磺胺酸超分子预组装构建空心球状氮化碳增强光催化产氢性能研究

　　针对氮化碳(CN)光催化剂比表面积低、光生载流子复合快等问题，山西大学团队通过超分子预组装策略将磺胺酸(SA)引入空心球状氮化碳(HSCN)，构建SA-HSCN复合体系。该材料展现出16.64 mmol g?1 h?1 的产氢速率，其空心结构协同硫掺杂、苯磺酸基团嫁接等特性显著提升光捕获能力与电荷分离效率，为太阳能高效转化提供新思路。

　　

论文解读

在能源危机与环境污染的双重压力下，太阳能驱动的光催化制氢技术被视为实现绿色氢能经济的突破口。然而，这一技术的核心瓶颈在于光催化剂效率低下——传统石墨相氮化碳(g-C₃
N₄
)虽具有合适的能带结构和良好稳定性，却受限于狭窄的光吸收范围、快速的光生载流子复合以及有限的活性位点暴露。更棘手的是，现有改性策略往往难以同时调控材料组成与微观结构，导致性能提升遭遇天花板。

山西大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向两种关键突破点：分子层面的磺胺酸(SA)功能化与宏观尺度的空心球结构设计。他们创新性地通过超分子预组装策略，将含氨基和磺酸基的SA分子与三聚氰胺(MA)、氰尿酸(CA)在二甲亚砜(DMSO)中自组装，再经热聚合构建出SA掺杂的空心球状氮化碳(SA-HSCN)。这项发表于《Journal of Colloid and Interface Science》的研究表明，该材料在模拟太阳光下产氢速率达16.64 mmol g^?1
h^?1
，展现出显著的性能突破。

关键技术方法

研究采用超分子预组装结合热聚合的两步法：首先通过氢键驱动MA、CA与SA在DMSO中自组装形成前驱体；随后在500℃空气氛围中煅烧获得SA_x
-HSCN系列材料。通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段分析材料结构，并利用电化学阻抗谱(EIS)、瞬态光电流响应等技术评估电荷分离效率。

研究结果

空心结构的保留与增强
扫描电镜(SEM)显示SA-HSCN完美继承了HSCN的球形形貌，直径约1.5 μm的薄壳结构(<30 nm)形成典型"蛋壳"形态。氮吸附测试证实SA引入使比表面积从89.3增至127.6 m²
/g，孔体积提升40%，这归因于SA促进前驱体聚合过程中气体逸出形成的介孔结构。

硫掺杂与官能团嫁接
XPS谱图中S 2p峰证实硫元素以C-S-C(163.8 eV)和-SO₃
H(168.5 eV)两种形式存在。红外光谱中1024 cm^?1
处新出现的振动峰对应苯磺酸基团的S=O伸缩振动，表明SA不仅实现硫掺杂，其苯环结构也成功嫁接至CN骨架。

光物理性能提升
紫外-可见漫反射光谱显示SA-HSCN吸收边红移至475 nm，带隙缩窄至2.45 eV。时间分辨荧光光谱(TRPL)显示载流子寿命从5.2 ns延长至8.7 ns，结合Mott-Schottky测试计算的平带电位正移0.12 V，证实硫掺杂构建了电子传输通道，而空心结构的多次光反射效应使光利用率提升2.3倍。

结论与意义

该研究开创性地将超分子化学策略应用于光催化剂设计，通过SA的精准引入实现材料组成-结构-性能的协同调控：空心球结构增强光捕获，硫掺杂优化能带结构，苯磺酸基团提供质子吸附位点。这种"三位一体"的改性策略为开发高效太阳能转化材料提供了普适性思路，其简易、低成本的制备工艺更具产业化潜力。正如通讯作者Shengliang Hu强调的，该方法可在6小时内完成从原料到催化剂的全程制备，相比传统模板法效率提升5倍以上，展现出显著的工程应用价值。