共价修饰酞菁锌/石墨相氮化碳异质结的高效可见光驱动H2 O2 合成研究

本研究针对传统H2 O2 合成方法的高能耗与污染问题，通过共价键合四羧基酞菁锌（ZnTcPc）与氨基功能化石墨相氮化碳（g-C3 N4 ），构建S型异质结光催化剂。该复合材料在150 W金属卤素灯下实现27.17 mg/L的H2 O2 产率，较单一组分提升显著，为太阳能-化学能转化提供了新策略。

　　

在能源危机与环境问题日益严峻的背景下，绿色合成过氧化氢（H₂
O₂
）成为研究热点。传统蒽醌法能耗高且产生有毒副产物，而光催化技术利用太阳能将H₂
O和O₂
直接转化为H₂
O₂
，被视为理想替代方案。然而，现有光催化剂普遍存在可见光吸收不足、电荷复合快等瓶颈。石墨相氮化碳（g-C₃
N₄
）虽具2.7 eV带隙和良好稳定性，但其光生载流子分离效率亟待提升。

为解决这一难题，研究人员通过酰胺化反应将四羧基酞菁锌（ZnTcPc）共价锚定于g-C₃
N₄
表面，构建ZnTcPc/g-C₃
N₄
异质结。该研究发表于《Synthetic Metals》，证实该复合材料通过界面化学键实现能带调控，将H₂
O₂
产率提升至27.17 mg/L（90分钟），较纯g-C₃
N₄
提高近3倍。

关键技术方法
研究采用尿素缩聚法制备g-C₃
N₄
，通过羧基-氨基缩合反应实现ZnTcPc共价修饰。利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证酰胺键形成，X射线光电子能谱（XPS）分析电子耦合效应，场发射扫描电镜（FEG-SEM）和透射电镜（TEM）表征形貌变化，X射线衍射（XRD）监测晶体结构演变。

研究结果
形貌与结构表征
FEG-SEM显示ZnTcPc/CN3呈现g-C₃
N₄
层状多孔结构，ZnTcPc均匀分散于孔隙中。TEM证实界面紧密接触，XRD谱图中27.5°衍射峰偏移表明ZnTcPc成功嵌入g-C₃
N₄
晶格。

化学键与电子相互作用
FT-IR在1660 cm^-1
处出现酰胺特征峰，XPS显示N 1s结合能正移0.3 eV，证实g-C₃
N₄
与ZnTcPc间存在强电子耦合。

光催化性能
在150 W金属卤素灯下，ZnTcPc/CN3的H₂
O₂
产率达27.17 mg/L，归因于S型异质结促进电荷分离及ZnTcPc拓展可见光吸收至600 nm。

结论与意义
该研究通过共价工程构建ZnTcPc/g-C₃
N₄
异质结，首次实现二者原子级界面耦合。其创新性体现在：① 酰胺键增强界面电荷传输；② ZnTcPc的π共轭体系提升光捕获能力；③ S型能带排列抑制电子-空穴复合。这一策略为设计高效太阳能燃料合成系统提供了新思路，推动光催化技术在环境修复与绿色能源领域的应用。