近日，凯时集团有限公司生命学院绿色生物制造课题组在石墨相氮化碳（g-C₃N₄）改性及其在环境和能源应用方面取得重要研究进展，相关成果以“Hollow Polymeric Ionic Liquid Spheres with Hierarchical Electron Distribution: A Novel Composite of g-C₃N₄ for Visible Light Photocatalytic Water Splitting Enhancement”为题发表于顶级权威期刊《Chemical Engineering Journal》（影响因子13.273），凯时集团有限公司生命学院2019级博士生贺滨与天津大学化工学院2018级博士生陈圣新为该工作共同第一作者，通讯作者为孙剑教授。

图1 课题组基于石墨相氮化碳所开展的系列工作

作为一种可见光响应的非金属有机半导体，石墨相氮化碳（g-C₃N₄）具有合成简单、物化性质稳定、绿色经济、可见光响应、带隙合适等优点，被广泛应用于污水处理、CO₂还原、光解水制氢等环境和能源领域。由于原始的g-C₃N₄存在比表面积低、载流子复合严重、可见光利用率低等问题，需要对其进行结构改性。为此，课题组前期研究了不同改性策略，包括构筑生物质衍生异质结、离子修饰同质结等，以求获得性能优异的g-C₃N₄基催化剂，并将其应用于水污染治理，能源转化等领域（图1）。例如，利用自然界中广泛存在的海洋类生物质-甲壳素作为碳前驱体，通过一步热聚合法构筑了生物基碳/g-C₃N₄异质结（CDC/CN），提高了对可见光吸收，促进了载流子的分离，对降解染料的能力有大幅提升（图2a）（ Appl. Surf. Sci., 2020, 527, 146737 ）。进而，在综述文章中系统总结了现有研究中不同维度碳材料（从零维到三维）与g-C₃N₄构筑异质结结构异，对于g-C₃N₄ 性能的影响机制（图2b）（ Green Energy Environ., 2021, 6, 823 ）。为进一步提升异质结的促进效应，整合了离子修饰与异质结的双重优势，发展了K⁺修饰的1D/2D同质结结构，在处理难降解抗生素污水中表现出良好的潜力（图2c）（ Appl. Surf. Sci., 2022, 575, 151695 ）。

图2 (a) 一步热聚合法构筑生物质衍生碳/g-C₃N₄异质结示意图；(b) 不同维度碳材料（从零维到三维）构筑异质结结构示意图；(c) K⁺修饰的1D/2D同质结结构合成机理。

为了实现改性策略的突破，课题组基于离子液体微环境及其过程强化机制方面的长期积累，提出了以聚合离子液体作为“电子储体”的概念，发展了具有层级电子分布的中空聚合离子液体微球 (PIL- x ), 并将其用于修饰的g-C₃N₄。利用其阴阳离子可以调控壳结构中不同电子层厚度，影响体系的电子传输储备行为，获得了性能优异的产氢催化剂（图3）（ Chem. Eng. J., 2022, 135625 ）。该工作拓宽了聚合离子液体的应用范围，为g-C₃N₄及其他光催化剂的改性提供了一条新的思路，对于开发高效的光催化剂具有重要的意义。

图3 (a) 构筑PIL- x /g-C₃N₄复合体系示意图; (b) 复合体系产氢性能对比。

论文详情：Bin He^#, Shengxin Chen^#, Yuandong Cui, Xinyan Chen, Yu Lei, Jian Sun^*. Hollow Polymeric Ionic Liquid Spheres with Hierarchical Electron Distribution: A Novel Composite of g-C₃N₄ for Visible Light Photocatalytic Water Splitting Enhancement, doi: http://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135625.

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附课题组简介：

绿色生物制造课题组围绕国家“双碳”和可持续发展战略需求，注重化学、生物、化工、材料等多学科交叉融合，开展功能化离子液体基础及应用研究，具体方向包括功能化离子液体设计及微环境作用，生物基化学品和材料合成，光、电、热、生物等过程耦合，以及仿生功能器件构建等。课题组长为孙剑教授，博导，国家高层次青年人才计划入选者，中国纤维素行业协会技术委员会副主任，中国化工学会离子液体专委会委员，中国膜工业协会医药生物用膜技术委员会委员。长期从事基于离子液体的绿色过程研究，在 Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Chem. Eng. J. 等国际著名期刊发表学术论文70余篇，授权中国发明专利21项、美国专利3项、日本专利1项；主持和参与国家级高层次青年人才计划、国家自然科学基金等项目10余项；现担任 Energy Environ. Mater., Chinese J. Chem. Eng., Green Chem. Eng. 等期刊青年编委。课题组欢迎具有相关专业或背景的学子报考，同时长期招聘博士后和研究人员。