北理工在石墨相氮化碳改性及其應用於環境和能源領域取得重要研究進展

近日，北京理工大學生命學院綠色生物製造課題組在石墨相氮化碳（g-C₃N₄）改性及其在環境和能源應用方面取得重要研究進展，相關成果以“Hollow Polymeric Ionic Liquid Spheres with Hierarchical Electron Distribution: A Novel Composite of g-C₃N₄for Visible Light Photocatalytic Water Splitting Enhancement”為題發表於頂級權威期刊《Chemical Engineering Journal》（影響因數13.273），北京理工大學生命學院2019級博士生賀濱與天津大學化工學院2018級博士生陳聖新為該工作共同第一作者，通訊作者為孫劍教授。

圖1課題組基於石墨相氮化碳所開展的系列工作

作為一種可見光響應的非金屬有機電晶體，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有合成簡單、物化性質穩定、綠色經濟、可見光響應、帶隙合適等優點，被廣泛應用於汙水處理、CO₂還原、光解水制氫等環境和能源領域。由於原始的g-C₃N₄存在比表面積低、載流子複合嚴重、可見光利用率低等問題，需要對其進行結構改性。為此，課題組前期研究了不同改性策略，包括構築生物質衍生異質結、離子修飾同質結等，以求獲得性能優异的g-C₃N₄基催化劑，並將其應用於水污染治理，能源轉化等領域（圖1）。例如，利用自然界中廣泛存在的海洋類生物質-甲殼素作為碳前驅體，通過一步熱聚合法構築了生物基碳/g-C₃N₄異質結（CDC/CN），提高了對可見光吸收，促進了載流子的分離，對降解染料的能力有大幅提升（圖2a）（Appl. Surf. Sci.，2020，527，146737）。進而，在綜述文章中系統總結了現有研究中不同維度碳資料（從零維到三維）與g-C₃N₄構築異質結結構异，對於g-C₃N₄效能的影響機制（圖2b）（Green Energy Environ.，2021，6，823）。為進一步提升異質結的促進效應，綜合了離子修飾與異質結的雙重優勢，發展了K⁺修飾的1D/2D同質結結構，在處理難降解抗生素污水中表現出良好的潜力（圖2c）（Appl. Surf. Sci.，2022，575，151695）。

圖2（a）一步熱聚合法構築生物質衍生碳/g-C₃N₄異質結示意圖；（b）不同維度碳資料（從零維到三維）構築異質結結構示意圖；（c）K⁺修飾的1D/2D同質結結構合成機理。

為了實現改性策略的突破，課題組基於離子液體微環境及其過程强化機制方面的長期積累，提出了以聚合離子液體作為“電子儲體”的概念，發展了具有層級電子分佈的中空聚合離子液體微球（PIL- x），並將其用於修飾的g-C₃N₄。利用其陰陽離子可以調控殼結構中不同電子層厚度，影響體系的電子傳輸儲備行為，獲得了性能優异的產氫催化劑（圖3）（Chem. Eng. J.，2022，135625）。該工作拓寬了聚合離子液體的應用範圍，為g-C₃N₄及其他光催化劑的改性提供了一條新的思路，對於開發高效的光催化劑具有重要的意義。

圖3（a）構築PIL- x /g-C₃N₄複合體系示意圖；（b）複合體系產氫性能對比。

論文詳情：Bin He^#，Shengxin Chen^#，Yuandong Cui，Xinyan Chen，Yu Lei，Jian Sun^*.Hollow Polymeric Ionic Liquid Spheres with Hierarchical Electron Distribution: A Novel Composite of g-C₃N₄for Visible Light Photocatalytic Water Splitting Enhancement，doi:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135625.

原文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722011263

附課題組簡介：

綠色生物製造課題組圍繞國家“雙碳”和可持續發展戰略需求，注重化學、生物、化工、資料等多學科交叉融合，開展功能化離子液體基礎及應用研究，具體方向包括功能化離子液體設計及微環境作用，生物基化學品和資料合成，光、電、熱、生物等過程耦合，以及仿生功能器件構建等。課題組長為孫劍教授，博導，國家高層次青年人才計畫入選者，中國纖維素行業協會科技委員會副主任，中國化工學會離子液體專委會委員，中國膜工業協會醫藥生物用膜技術委員會委員。長期從事基於離子液體的綠色過程研究，在Chem.Soc.Rev.，Energy Environ.Sci.，Chem.Eng. J.等國際著名期刊發表學術論文70餘篇，授權中國發明專利21項、美國專利3項、日本專利1項；主持和參與國家級高層次青年人才計畫、國家自然科學基金等項目10餘項；現擔任Energy Environ.Mater.，Chinese J. Chem.Eng.，Green Chem.Eng.等期刊青年編委。課題組歡迎具有相關專業或背景的學子報考，同時長期招聘博士後和研究人員。