從太陽能中捕獲能量是對環(huán)境影響最小，并且能夠滿足太瓦（Terawatt）級綠色能量需求、緩解能源危機的最直接有效方式。如果能夠在半導體材料表面捕集光，在固液界面利用太陽光催化分解水產(chǎn)生氫氣，將光能穩(wěn)定存儲為化學能，將會是一種可行、低成本的途徑。石墨相碳氮化合物（簡稱g-C3N4）是具有類石墨烯結構的二維片層狀聚合物半導體材料，物質本身只含有地球上富含的碳和氮兩種元素，其獨特的半導體光催化特性已在太陽能利用上展現(xiàn)出很大的潛力。

近期，中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所陳韋研究員課題組成功利用廉價、環(huán)境友好的工業(yè)原料尿素，在常壓熱聚合條件下獲得g-C3N4，所制得的黃色粉末在太陽光照射下，具有優(yōu)良的光催化活性（圖1 反應示意圖，圖2 Nanoscale 2012年4卷17期雜志封底報道）。這種方法的優(yōu)勢在于原料常見、單一且便宜，反應條件簡單可控易行，且可規(guī)模化制備（J. Mater. Chem. 2011, 21, 14398）。

在此基礎上，課題組進一步深入研究了尿素制得的g-C3N4（簡稱UCN）的光催化分解水特性和機理。研究發(fā)現(xiàn)，UCN在模擬太陽光照下，分解水產(chǎn)生氫氣的效率比其他常用化工原料（如硫脲、雙氰胺等）制得的g-C3N4高出2-3倍以上（圖3 達47.2 µmol/L，Nanoscale, 2012, 4，5300）。對材料的物化性質研究結果顯示，UCN的比表面積是其它材料制備的g-C3N4的6倍左右，孔體積達到4倍，表面光照激發(fā)后載流子的復合率也更低。其主要原因在于，尿素在熱解的過程中生成大量氨氣，氣體的存在有利于多孔結構的形成。此外，由于尿素中含有氧原子，物質中存在的氫鍵和較強的C-O鍵都會降低材料的聚合度，更傾向于形成小片層多孔的高活性光催化材料。

光催化劑除了需要具備高活性，高穩(wěn)定性也是一個重要的因素。該課題組在研究g-C3N4循環(huán)穩(wěn)定性的過程中發(fā)現(xiàn)，當光照在催化劑表面上，光生電子還原水放出氫氣，水同時被光生空穴氧化產(chǎn)生過氧化氫（H2O2），H2O2的存在不利于催化活性，但在通入氮氣或者將密閉體系敞開在無光照、常壓大氣等條件下，就能釋放材料表面弱鍵結合的H2O2，自然溫和地加速恢復了材料的活性，獲得材料的可再生催化特性（圖4 Chem. Commun., 2012, 48(70), 8826）。可見，尿素制備的多孔g-C3N4光催化活性、穩(wěn)定性高和表界面功能化途徑豐富，在其他領域上同樣有很大的應用潛力。

上述工作得到了國家自然科學基金委、中科院以及江蘇省自然科學基金委的大力支持。

圖1：尿素熱解合成石墨相碳氮化合物的原理圖以及生成的黃色粉末

圖2：Nanoscale, 2012, 4卷，17期雜志封底

圖3：a）尿素制備的g-C3N4的制氫效果顯著提高；b）g-C3N4的比表面積和孔徑分布

圖4：g-C3N4可再生循環(huán)制氫性能