光催化反应的效率，为H?O?的绿色制备提供了一种新的思路。

本研究提出的方法不仅简化了g-C?N?同质结的制备过程，还避免了传统方法中对有毒试剂的依赖，从而提高了材料的环境友好性和经济可行性。这一创新策略的成功应用，为构建高效、稳定的g-C?N?同质结材料提供了新的可能性，并为光催化技术在实际应用中的推广奠定了基础。此外，本研究还展示了如何通过调控前驱体的组成比例和引入适当的调节剂，实现对材料结构和性能的精确控制，从而为未来的研究提供了有价值的参考。

从材料科学的角度来看，g-C?N?同质结的构建不仅需要考虑其结构的有序性和非晶性之间的平衡，还需要关注其在光催化反应中的界面特性。界面特性对于光生载流子的分离和迁移具有至关重要的作用，因此，优化界面结构是提升光催化性能的关键。在本研究中，通过引入碳酸钠，不仅实现了对g-C?N?结晶性的调控，还能够有效促进钠元素的掺杂，从而改善材料的电子结构和光响应特性。

同时，本研究还对g-C?N?同质结的形成机制进行了深入探讨。研究表明，S-方案同质结的形成主要依赖于前驱体的分子组装程度和煅烧过程中的反应调控。通过精确控制MA与CA的比例，可以实现对分子组装过程的调控，从而影响最终材料的结构和性能。此外，碳酸钠的引入不仅能够促进聚缩合反应的进行，还能调节材料的结晶度，使其在光催化反应中表现出更高的效率。

从应用角度来看，本研究提出的方法不仅适用于H?O?的生成，还可能拓展到其他光催化反应领域。例如，H?O?作为一种重要的氧化剂，可以用于有机合成、污水处理、空气净化等多个方面。因此，构建高效的g-C?N?同质结材料，不仅能够提升H?O?的生成效率，还可能为其他光催化反应提供新的催化剂选择。此外，本研究还展示了如何通过优化材料的结构设计，提高其在不同反应条件下的适用性和稳定性。

综上所述，本研究提出了一种创新的基于碳酸钠诱导的结晶性调控策略，成功构建了一种钠掺杂的结晶/非晶g-C?N? S-方案同质结光催化剂。该方法不仅简化了材料的制备过程，还避免了传统方法中对有毒试剂的依赖，从而提高了材料的环境友好性和经济可行性。实验结果表明，该材料在光催化反应中表现出优异的H?O?生成性能，其生成速率显著高于传统g-C?N?材料。此外，该材料的优异性能主要归因于S-方案同质结对光生载流子分离和迁移的协同效应，以及钠掺杂对反应界面动力学的优化作用。

本研究的成功不仅在于其创新的制备方法，还在于其对材料结构和性能的深入理解。通过实验和理论计算的结合，研究者能够揭示材料在光催化反应中的作用机制，并为未来的研究提供理论支持和实验指导。此外，本研究还强调了在绿色化学和可持续发展背景下，如何通过优化材料的结构设计和制备方法，实现对光催化性能的提升。

未来的研究方向可能包括进一步优化材料的结构设计，探索更多的调节剂和掺杂元素，以提升g-C?N?同质结的光催化性能。此外，还可以研究如何将这种材料应用于更广泛的光催化反应中，如有机合成、污水处理、空气净化等。同时，还可以探索如何通过调控反应条件，提高材料的稳定性和重复使用性，以满足实际应用的需求。

总之，本研究提出了一种创新的、绿色的、高效的g-C?N?同质结构建方法，为H?O?的绿色制备提供了新的思路和技术支持。这一方法不仅简化了材料的制备过程，还提高了其在实际应用中的可行性，为未来的光催化研究和应用提供了重要的参考价值。