优化g-C3 N4 边缘缺陷与形貌实现温和条件下高效CO2 环状碳酸酯转化

【编辑推荐】为提升CO2 资源化利用效率，研究人员通过调控g-C3 N4 的形貌与边缘缺陷，开发出管状结构催化剂（CN tube）。该材料在80°C、0.1 MPa温和条件下实现98%的环氧化物环加成效率，显著优于传统块体（53%）和层状（66%）g-C3 N4 ，为低碳催化提供了新策略。

　　

随着全球工业化进程加速，化石燃料燃烧导致的CO₂
排放引发严峻环境问题，如海洋酸化和温室效应。如何将CO₂
高效转化为高附加值化学品成为研究热点，其中环氧化物与CO₂
环加成生成环状碳酸酯因100%原子经济性备受关注。然而，该反应面临热力学和动力学壁垒，需依赖高效催化剂与外部能量输入。

传统金属有机框架（MOFs）、二氧化硅等催化剂虽有效，但存在成本高或条件苛刻等问题。石墨相氮化碳（g-C₃
N₄
）因其金属游离特性、高稳定性及丰富表面氨基（-NH₂
）成为理想候选，但常规块体或层状结构存在活性位点暴露不足、传质受限等缺陷。针对这一挑战，研究人员通过前驱体工程学策略，设计出兼具管状形貌和丰富边缘缺陷的g-C₃
N₄
催化剂，在温和条件下实现了突破性催化效率。

关键技术方法
研究采用三聚氰胺与尿素（10:1）混合前驱体，经550°C氮气氛围热解制备管状g-C₃
N₄
（CN tube），通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征材料结构，结合光电化学测试分析电荷分离效率，并在80°C、0.1 MPa CO₂
条件下评估环加成性能。

研究结果

1. 材料表征
   CN tube呈现独特的中空管状结构，比表面积较块体（m-CN）和层状（u-CN）样品提升2-3倍。红外光谱证实其边缘-NH₂
   和-OH缺陷位点密度显著增加，这些位点作为Lewis酸碱双功能活性中心协同活化CO₂
   与环氧化物。

2. 催化性能
   在环氧氯丙烷环加成反应中，CN tube在12小时内获得98%收率，较m-CN（53%）和u-CN（66%）提升近一倍。动力学分析显示其表观活化能降低40%，归因于管状结构促进传质及缺陷位点加速反应中间体形成。

3. 机理研究
   密度泛函理论（DFT）计算表明，边缘缺陷通过降低CO₂
   吸附能（-0.78 eV）和过渡态能垒（1.2 eV）促进反应进行。光电测试证实CN tube的电荷分离效率提升3倍，暗示其在光热协同催化中的潜力。

结论与意义
该研究创新性地通过前驱体调控实现了g-C₃
N₄
形貌与缺陷的协同优化，创制出目前报道中最温和反应条件下（<100°C, 0.1 MPa）的高效CO₂
环加成催化剂。其意义在于：① 提出"结构-缺陷"双调控策略，为非金属催化剂设计提供新思路；② 管状结构解决了传统g-C₃
N₄
传质受限问题；③ 缺陷工程避免了强酸改性等复杂后处理，符合绿色化学原则。这项工作发表于《Journal of Molecular Structure》，为工业级CO₂
资源化提供了具有产业化前景的解决方案。