双金属AgNi共催化剂修饰g-C3N4纳米片实现高效光催化产氢

为解决传统光催化剂活性低、电荷复合快等问题，研究人员通过化学还原法制备了双金属AgNi/g-C3N4复合光催化剂。该材料通过AgNi双金属协同效应拓宽光吸收范围、加速电荷转移，产氢速率达20891.14 μmol g-1 h-1，较纯g-C3N4提升652倍，为设计高性能光催化系统提供了新策略。

　　

随着全球能源危机和环境问题日益严峻，开发清洁可再生能源成为当务之急。氢能因其高能量密度和零碳排放特性被视为理想能源载体，而光催化水分解制氢技术因其直接利用太阳能的特点备受关注。然而，传统光催化剂如石墨相氮化碳（g-C₃N₄）存在光吸收范围窄、电荷复合快等瓶颈问题。尽管单金属助催化剂可部分改善性能，但如何通过材料设计实现光生电荷的高效分离与利用仍是重大挑战。

在这项发表于《Materials Today Sustainability》的研究中，Li-Juan Sun团队创新性地将银镍双金属（AgNi）纳米颗粒负载于g-C₃N₄纳米片上。通过系统的实验表征和理论计算，发现这种双金属助催化剂能产生显著的协同效应：Ag促进电子转移，Ni优化氢吸附能，二者协同作用使材料产氢性能产生质的飞跃。

研究采用化学还原法合成AgNi/g-C₃N₄复合材料，通过XRD、FT-IR、SEM-EDS、TEM等技术确认材料结构，UV-Vis DRS和PL光谱分析光学性质，电化学测试评估电荷分离效率，并结合DFT计算阐明反应机制。

3.1 材料结构与形貌表征

XRD显示复合材料保留了g-C₃N₄的特征峰（27.3°），并出现Ag（111）晶面衍射峰。TEM观察到粒径均匀的AgNi纳米颗粒（0.208 nm晶格间距），EDS证实Ag、Ni元素均匀分布。比表面积测试表明5% AgNi/CN的SBET为63.85 m²/g，虽略低于纯g-C₃N₄（73.98 m²/g），但更紧密的界面接触有利于电荷传输。

3.2 光学与电化学性能

UV-Vis显示5% AgNi/CN吸收边红移至482 nm，带隙降至2.82 eV。PL光谱表明该样品荧光强度最弱，TRPL显示其载流子寿命（1.33 ns）短于纯g-C₃N₄（1.57 ns），证实AgNi有效抑制电荷复合。EIS谱显示其电荷转移电阻显著降低，与光电流响应增强的结果一致。

3.3 光催化产氢性能

在可见光（λ>420 nm）下，5% AgNi/CN产氢速率达20891.14 μmol g^-1 h^-1，是纯g-C₃N₄的652倍，且循环5次后活性未衰减。对比实验显示该性能远超单金属Ag/CN（990.51 μmol g^-1 h^-1）和Ni/CN（1337.89 μmol g^-1 h^-1），凸显双金属协同优势。

3.4 理论计算揭示机制

DFT计算显示AgNi/CN的氢吸附自由能（ΔG_H*=-0.57 eV）接近理想值，显著优于纯g-C₃N₄（2.21 eV）。态密度分析表明AgNi引入使费米能级上移，形成向下弯曲的能带结构，促进电子向活性位点迁移。

该研究通过精巧的双金属设计，实现了光吸收、电荷分离与表面反应的多重优化。提出的"Ag促进电子转移-Ni优化氢吸附"协同机制为开发高效光催化剂提供了新思路。特别值得注意的是，该工作采用价格仅为铂1/50的AgNi双金属，在保持高性能的同时大幅降低成本，对光催化产氢技术的实际应用具有重要推动意义。材料优异的稳定性（循环后XRD无变化）进一步展现了其工业化应用潜力，为清洁能源开发和碳中和目标实现提供了新的技术路径。