综述：g-C3 N4 基复合材料在光催化制氢中的最新进展

这篇综述系统探讨了石墨相氮化碳（g-C3 N4 ）基复合材料在光催化制氢中的改性策略与机制，通过形貌调控、元素掺杂、异质结构建（如TiO2 /g-C3 N4 ）及新兴单原子催化等手段，显著提升其光吸收、载流子分离效率（H2 产率达20–60 μmol h?1 g?1 ），为可持续能源开发提供新思路。

　　

光催化制氢的革命性材料：g-C₃
N₄
基复合材料的崛起

Abstract
全球能源危机与环境恶化亟需绿色制氢方案。光催化水分解利用太阳能生产氢气，但传统催化剂如TiO₂
、ZnO和CdS存在光吸收范围窄、电子-空穴复合快等问题。石墨相氮化碳（g-C₃
N₄
）因其2.7 eV带隙、无重金属污染和化学稳定性脱颖而出，但其纯相电荷分离效率低。通过形貌调控、元素掺杂和异质结构建（如Pt/g-C₃
N₄
），可显著提升其性能，H₂
产率从20–60 μmol h^?1
g^?1
提升至媲美贵金属体系。

Introduction
氢能作为低碳载体对钢铁、化工等行业至关重要。传统化石燃料制氢伴随高碳排放，而生物制氢技术尚不成熟。光催化技术凭借低能耗、无污染特性成为理想替代。g-C₃
N₄
相较于TiO₂
（3.2 eV带隙）和CdS（2.42 eV带隙）具有更优的可见光响应和环境安全性，但需通过MoS₂
/g-C₃
N₄
等异质结设计解决载流子复合问题。

Comparison of hydrogen production methods
电解水与燃料电池制氢受限于高成本，而光催化技术直接利用太阳能，效率与稳定性成为研究焦点。

Concept and process of photocatalysis
半导体材料吸收光子后产生电子-空穴对，驱动水分解反应。g-C₃
N₄
的共价氮碳网络结构促进电荷分离，但需通过Au/g-C₃
N₄
等表面等离子体效应增强光捕获能力。

Strategies for enhancing g-C₃
N₄
-Based photocatalysts

• 形貌调控：多孔结构增加活性位点
• 元素掺杂：磷掺杂将光吸收边红移50 nm
• 异质结工程：ZnO/g-C₃
  N₄
  II型异质结使电荷分离效率提升3倍

Reaction mechanisms
缺陷工程引入氮空位可降低H⁺
吸附能垒，而单原子Co/g-C₃
N₄
催化剂将表观量子效率提高至15.8%。

Conclusions and future outlook
未来需聚焦界面工程、非贵金属助催化剂及AI辅助设计，推动g-C₃
N₄
基材料走向工业化应用。