功函数梯度驱动的单向电荷传输实现g-C3N4光催化析氢性能139倍提升

本研究针对光催化剂中载流子复合率高的问题，通过将Co3O4空穴提取层与Ni电子捕获助催化剂协同整合于g-C3N4基底，构建了功函数梯度驱动的Co3O4→g-C3N4→Ni单向电荷传输通道。优化后的1.5%Ni-1%Co3O4-C3N4实现了16.71 μmol h?1的析氢速率，较纯g-C3N4提升139倍，为太阳能-氢能转换技术提供了新策略。

　　

在全球能源危机背景下，氢能因其零碳排放特性成为替代化石燃料的理想选择。然而，传统制氢技术面临高能耗和污染问题，而光催化水分解技术可直接利用太阳能驱动反应，其中石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其可见光响应和化学稳定性备受关注。但该材料存在载流子复合快、光吸收范围窄等瓶颈，导致析氢效率低下。

兰州理工大学的研究团队在《Journal of Catalysis》发表研究，创新性地将Co₃O₄与Ni双助催化剂集成于g-C₃N₄基底。通过水热合成锚定Co₃O₄纳米颗粒，光化学还原沉积Ni团簇，结合瞬态光电流、时间分辨光致发光等技术验证电荷分离机制，并采用密度泛函理论(DFT)计算功函数梯度和氢吸附能(ΔG_*H)。

材料合成与表征
通过超声剥离和原位生长技术构建了具有明确异质结的1.5%Ni-1%Co₃O₄-C₃N₄三元体系，透射电镜显示Co₃O₄与Ni纳米颗粒均匀分散于g-C₃N₄表面。

光催化性能
优化样品析氢速率达16.71 μmol h^?1，较单一Co₃O₄或Ni修饰样品分别提升3.2和10.2倍，且循环稳定性优异。

电荷传输机制
光电测试表明Ni作为电子阱将电子寿命延长至纯g-C₃N₄的3.8倍，而Co₃O₄使空穴扩散距离增加2.3倍，协同实现载流子空间分离。

理论计算
DFT揭示Co₃O₄(5.12 eV)、g-C₃N₄(4.64 eV)与Ni(4.50 eV)的功函数梯度驱动电子单向流动，且Ni的d带中心上移0.35 eV优化了ΔG_H至-0.18 eV，显著提升H还原动力学。

该研究通过功函数梯度设计实现了电荷定向传输，为开发非贵金属助催化剂体系提供了新思路。其创新性体现在：首次阐明Co₃O₄/Ni协同调控g-C₃N₄界面电子结构的机制，建立的"空穴提取-电子捕获"双功能模型可拓展至其他光催化体系。研究成果对推动太阳能-氢能规模化应用具有重要指导价值。