羟基调控有机非线性光学晶体双折射性能的优化研究

为解决g-C3N4基光催化剂电荷复合快、产氢效率低的难题，研究人员通过La掺杂与AgO异质结协同策略，构建了Z型AgO/La@g-C3N4（ALCN）光催化剂。该材料在可见光下产氢速率达16.7 mmol g-1 h-1，较原始g-C3N4提升13倍，且循环稳定性优异（5次后活性保持92%）。该研究为设计高效Z型光催化体系提供了新范式。

　　

在全球能源危机与环境污染的双重压力下，太阳能驱动的水分解制氢技术被视为最具潜力的绿色能源解决方案。其中，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因其2.7 eV的可调带隙、优异的化学稳定性成为研究热点，但光生载流子快速复合严重制约其实际应用。传统改性策略如元素掺杂、形貌调控虽有一定效果，但难以突破效率瓶颈。如何通过创新材料设计实现电荷分离与光吸收的协同优化，成为该领域的关键科学问题。

中南大学化学化工学院微纳材料界面科学湖南省重点实验室的研究团队独辟蹊径，将稀土金属La的电子调控优势与窄带隙AgO的光捕获特性相结合，成功构建了新型Z型AgO/La@g-C₃N₄（ALCN）异质结光催化剂。该研究通过精准调控能带结构与界面相互作用，实现了16.7 mmol g^-1 h^-1的创纪录产氢速率，相关成果发表在《Materials Today Chemistry》上。

研究团队采用超声辅助湿法浸渍法合成La掺杂g-C₃N₄纳米片（LCN），继而通过化学氧化沉淀法在其表面锚定AgO纳米颗粒。通过X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HRTEM）确认了单斜相AgO的成功负载，X射线光电子能谱（XPS）证实了La³⁺的掺杂态与Ag⁺的化学状态。光电化学测试与荧光光谱（PL）揭示了载流子分离机制。

3.1 催化剂形貌与结构

SEM/TEM显示ALCN-0.3呈现纳米片堆叠结构，AgO纳米颗粒（18 nm）均匀分散于g-C₃N₄表面。EDX mapping证实La、Ag、O元素的均匀分布。XRD中31°的衍射峰对应AgO（101）晶面，FTIR中806 cm^-1处三嗪环振动峰减弱，证实异质结形成。BET测试显示ALCN-0.3比表面积达46.46 m² g^-1，为反应提供丰富活性位点。

3.2 光催化机制

瞬态光电流测试表明ALCN-0.3的电流响应强度是g-C₃N₄的4倍，电化学阻抗谱（EIS）显示其电荷转移电阻最低。莫特-肖特基测试证实p型AgO与n型g-C₃N₄形成p-n结，内置电场（BIEF）驱动Z型电荷转移：AgO的导带电子（-1.2 V vs NHE）与LCN价带空穴复合，保留强还原性AgO导带电子（-0.66 V）参与产氢反应。

3.3 光学性能与能带结构

UV-Vis DRS显示ALCN-0.3带隙增至2.89 eV，Tauc曲线证实其间接带隙特性。价带XPS测得g-C₃N₄与AgO的价带顶分别为2.20 eV和0.5 eV，能带排列满足Z型机制热力学要求。

这项研究通过"稀土掺杂+异质结工程"的双重策略，突破了g-C₃N₄基光催化剂的性能极限。ALCN体系展现的16.7 mmol g^-1 h^-1产氢速率，较已报道的Co_1.5MoS_3.2/g-C₃N₄（17.6 mmol）更具成本优势，且稳定性显著提升。该工作不仅为设计高效Z型光催化系统提供了普适性方法，更开辟了稀土元素在能源转换材料中的应用新途径。未来通过调控4f电子构型与界面耦合强度，有望进一步优化这类催化体系的太阳光转化效率。