三单位联合AM：高还原石墨烯氧化物有效增强Melon的光电化学析氢性能

在气候变化时期，可再生能源被广泛研究，以解决全球能源危机和环境可持续性问题。在可再生能源中，通过太阳能由水产生的氢燃料(绿色氢)因其自发性和生态相容性而受到青睐，而这也就需要开发高效、环境友好和可持续的技术来生产绿色氢。为此，光催化、光电化学和太阳能水分解正在被努力研究，而这些技术最重要的研究领域之一是合成有效的光催化剂。过渡金属氧化物/硫族化合物与贵金属结合通常是优选的光催化剂，然而在实际应用中，无金属的光催化剂将更有利，尤其是含碳材料。聚合氮化碳(PCN)的未凝聚形式一般称为Melon，其常被用作光催化剂，但由于其光吸收弱、活化能高、光激发载流子分离效率低，而导致其光转换效率较差。

基于此，古腾堡大学Wolfgang Tremel、阿卜杜拉国王科技大学Udo Schwingenschlögl和法赫德国王石油矿产大学Muhammad Nawaz Tahir等人报告了用高还原氧化石墨烯(HRG)设计Melon带隙的实验和理论研究。

本文在AM 1.5 G光照下，利用三电极体系测试了不同比例的HRG@melon的光电化学水分解性能。测试后发现，由Melon组成的光电极在光照下仅表现出微弱的光电流，并且具有较高的起始电位。

此外，在-0.75 V_RHE时催化剂的光电流密度仅为0.071 mA cm^-2。相比之下，1% HRG@melon纳米复合材料在-0.75 V_RHE时则显示出最高的光电流密度(0.63 mA cm^-2)，其他含0.1%和2% HRG的光电极没有表现出更好的光电流。对于含0.1% HRG的复合材料，可能是由于HRG的量不足以产生显著的效果，而当HRG含量为2%时，催化剂会存在常规的导电行为，在光照下仅产生微不足道的性能改善。

值得注意的是，随着HRG的增加，催化剂的起始电位向较低的阴极电位显著偏移，直到HRG含量达到1%(-0.71 V_RHE→-0.24 V_RHE)。因此，在三种不同的HRG@melon光电极中，1%的HRG@melon纳米复合材料表现出最好的光电化学性能。

为了更好地了解机理，本文进行了理论计算以研究RG和melon之间的耦合。计算后发现，melon的带隙为2.6 eV，这与实验值一致，也与之前的实验(2.7 eV)和理论(2.6 eV)结果一致。此外，吉布斯自由能差(△G_H*)可用于因研究催化剂的HER活性。令人惊喜的是，在melon中添加HRG显著改善了催化剂的△G_H*，HRG组分的OH和COOH官能团导致电荷的重新分布，最终降低了HER的活化能。

总之，本文的实验和理论结果都表明，催化剂增强的析氢反应活性是由于(1)HRG的高表面积；(2)melon的π共轭庚嗪环基团的存在；(3)在HRG和melon的界面上电荷的重新分布。此外，melon中伯胺基团的存在提高了光阳极的润湿性。综上所述，本文制备的HRG@melon纳米复合材料可以作为绿色、低成本和高效的光催化剂用于相关应用。

Bandgap Engineering of Melon Using Highly Reduced Graphene Oxide for Enhanced Photoelectrochemical Hydrogen Evolution, Advanced Materials, 2023, DOI: 10.1002/adma.202301342.

https://doi.org/10.1002/adma.202301342.