C3N4（石墨相氮化碳）作为一种具有优异半导体特性的材料，近年来在光催化、电催化和环境治理等领域得到了广泛关注。将单原子金属负载到C3N4上，可以显著提升其催化性能，尤其是在可见光驱动的CO₂还原、H₂O₂生成以及有机污染物降解等方面。以下将从C3N4的结构特性、单原子负载的机制、催化性能及其应用等方面进行详细阐述。
C3N4是一种由碳和氮原子组成的二维层状材料，具有类似于石墨烯的结构，但其化学组成更为复杂。C3N4的带隙通常在2.7–3.2 eV之间，能够吸收可见光，因此在光催化反应中具有良好的应用前景。
C3N4具有较高的氮含量，这使得其在负载金属单原子时具有较强的配位能力。C3N4的六元环结构和吡啶氮原子为单原子金属提供了理想的锚定位点，从而实现高负载量和均匀分散的单原子催化。
单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）是指金属原子以孤立形式分散在载体材料中，每个金属原子周围具有明确的配位环境。与传统的纳米颗粒相比，SACs具有更高的金属原子利用率和更明确的活性位点，因此在催化反应中表现出更高的效率和选择性。
在C3N4上负载单原子金属时，通常采用配位锚定策略。例如，通过溶剂热法、超分子自组装或高温煅烧等方法，可以将金属离子引入C3N4网络中，并通过高温处理形成稳定的单原子结构。
Guoping Gao等人通过DFT计算发现，Pd和Pt单原子分别负载在g-C3N4上时，能够显著增强CO₂还原的活性。此外，Jiaxu Liu等人通过调整C3N4的介孔结构，成功实现了Ag和Cu单原子的高负载量。
C3N4负载的单原子金属在可见光驱动下具有优异的CO₂还原能力。例如，Guoping Gao等人研究了Pd/g-C3N4和Pt/g-C3N4催化剂在CO₂还原中的性能。
结果显示，Pd/g-C3N4的CO₂还原产物为HCOOH，其速率决定能垒为0.66 eV，而Pt/g-C3N4的产物为CH₄，其速率决定能垒为1.16 eV。此外，单原子负载显著增强了C3N4的可见光吸收能力，使其成为理想的CO₂还原催化剂。
Co单原子和AQ共催化剂的协同负载显著提高了H₂O₂的生成效率。Chiheng Chu等人发现，Co1/AQ/C3N4在8小时内可产生230 μM的H₂O₂，这是目前报道的最高水平之一。此外，Co单原子与AQ之间的空间分离确保了两种共催化剂的独立功能，从而实现了H₂O₂生成的叠加增强。
Pt单原子负载在C3N4上时，其催化性能远优于传统的Pt纳米颗粒。Xiaogan Li等人发现，Pt单原子负载的C3N4在可见光照射下，H₂生成速率可达8.6倍于Pt纳米颗粒负载的催化剂，且在某些情况下甚至超过了50倍。此外，Pt单原子的引入不仅提高了C3N4的可见光吸收能力，还通过调节其电子结构，增强了光生载流子的分离效率。
C3N4负载的单原子金属在光催化降解有机污染物方面也表现出优异的性能。例如，Vincenzo Ruta等人研究了Ag基质的中空单原子光催化剂在gemfibrozil降解中的应用。
结果显示，Ag基质的中空单原子催化剂在可见光照射下，gemfibrozil的降解速率显著高于其他催化剂。此外，Fe/CN和Mn1-CN等单原子催化剂在降解实际水体中的有机污染物时也表现出良好的抗干扰能力和宽pH适用范围。
溶剂热法是一种常用的制备C3N4单原子催化剂的方法。通过将金属离子引入C3N4网络中，并在高温下进行热处理，可以实现单原子的稳定负载。例如，谌莉莎等人通过溶剂热还原法制备了Pt-CNNT，实现了Pt与CNNT之间的半化学相互作用，并形成了CNNT的面内同质结，从而显著提高了光催化产氢效率。
超分子自组装是一种通过分子间相互作用构建材料的方法。例如，Quan等人通过2D限制策略，成功制备了具有8.7 wt% Pt单原子负载量的C3N4催化剂，其产氢速率高达22.65 mmol g⁻¹ h⁻¹，量子产率为22.5%。
通过分子组装，还可以制备分散有铜单原子的C3N4空心球，其中铜单原子嵌入g-C3N4片层或作为Cu₂N₃物种分散在表面，从而提高了界面电荷转移效率。
高温煅烧是一种常用的制备C3N4单原子催化剂的方法。例如，Jiaxu Liu等人通过高温煅烧制备了具有孤立银和铜单原子的mmp-C3N4催化剂。X射线衍射图谱表明，最终的C3N4基催化剂的化学结构与参考介孔石墨碳氮化物相似。X射线光电子能谱分析表明，金属单原子的引入导致碳氮化物网络中电子密度的重新分布，从而提高了光催化性能。
尽管C3N4负载单原子催化剂在光催化和电催化领域表现出优异的性能，但仍面临一些挑战。例如，单原子负载量的控制、活性位点的稳定性以及催化性能的进一步提升等问题仍需深入研究。此外，如何在实际应用中实现单原子催化剂的可回收性和长期稳定性也是未来研究的重点。
未来的研究方向可能包括：开发新型的单原子负载策略，提高单原子的负载量和分散性；探索单原子催化剂在更多催化反应中的应用，如N₂固定、CO₂转化等；以及通过理论计算和实验相结合的方法，深入理解单原子催化剂的结构-性能关系。
C3N4负载单原子金属在光催化和电催化领域具有广阔的应用前景。通过配位锚定策略，可以实现单原子的高负载量和均匀分散，从而显著提高催化性能。未来的研究将进一步推动单原子催化剂的发展，为解决能源和环境问题提供新的解决方案。
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！
