王心晨教授成果精選丨如何玩轉光催化？看看大牛傳授怎么做

 1. Appl. Catal., B：無模板法制備碳摻雜氮化硼納米片及其增強的光催化產(chǎn)氫性能

光催化分解水產(chǎn)氫是將太陽能直接轉化為化學能的有效策略，也是解決世界能源和環(huán)境危機的一種長久和可持續(xù)的方法。本文中作者利用固-氣反應和硼源的分子設計合成了無金屬的碳摻雜氮化硼（BCN）催化劑。實驗中分別以磷酸三聚氰胺硼酸鹽（MPB）、三聚氰胺硼酸鹽（MB）、硼酸（BA）和氧化硼（BO）為硼源與葡萄糖混合進行材料的合成。

其中，BCN-MPB為納米片，這與其他三種產(chǎn)物不同（BCN-MB、BCN-BA、BCN-BO）。與塊體BCN相比，BCN-MPB具有更大的比表面積、更長的光生載流子壽命和更強的電子輸運能力。因此，其在可見光輻射下具有增強的光催化產(chǎn)氫性能。

這項研究提供了一種溫和、無模板的合成方法，可以用以環(huán)境友好、穩(wěn)定以及廉價光催化劑的理性設計與制備，也為在可持續(xù)光能轉換中調控催化劑的光反應性能鋪平了道路。

Template-free synthesis of carbon-doped boron nitride nanosheets for enhanced photocatalytic hydrogen evolution, Appl. Catal., B, 2019, 241, 246-255.

2. Appl. Catal., B：新型無貴金屬二元光催化劑Na₈Ta₆O₁₉/ Cd_0.7Zn_0.3S及其高效的可見光驅動產(chǎn)氫性能

多金屬氧酸鹽因其高效、廉價、可循環(huán)使用和環(huán)境友好的特性而成為了光催化產(chǎn)氫領域具前景的光催化劑之一。本文中作者將多金屬氧酸鹽與金屬硫化物復合制備了無貴金屬的二元光催化劑，其在可見光下具有較高的產(chǎn)氫效率。作者合成了一系列基于鉭酸鹽Na₈Ta₆O₁₉和金屬硫化物Cd_xZn_(1-x)S的復合異質光催化劑。

結果表明，即使沒有助催化劑的存在，Na₈Ta₆O₁₉/Cd_xZn_(1-x)S也表現(xiàn)出了高效的產(chǎn)氫能力。在420 nm光源照射下，其表觀量子產(chǎn)率為37%，大產(chǎn)氫率可達43.05mmol h^-1g^-1，這是目前多金屬氧酸鹽基光催化劑的高產(chǎn)率。這項工作為開發(fā)高效、新型光催化劑提供了新的策略，也為光催化反應中多金屬氧酸鹽對于太陽能的可持續(xù)利用指明了道路。

Combination of polyoxotantalate and metal sulfide: A new-type noblemetal-free binary photocatalyst Na₈Ta₆O₁₉/Cd_0.7Zn_0.3S for highly efficient visible-light-driven H₂ evolution, Appl. Catal., B, 2019, 248, 423-429.

3. Appl. Catal., B：基于光刻蝕構筑氮空位的聚合氮化碳及其無金屬產(chǎn)氧性能研究

光催化分解水中穩(wěn)定的助催化劑可以加速析氧反應的發(fā)生（OER）。然而，大多數(shù)OER助催化劑為貴金屬氧化物，半導體與助催化劑間松散的界面使得電荷的輸運效率不高。因此，設計同時具有光富集能力和催化中心的OER光催化劑就成為了科研工作者研究的熱點。

本文中作者利用光刻蝕法在聚合氮化碳（PCN）中構筑氮空位（NVs），研究表明，這些嵌入其中的氮空位可以作為OER催化反應的活性中心，促進OER反應中光生載流子的遷移。因此，在沒有貴金屬助催化劑參與的情況下，相比沒有氮空位的PCN，PCN-NVs依然表現(xiàn)出了增強的析氧效率。

此外，通過其他前驅物得到的PCN同樣可以使用光刻蝕的方法進行處理，從而促進光催化析氧反應的發(fā)生。這一結果為設計同時具有光富集和催化特性的光能轉換物質，從而將其應用在合成化學中提供了新的方法。

Photocarving nitrogen vacancies in a polymeric carbon nitride for metal-free oxygen synthesis, Appl. Catal., B, 2019, 256, 117794.

4. Angew. Chem. Int. Ed.：Melon聚合物網(wǎng)絡中的碳空位及其對光催化CO₂還原反應的促進作用

利用光催化反應將CO₂轉化為燃料和化學品，這是一個具前景但又充滿挑戰(zhàn)的領域。該反應中的瓶頸就是由于線性CO₂分子具有化學惰性，因此需要將其活化。

本文中作者基于缺陷工程的思想，通過在Melon聚合物（MP）網(wǎng)絡中植入碳缺陷（CVs）從而構筑了CO₂的活性位點。正電子湮沒譜結果證實了CVs在MP骨架中的位置和密度。此外，原位漫反射傅立葉變換紅外光譜和DFT證明CVs可在穩(wěn)定COOH^*中間體時作為CO₂活化的活性位點，因此促進了反應動力學過程的進行。

實驗結果表明，相比未經(jīng)修飾的MP，MP-TAP-CVs將CO₂轉換為CO的能力提升了45倍之多，在420 nm光照條件下，其表觀量子效率達到4.8%。這項工作為設計聚合物半導體的CO₂高效轉化反應提供了新的視角。

Carbon vacancies in a melon polymeric matrix promote photocatalytic carbon dioxide conversion, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1134-1137.

