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福州大學(xué)ACS Catalysis：PCN中π-π相互作用驅(qū)動的電荷分離和層間轉(zhuǎn)移

聚合物氮化碳（PCN）是光催化領(lǐng)域中研究得比較充分的非金屬催化劑，但PCN中電荷輸運(yùn)的性質(zhì)在微觀層面上還沒有完全揭示?；诖耍?strong>福州大學(xué)林偉教授等人報道了結(jié)合密度泛函理論（DFT）和非絕熱動力學(xué)（NAMD）模擬，研究了層間相互作用對甜瓜光生載流子動態(tài)特性的影響?？傮w而言，層間π -π相互作用對熱電子的影響大于空穴，加速了塊狀PCN中電子的弛豫。在單層PCN和塊狀PCN中，電子和空穴具有相同的反鍵π鍵特性，從而驅(qū)動電荷的分離。

VASP解讀

作者研究了PBE和M06L泛函的價帶最大值（VBM）和導(dǎo)帶最小值（CBM）的空間電荷密度，兩種官能團(tuán)表現(xiàn)出相似的電荷密度特征。散裝PCN的CBM和VBM定位在不同的七嗪單元上，而單層PCN的CBM和VBM定位在相同的七嗪單元上。在單層中，七嗪單元通過-NH基團(tuán)和氫鍵連接，導(dǎo)致它們之間的耦合較弱，其中電荷可能定位在七嗪本身上。晶體軌道Hamilton居族（COHP）分析表明，其Frontier軌道具有相同的反鍵特征，在化學(xué)環(huán)境的變化過程中，其能級會同步波動。

在塊狀PCN中，由于層間π-π相互作用，不同的七嗪單元重疊模式導(dǎo)致HOMO和LUMO的能級不同。最終，CBM和VBM定位于不同的heptazine單元。此外，熱運(yùn)動和波紋結(jié)構(gòu)也會破壞單層和塊狀系統(tǒng)的對稱性，也會導(dǎo)致電荷分離。結(jié)果表明，由于層間相互作用和熱運(yùn)動導(dǎo)致的對稱性破壞使得甜瓜中的七嗪單元形成供體-受體對，從而促進(jìn)電荷的分離和轉(zhuǎn)移。

π-π Interaction-Driven Charge Separation and Interlayer Transfer in Polymeric Carbon Nitride. ACS Catal., 2023, DOI: 10.1021/acscatal.3c05079.

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