华东师范大学物理与电子科学学院纳米光电集成与先进装备教育部工程研究中心孙卓教授团队的宋也男联合加拿大阿尔伯塔大学Karthik Shankar教授以“CVD Grown Nitrogen Doped Graphene is an Exceptional Visible-Light Driven Photocatalyst for Surface Catalytic Reactions”为题在《2D Materials》杂志发表氮元素掺杂石墨烯在光催化领域最新研究成果，该文由阿尔伯塔大学和华东师范大学合作完成，Karthik Shankar教授与宋也男副研究员为共同通讯作者。该工作为华东师范大学-阿尔伯塔大学先进科学与技术联合研究院成立后的首篇合作论文。
宋也男副研究员与Karthik Shankar教授
石墨烯，一种单原子厚的以sp2杂化轨道形成的二维碳纳米材料，具有十分优异的光学、电学和力学特性，在实验和理论方面都得到了广泛的研究。石墨烯有长距离的π-π 共轭，可以认为是其他的以sp2方式杂化的碳同素异形体的基本构筑单元。自从它被发现以后，为了推进它在基础科学和技术应用方面的发展，世界各地的许多研究课题组都进行了广泛的研究。然而原始的石墨烯是具有半金属特性的零带隙的半导体，这使得石墨烯并不能被单独作为光催化剂使用。通过杂原子的掺杂是改变石墨烯电子性质的有效途径，这种修饰改性方法可以给石墨烯带来更多的应用。其中的，氮掺杂石墨烯（NGr）已被证明在当前的许多重要技术应用中都有十分巨大的应用潜力。在与能源无关的领域中，NGr已用于场效应晶体管，电化学生物传感器和医疗设备，非易失性存储器和发光二极管中。在与能源有关的应用方面，NGr已用于锂离子电池，燃料电池中的电催化剂和超级电容器。然而，关于氮掺杂石墨烯在太阳能利用方面的应用仍然十分有限，尤其是光催化方面。本项研究通过CVD法合成了大面积的氮掺杂石墨烯，将其与Ag纳米颗粒结合作为光催化剂，在可见光照射下表面催化4-硝基苯硫酚向二巯基偶氮苯的反应。第一次揭示了氮掺杂石墨烯与纳米Ag立方复合材料的光催化行为。
4-硝基苯硫酚向二巯基偶氮苯的表面单电子的催化反应
实验中，课题组通过研究4-硝基苯硫酚向二巯基偶氮苯的表面单电子的催化反应模型探索大面积CVD生长制备的氮掺杂石墨烯（NGr）在光催化方面的应用潜力。在NGr的表面修饰Ag纳米立方后，有效的增加了复合材料的功函数，降低了NGr的n型半导体特征。Ag纳米材料在425nm处有一个表面等离子体共振吸收峰。当NGr/Ag杂化纳米晶体收到可见光波段的照射时，KPFM测试显示材料表面的电势发生剧烈的变化（-225mV），拉曼光谱检测到NGr存在电荷的富集，这主要时归功于高的局部场增强效应导致热电子注入NGr，形成了长寿命的电荷分离态。单纯的氮掺杂石墨烯和它与Ag纳米颗粒耦合后的体系相比于纯的等离子体Ag催化剂表现出了优良的光催化性能。即使将光照射功率增加到10mW，单纯的Ag纳米粒催化剂并不能完成4-硝基苯硫酚向二巯基偶氮苯转化的反应。相比较的，在光照射功率为1mW的时候，NGr/Ag 杂化纳米晶就可以完成这个反应的转变。利用DFT构筑的模型来推断石墨氮、吡啶氮和吡咯氮掺杂石墨烯的电子结构。计算结构显示，在掺杂位点的附近有更强的电荷局域化，并且靠近氮掺杂位点附近的碳原子与距离稍远的碳原子的投射态密度存在明显的差异。
光催化机理图
供稿：宋也男
