原位离子热法合成无定形聚庚嗪酰亚胺用于高效光催化水氧化还原反应

本研究针对传统聚庚嗪酰亚胺（PHI）光生电荷复合率高的问题，通过原位离子热一步法合成无定形态钾掺杂聚庚嗪酰亚胺（APHI）。该材料通过KCl副产物调控聚合过程，引入氰基并优化能带结构，光催化产氢速率达67 μmol h-1（AQY=4%@420 nm），过氧化氢生成速率达382 μmol h-1，性能超越结晶态PHI及PTI/CN等氮化碳基催化剂，为设计高效非晶光催化剂提供新思路。

　　

在能源危机与环境问题日益严峻的背景下，开发高效光催化剂实现太阳能驱动的水分解制氢和过氧化氢生成成为研究热点。传统聚合物氮化碳（PCN）虽具有可见光响应、成本低廉等优势，但其光生电子-空穴对快速复合的特性严重制约了光催化效率。作为PCN异构体的结晶态聚庚嗪酰亚胺（PHI）虽表现优异，但严格的结晶度控制与复杂的制备工艺限制了其应用。如何通过结构创新突破材料性能瓶颈，成为该领域亟待解决的科学问题。

西安交通大学的研究团队创新性地采用原位离子热法，以三氯蜜胺和硫氰酸钾（KSCN）为原料，一步合成无定形态钾掺杂聚庚嗪酰亚胺（APHI）。研究发现，反应过程中原位生成的氯化钾（KCl）作为"分子模板"精准调控前驱体热聚合过程，成功制备出具有独特非晶结构的APHI。该材料不仅保留了PHI的化学骨架，还通过氰基引入和能带调控显著提升了光生电荷分离效率。相关成果发表于《Applied Catalysis A: General》，为设计高性能非晶光催化剂提供了全新范式。

研究团队运用三大关键技术：1）原位离子热合成法，通过前驱体自反应生成KCl熔盐介质；2）多比例梯度实验（KSCN用量0.6-1.2 g）优化材料结构；3）综合表征手段（SEM、XRD、FTIR等）解析非晶结构特征。通过对比传统PCN、结晶PHI及PTI等材料，系统评估了APHI的光物理化学性质。

【Results and discussion】部分揭示：1）形貌分析显示APHI呈无序多层堆叠结构（图1b），与结晶材料的规则形貌形成鲜明对比；2）光谱表征证实APHI保留PHI特征峰的同时出现氰基信号（2160 cm^-1），带隙从2.76 eV调整至2.68 eV；3）光电化学测试表明APHI的电荷转移电阻降低58%，光电流密度提升3.2倍；4）性能测试中，APHI的产氢速率（67 μmol h^-1）较结晶PHI提高41%，过氧化氢生成速率（382 μmol h^-1）创氮化碳基催化剂新高。

【Conclusions】部分强调：该研究开创性地将原位反应与离子热合成相结合，通过KCl介导的非晶化工程实现了三大突破：1）简化制备流程，避免物理混盐的不均匀性；2）氰基修饰与能带协同优化增强光吸收；3）无序结构促进活性位点暴露。Yang Guidong团队指出，该方法可拓展至其他功能材料的非晶化设计，为开发高效光催化体系提供了普适性策略。特别值得注意的是，APHI在保持金属免费特性的同时，其过氧化氢生成性能已接近部分贵金属催化剂水平，在环境修复与能源转化领域展现出巨大应用潜力。