固體所在高壓調控氮化碳光電特性方麵取得新進展

近期 ，中科院合肥研究院固體所計算物理與量子材料研究部丁俊峰團隊聯合中國科學技術大學章根強教授 ，實現了含有氮空位的石墨相氮化碳高壓下的帶隙優化和光電響應的增強 。相關結果以“Pressure-Optimized Band Gap and Enhanced Photoelectric Response of Graphitic Carbon Nitride with Nitrogen Vacancies”為題發表在Physical Review Applied (Phys. Rev. Appl. 19, 024048 (2023))上 。

石墨相氮化碳（g-C3N4）因其在高效光催化製氫 、水氧化 、人工光合作用 、CO2還原 、有機汙染物光解等方麵的良好性能 ，近年來受到廣泛關注 。然而 ，原始g-C3N4 具有的2.7 eV的寬帶隙限製了其在可見光範圍內的光吸收 ，製約了其應用 。高壓技術作為一種可以改變材料性質的通用工具 ，為在不改變成分的情況下調整帶隙和光電特性提供了一種有效的策略 。因此 ，通過高壓技術實現對g-C3N4的帶隙調控 ，可以顯著增強其光催化活性 ，提升其應用潛力 。

研究團隊采用堿輔助熱聚合法製備了含氮空位缺陷g-C3N4納米片 ，氮/碳比為9:10 ，並利用金剛石對頂砧（DAC）結合拉曼光譜 、同步輻射X射線衍射 、高壓吸收光譜 、光電流等技術係統地研究了g-C3N4在高壓下的帶隙演變和光電響應行為 。研究發現 ，在氮缺陷的輔助下 ，g-C3N4由於壓力驅動發生了由石墨相向非晶相的結構轉變（PIA） 。高壓下 ，氮缺陷g-C3N4的熒光光譜（PL）由黃色轉變為紅色 ，最小帶隙達到1.70 eV 。變窄的帶隙增強了可見光範圍內的光吸收 ，並將可見光下的光電流從18 nA增加到29 nA 。當施加壓力高於PIA轉變壓力17GPa時 ，降壓到環境壓力下仍能保持窄帶隙 ，實現了g-C3N4從1.87 eV到2.42 eV大範圍的帶隙調控 ，且其光電流提高了近2倍 。該研究提供了一種空位/缺陷輔助PIA的策略 ，發展了將高壓下的結構和物性保存到常壓環境下的普適性技術 ，可以用於設計調控材料的帶隙和提升光電性能 。

合肥研究院丁俊峰研究員 、中國科學技術大學章根強教授為論文共同通訊作者 ，博士生程鵬為論文第一作者 。上述工作得到了國家自然科學基金和中科院創新項目的支持 。

論文鏈接 ：

圖1. 高壓下金剛石對頂砧壓機內g-C3N4樣品的顏色變化 。

圖2. g-C3N4在高壓下光電流 。