氢能因其清洁、高效、安全和高能量密度而被认为是一种潜在的可持续能源。在获得氢能的各种方法中，光催化水分解制氢是一种理想的方法。在光照射下，半导体光催化剂可以连续地将水分解成H2。在众多的制氢光催化剂中，g-C3N4(CN)以其稳定性好、带隙窄、还原能力强等优点引起了人们的关注。纯CN是由层叠纳米片构成的块状结构，缺乏足够的反应中心。因此，合理设计CN形态对提高其光催化析氢(PHE)活性是必要的。
对于光催化，中空结构允许光在腔内持续反射和散射，增强入射光的吸收；薄壳能减小电荷载流子的迁移距离，抑制电荷复合。并且，大的比表面积也为催化反应提供了更多的活性位点。因此，中空结构可能是提高CN的PHE效率的一个很好的选择。基于此，中国科学院理化技术研究所马望京课题组成功地在混合溶液中快速重结晶尿素和TAA，再加上煅烧，制备了具有珊瑚状中空多孔结构的S-CN。随后，在S-CN骨架上原位生长ZnIn2S4(ZIS)，制备了S-CN/ZIS异质结。S-CN的表面褶皱和内部空洞提供了较大的比表面积，暴露的活性位点较多，光利用率较高；同时，构造异质结也加速了光生电荷载流子的分离和迁移。此外，S掺杂和S型异质结的协同效应进一步促进了电荷转移。因此，最优的S0.5-CN/ZIS催化剂在可见光照射下的产氢速率可达19.25 mmol g-1 h-1，是CN/ZIS催化剂的2.27倍。此外，在420 nm的波长下，表观量子产率(AQE)达到了34.43%，优于以往研究中的类似催化剂。基于光谱表征结果和理论计算，研究人员提出了S-CN/ZIS异质结的PHE反应机理。具体而言，由于S型异质结中的内建电场(IEF)效应，光生电子自发地从ZIS的CB流向S-CN的VB；ZIS的CB输运的电子可以与S-CN的VB中的固有空穴重新结合，S-CN表面的高能电子与吸附的H反应产生H2。S型异质结的电荷转移模式促进了光生电子和空穴的空间分离，为有效的PHE反应提供了强大的氧化还原能力。此外，S-CN/ZIS异质结还增强了水分子在催化剂表面的吸附和活化，以及对H的吸附和解吸，协同提升光催化水分解产氢性能。综上，该项工作对复合材料的微观结构、增强等电场效应、氢吸附能以及S型异质结的电荷转移机制进行了深入的研究，为CN基高效光催化剂的设计提供了新的视角和理论依据。In situ construction of hollow coral-like porous S-doped g-C3N4/ZnIn2S4 S-scheme heterojunction for efficient photocatalytic hydrogen evolution. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202403771
