掺氧和锌的C3N4材料用于双重功能光催化：显著提升氢气产率和罗丹明B的降解效率

时间：2026年4月25日

来源：Inorganic Chemistry Communications

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本研究采用热分解法制备氧锌共掺杂石墨相氮化碳催化剂，通过调节能带结构和减少电子空穴复合提升光催化性能，在模拟太阳光下实现高效氢气生成（972 μmol/g/h）和罗丹明B染料降解（91%于80分钟内），较单掺杂及未掺杂材料性能显著提高。

中国湖北工程学院机械工程学院，孝感432000

摘要

太阳能驱动的氢气（H₂）生成和废水净化过程受到了研究人员的广泛关注，以解决全球性问题。在过去的几十年中，石墨碳氮化物（CN）因其有利的带隙能量、出色的化学稳定性和惰性而备受青睐。在这项研究中，我们采用了一种简单的热分解方法合成了掺氧（O）和锌（Zn）的CN（即O,Z共掺杂CN），旨在提高其在模拟太阳光照下生成H₂和降解罗丹明B（RhB）染料的催化效率。观察到，O和Zn的共掺杂使CN的带隙缩小了0.2 eV，这有助于降低光生电子-空穴对的复合率，从而提高了光催化活性。与仅掺锌的CN（79%）和未掺杂的CN（71%）相比，O,Z共掺杂的CN催化剂在80 min内实现了91%的RhB降解率。此外，该催化剂的最大H₂生成速率达到了972 μmol/g/h，而单掺锌的CN为870.8 μmol/g/h，未掺杂的CN为277.9 μmol/g/h，这归功于共掺杂效应显著降低了电荷传输阻力，提高了整体光催化性能，最终提高了氢气产量。

引言

应对紧迫的全球挑战，如气候变化、化石燃料枯竭导致的能源需求以及日益严重的水污染问题，需要发展可持续能源和环境修复解决方案。传统上，氢气（H₂的生产依赖于蒸汽甲烷重整、煤的气化和电解等工艺。当使用可再生能源供电时，电解提供了一种更清洁的替代方案，但其高能耗和运营成本是关键限制因素。同样，废水处理和污染物去除也采用传统化学方法进行。在这种情况下，光催化作为一种可持续策略受到了重视，用于生成H₂和去除污染物。利用太阳能驱动氧化还原反应，可以减少对化石资源的依赖，促进可持续发展[1],[2]。该领域的进展在很大程度上取决于开发能够有效吸收阳光的半导体材料。

CN被认为是一种具有合适带隙（2–2.7 eV）、显著化学稳定性和环保特性的半导体光催化剂[3]。尽管具有这些优点，但由于电子-空穴对快速复合和光催化效率低下等固有缺点，CN的应用仍然有限。迄今为止，已经采取了多种策略来克服这些限制，包括元素掺杂、异质结构形成和形态调控。此外，多种元素的共掺杂已被证明可以有效提高光活性[4],[5]。最新研究表明，不同元素的共掺杂通过降低复合率有效增加了激子寿命[4],[5],[6]。此外，使用Fe、Zn、N、P、O和Ag等金属和非金属元素修饰CN可以拓宽其光吸收能力，通过调整带结构或诱导局部表面等离子体共振效应[4],[5],[6]。

先前的研究已经表明，这种共掺杂方法显著提高了单掺杂CN的光活性[7],[8]。例如，Yu等人[9]通过热聚合制备了Co/P共掺杂的管状CN，用于同时降解双氯芬酸钠（DS）、环丙沙星（CIP）和亚甲蓝（MB）等污染物，在180 min的紫外照射下，去除效率分别达到了91.2%、85%、97.5%和82%。在另一项研究中，Zhou等人[10]报道了O,F共修饰的CN片状结构，提高了电子-空穴对的分离和迁移率，使H₂生成速率比未修饰的CN提高了13.2倍，表明了双元素掺杂的有益效果。Yang等人[11]开发的F single bond

C共掺杂的CN纳米片在30 min内实现了3.87 mmol/g/h的H₂生成速率，比原始CN提高了4.2倍，这归功于掺杂促进了C₄结构的π键的电荷重新分布。Chi等人[12]证明，硼和钠共掺杂的CN在430 nm光照下实现了5971.51 μmol/g/h的氢气生成速率和9.4%的量子效率。该催化剂在30 min内实现了78%的四环素降解，表明其同时具有能量转换和污染物去除的能力。因此，CN结构中的共掺杂可以为多功能性提供有效途径。

在这项研究中，通过一步热蒸发前驱体制备了O,Z共掺杂的CN光催化剂。所得催化剂用于在模拟太阳光照下生成H₂和降解RhB染料。据信，两种掺杂物的共同存在具有协同效应，增强了单掺杂CN的敏化作用并提高了光活性。本研究分析了O,Z共掺杂CN催化剂的结构、光学和光催化性能，特别关注其H₂生成和染料降解能力。

实验细节

图1展示了使用热聚合法制备O,Zn共掺杂C₃N₄（O,Z-CN）的合成过程。首先，将三聚氰胺在550 °C下直接热分解6 h，得到黄色粉末状的CN。对于Zn掺杂，先将10 g的三聚氰胺与0.2 g的硝酸锌六水合物混合，然后在550 °C下处理6 h，得到Z-CN。对于O,Z-CN，进一步将其分散在20%的H₂O₂溶液中。

结果与讨论

图2显示了所制备光催化剂的XRD图谱。从下到上依次展示了CN、Z-CN和O,Z-CN的晶体结构。对于未掺杂的CN，在13.1°处有两个峰，对应于三s-三嗪单元的（100）面平面。27.4°处的峰对应于共轭芳香体系的（002）面平面，与JCPDS no 36–1451 [13],[14]一致。对于Z-CN样品

结论

在这项研究中，通过一步热分解策略成功制备了O和Zn共掺杂的CN光催化剂，并对其结构、光学和光催化性能进行了系统表征。光学分析显示，共掺杂样品的带隙能量降低，促进了可见光的吸收。O,Zn-CN催化剂在模拟太阳光照下表现出最高的RhB染料降解和H₂生成效率。

CRediT作者贡献声明

Xiaolong Leng：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据分析，概念化。S.V. Prabhakar Vattikuti：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，研究，数据分析，概念化。Rajavaram Ramaraghavulu：撰写 – 原稿，方法学，研究，数据分析。Hongli Li：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学，研究。