化石燃料的過度燃燒導致二氧化碳（CO2）的大量排放，從而加劇了全球氣候變化。 光催化CO2還原是解決上述問題的有效途徑，可以利用太陽能將CO2轉化為有價值的化學燃料。 然而，由於CO2分子的化學惰性和C=O鍵的高解離能，CO2光還原反應的反應效率和產物選擇性較低。
在過去的幾十年中，設計了許多合適的CO2光還原催化劑，如金屬有機框架、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬配合物、共價有機框架等。 然而，它們的光催化活性和CO2還原選擇性還不夠理想，需要進一步改進才能達到實際應用的目標。
基於此，沈少華，習交通大學課題組通過修飾聚合氮化碳（PCN）氣凝膠的“整合”結構，有效提高了其光催化活性。 具體而言，以聚合氮化碳（PCN）為前驅體，採用熔鹽法和自組裝兩步法成功製備了具有（-CN）官能團的結晶氮化碳（CCN）自支撐氣凝膠。
值得注意的是，處理後CCN結晶度的增加提高了電荷轉移效率，而三維多孔結構中的多光子反射增強了光吸收，顯著增強了多孔結構中反應物和產物的傳質，協同提高了CO2光還原活性。
實驗結果表明，所製備的CCN氣凝膠具有比PCN和CCN更高的CO2還原活性，CO沉澱速率和CO選擇性分別為25.7 mol g 1 h 1 和 938%，其活性超過了大多數報道的基於PCN的光催化劑。 此外，原位光譜和密度泛函理論（DFT）計算表明，引入的帶有電子的-CN基團可以作為CO2還原的活性位點，從而降低COoh*生成的熱力學勢壘，增加CO2吸附能力和親水性可以加速CO2*的質子化，從而促進COoh*在CCN氣凝膠上的積累。
綜上所述，通過同時調控晶體結構、分子結構和形態結構，本研究為設計高效、高選擇性的新型自支撐光催化劑減少CO2排放提供了一種“一體化”策略。
cayanamide group functionalized crystalline carbon nitride aerogel for efficient co2 photoreduction. advanced functional materials, 2023. doi: 10.1002/adfm.20231263