大湾区大学(筹)物质科学学院张国强课题组在结晶氮化碳可见光及近红外光活性的研究方面取得新进展。相关成果发表在：ACS Nano期刊上(中科院一区，IF = 15.8)，题为“Suppressing Nonradiative Recombination through Dielectric Screening of Defects in Crystalline Carbon Nitride for Enhanced Photocatalytic Activity” (图1a)；Chemical Engineering Journal期刊上(中科院一区，IF = 13.3)，题为“Slowing down the hot electron cooling to activate near-infrared photocatalytic activity in potassium/carbon co-doped polymeric carbon nitride” (图1b)；张国强研究员为本论文的第一作者，大湾区大学(筹)物质科学学院为第一单位。
半导体中非辐射复合涉及以声子形式从光生载流子释放能量。该过程主要发生在缺陷中心，导致光生载流子的显著损失，严重降低了光催化效率。以往的研究更多地关注光催化剂的吸光性能、光生载流子的产生和分离，而忽视了非辐射复合的影响。在聚合物氮化碳(CN)中，非辐射复合速率比辐射复合速率高1-2个数量级。因此，抑制非辐射复合对于提高CN基光催化剂的光催化效率至关重要。
缺陷在半导体的非辐射复合中起着至关重要的作用。Shockley-Read-Hall (SRH)复合模型用于描述半导体中载流子的非辐射复合过程。缺陷诱导非辐射复合的概率可以通过缺陷捕获截面(DCCS)来量化，正比于缺陷浓度，反比于介电常数的平方。因此，增加介电常数可以降低DCCS，从而最大限度地减少缺陷引起的载流子捕获和非辐射复合，这有利于载流子的传输和分离。缺陷的介电屏蔽已被证明是提高钙钛矿太阳能电池电荷分离效率的有效策略，然而在光催化领域却鲜有报道。
1. 一种新型的高活性PHI光催化剂
聚七嗪酰亚胺(PHI)因其高度结晶结构而成为一种有前景的光催化剂。然而，目前仅限于低活性碱金属型PHI，迫切需要开发更高光催化活性的新型PHI。在这里，我们开发了具有优异活性的新型CaPHI光催化剂。
2. 提出解决电荷分离瓶颈的策略
大量缺陷诱导的非辐射复合大大降低了光催化剂中的电荷分离效率。抑制非辐射复合对于提高光催化效率至关重要，需要开发更通用的策略来解决电荷分离的瓶颈。在这里，我们提出的介电屏蔽策略有效地解决了光催化剂中缺陷诱导的非辐射复合导致载流子传输和分离缓慢的问题。
图1. a) CaPHI中缺陷捕获截面依赖的非辐射复合速率(ACS Nano 2024, 18, 29294-29303)。b) 碳氧共掺杂减缓热电子冷却示意图(Chem. Eng. J. 2024, 499, 156366)。
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.4c12938
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724078574
