近期，中科院合肥研究院固體所計(jì)算物理與量子材料研究部丁俊峰團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)章根強(qiáng)教授，實(shí)現(xiàn)了含有氮空位的石墨相氮化碳高壓下的帶隙優(yōu)化和光電響應(yīng)的增強(qiáng)。相關(guān)結(jié)果以“Pressure-Optimized Band Gap and Enhanced Photoelectric Response of Graphitic Carbon Nitride with Nitrogen Vacancies”為題發(fā)表在Physical Review Applied (Phys. Rev. Appl. 19, 024048 (2023))上。

石墨相氮化碳（g-C3N4）因其在高效光催化制氫、水氧化、人工光合作用、CO2還原、有機(jī)污染物光解等方面的良好性能，近年來受到廣泛關(guān)注。然而，原始g-C3N4 具有的2.7 eV的寬帶隙限制了其在可見光范圍內(nèi)的光吸收，制約了其應(yīng)用。高壓技術(shù)作為一種可以改變材料性質(zhì)的通用工具，為在不改變成分的情況下調(diào)整帶隙和光電特性提供了一種有效的策略。因此，通過高壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)對g-C3N4的帶隙調(diào)控，可以顯著增強(qiáng)其光催化活性，提升其應(yīng)用潛力。

研究團(tuán)隊(duì)采用堿輔助熱聚合法制備了含氮空位缺陷g-C3N4納米片，氮/碳比為9:10，并利用金剛石對頂砧（DAC）結(jié)合拉曼光譜、同步輻射X射線衍射、高壓吸收光譜、光電流等技術(shù)系統(tǒng)地研究了g-C3N4在高壓下的帶隙演變和光電響應(yīng)行為。研究發(fā)現(xiàn)，在氮缺陷的輔助下，g-C3N4由于壓力驅(qū)動發(fā)生了由石墨相向非晶相的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變（PIA）。高壓下，氮缺陷g-C3N4的熒光光譜（PL）由黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色，最小帶隙達(dá)到1.70 eV。變窄的帶隙增強(qiáng)了可見光范圍內(nèi)的光吸收，并將可見光下的光電流從18 nA增加到29 nA。當(dāng)施加壓力高于PIA轉(zhuǎn)變壓力17GPa時，降壓到環(huán)境壓力下仍能保持窄帶隙，實(shí)現(xiàn)了g-C3N4從1.87 eV到2.42 eV大范圍的帶隙調(diào)控，且其光電流提高了近2倍。該研究提供了一種空位/缺陷輔助PIA的策略，發(fā)展了將高壓下的結(jié)構(gòu)和物性保存到常壓環(huán)境下的普適性技術(shù)，可以用于設(shè)計(jì)調(diào)控材料的帶隙和提升光電性能。

合肥研究院丁俊峰研究員、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)章根強(qiáng)教授為論文共同通訊作者，博士生程鵬為論文第一作者。上述工作得到了國家自然科學(xué)基金和中科院創(chuàng)新項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.19.024048

圖1. 高壓下金剛石對頂砧壓機(jī)內(nèi)g-C3N4樣品的顏色變化。

圖2. g-C3N4在高壓下光電流。