在氣候變化時(shí)期，可再生能源被廣泛研究，以解決全球能源危機(jī)和環(huán)境可持續(xù)性問題。在可再生能源中，通過太陽能由水產(chǎn)生的氫燃料(綠色氫)因其自發(fā)性和生態(tài)相容性而受到青睞，而這也就需要開發(fā)高效、環(huán)境友好和可持續(xù)的技術(shù)來生產(chǎn)綠色氫。

為此，光催化、光電化學(xué)和太陽能水分解正在被努力研究，而這些技術(shù)最重要的研究領(lǐng)域之一是合成有效的光催化劑。過渡金屬氧化物/硫族化合物與貴金屬結(jié)合通常是優(yōu)選的光催化劑，然而在實(shí)際應(yīng)用中，無金屬的光催化劑將更有利，尤其是含碳材料。聚合氮化碳(PCN)的未凝聚形式一般稱為Melon，其常被用作光催化劑，但由于其光吸收弱、活化能高、光激發(fā)載流子分離效率低，而導(dǎo)致其光轉(zhuǎn)換效率較差。

基于此，古騰堡大學(xué)Wolfgang Tremel、阿卜杜拉國王科技大學(xué)Udo Schwingenschl?gl和法赫德國王石油礦產(chǎn)大學(xué)Muhammad Nawaz Tahir等人報(bào)告了用高還原氧化石墨烯(HRG)設(shè)計(jì)Melon帶隙的實(shí)驗(yàn)和理論研究。

本文在AM 1.5 G光照下，利用三電極體系測試了不同比例的HRG@melon的光電化學(xué)水分解性能。測試后發(fā)現(xiàn)，由Melon組成的光電極在光照下僅表現(xiàn)出微弱的光電流，并且具有較高的起始電位。

此外，在-0.75 V_RHE時(shí)催化劑的光電流密度僅為0.071 mA cm^-2。相比之下，1% HRG@melon納米復(fù)合材料在-0.75 V_RHE時(shí)則顯示出最高的光電流密度(0.63 mA cm^-2)，其他含0.1%和2% HRG的光電極沒有表現(xiàn)出更好的光電流。對于含0.1% HRG的復(fù)合材料，可能是由于HRG的量不足以產(chǎn)生顯著的效果，而當(dāng)HRG含量為2%時(shí)，催化劑會(huì)存在常規(guī)的導(dǎo)電行為，在光照下僅產(chǎn)生微不足道的性能改善。

值得注意的是，隨著HRG的增加，催化劑的起始電位向較低的陰極電位顯著偏移，直到HRG含量達(dá)到1%(-0.71 V_RHE→-0.24 V_RHE)。因此，在三種不同的HRG@melon光電極中，1%的HRG@melon納米復(fù)合材料表現(xiàn)出最好的光電化學(xué)性能。

為了更好地了解機(jī)理，本文進(jìn)行了理論計(jì)算以研究RG和melon之間的耦合。計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，melon的帶隙為2.6 eV，這與實(shí)驗(yàn)值一致，也與之前的實(shí)驗(yàn)(2.7 eV)和理論(2.6 eV)結(jié)果一致。此外，吉布斯自由能差(△G_H*)可用于因研究催化劑的HER活性。令人驚喜的是，在melon中添加HRG顯著改善了催化劑的△G_H*，HRG組分的OH和COOH官能團(tuán)導(dǎo)致電荷的重新分布，最終降低了HER的活化能。

總之，本文的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果都表明，催化劑增強(qiáng)的析氫反應(yīng)活性是由于(1)HRG的高表面積；(2)melon的π共軛庚嗪環(huán)基團(tuán)的存在；(3)在HRG和melon的界面上電荷的重新分布。此外，melon中伯胺基團(tuán)的存在提高了光陽極的潤濕性。綜上所述，本文制備的HRG@melon納米復(fù)合材料可以作為綠色、低成本和高效的光催化劑用于相關(guān)應(yīng)用。

Bandgap Engineering of Melon Using Highly Reduced Graphene Oxide for Enhanced Photoelectrochemical Hydrogen Evolution, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202301342.

https://doi.org/10.1002/adma.202301342.