近日，南方科技大学材料科学与工程系副教授谷猛和化学系教授黄立民课题组开展的光催化产氢气研究取得重要研究成果，由化学系2019届毕业生张孜晟和博士后钟如意为共同第一作者的文章发表在《Applied Catalysis B》(IF=14) 和《Catal. Sci. Technol.》(IF=5.4)，并被选为封面论文。

张孜晟早在大二学习期间已经提前完成了化学系的科研创新项目，他在该课题中取得的重要成绩与锻炼出的“理论实验相结合”科研能力，为他赢得了美国加州大学洛杉矶分校全额奖学金博士的录取。

文章发表在Applied Catalysis B (IF=14) 和Catal. Sci. Technol. (IF=5.4)

氢气作为重要的可再生能源，在氢燃料电池、费托合成、催化加氢制备精细化学品等领域有着广泛应用。氢气因能量密度高，且燃烧产物为水，是构筑清洁能源体系的重要部分。氢能的开发和利用有利于缓解能源危机和促进环境保护。

太阳光（可见光）制氢是指在太阳光（可见光）的照射下，在光催化剂表面水发生还原产生氢气。在这个过程中，可再生能源（太阳能）以化学能形式储存于氢气中。可见光产氢是当今能源与环境催化的一个热门分支，也是国家氢能产业布局的重要一环。理想的光催化剂应当能利用来自太阳光的大部分光子（可见光）进行有效的电荷分离，以较高的量子效率制得氢气。

近年来，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）由于其二维结构、低成本、低毒性、化学稳定性以及可见光吸收的性质引起了广泛关注。同时，另一种具有优异紫外吸收的半导体光催化材料二氧化钛（TiO₂），也很容易通过软模板法制备成高比表面的二维片状结构。如何通过材料设计将二者在微观层面上复合，形成紧密的异质结结构，促进光生电子空穴分离，从而形成高效稳定的TiO₂/g-C₃N₄纳米复合物光催化剂，提高可见光催化产氢效率，是本课题的研究重点。

课题组依据共价键、静电吸引力、范德华力三种不同作用力类型，构筑了三类TiO₂/g-C₃N₄异质结，分别是原位水热生长法、电荷诱导聚集方法和共焙烧法，来实现TiO₂/g-C₃N₄二维-二维结构的复合。黄立民课题组为合成催化剂提供了充分和完备的实验条件。材料的纳米结构的直观表征得益于谷猛教授课题组在电子显微镜表征方面的专长和南方科技大学Pico电镜中心先进的设备条件。

以Ti-O-N共价键合的TiO2 g-C3N4异质结结构能高效地催化可见光辐照下的析氢反应

结合红外光谱、X射线光电子能谱、热重分析、物理吸附等表征手段和密度泛函理论计算，课题组发现经过温和水热氧化得到的具有更多表面羟基的g-C₃N₄能更有效地和TiO₂纳米片边缘发生Ti-O-N共价键的键连，从而促进了光生电荷的迁移和分离，表现出比简单物理混合的样品高出六倍的可见光产氢性能以及极高的稳定性。此Ti-O-N共价键的异质结在共焙烧得到的样品中也存在，使之在损失了一些比表面积之后仍显示较高的产氢速率。而由静电力或范德华力主导的TiO₂和g-C₃N₄界面则相对不利于光生电荷的传递。

此项研究从异质结界面的相互作用方式入手，结合多种先进表征手段和理论计算，自下而上探究了不同合成策略对异质结催化性能的影响，同时也拓宽了后续开发高效二维异质结光催化剂的思路，有利于提高可见光产氢催化剂的活性和稳定性，加速氢能经济的落实。

这项涉及化学、材料科学、物理等多个学科的研究课题，给张孜晟带来了很大挑战，但同时极大地拓宽了他的知识面，使他逐渐习惯了跨学科的合作氛围。张孜晟说：“感谢谷教授和黄教授孜孜不倦的指导和对我科研逻辑思辨能力的培养，也感谢南科大给本科生们提供了这么多珍贵的资源，才能让我通过这项工作，从一个只会合成、测试的菜鸟，‘进化’为能独立操作多种大实验仪器、熟悉各类表征手段且能将理论实验相结合的‘熟手’。”

钟如意（左）和张孜晟（右）在皮米中心电镜实验室

此项研究得到了南方科技大学启动基金、深圳市基础研究基金、深圳市技术研究基金、国家自然科学基金和广东省创新创业研究团队项目的支持。这两项工作也得到了南方科技大学Pico中心以及南方科技大学高性能计算中心的支持。

论文链接:

http://xlink.rsc.org/?DOI=C8CY00965A

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0926337317312146

供稿:材料系

编辑:刘馨

主图:丘妍