近日，（中国）科技公司绿色生物制造团队在石墨相氮化碳（g-C₃N₄）改性及其应用方面取得新的研究进展，相关成果以“Integration of WO_x/1D C₃N₄/2D C₃N₄ multi-junction through in-situ “PTA-Mel” ionic microenvironment for efficient aromatic wastes degradation via charge carrier separation improvement”为题发表于顶级期刊《Chemical Engineering Science》，论文第一作者为生命学院2021级博士生李文瑾，通讯作者为孙剑教授。

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、带隙宽度合适等优点，被广泛应用于污染物降解、光解水制氢、光动力抗菌等方面。为了弥补改善g-C₃N₄比表面积低、载流子复合严重、可见光利用率低等缺陷，需要对其进行结构改性和性能优化。作为一种可以影响材料制备、改性和应用的功能介质，离子液体自身结构可设计和调节，根据需要可以发挥溶剂、模板剂以及结构修饰剂等功能，从而在构建内建电场、异质结、均质结以及杂原子掺杂等方面具有潜在应用潜力。为此，团队分别开展了不同类型的离子液体对g-C₃N₄结构及性能改性研究，旨在获得离子液体的特殊离子微环境对于半导体催化剂的结构调控和性能提升的机制和规律。相关系列进展包括：提出了以聚合离子液体微球作为“电子储体”的结构后修饰策略，获得了性能提升的产氢效果（ Chem. Eng. J. , 2022, 440, 135625）；通过均相咪唑基离子液体作为溶剂，调控构筑“IL-Mel”簇，实现了对g-C₃N₄表界面性质的改善，将光降解效率提高到2.3倍，并在细菌感染伤口的光动力治疗中表现出优异的性能（ Small Methods , 2024, 2301378）。

图1. 团队基于石墨相氮化碳所开展的系列工作

为了进一步验证离子微环境在改性g-C₃N₄方面的潜力，实现高效载流子分离，团队提出了原位构建“磷钨酸-三聚氰胺”（“PTA-Mel”）离子微环境策略，成功制备出具有1维、2维g-C₃N₄以及异质结修饰的多结结构，如WOx/1D g-C₃N₄/2D g-C₃N₄。推测的机理指出，Mel经PTA质子化后，在形成1维管状g-C₃N₄提高光生电子传输，而PTA阴离子热分解成具有氧空位缺陷的WOx以利于储存光生电子。同质结和异质结的协同作用构建了内建电场，有效地改善了光生载流子的分离效率，一定程度上抑制了光生电子和空穴的复合，提高了可见光催化性能，实现了抗生素的高效清除。与纯g-C₃N₄相比，经原位离子微环境调控后的WOx/1D g-C₃N₄/2D g-C₃N₄对罗丹明B和盐酸四环素表现出更强的降解速率（分别增加了2.34倍和1.45倍）。该工作再次证实了离子微环境改性g-C₃N₄材料的应用潜力，并为其他光催化剂的改性提供了一条可以借鉴的思路。

图2. 离子微环境诱导多结结构氮化碳合成示意图

论文详情：Wenjin Li, Wanting Zhao, Qizhen Luo, Wenzhe Xiao, Xiaoning Wang, Yu ting Shi, Jian Sun*, Integration of WO_x/1D C₃N₄/2D C₃N₄ multi-junction through in-situ“PTA-Mel“ ionic microenvironment for efficient aromatic wastes degradation via charge carrier separation improvement. Chem. Eng. Sci., 2024, 293, 120007.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.120007

附团队简介：

绿色生物制造团队围绕国家“双碳”和生命大健康重大需求，注重化学、生物、化工、材料等多学科交叉融合，开展融合功能介质调控和绿碳清洁转化的应用基础研究，具体方向包括功能化离子液体设计及其微环境作用调控；生物基化学品（如生物燃料、医药分子等）和功能材料（如纤维、薄膜等）绿色合成；光动力抗菌和污染物消解，酶固定化及仿生酶工程，柔性可穿戴传感器件及发光器件构建等。