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高效的光催化太陽能轉化為H₂是實現(xiàn)零碳能源供應的關鍵。石墨碳氮化物（g-C₃N₄）是一種很有前途的可見光光催化劑，但存在本征電子-空穴復合和深電荷捕獲等問題，限制了其效率。

基于此，香港大學郭正曉教授和David Lee Phillips（共同通訊作者）等人報道了孔隙度、空位和淺層（陷阱）狀態(tài)工程的協(xié)同策略，以通過熱化學處理和磷光間隙摻雜來豐富催化位點并提高活性電子的壽命。優(yōu)化后的光催化劑的H₂生產(chǎn)率增加了約800%（6323 μmol h^-1 g^-1），量子效率增加了約5倍（QE_{420 nm}=5.08%）。

通過密度泛函理論（DFT）計算，闡明了g-C₃N₄衍生光催化劑的淺阱態(tài)和深阱態(tài)變化。需注意，C空位誘導CB明顯上升，驅動力更高。原始g-C₃N₄和Ho@C_3-xN₄的CB和VB分別主要由C 2p和N 2p軌道組成。光產(chǎn)生的電子將從N 2p轉移到C 2p，然后再從C原子轉移到N原子進行光催化反應，也是原始g-C₃N₄中重組率較高的原因。同樣，Pi-Ho@C_3-xN₄的CB主要由C 2p軌道組成。

在磷摻雜后，Pi-Ho@C_3-xN₄在CB附近顯示出兩個陷阱態(tài)，分別為淺阱態(tài)和深阱態(tài)。通過比較Pi-Ho@C_3-xN₄、H-Pi-Ho@C_3-xN₄（質子終止Pi-Ho@C_3-xN₄在P位點）的DOSs，發(fā)現(xiàn)兩個顯著的差異：1）構造了具有較低形成能的質子-Pi-Ho@C_3-xN₄相互作用鍵后，深阱態(tài)消失；2）這種淺阱態(tài)位于費米能級，有利于電子導電性。通過原位構建質子終止的Pi-Ho@C_3-xN₄，該模型顯示了在費米能級以下的深阱態(tài)的消失。

In-Situ Protonated-Phosphorus Interstitial Doping Induces Long-Lived Shallow Charge Trapping in Porous C_3-xN₄ Photocatalyst for Highly Efficient H₂ Generation. Energy Environ. Sci., 2022, DOI: 10.1039/D2EE02680E.

https://doi.org/10.1039/D2EE02680E.

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