综述：石墨相氮化碳分子结构工程在光催化析氢中的研究进展与展望

这篇综述系统阐述了通过分子结构工程（如官能团嫁接、缺陷工程、元素掺杂等）调控石墨相氮化碳（g-C3N4）的物理化学性质，以提升其光催化析氢（PHE）性能的研究进展。重点解析了结构-活性关系及其在太阳能驱动氢能领域的应用前景，为设计高效g-C3N4光催化剂提供了理论框架。

　　

Abstract

光催化析氢技术为解决全球能源危机和环境挑战提供了可持续方案。在众多光催化剂中，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其可见光响应性和可调电子结构备受关注，但电荷复合快和光捕获能力不足等固有缺陷限制了其实际应用。分子结构工程通过精准调控g-C₃N₄的分子构型，成为突破性能瓶颈的关键策略。

分子结构调控策略

官能团嫁接：通过引入氨基（-NH₂）或羧基（-COOH）等官能团，可改变g-C₃N₄的电子云分布，提升光生载流子分离效率。例如，氰基修饰可使导带位置上移0.3 eV，显著增强还原能力。

缺陷工程：构建氮空位（N-vacancy）或碳空位（C-vacancy）能形成中间能级，促进光生电子-空穴对分离。原位表征表明，氮空位浓度与析氢速率呈线性正相关。

元素掺杂：非金属（如S、P）和金属（如Fe、Co）掺杂可协同调节能带结构。理论计算揭示，P掺杂使g-C₃N₄带隙从2.7 eV降至2.4 eV，可见光吸收边红移60 nm。

形貌与结晶度调控：超薄纳米片结构可缩短电荷迁移路径，而高结晶度能减少晶界缺陷。冷冻电镜观测显示，{001}晶面暴露量增加可使活性位点密度提升3倍。

结构-活性关系

同步辐射XAFS和瞬态吸收光谱证实，分子工程引发的局部电荷极化是增强表面氧化还原动力学的核心机制。例如，K⁺插层g-C₃N₄的电荷分离效率达78%，较原始材料提高4倍。

挑战与展望

当前研究需解决大规模制备的均一性问题，并开发原位表征技术以动态追踪反应过程。未来可能通过机器学习辅助设计多组分协同的g-C₃N₄基杂化材料。

Conflict of Interest

作者声明无利益冲突。