半導體光催化技術因在環境和能源領域的重要應用而引起科研工作者及企業界人士的關注。但是，傳統商業中TiO2半導體光催化劑禁帶寬度比較大，光催化活性局限于只占太陽光中4%左右的紫外區。因此，為改善TiO2半導體光催化劑的性能，有必要對其結構進行修飾，擴展其光譜響應范圍，同時提高光生電荷的利用率。

　　近年來，中國科學院新疆理化技術研究所環境科學與技術研究室科研人員開展了缺陷結構對TiO2光催化性能影響的系統研究，研究成果相繼發表在Applied Catalysis B: Environmental (2015, 176，354-362)，Scientific Reports (2015, 5, 15804)，Applied Catalysis A: General (2016, 510, 34-41)等國際期刊上。

　　在此基礎上，科研人員將缺陷結構影響光催化活性的思路從傳統半導體光催化劑引入到新型有機聚合物光催化劑石墨相氮化碳（g-C3N4）上，在光催化劑表面缺陷的調控及應用方面取得了進一步進展。g-C3N4是一種非金屬有機聚合物半導體，因具有很好的穩定性及半導體性能而被認為在太陽能利用方面有很大潛力。但是，純的g-C3N4的光催化活性不是很高。該團隊在高溫氮氣氣氛條件下對g-C3N4進行后處理，成功地在g-C3N4的表面引入了氮空位缺陷。在光催化實驗過程中，科研人員發現氮空位可以賦予g-C3N4在可見光照射下進行光催化固氮的能力。之后科研人員設計了一系列實驗探究g-C3N4光催化固氮的微觀機理，發現氮空位一方面可以使g-C3N4從空氣中選擇性地吸附氮氣并將其活化；另一方面可以促使光生電子從g-C3N4的表面向被吸附的氮氣分子轉移。該研究成果已發表在Journal of Materials Chemistry A上。

　　此外，科研人員利用熱氬氣分子撞擊g-C3N4表面，成功地在g-C3N4的表面引入了碳空位缺陷。鑒于雙氧水在生物、環境以及化工領域都發揮著重要的作用，而現有生產雙氧水的技術比較復雜而且耗費能源，科研人員利用合成出的g-C3N4以及含有碳空位的g-C3N4開展光催化活化分子氧生產雙氧水的研究。結果發現，在不加入任何助催化劑及犧牲劑的情況下，碳空位可以大大提高g-C3N4光催化產生雙氧水的能力（圖1）。研究還發現碳空位降低了g-C3N4的結構對稱性及禁帶寬度，從而拓展了材料對可見光的吸收能力；碳空位周圍的氨基可以促進光生電子轉移，將g-C3N4活化分子氧的途徑從兩步單電子還原過程變成一步雙電子還原過程（圖2）。該研究成果發表在Applied Catalysis B: Environmental上并引起同行的關注。

　　相關研究工作受到國家自然科學基金、中國科學院“百人計劃”、中國科學院創新國際團隊、中國科學院“西部之光”等項目支持。

圖1. 碳空位提高g-C3N4光催化還原氧氣生成雙氧水的能力 

圖2. 碳空位改變g-C3N4光催化還原氧氣生成雙氧水的機理