近年来，以石墨相碳氮材料为代表的无金属光催化材料引起了极大的关注，在有机物降解、水分解和二氧化碳还原等领域具有很大的潜力，有望发展成为干净节能、绿色环保的理想材料。为了提高这类材料的光催化效率，包括纳米管在内的多种形貌调制方法得以应用。许多研究报告了碳氮纳米管在光催化降解有机物方面比体相甚至纳米片的碳氮材料有更高的活性。但在测得更高活性的同时，与光催化性能有关的各项性质，包括光学带隙、光生载流子寿命、比表面积等却众说纷纭，莫衷一是。为了理解碳氮纳米管光催化活性的来源，尽可能将复杂的实验因素隔离开来，南开大学的胡振芃副教授和中国工程物理研究院核物理与化学研究所的胡双林研究员合作，从第一性原理计算的角度出发，尝试研究碳氮纳米管光催化降解有机物性能提升的物理根源。

在理想状态下，碳氮纳米管应该与纳米片有一致的比表面积，它们之间几何结构与电子结构的差别可能带来催化性能的变化。该合作团队通过计算发现，在现有的计算能力范围内大多数碳氮纳米管比纳米片有更小的带隙，因而可以带来更多光吸收。与此同时纳米管的功函数更大、价带顶位置更低，因而可以有更大的氧化过电位，促进光催化氧化反应。而随着管径的增加，价带顶和导带底的位置也逐步抬升，碳氮纳米管吸收光以后，生成的空穴倾向于向大管径纳米管或纳米片迁移，电子则倾向于向小管径纳米管迁移，因而不同管径碳氮纳米管的共存有助于光生载流子的分离，提高载流子的寿命。实验上得到的纳米管大多数是多管径共存的多壁纳米管或纳米管与纳米片共存，这也可能是观测到光催化活性增强的原因。

该工作通过第一性原理计算，对碳氮纳米管材料具有高效的光催化性能的机理认识给出了合理的尝试，有望为高效率光催化材料的设计提供思路与指导。这一成果近期发表在Journal of Materials Chemistry A 上，并在封底做亮点介绍。文章的第一作者为南开大学与中国工程物理研究院联合培养的硕士研究生高乾。

来源：X-MOL