C3N4（石墨相氮化碳）作为一种具有优异光学和电学性能的二维材料，近年来在光催化和电催化领域得到了广泛研究。其中，单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）因其独特的电子结构和高原子利用率，成为提升催化性能的重要方向。本文将重点探讨C3N4负载单原子催化剂在析氧反应（OER）中的应用，结合多篇文献证据，分析其合成方法、催化机制及性能表现。
C3N4具有良好的导电性、较大的比表面积和丰富的π电子体系，能够有效稳定单原子并调控其电子结构。研究表明，C3N4的多孔结构可以提高金属原子的负载率，并创造更多的活性位点。此外，C3N4的共轭框架中π电子的离域可以改变单原子中心的电子和催化性质，从而增强其催化活性。例如，文献中提到，通过沉积-沉淀、浸渍-煅烧和溶剂化-退火等方法制备的单原子催化剂在可见光驱动的CO2还原反应中表现出优异的性能[6]。
C3N4负载单原子催化剂的合成方法主要包括以下几种：
浸渍-煅烧法：将金属盐溶液浸渍到C3N4中，随后在高温下煅烧，使金属原子以单原子形式分散在C3N4表面。这种方法操作简单，适用于多种金属原子的负载，如Pt、Pd、Co、Ni等。
沉积-沉淀法：通过控制金属离子的沉淀条件，使金属原子均匀分散在C3N4上。这种方法可以实现高负载量的单原子催化剂，如Pt单原子负载量可达8.7 wt%。
溶剂化-退火法：在有机溶剂中对C3N4进行处理，使金属原子在退火过程中形成稳定的单原子结构。这种方法可以提高金属原子的分散性和稳定性。
电化学沉积法：通过电化学手段在C3N4表面沉积金属原子，形成单原子催化剂。这种方法可以精确控制金属原子的分布和负载量。
析氧反应（OER）是水裂解制氢的关键步骤，传统催化剂如RuO2和IrO2虽然活性高，但成本高、稳定性差，限制了其大规模应用。C3N4负载单原子催化剂因其高活性和稳定性，成为替代贵金属的重要研究方向。
文献中通过密度泛函理论（DFT）计算研究了Pt1/C3N4在OER中的活性。结果显示，Pt1原子可以以不同的方式锚定在C3N4载体上，形成不同的稳定性。在OER中，Pt1@C3N4可以形成超氧化物和过氧化物物种，这些物种比常规的OH*、O和OOH物种更稳定。
此外，溶剂效应也被考虑在内，发现溶剂可以稳定所有中间体，但不会改变反应机制。实验结果表明，Pt1/C3N4在OER中表现出优异的催化活性，其起始电位低，电流密度高，优于传统的贵金属催化剂。
文献中报道了NiFe合金单原子催化剂在OER中的应用。通过高温聚合（HT-polymerization）在氮气氛围下550°C加热4小时，将C2H4N2与碳纳米管（CNT）结合，形成NiFe@g-C3N4/CNTs复合材料。
高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像显示了复合材料的微观结构，证实了Ni和Fe的均匀分布。能量色散X射线光谱（EDS）映射图像进一步证实了Ni和Fe的价态和电子结构，表明Ni和Fe在复合材料中以单原子形式存在，具有优异的催化活性[17]。实验结果表明，NiFe合金单原子催化剂在OER中表现出优异的性能，其起始电位低，电流密度高，优于传统的贵金属催化剂。
文献中研究了Pd和Pt单原子催化剂在OER中的性能。通过分子组装，制备了分散有铜单原子的C3N4空心球，铜单原子嵌入g-C3N4片层或作为Cu2N3物种分散在表面，其中嵌入片层的铜单原子更有效地促进界面电荷转移和调制电子带结构，具有7.1%的AQY，是Cu1/HCNS、HCNS和块状PCN的1.6、2.7和35.4倍。
Pd单原子分散在富含氰基团的C3N4超薄纳米片上，通过尿素和NH4Cl的共聚合和湿浸渍制备，具有更高的光诱导产氢速率，0.16wt%Pd的催化剂在400nm光照射下，产氢速率明显高于Pd纳米颗粒负载的C3N4基催化剂，量子产率为15.8%。
C3N4负载单原子催化剂的催化机制主要涉及以下几个方面：
电子结构调控：C3N4的π电子体系可以与单原子形成强相互作用，改变其电子结构，从而增强其催化活性。例如，文献中提到，C3N4的共轭框架中π电子的离域可以改变单原子中心的电子和催化性质。
活性位点形成：C3N4的多孔结构可以提供更多的活性位点，促进反应物分子的吸附和扩散。例如，文献中提到，C3N4的多孔结构可以提高金属原子的负载率，并创造更多的活性位点。
反应中间体的稳定：C3N4可以稳定反应中间体，如OH*、O和OOH，从而降低反应的活化能，提高催化活性。例如，文献中提到，Pt1@C3N4可以形成超氧化物和过氧化物物种，这些物种比常规的OH*、O和OOH物种更稳定。
协同效应：C3N4与单原子之间的协同效应可以显著提高催化性能。例如，文献中提到，C3N4的多孔结构可以促进反应物分子从C3N4两侧的单原子吸附和扩散。
C3N4负载单原子催化剂在OER中的优异性能为其在可再生能源技术中的应用提供了广阔前景。例如，文献中提到，基于C3N4的SACs在OER和ORR中展现出巨大的潜力，为可再生能源技术提供了有前景的催化剂选择。此外，C3N4负载单原子催化剂在光催化水分解、CO2还原和氮气还原等反应中也表现出优异的性能。
C3N4负载单原子催化剂在OER中表现出优异的性能，主要得益于其独特的电子结构和多孔结构。通过不同的合成方法，可以实现高负载量和高分散性的单原子催化剂。未来的研究可以进一步优化合成方法，探索新的单原子种类，并结合理论计算深入理解其催化机制，以推动其在可再生能源技术中的应用。
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
