硼掺杂石墨相氮化碳的制备及其光解水制氢性能研究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2026.01.004

摘要/Abstract

摘要：

“双碳”战略对发展高效光催化制氢技术提出了迫切需求。石墨相氮化碳（g-C₃N₄）因成本低、稳定性好而备受关注，但存在可见光吸收能力不足及载流子快速复合等问题，严重制约了其产氢性能。通过以硼酸（H₃BO₃)为硼源的“H₃BO₃协同分段控温煅烧”策略，成功制备出硼掺杂g-C₃N₄（BCN）；通过多种光电表征技术，系统探究了硼掺杂对g-C₃N₄能带结构与光电性能的影响。结果表明，适量的硼掺杂可有效调控g-C₃N₄的电子结构，提升其可见光吸收能力与光生载流子的分离效率；BCN-2∶5（H₃BO₃与CN的质量比为2∶5)样品在可见光下的析氢速率达1 507 μmol/（g·h）。这项研究对高效掺杂g-C?N?光催化剂的设计具有重要的指导意义。

关键词: g-C₃N₄, 硼掺杂, 多孔结构, 带隙, 载流子分离, 光催化产氢

Abstract:

The dual?carbon strategy highlights the urgent need to develop efficient photocatalytic hydrogen production technologies. Graphitic carbon nitride (g?C?N?) has attracted wide attention due to its low cost and excellent stability, but it suffers from insufficient visible light absorption and rapid carrier recombination, which severely restricts its hydrogen production performance. To overcome these issues, we successfully prepared boron-doped g?C₃N₄ （BCN） using a H₃BO₃?assisted segmented temperature?controlled calcination strategy, with boric acid as the boron source precursor. The effects of boron doping on the band structure and photoelectric properties of g?C₃N₄ were systematically investigated through various photoelectric characterization techniques. The results demonstrate that an appropriate level of boron doping effectively modulates the electronic structure of g-C₃N₄, enhancing its visible light absorption and improving the separation efficiency of photogenerated carriers. Specifically, the BCN?2∶5 sample (with a mass ratio of H?BO? to g?C?N? of 2∶5) achieves a hydrogen evolution rate of up to 1 507 μmol/(g·h) under visible light irradiation. This study offers valuable insights and guidance for the design of highly efficient doped g?C₃N₄ photocatalysts.

Key words: g-C₃N₄, Boron doping, Porous structure, Band gap, Carrier separation, Photocatalytic hydrogen production

中图分类号:

TQ426

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图/表 12

图1 BCN的制备流程图

Fig.1 Synthesis process of BCN

图2 CN和BCN的红外吸收光谱图、XRD谱图和 XPS谱图（a）红外吸收光谱图（b） XRD谱图（c） XPS谱图

Fig.2 FT-IR absorption spectra, XRD patterns, and XPS spectra of CN and BCN

图3 CN和BCN的氮气吸附‐脱附等温曲线和孔径分布曲线

Fig.3 Nitrogen adsorption-desorption isotherms and pore size distributions curves of CN and BCN

图4 CN和BCN的SEM图（a） CN （b） BCN

Fig.4 SEM images of CN and BCN

图5 CN和BCN的UV-Vis图和Tauc谱图

Fig.5 UV-Vis absorption spectra and Tauc plots of CN and BCN

图6 CN和BCN在不同频率下的莫特-肖特基曲线和能带结构图

Fig.6 Mott-Schottky curves and band structure diagrams of CN and BCN at different frequencies

图7 CN和BCN的电化学阻抗谱图和线性伏安扫描曲线

Fig.7 Electrochemical impedance spectra and linear sweep voltammetry curves of CN and BCN

图8 硼掺杂量不同的BCN的光解水制氢性能（a）产氢速率（b）产氢量

Fig.8 Photocatalytic water splitting hydrogen production performance of BCN with different boron doping amounts

图9 BCN-2∶5与CN的光水解制氢性能对比（a）产氢速率（b）产氢量

Fig.9 Comparison of photocatalytic water splitting hydrogen production performance between BCN-2∶5 and CN

图10 BCN?2∶5的连续24 h产氢速率图

Fig.10 The hydrogen production efficiency of BCN for 24 hours

表 1 BCN-2∶5与已报道的非金属掺杂g-C?N?光催化和产氢速率对比

Table 1 Comparison of photocatalytic hydrogen evolution rates between BCN-2∶5 and reported non-metal-doped g-C3N?

掺杂元素	反应条件			产氢速率/ （μmol·g⁻¹·h⁻¹）	参考文献
掺杂元素	光照条件	φ（TEOA）/%	w（Pt）/%	产氢速率/ （μmol·g⁻¹·h⁻¹）	参考文献
Br	300 W	10	1	687.0	[25]
C	300 W	10	3	1 224.0	[26]
F	300 W	10	3	1 298.0	[27]
O	300 W	10	3	1 492.0	[28]
P	300 W	10	3	1 093.0	[29]
P	300 W	10	3	256.4	[30]
P	300 W	10	3	50.6	[31]
P	300 W	10	3	1 146.8	[32]
S	300 W	10	3	572.0	[33]
P	300 W	10	3	1 507.0	本文

图11 CN和BCN的光催化产氢机理图

Fig.11 Mechanism diagram of the photocatalytic H2 production of CN and BCN

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