5. Angew. Chem. Int. Ed.：硼碳氮陶瓷氣凝膠及其光催化氧化還原性能

硼碳氮化合物（BCN）是一種新型的光催化劑，但是塊體BCN帶隙寬、比表面積小，光催化性能也不高。本文中作者制備了三維（3D）多孔陶瓷BCN氣凝膠，并將其應用在相關的光催化反應中。氣凝膠獨特的結構賦予了其可調的帶隙、較高的比表面積、出色的穩(wěn)定性和較好的結晶性，這些特性加快了電子-空穴對的分離和轉移，促進了催化反應動力學過程的進行，因此增強了催化劑的光催化產(chǎn)氫和CO₂還原性能。

這項研究提供了一種廉價、便捷和綠色的陶瓷氣凝膠合成方法。此外，這也為結合含硼化合物，并利用固態(tài)化學策略設計和開發(fā)新型的陶瓷氣凝膠催化劑指明了方向。

A borocarbonitride ceramic aerogel for photoredox catalysis, Angew. Chem. Int. Ed. 2019,58, 6033-6037.

6. Angew. Chem. Int. Ed.：通過降低供體-受體型共軛聚合物的激子結合能從而促進電荷誘導反應的進行

激子結合能是聚合物光催化劑中影響電荷分離的重要指標。通過大程度地降低聚合物的激子結合能，可以大大增加電荷載流子的產(chǎn)生，進而提升材料的光催化性能，但要實現(xiàn)這一目的仍然具挑戰(zhàn)。

本文中作者合成了一系列線性供體-受體共軛聚合物，并通過對電荷輸運通道的優(yōu)化，大程度降低了材料的激子結合能。實驗結果表明，電荷輸運態(tài)能量損失的減少促進了電子從供體到受體的轉移，使得更多的電子參與到了后續(xù)的反應之中。在可見光照射下，經(jīng)過優(yōu)化的FSO-FS聚合物表現(xiàn)出了出色的光化學反應性能。

Reducing the exciton binding energy of donor-acceptor-based conjugated polymers to promote charge-induced reactions, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 10236-10240.

7. Energy Environ. Sci.：咪唑基離子聚合物中氮摻雜碳激發(fā)的Mott-Schottky效應及其對光催化需氧氧化反應的促進

金屬/半導體被認為是一種具有發(fā)展前途的異質結光催化劑，可用于太陽能轉化領域。由于在二者界面處存在肖特基勢壘，因此光激發(fā)金屬產(chǎn)生的熱電子注入半導體的過程是決定反應效率的關鍵步驟。

本文中作者將TiO₂納米片和表面包覆氮摻雜碳的Ru納米顆粒結合（TiO₂@NC-Ru-T），得到了一種全新的Mott-Schottky型光催化劑。實驗中利用主鏈型咪唑基離子聚合物對TiO₂進行共形包覆，隨后使用過釕酸鹽進行陰離子交換反應，然后對產(chǎn)物進行熱解，退火后的Ru納米顆粒被限制在咪唑基離子聚合物中，因此得到的納米顆粒尺寸較小且分散性好。

TiO₂@NC-Ru-T中氮摻雜碳不僅增強了Ru納米顆粒的催化性能，同時通過Mott-Schottky接觸促進了光活化Ru納米顆粒中光生電子向TiO₂的輸運。在可見光照射下，上述效應可以大增強乙醇在空氣中的選擇性需氧氧化。這一研究為光催化反應中提高可見光吸收和電荷/電子轉移提供了可行的方法，也為開發(fā)將太陽能轉化為相關化學品的能源轉換反應催化劑指明了新的方向。

Dyadic promotion of photocatalytic aerobic oxidation via the Mott-Schottky effect enabled by nitrogen-doped carbon from imidazolium-based ionic polymers, Energy Environ. Sci., 2019, 12, 418.

8. ChemSusChem：缺陷工程調控的氮化碳晶體及其增強的可見光產(chǎn)氫性能

近年來，氮化碳晶體（CCN）基半導體在太陽能轉化領域吸引了研究者大的關注。然而，如果想進一步提高CCN的性能就需要在高結晶性和良好的光催化性能間做出平衡。本文中作者利用缺陷工程思想對CCN光催化劑進行了修飾設計。

結果表明，D-CCN保持了較高的結晶性，且其產(chǎn)氫率比CCN提高了8倍之多。此外，當入射光波長延展至610 nm時，光催化劑仍能進行產(chǎn)氫反應。這一增強的光催化性能可歸功于CCN聚合物網(wǎng)絡中缺陷的引入，這使得帶隙間態(tài)得以形成，拓寬了材料對可見光的吸收范圍，加快了光氧化還原催化過程中的電荷分離。

Enhancing visible-light hydrogen evolution performance of crystalline carbon nitride by defect engineering, ChemSusChem, 2019, 12, 3257-3262.

作者簡介

王心晨，福州大學教授、博士生導師。本科畢業(yè)于福州大學化學系，2005年獲香港中文大學博士學位，曾先后在日本和德國做JSPS博士后、洪堡博士后和課題組長�，F(xiàn)任福州大學化學學院院長，能源與環(huán)境光催化國家重點實驗室主任，長江學者特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，國家“萬人計劃”科技創(chuàng)新領軍人才，“百千萬人才工程”國家級人選，國家有突出貢獻中青年專家，教育部“新世紀人才支持計劃”人選，福建省特支人才“雙百計劃”人選，“閩江學者”特聘教授，福建省高校百名領軍人才，英國皇家化學會會士，英國皇家化學會Sustainable Energy & Fuels 雜志副主編。主要研究領域涉及材料、化學、催化、環(huán)境等領域，在Nature Materials、Nature Communications、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等SCI期刊上發(fā)表論文250余篇，被他引4萬余次，H因子101。