引言
無金屬石墨型氮化碳(g-C3N4)以其優(yōu)異的理化性能，例如耐高溫、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)等特性，受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。g-C3N4廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如污水凈化、產(chǎn)氫、儲(chǔ)能、濕度和氣體傳感器、太陽能電池和燃料電池。然而，由于固有的缺點(diǎn)導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用受到限制，例如光生電子 - 空穴對(duì)的快速?gòu)?fù)合、低表面積、難以與水分離、低量子效率和不充分的光吸收。核殼結(jié)構(gòu)由于具有單組分所不具備的新穎的物理和化學(xué)特性，因此將氮化碳引入核殼結(jié)構(gòu)是最近幾年一種熱門的改進(jìn)氮化碳的方法。核殼結(jié)構(gòu)氮化碳 (g-C3N4 CSNs) 具有綠色經(jīng)濟(jì)、制備簡(jiǎn)單、活性位點(diǎn)豐富、厚度調(diào)節(jié)方便、適用性廣、性能好等優(yōu)點(diǎn)。這些材料適用于光催化、光電催化、電催化等催化領(lǐng)域。
成果介紹
近日，湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院曾光明教授和張辰助理教授團(tuán)隊(duì)在Applied Catalysis B: Environmental雜志上發(fā)表了綜述性文章（A multifunctional platform by controlling of carbon nitride in the core-shell structure: from design to construction, and catalysis applications，2019， DOI：
10.1016/j.apcatb.2019.117957）。第一作者是2018級(jí)碩士生賀東輝，在綜述中，他不但概述了核殼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，還開創(chuàng)性的總結(jié)了將氮化碳引入核殼結(jié)構(gòu)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。另外，匯總了所有已合成的核殼結(jié)構(gòu)氮化碳的架構(gòu)（分為了球形和非球形），并且分析了不同形態(tài)結(jié)構(gòu)形成的內(nèi)部機(jī)理；從光催化和電催化兩方面來討論如何合理地設(shè)計(jì)核殼結(jié)構(gòu)氮化碳來達(dá)到理想的效果。接著， 概述了核殼結(jié)構(gòu)氮化碳的合成方法。最后，討論了核殼結(jié)構(gòu)氮化碳在光催化、光電催化和電催化多個(gè)方面應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和需要繼續(xù)改進(jìn)的地方。
圖文導(dǎo)讀
圖1.摘要附圖。
圖2. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳各種結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳的電鏡圖和合成示意圖。
圖4. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳的合成示意圖，電鏡圖和降解曲線。
圖5. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳的電鏡圖，能譜分析，機(jī)理圖和降解圖。
圖6. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳合成示意圖。
圖7. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳合成示意圖。
圖8. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳合成示意圖。
圖9. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳合成示意圖和電鏡圖。
圖10. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳合成示意圖和電鏡圖。
圖11. 降解效果圖和核殼結(jié)構(gòu)氮化碳光催化機(jī)理圖。
圖12. 降解效果圖和核殼結(jié)構(gòu)氮化碳光催化機(jī)理圖。
圖13. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳光催化機(jī)理圖和NADH產(chǎn)率曲線圖。
圖14. 核殼結(jié)構(gòu)氮化碳光電催化機(jī)理圖。
總結(jié)和展望
針對(duì)于核殼結(jié)構(gòu)氮化碳最新的研究進(jìn)展，作者提出了以下幾點(diǎn)通用的未來展望：（1）迫切地需要開發(fā)一種大規(guī)模，通用且簡(jiǎn)單的合成方法，以適應(yīng)具有不同表面特性，形態(tài)和組成的各種核心；（2）g-C3N4殼在不同合成方法和核心材料下的特定生長(zhǎng)機(jī)制是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)；（3）合成方法需要進(jìn)一步探索，以有效地建立具有所需厚度、密封性、表面化學(xué)、孔隙率等的g-C3N4殼的可控合成，以期滿足催化領(lǐng)域的實(shí)際需要；（4）在催化領(lǐng)域，高質(zhì)量的原子厚度級(jí)g-C3N4納米片的制備還缺乏簡(jiǎn)便、高效的方法。同時(shí)，作者基于核殼結(jié)構(gòu)氮化碳在合成方面的發(fā)展提出了獨(dú)特的見解和展望：（1） 對(duì)于水熱法和溶劑熱法，迫切需要確定具體的組合機(jī)制和形成原則來避免盲目的嘗試；（2） 迫切需要開發(fā)一種節(jié)能和界面緊湊的自組裝法來構(gòu)建核殼結(jié)構(gòu)氮化碳；（3）對(duì)于熱處理法，缺乏對(duì)用不同狀態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)）前體來構(gòu)建核 - 殼結(jié)構(gòu)的內(nèi)在機(jī)制的深入研究，這不利于深入理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，開發(fā)高端實(shí)驗(yàn)測(cè)量和嚴(yán)格的理論計(jì)算以揭示核殼結(jié)構(gòu)氮化碳在電荷載體的性質(zhì)和分子水平上的深刻機(jī)理是必要的。另外，從結(jié)構(gòu)和性能的角度，作者提出了以下幾點(diǎn)未來的展望：（1） 針對(duì)于不同的催化應(yīng)用領(lǐng)域，需要開發(fā)更多種類的核心結(jié)構(gòu)來滿足實(shí)際應(yīng)用；（2）開發(fā)殼層刻蝕方法來調(diào)節(jié)孔隙度是調(diào)節(jié)活性的一項(xiàng)重要研究方向。最后，從應(yīng)用角度，作者提出了以下的獨(dú)特見解：目前核殼結(jié)構(gòu)氮化碳局限于催化方向的應(yīng)用，對(duì)于生物醫(yī)學(xué)、傳感器和能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備的應(yīng)用還需要加大研發(fā)力度。
文獻(xiàn)鏈接：
A multifunctional platform by controlling of carbon nitride in the core-shell structure: from design to construction, and catalysis applications （DOI：10.1016/j.apcatb.2019.
117957）。
本文由湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院曾光明教授和張辰助理教授團(tuán)隊(duì)供稿。
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