能源技術的利用水平，在一定程度上代表著一個社會的發(fā)展水平。被稱之為“夢之能源”的氫能，作為一種可再生的清潔能源，其開發(fā)和利用已經成為當今社會關注和研究的熱點。光催化水分解產氫，作為一種有效的將太陽能轉化為氫能的手段，代表著氫能源取代不可再生的化石燃料的可能性。石墨相氮化碳（g-C3N4），以其低廉的原料成本、簡單的合成方法和高的可見光光催化產氫效率，受到人們的廣泛關注。然而，g-C3N4的光催化產氫效率距離其商業(yè)化應用還有很大的距離。光催化產氫過程基本可以分為三步：首先光催化劑吸收光能產生電子空穴對，接著電子空穴對分離，分離之后的光生電子和光生空穴分別遷移到催化劑表面，最后光生電子還原水產生氫氣，而光生空穴氧化水產生氧氣。但是，在整個催化反應過程當中，一部分的光生電子空穴對并沒有參與催化劑表面的氧化還原反應，而是又重新復合，釋放能量。這大大降低了光能向化學能的轉化效率。因此，阻止光生電子空穴對的復合，是一種提升光催化性能的有效手段。
中山大學材料科學與工程學院楊國偉教授研究組閆波博士，通過氧氮共摻雜，在g-C3N4納米片內構建內建電場，從而顯著增強了其光生電子空穴對的分離效率，進而顯著增強了其光催化產氫性能。研究成果以“Constructing Built-in Electric Field in Ultrathin Graphitic Carbon Nitride Nanosheets by N and O Codoping for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution Activity”為題，在線發(fā)表在Small（DOI：10.1002/smll.201905700）上。
通過簡單的兩步煅燒法，研究者制備出了超薄的氧氮共摻雜g-C3N4納米片。研究結果表明，相比于體相材料，超薄的納米片狀結構，不但能夠提供更多的、能夠有效接觸反應介質的催化活性位點，而且還能夠降低光生電子和空穴的遷移路程，使得光生電子和空穴更易于參與反應而不是復合。另外，DFT計算也證明了氮氧雜原子對g-C3N4電子結構的影響。計算表明，氮氧雜原子的引入，明顯改變了原來g-C3N4的電荷分布。g-C3N4上電荷的重新分布在g-C3N4納米片上引入了一個內建電場。時間相關單光子計數(TCSPC)結果表明，內建電場明顯增強了光生電子空穴對的壽命，減少了光生電子和空穴的復合。光催化實驗結果也表明，氧氮共摻雜的g-C3N4納米片相比g-C3N4本體材料擁有更高的光催化產氫性能。研究者相信，此方法可以推廣到其它的光催化體系，以增強光生電子和空穴的轉移和分離，從而提升光催化劑的光催化析氫性能。
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