Nature Commun：氟化氮化碳实现全分解水

纳米技术

2022-11-16

虽然氮化碳具有可见光吸收能力，而且合适的能带结构满足分解水生成氧气的需求，但是人们长期一直认为，在没有加入小分子添加剂时，石墨相氮化碳难以作为分解水生成氢气和氧气。

有鉴于此，江苏大学闫研、密歇根大学周鹏等报道通过对g-C₃N₄进行氟化，观测发现光催化反应中生成C=O化学键，解决了光催化全分解水的难题。

本文要点

（1）

F-C₃N₄制备。通过在550 ℃空气气氛煅烧4 h的方式合成CN，随后将产物溶解于0.5 M HNO₃溶液，80 ℃加热4 h，随后收集生成的淡黄色产物。

将淡黄色CN在NaF溶液中室温搅拌，使用HClO₄调pH为3.5，随后在180 ℃煅烧12 h，生成F-CN。

（2）

通过在碳原子修饰表面氟原子，显著降低C=O中间体的成键，制氢性能比本征g-C₃N₄的性能提高一个数量级，而且能够持续生成O₂。通过同位素标记（¹⁶O/¹⁸O）标记的DRIFT光谱、NAR-XPS光谱，发现在H₂O/g-C₃N₄界面上C=O化学键累积现象是导致C₃N₄较弱的OER性能的原因，以及单晶g-C₃N₄无法实现全分解水。因此作者通过表面氟化策略阻碍C=O化学键累积，得以提高整体分解水性能。

（3）

DFT计算结果显示，通过N原子相邻的C-F化学键相互作用，OER反应路径得以改善，从而能够避免较强的C-O相互作用、避免较弱的N-O相互作用。

（4）

在OER催化反应过程中，催化剂表面产生C=O化学键累积的现象之前并未受到关注。作者发现催化剂表面的C=O键累积能够作为OER催化活性的指标，较强的C=O键合中间体物种导致催化剂失活，影响整体上光催化分解水的活性。因此通过非常简单的构建C-F化学键表面结构，克服C=O化学键的吸附累积，从而实现改善可见光催化分解水的性能。

参考文献

Wu, J., Liu, Z., Lin, X. et al. Breaking through water-splitting bottlenecks over carbon nitride with fluorination. Nat Commun 13, 6999 (2022)

DOI: 10.1038/s41467-022-34848-8

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34848-8