从太阳能中捕获能量是对环境影响最小，并且能够满足Terawatt级绿色能量需求、缓解能源危机的最直接有效方式。如果能够在半导体材料表面捕集光，在固液界面利用太阳光催化分解水产生氢气，将光能稳定存储为化学能，将会是一种可行、低成本的途径。石墨相碳氮化合物（简称g-C₃N₄）是具有类石墨烯结构的二维片层状聚合物半导体材料，物质本身只含有地球上富含的碳和氮两种元素，其独特的半导体光催化特性已在太阳能利用上展现出很大的潜力。

近期，中科院苏州纳米所陈韦研究员课题组成功利用廉价、环境友好的工业原料尿素，在常压热聚合条件下获得g-C3N4，所制得的黄色粉末在太阳光照射下，具有优良的光催化活性（图1 反应示意图，图2 Nanoscale 2012年4卷17期杂志背封面报道）。这种方法的优势在于原料常见、单一且便宜，反应条件简单可控易行，且可规模化制备（J. Mater. Chem. 2011, 21, 14398）。

在此基础上，课题组进一步深入研究了尿素制得的g-C₃N₄（简称UCN）的光催化分解水特性和机理。研究发现，UCN在模拟太阳光照下，分解水产生氢气的效率比其他常用化工原料（如硫脲、双氰胺等）制得的g-C₃N₄高出2-3倍以上（图3 达47.2 μmol/L，Nanoscale,2012, 4，5300）。对材料的物化性质研究结果显示，UCN的比表面积是其它材料制备的g-C₃N₄的6倍左右，孔体积达到4倍，表面光照激发后载流子的复合率也更低；分析其主要原因在于：尿素在热解的过程中生成大量氨气，气体的存在有利于多孔结构的形成。此外，由于尿素中含有氧原子，物质中存在的氢键和较强的C-O键都会降低材料的聚合度，更倾向于形成小片层多孔的高活性光催化材料。

此外，光催化剂除了需要具备高活性，高稳定性也是一个重要的因素。该课题组在研究g-C₃N₄循环稳定性的过程中发现，当光照在催化剂表面上，光生电子还原水放出氢气，水同时被光生空穴氧化产生过氧化氢（H₂O₂），H₂O₂的存在不利于催化活性，但在通入氮气或者将密闭体系敞开在无光照、常压大气等条件下，就能释放材料表面弱键结合的H₂O₂，自然温和地加速恢复了材料的活性，获得材料的可再生催化特性（图4 Chem. Commun.,2012, 48(70), 8826）。可见，尿素制备的多孔g-C₃N₄光催化活性、稳定性高和表界面功能化途径丰富，在其他领域上同样有很大的应用潜力，将给我们不断带来惊喜。

图1：尿素热解合成石墨相碳氮化合物的原理图以及生成的黄色粉末