氰胺单层多孔g-C3N5结构重组电子存储耦合Nb2C量子点实现高效光催化记忆效应

为解决光催化反应依赖持续光照的瓶颈问题，山东科研团队通过调控氰胺g-C3N5的氰基电子存储位点浓度与Nb2C量子点(QDs)耦合，构建出具有光催化记忆效应的6% Nb/CN-550-4复合催化剂。该材料在可见光终止后仍能保持945 μmol·g?1·h?1的暗态产氢速率，通过氰基诱导的束缚态电子存储-释放机制，实现16.7%的表观量子效率(AQY)，为间歇式太阳能制氢提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，太阳能驱动的水分解制氢技术被视为解决能源危机的关键路径。然而传统光催化材料严重依赖持续光照，一旦光源中断反应即刻停止，这种"见光活、无光死"的特性极大限制了实际应用。更棘手的是，长时间光照还会引发材料光腐蚀问题。如何让催化剂在黑暗环境中延续催化活性，成为突破技术瓶颈的核心挑战。

山东科研团队独辟蹊径，从电子存储机制入手开展创新研究。受生物体能量储存分子ATP的启发，研究人员设想：若能赋予催化剂类似"充电宝"的电子暂存能力，将光生电子以束缚态形式存储，就能在无光条件下持续释放能量驱动反应。这一被称为"光催化记忆效应"的现象，此前仅在TiO₂/Cu₂O等少数体系中观察到，但存在存储容量低、释放不可控等缺陷。

研究团队选择氮富集碳氮化物(g-C₃N₅)作为基体材料，其比传统g-C₃N₄具有更窄的带隙和更宽的光响应范围。通过熔盐辅助高温煅烧法，在550℃下处理4小时，成功将氰胺基团(-C≡N)锚定在单层多孔g-C₃N₅骨架上。这些氰基功能团犹如微型"电子仓库"，在光照时捕获自由电子转化为束缚态电子，黑暗时则选择性释放存储电荷。为加速电子传输，团队创新性地引入直径小于10 nm的Nb₂C量子点，其金属导电性和丰富表面末端基团构成高效电子高速公路。

关键技术包括：1) 熔盐法调控氰基浓度；2) 超小尺寸Nb₂C QDs制备；3) 原位光谱追踪电子存储行为；4) 暗态产氢动力学监测。

【材料合成与表征】
通过XRD和TEM证实成功制备单层多孔g-C₃N₅和2-4 nm的Nb₂C QDs。FT-IR显示550℃煅烧样品氰基特征峰最强，ESR检测到光照后出现持续电子自旋信号，证实束缚态电子形成。

【光催化性能】
最优6% Nb/CN-550-4在可见光下产氢速率达4410.5 μmol·g^?1·h^?1，AQY为16.7%。光照停止后，系统依靠存储电子继续产氢8小时，速率保持945 μmol·g^?1·h^?1，较前人报道提升5.4倍。

【机制解析】
原位DRIFTS和DFT计算揭示：氰基捕获的电子通过体相转移至Nb₂C QDs，牺牲剂(三乙醇胺)将电子寿命延长至毫秒级。暗态下存储电子优先参与质子还原而非复合，实现92.3%的电子利用效率。

该研究突破性地将光催化记忆效应产氢速率提升至实用化门槛，其提出的"功能团工程"策略为设计新型储能-催化一体化材料指明方向。特别是氰基诱导的电子局域化存储机制，克服了传统变价离子体系容量受限的缺点。发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》的这项成果，不仅推动间歇式太阳能转化技术发展，其揭示的束缚态电子调控原理对燃料电池、光电化学生物传感器等领域均有借鉴价值。