石墨氮化碳（g-C3N4) 由于其可见光响应特性和出色的化学稳定性，已成为一种极具前景的光催化材料。然而，它在H2O2生产方面仍然受到两个关键因素的限制：光诱导电荷载流子的快速复合和O2活性位点的不足，这共同限制了其在标准光照下的产量。2022年H. Zhang等人提出了利用g-C3N4固有的压电性，在超声激励下通过压电极化有效抑制电荷复合，进一步增强g-C3N4的光催化性能。近年来，在如何改性提高g-C3N4的压电性方面得到的显著的成果，但是，作为H2O2生产的另一个关键因素，O2活性位点的设计也尤为重要。如何利用压电光子效应，抑制载流子的快速复合，并协同结构设计暴露出更多活性位点，从而共同促进H2O2的生产好像是解决这一问题有希望的策略。但该难题在巧妙设计压电-光催化体系中还有待进一步研究。
近日，江苏科技大学郭峰/施伟龙课题组基于前期在压电材料和光催化领域的积累，创新性地将压电效应与光催化结合，设计了一种全新的压电辅助光催化体系，并通过硬模板法在氮化碳（g-C3N4）表面构建了表面凹坑结构，同时提高了氮化碳的光吸收和压电性。同时，通过表面凹坑结构氮化碳的压电效应，促进了载流子的分离与迁移速率，并有效的抑制载流子的复合，同时，表面凹坑结构带来更多暴露的活性位点并增强对氧气的吸附。最终实现在纯水中227.76 μmol·g-1·h-1的H2O2生成速率，并在五次循环实验后依旧保持稳定性。
该工作以“Construction of surface pit-structured g-C3N4 by induced SiO2 hard template for boosted piezoelectric-assisted photocatalytic H2O2 production”为题发表在《胶体与界面科学》（Journal of Colloid and Interface Science）。2023级硕士生郭梓轩为该论文第一作者，郭峰/施伟龙副教授为通讯作者。本研究通过压电-光催化协同和微观结构调控，实现在纯水无牺牲剂的条件下高效合成H2O2。
Fig.1 SP-CN催化剂制备示意图。
Fig.2 （a） 通过SiO2后处理对g-C3N4进行表面改性产生的表面凹坑结构示意图。（b）CN和（c，d）SP-CN的SEM图像。（e）CN和（f）SP-CN的TEM图像。（g）SP-CN的HRTEM图像。（h）SP-CN样品的EDS图谱图像。
Fig.3 CN和SP-CN的（a） XRD图谱，（b）FT-IR光谱，（c）拉曼光谱。CN和SP-CN的XPS分析：（d）测量光谱和高分辨率光谱（e）c 1s和（f）N 1s。CN和SP-CN的（g）元素含量，（h）N2吸附-解吸等温线和（i）O2程序升温解吸曲线。
Fig.4 CN和SP-CN样品的（a）紫外-可见光谱 （b）稳态PL光谱和（c）瞬态光电流曲线。（d）CN和SP-CN在光照或黑暗中的EIS阻抗谱。CN和SP-CN的（e）TPV弛豫曲线，（f）最大电荷提取时间（tmax），(g) 电荷提取效率（A）。（h）CN（蓝色曲线）和SP-CN（粉红色曲线）的衰减常数(τ)。(i) CN和SP-CN的时间分辨PL衰变光谱。
Fig.5 （a）CN和SP-CN的光催化H2O2生产曲线。（b）CN和SP-CN的光催化H2O2生产速率直观比较。（c）CN和SP CN的相应拟合形成速率常数（Kf）和分解速率常数（Kd）。（d）SP-CN在各种实验条件下的光催化过氧化氢生产性能。（e）SP-CN的波长相关表观量子效率（AQE）。（f）CN和SP-CN的太阳能到化学转化效率（SCC）。（g）SP-CN光催化H2O2生产的循环稳定性。（h）该工作H2O2生产与近年来基于g-C3N4的光催化剂的比较。
Fig.6 CN和SP-CN的3D PFM图像：（a，c）相位图像和（b，d）振幅图像。（e）CN和（f）SP-CN的蝴蝶压电曲线图。（g）催化反应吸附O2过程中SP-CN的静电势（ESP）和分子偶极子的分布图。（h）CN和SP-CN的表面电荷密度。（i）CN和SP-CN的内部电场强度。
Fig.7 （a）压电催化、（b）光催化和（c）压电光催化中CN和SP-CN的H2O2生产率。（d）三种不同过程的催化性能：压电催化、光催化及其压电辅助光催化方法。（e）SP-CN在不同条件下的H2O2生产性能。（f）SP-CN的压电光催化H2O2生产的循环稳定性。（g）SP-CN压电光催化剂的自由基捕获实验研究H2O2形成机制。（h）SP-CN和最近报告的催化剂在H2O2生成性能上的比较。
Fig.8 CN和SP-CN材料在压电光催化过程中捕获（a）·O2-和（b）·OH的ESR光谱。H2O2和反应位点之间的电荷密度差映射：（c，d）压电光催化H2O2生产过程中表面凹坑结构SP-CN的原位DRIFT光谱。（e）SP-CN压电光催化合成H2O2的机制示意图。
综上所述，通过模板法，在石墨相氮化碳表面成功构建了凹坑结构，可在纯水无牺牲剂条件，模拟光照射下进行压电辅助光催化产H2O2。性能测试结果表明，合成的SP-CN显示出显著的压电光催化活性，H2O2的生成速率可以达到227.76 μmol g-1 h-1，是纯相氮化碳在单独光照下产率的14.4倍。高效的H2O2生成速率可归因于几个关键因素：(i) 凹坑结构优化了光散射，提高了SP-CN的光吸收；(ii) 凹坑结构提高了SP-CN的压电效应，促进电荷分离，增强催化活性；(iii) 凹坑结构提供更多表面活性位点，并促进氧气的吸附和活化。该研究成果为H?O?的绿色合成提供了全新思路。未来，随着技术的进一步成熟，或许能看到更高效、更可持续的化工生产方式。此外，SP-CN的合成方法简单且经济可行，这表明基于g-C3N4的压电-光催化剂具有实用性和前景。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.138118
