钾掺杂多孔石墨相氮化碳纳米片协同提升光催化产氢性能：实验与理论计算的双重机制解析

针对石墨相氮化碳(g-C3N4)在太阳能转化中存在的可见光吸收不足、比表面积低和电荷复合快等关键问题，研究人员通过碱辅助热剥离策略开发出钾掺杂多孔g-C3N4纳米片(AKCN)，实现了带隙调控(2.43 eV)与形貌优化的协同效应。该材料展现出575 μmol h-1 g-1的卓越产氢速率，较本体材料提升6倍，并通过DFT计算揭示了K掺杂优化H*吸附吉布斯能(ΔG*H≈?0.178 eV)的机制，为高效光催化剂设计提供了新范式。

　　

随着化石燃料燃烧导致的环境污染加剧和能源短缺问题日益严峻，开发可持续能源解决方案成为全球性挑战。光催化分解水制氢技术因其能直接将太阳能转化为清洁的氢能，被视为同时解决能源危机和环境问题的双赢策略。在众多光催化剂中，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)因其优异的化学稳定性、易得性和可调控的带隙结构备受关注，但原始g-C₃N₄存在可见光吸收范围有限、光生电荷复合率高和比表面积小等固有缺陷，严重制约其实际应用。

浙江万里大学的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地通过碱辅助热剥离策略制备出钾掺杂多孔g-C₃N₄纳米片(AKCN)。该工作采用三步法：首先通过三聚氰胺热聚合制备本体g-C₃N₄(CN)；随后用KOH处理引入钾离子；最后通过热剥离获得纳米片结构。通过X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和比表面积测试(BET)等表征手段，结合密度泛函理论(DFT)计算，系统研究了材料结构与性能的关系。

【晶体结构】XRD分析证实所有样品均保持g-C₃N₄的特征层状结构，K掺杂导致(002)晶面间距从0.326 nm扩大至0.330 nm，表明钾成功插入层间。

【光学性质】UV-Vis显示AKCN的吸收边红移至510 nm，带隙降至2.43 eV，归因于K掺杂引入的中间能级。稳态/瞬态荧光光谱表明AKCN的电荷分离效率显著提高。

【形貌特征】透射电镜(TEM)观察到AKCN呈现多孔纳米片结构，BET测试显示其比表面积达53.05 m² g^-1，是本体材料的4.8倍。

【催化性能】在可见光下，AKCN产氢速率达575 μmol h^-1 g^-1，分别是CN、KCN和ACN的6倍、2倍和1.4倍。循环测试显示其活性保持率>95%。

【机制研究】DFT计算揭示K掺杂使导带位置负移0.38 eV，形成N缺陷态作为电子陷阱；AIMD模拟证实ΔG_*H优化至?0.178 eV，接近理想值(0 eV)。

该研究建立了"电子结构调控-形貌工程"协同强化的双修饰范式，通过实验与理论计算的有机结合，阐明了钾掺杂窄化带隙、热剥离增加活性位点的协同机制。AKCN材料在保持高稳定性的同时实现了产氢性能的突破，为设计高效太阳能转化材料提供了新思路。特别值得注意的是，研究提出的碱辅助热剥离策略具有工艺简单、成本低廉的优势，具备规模化应用的潜力，对推动光催化制氢技术的实际应用具有重要指导价值。