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光解水制氢反应是一种理想的太阳能到化学能转化途径，开发高效的光催化剂是提高太阳能转换效率的关键。近年来，聚合物氮化碳（PCN）纳米片因具有较高的比表面积和高效的光生载流子传输路径等优点，被广泛应用于各种光催化反应。目前，主要采用剥离法制备PCN纳米片，但由于经受过较强的化学剥离和物理剥离过程，该方法制备的PCN纳米片结晶性较差，表面富含缺陷，导致光催化性能提升受限。通过在PCN聚合过程中添加低熔点共熔盐可以合成结晶型PCN材料，但该方法一般只能合成块体状PCN，仍然需要进一步超声剥离才能得到结晶性较好的PCN纳米片。更重要的是，由于纳米限域效应，上述合成的PCN纳米片都存在一个公开的缺陷：吸收边蓝移，导致可见光捕获能力降低。总之，采用现有方法合成的PCN纳米片一般只能优化某一方面的性能，很难实现对光催化反应中三个关键过程（光吸收、电荷分离、表面反应）的协同优化，导致光催化性能提升受限。因此，急需发展一种新的合成策略制备高性能PCN纳米片光催化材料。
近日，大连理工大学化工学院郭新闻教授研究团队采用中间体诱导策略，成功制备出了结晶型自组装（CFSA）PCN纳米片。CFSA结构呈现为连续的三维（3D）网络结构，由弯曲的小纳米片二级单元相互连接组成，同时富含褶皱以及丰富的产氢活性位点。3D CFSAPCN纳米片独特的结构特性使其同时具有扩张的π电子体系和部分扭曲的七嗪基结构，不仅增强了PCN材料固有的π → π*电子跃迁，而且激发了n → π*电子跃迁，极大地增强了可见光吸收。同时，3D CFSA结构中结晶型的小尺寸纳米片二级单元具有同时缩短的体相和面内载流子传输路径，增强了光生载流子的分离效率和传输速率。借助原位XRD、核磁、热重等表征手段详细研究了中间体诱导策略的作用机制，发现在350度预聚合得到的中间体具有最合适的聚合度以及再聚合能力，可以在高温热解阶段诱导纳米片二级单元自组装形成最佳的3D网络结构（U300-670），该样品具有最优的3D CFSA结构和光学性质，应用在常压可见光分解水制氢反应表现出14665µmol g−1 h−1的产氢速率（Pt 1.1 wt%），远高于原始块体PCN和PCN纳米片的产氢性能。
该工作构建的3D CFSA PCN纳米片同时具有丰富的活性位点、增强的可见光吸收以及高效的载流子分离和传输效率，解决了现有合成方法制备的PCN纳米片存在的缺陷，实现了对光催化反应中三个关键过程（光吸收、电荷分离、表面反应）的协同优化，最终提高了PCN的产氢活性，为新型高性能PCN基光催化材料的制备提供了一种新策略。
相关成果以研究论文的形式发表于国际期刊Applied Catalysis B: Environmental（影响因子19.503）（Intermediate-induced repolymerization for constructing self-assembly architecture: Red crystalline carbon nitride nanosheets for notable hydrogen evolution）。文章第一作者是大连理工大学化工学院博士后安素峰，通讯作者为郭新闻教授和侯军刚教授。大连理工大学为第一单位，以上工作得到国家自然科学基金项目和辽宁兴辽英才计划高水平创新团队的支持。
来源；大连理工大学
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121323
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