從太陽能中捕獲能量是對環(huán)境影響最小，并且能夠滿足太瓦（Terawatt）級綠色能量需求、緩解能源危機(jī)的最直接有效方式。如果能夠在半導(dǎo)體材料表面捕集光，在固液界面利用太陽光催化分解水產(chǎn)生氫氣，將光能穩(wěn)定存儲(chǔ)為化學(xué)能，將會(huì)是一種可行、低成本的途徑。石墨相碳氮化合物（簡稱g-C3N4）是具有類石墨烯結(jié)構(gòu)的二維片層狀聚合物半導(dǎo)體材料，物質(zhì)本身只含有地球上富含的碳和氮兩種元素，其獨(dú)特的半導(dǎo)體光催化特性已在太陽能利用上展現(xiàn)出很大的潛力。

近期，中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所陳韋研究員課題組成功利用廉價(jià)、環(huán)境友好的工業(yè)原料尿素，在常壓熱聚合條件下獲得g-C3N4，所制得的黃色粉末在太陽光照射下，具有優(yōu)良的光催化活性（圖1 反應(yīng)示意圖，圖2 Nanoscale 2012年4卷17期雜志封底報(bào)道）。這種方法的優(yōu)勢在于原料常見、單一且便宜，反應(yīng)條件簡單可控易行，且可規(guī)模化制備（J. Mater. Chem. 2011, 21, 14398）。

在此基礎(chǔ)上，課題組進(jìn)一步深入研究了尿素制得的g-C3N4（簡稱UCN）的光催化分解水特性和機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，UCN在模擬太陽光照下，分解水產(chǎn)生氫氣的效率比其他常用化工原料（如硫脲、雙氰胺等）制得的g-C3N4高出2-3倍以上（圖3 達(dá)47.2 µmol/L，Nanoscale, 2012, 4，5300）。對材料的物化性質(zhì)研究結(jié)果顯示，UCN的比表面積是其它材料制備的g-C3N4的6倍左右，孔體積達(dá)到4倍，表面光照激發(fā)后載流子的復(fù)合率也更低。其主要原因在于，尿素在熱解的過程中生成大量氨氣，氣體的存在有利于多孔結(jié)構(gòu)的形成。此外，由于尿素中含有氧原子，物質(zhì)中存在的氫鍵和較強(qiáng)的C-O鍵都會(huì)降低材料的聚合度，更傾向于形成小片層多孔的高活性光催化材料。

光催化劑除了需要具備高活性，高穩(wěn)定性也是一個(gè)重要的因素。該課題組在研究g-C3N4循環(huán)穩(wěn)定性的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照在催化劑表面上，光生電子還原水放出氫氣，水同時(shí)被光生空穴氧化產(chǎn)生過氧化氫（H2O2），H2O2的存在不利于催化活性，但在通入氮?dú)饣蛘邔⒚荛]體系敞開在無光照、常壓大氣等條件下，就能釋放材料表面弱鍵結(jié)合的H2O2，自然溫和地加速恢復(fù)了材料的活性，獲得材料的可再生催化特性（圖4 Chem. Commun., 2012, 48(70), 8826）。可見，尿素制備的多孔g-C3N4光催化活性、穩(wěn)定性高和表界面功能化途徑豐富，在其他領(lǐng)域上同樣有很大的應(yīng)用潛力。

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院以及江蘇省自然科學(xué)基金委的大力支持。

圖1：尿素?zé)峤夂铣墒嗵嫉衔锏脑韴D以及生成的黃色粉末

圖2：Nanoscale, 2012, 4卷，17期雜志封底

圖3：a）尿素制備的g-C3N4的制氫效果顯著提高；b）g-C3N4的比表面積和孔徑分布

圖4：g-C3N4可再生循環(huán)制氫性能