WO3纳米立方体嵌入g-C3N4纳米片构建Z型异质结：n-π*电子跃迁增强可见光催化产氢性能

为解决传统g-C3N4光催化剂可见光吸收范围窄（λ < 460 nm）和载流子复合快的问题，研究人员通过微波加热和机械加压制备具有n-π电子跃迁的g-C3N4纳米片（PCN），并原位生长WO3纳米立方体构建Z型异质结（P/W-2%）。该催化剂可见光下产氢速率达3.82 mmol h?1 g?1，较传统材料提升13.2倍，其性能提升源于n-π跃迁拓宽光吸收及Z型异质结促进电荷分离，为太阳能转化提供了新策略。

　　

随着全球能源危机加剧，氢能因其清洁高效特性成为替代化石燃料的理想选择。其中，太阳能驱动的光催化分解水产氢技术备受关注，但核心挑战在于开发高效稳定的可见光催化剂。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其合适的能带结构和低成本成为研究热点，但其固有缺陷——仅吸收蓝光（λ < 460 nm）且光生电子-空穴对复合迅速——严重限制了实际应用。与此同时，三氧化钨（WO₃）虽具有优异的光捕获能力，但其导带位置高于产氢电位，单独使用时几乎无活性。如何协同两种材料的优势，成为突破光催化效率瓶颈的关键。

安徽中医药大学等单位的研究人员创新性地提出将具有n-π电子跃迁的g-C₃N₄（PCN）与WO₃纳米立方体复合，构建直接Z型异质结。这一设计不仅通过氮原子孤对电子的n-π跃迁将光吸收范围拓展至可见光区，还通过独特的电荷传输路径同时提升载流子分离效率和还原能力。研究成果发表于《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》，为太阳能-氢能转换提供了新材料体系。

研究团队采用微波辅助热解法结合水热生长技术，通过原位X射线光电子能谱（ISI-XPS）等表征手段追踪电荷转移路径。首先通过机械加压和微波处理尿素与氯化铵混合物，制备具有多孔超薄结构的PCN纳米片；随后以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为模板剂，通过水热法在PCN表面均匀生长WO₃纳米立方体，最终经热处理得到系列P/W-x%复合材料。

Results and discussion部分揭示：扫描电镜（SEM）显示PCN呈现松散褶皱的纳米片结构，为WO₃纳米立方体（约50 nm）的锚定提供理想基底。紫外-可见漫反射光谱证实PCN的n-π*跃迁使其吸收边红移至550 nm，而P/W-2%复合材料进一步拓宽至600 nm。光电化学测试表明，最优比例的P/W-2%样品光电流密度达到PCN的4.3倍，荧光寿命从3.2 ns延长至5.8 ns，证实异质结有效抑制了电荷复合。

Conclusions部分总结：P/W-2%在420 nm可见光下产氢速率达3.82 mmol h^?1 g^?1，分别是块体g-C₃N₄（BCN）和PCN的13.2倍和3.9倍。ISI-XPS证实光照下电子从WO₃向PCN迁移，结合能带结构分析提出Z型机制——WO₃的导带电子与PCN价带空穴复合，保留PCN导带高还原性电子参与产氢反应。该工作不仅通过n-π*跃迁和异质结协同作用实现性能突破，还为设计新型Z型光催化剂提供了普适性策略。

这项研究的创新性体现在三方面：首次将n-π*电子跃迁激活与WO₃纳米立方体空间限域效应相结合；通过原位表征直接观测Z型电荷转移路径；开发的微波-水热联用技术具有工艺简便、可放大的优势。未来通过调控WO₃暴露晶面或构建三元体系，有望进一步提升太阳能转化效率，推动光催化产氢技术的实际应用。