图1. B-CN/P-CN的制备示意图。

SEM表征表明了B-CN和P-CN以均匀分散的同质结形式存在（图2a）。XPS光谱（图2b-d）证明了掺杂的B和P原子取代氮化碳的七嗪环C-N=C结构中的N原子，且B和P原子掺杂形式单一，且B-CN/P-CN(0.5:0.5)中B和P原子的掺杂量分别为0.22 wt%和0.33 wt%。

图2. (a) B-CN/P-CN(0.5:0.5)的SEM和EDX能谱元素分布图；CN，B-CN，P-CN和B-CN/P-CN(0.5:0.5)的XPS能谱：(b) N 1s谱；(c) B 1s谱；(d) P 1s谱。

B-CN/P-CN(0.5:0.5)产氢速率达到655 μmol•g^-1•h^-1，明显高于B-CN(450 μmol•g^-1) 和P-CN(1500 μmol•g^-1)，表明了构建的B-CN/P-CN同质结有利于质子还原反应进行（图3a）。当B-CN与P-CN复合质量比为0.5:0.5时，B-CN/P-CN(0.5:0.5)的产氢性能最佳（图3b），这是由于B-CN和P-CN的均匀分布所致。同时，B-CN/P-CN(0.5:0.5)催化剂在光解水制氢反应中表现出良好的稳定性（图3c）。

图3. (a) CN，B-CN，P-CN和B-CN/P-CN(0.5:0.5)的光催化产氢活性图；(b)不同比例的B-CN/P-CN的光催化产氢活性图; (c) B-CN/P-CN(0.5:0.5)的稳定性图。

光电化学表征研究发现（图4），B和P的掺杂，向氮化碳的七嗪环结构中引入中间能隙态，导致B-CN和P-CN的禁带宽度降低，拓宽对可见光吸收能力。均相B-CN/P-CN S型同质结形成所构建的内建电场，有利于光生电子从B-CN到P-CN的快速转移和分离，抑制电子和空穴的复合。

图4. CN，B-CN和P-CN (a) UV-vis吸收光谱; (b) CN，B-CN，P-CN和B-CN/P-CN(0.5:0.5)的PL光谱；(c) CN，B-CN，P-CN和B-CN/P-CN(0.5:0.5)的EIS曲线；(d) CN和B-CN/P-CN(0.5:0.5)的时间分辨荧光光谱。

根据界面能带弯曲理论，B-CN/P-CN的能带排列示意图如图5a所示。当B-CN和P-CN紧密接触时，在费米能级电位差的推动下，电子自发地从P-CN扩散到B-CN，直到费米能级在界面处达到平衡，从而分别在P-CN和B-CN的界面附近形成电子耗尽层和电子积累层。结果导致在界面附近，P-CN的一侧带正电荷，而B-CN的一侧带负电荷。同时，在界面处形成了从P-CN到B-CN方向的内建电场。内建电场的存在使B-CN/P-CN自发地将光电子从B-CN的导带向P-CN的价带传输，从而实现光生电荷的分离，有效抑制了光生电荷的复合。B-CN和P-CN均匀的混合状态在微观结构上形成了大量的同质结，从而提供了丰富的界面来有效分离光生电荷。随后，光生电子被助催化剂Pt捕获与质子反应生成氢气（图5b）。

https://doi.org/10.1016/j.gee.2021.01.012

通讯作者简介

管国锋

管国锋，南京工业大学二级教授，博士生导师。主要研究领域包括基于离子液体的CO₂绿色催化和分离(CO2吸附分离用功能离子液体设计与制备、碱性离子液体催化CO₂转化制高附加值化学品)、能源与环境催化过程(合成气/CO2加氢制液体燃料和高附加值化学品、稀土基非贵金属VOCs燃烧催化剂的制备及应用)。先后主持国家重点研发计划课题、国家“十二五”科技支撑计划课题、国家自然科学基金重点项目等国家级与企业项目50余项，在Appl. Catal. B-Environ.、Chem. Eng. J、 Green Chem.、J. Hazard. Mater.、Ind. Eng. Chem. Res.等国际知名期刊上发表学术论文150余篇，授权国家发明专利30余项；获中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖和二等奖、江苏省科学技术进步二等奖、中国石油和化学工业专利奖优秀奖等；指导研究生获第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。

丁靖

丁靖，南京工业大学副教授，硕士生导师。长期从事C1资源综合利用与清洁生产工艺开发研究工作，主要包括CO₂吸附分离/催化转化新材料(离子液体、碳材料、碱性金属氧化物等)设计与制备、光解水产氢和产氧研究、 基于双氧水和氧气等绿色氧化过程研究。以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Appl. Catal. B-Environ.、Green Chem.、J. Mater. Chem. A等国际知名期刊发表SCI论文30余篇，获授权国家发明专利6项。承担国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和企业项目等10余项。获得石油和化学工业联合会技术发明二等奖1项、江苏省科学技术进步三等奖2项。