二维石墨相氮化碳(g-C3 N4 )的横向扩展调控与氮缺陷协同增强近红外光催化降解性能研究

研究人员针对自然水体中有机污染物在室温/近红外光下降解效率低的难题，通过密度泛函理论(DFT)模拟和化学组装法，揭示了g-C3 N4 二维平面扩展与氮缺陷的协同作用机制。实验证实该材料在近红外光下降解RhB效率达97.1%，较传统固相烧结法提升近40%，为开发高效环境修复材料提供了新策略。

　　

论文解读：

在环境污染治理领域，如何实现自然水体中有机污染物的高效降解始终是科学家们面临的重大挑战。传统光催化材料大多依赖紫外或可见光激发，而占太阳光能量43%的近红外光却因光子能量低难以被有效利用。石墨相氮化碳(g-C₃
N₄
)作为一种非金属半导体材料，虽具有优异的化学稳定性和环境友好性，但其本征带隙较宽（约2.7 eV），严重限制了近红外光响应能力。更棘手的是，传统固相烧结法制备的g-C₃
N₄
存在层间堆叠紧密、二维特性弱化等问题，而单纯引入缺陷又易导致材料结构破碎——这就像试图同时抓住两只兔子，既要保持材料结构的完整性，又要实现性能的突破性提升。

针对这一矛盾，某高校研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究给出了创新解决方案。他们通过密度泛函理论(DFT)计算预测，结合创新的化学组装工艺，成功实现了g-C₃
N₄
二维平面可控扩展与氮缺陷的精准调控。理论模拟显示，材料面积扩大和氮缺陷增加会使光吸收红移，并形成激发能低于1.63 eV的亚带隙态能级；实验制备的六棱柱组装体在773 K热处理后，不仅保持完整二维结构，还产生丰富氮缺陷，其近红外光降解RhB效率高达97.1%，较固相烧结样品提升近40个百分点。

关键技术方法包括：1）采用DFT计算模拟材料电子结构和分子吸附行为；2）通过磷酸辅助化学组装法构建g-C₃
N₄
前驱体；3）在不同温度（743/773 K）和气氛条件下热处理调控材料结构；4）XRD、FTIR、XPS等多尺度表征技术验证材料特性；5）RhB降解实验评估光催化性能。

【材料与制备】
对比固相烧结法（样品B/C）和化学组装法（样品E/F）发现：后者形成的六棱柱结构在高温处理后出现塌陷或中空化，SEM显示其横截面呈现典型二维材料特征，而固相烧结样品保留更多三维特性。

【形貌与晶体结构】
XRD分析表明化学组装样品层间距扩大，FTIR证实其保留更多端基氨基，XPS则直接检测到更高浓度的氮空位。这些结构特征与DFT预测的"氮缺陷导致电子局域化"现象高度吻合。

【光学与光电性能】
紫外-可见漫反射光谱显示，随着热处理温度升高，化学组装样品的吸收边明显红移，773 K处理的样品E在近红外区出现显著吸收峰。表面光电压谱证实其电荷分离效率提升，这与亚带隙态能级的形成直接相关。

【分子吸附与光催化】
RhB降解实验构建了"结构-性能"关系：化学组装样品在室温暗反应12小时对RhB的吸附量达47.8%，远高于固相烧结样品（21.3%）；在近红外光照射下，其降解贡献率高达97.1%，且循环5次后效率仍保持90%以上。

这项研究的意义在于突破了g-C₃
N₄
材料在近红外光催化领域的性能瓶颈。通过建立"二维扩展度-氮缺陷浓度-光催化活性"的定量关系，证实化学组装法能有效削弱层间作用力，使材料在保持二维特性的同时引入可控缺陷。这种"结构裁剪"策略不仅为开发高效环境修复材料提供了新思路，其揭示的缺陷工程原理对其它半导体材料的设计也具有普适指导价值。特别值得注意的是，该工作首次实现了仅通过g-C₃
N₄
本征结构调控来增强近红外光响应，避免了贵金属掺杂带来的成本问题，展现出显著的工程应用前景。