CoWO4/管状g-C3N4复合材料的双功能光催化与超级电容性能研究：高效产氢、水体净化与能源存储

研究人员针对光催化产氢效率低、污染物降解能力不足及超级电容材料稳定性差等问题，通过构建CoWO4/管状g-C3N4(TCN)异质结，显著提升了可见光驱动的四环素降解速率（0.0198 min?1）和产氢性能（1997 μmol/g·h），同时优化了电极的循环稳定性（>2000次）。该研究为多功能能源材料设计提供了新思路。

　　

随着全球能源危机与环境问题加剧，开发兼具高效能源转换与污染物处理能力的多功能材料成为研究热点。金属钨酸盐（如CoWO₄）虽具有可见光响应（带隙?2.8 eV）和氧化还原活性，但面临电荷复合率高、电容性能差等瓶颈；而石墨相氮化碳（g-C₃N₄）虽具备优异光吸收特性，其块体形态却受限于低比表面积和载流子迁移率。如何通过材料协同效应突破单一组分性能限制，成为该领域的关键科学问题。

针对上述挑战，Gebze技术大学的研究团队创新性地将CoWO₄纳米球与管状形貌g-C₃N₄（TCN）复合，系统考察了其在光催化产氢、抗生素降解及超级电容应用中的双功能性能。研究发现，优化比例的CoWO₄/TCN-2复合材料展现出显著协同效应：四环素降解速率常数（0.0198 min^?1）较单一CoWO₄和TCN分别提升5.21倍和3.73倍；光催化产氢速率达1997 μmol/g·h，较TCN提高2.03倍。电化学测试表明，复合材料电极在保持高倍率性能（>85%）和库伦效率（>90%）的同时，经2000次充放电循环后电容保持率超越纯TCN电极。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为设计"一材多用"的能源环境材料提供了重要参考。

关键技术方法包括：通过水热法合成CoWO₄纳米球并与TCN复合；采用SEM-EDX、HRTEM、XPS等多尺度表征手段解析材料形貌与界面特性；利用UV-vis DRS和PL光谱研究光学性质；通过电化学工作站（CV、GCD、EIS）评估储能性能；建立可见光驱动下的四环素降解与产氢测试体系。

研究结果

1. 材料表征：XRD证实复合材料中CoWO₄的(010)、(001)晶面与TCN的(002)面共存，HRTEM显示两相紧密接触界面；XPS揭示W⁶⁺/W⁴⁺和Co²⁺/Co³⁺氧化还原对的存在，表明复合后电子结构优化。

2. 光催化性能：CoWO₄/TCN-2的产氢活性（1997 μmol/g·h）源于p-n异质结促进的电荷分离，其表观量子效率较TCN提升109%；四环素降解实验证实·OH和h⁺为主要活性物种，动力学常数较纯组分提高3-5倍。

3. 电化学性能：虽然纯CoWO₄电极展现更高比电容（92 F/g），但CoWO₄/TCN-2通过增强电极润湿性实现长期稳定性，2000次循环后容量保持率优于TCN。EIS分析表明复合材料电荷转移电阻（R_ct）降低60%。

结论与意义
该研究证实管状g-C₃N₄与CoWO₄的协同作用可同时提升光催化与电容性能：一方面，TCN的管状结构通过多重光散射增强光捕获，其与CoWO₄的能带匹配促进了S型电荷转移；另一方面，g-C₃N₄中氮原子掺杂改善了电极/电解质界面润湿性，而CoWO₄的八面体Co位点与四面体W位点协同加速了法拉第反应动力学。这种"异质结工程+形貌调控"双策略为开发兼具高效环境修复与能源存储功能的智能材料开辟了新途径，尤其适用于分布式太阳能-化学能转换系统。