利用氮化碳，人工也能高效进行光合作用？清洁能源新途径

自然界的光合作用是地球上最重要的化学反应之一，植物通过吸收阳光，将水和二氧化碳转化为氧气和碳水化合物，为生命提供能量。然而，是否可以通过人工，将水或者二氧化碳通过光合作用制造能量呢？Nature上发表的一项研究，首次捕捉到了碳氮化物在光催化水分解过程中的动态变化，揭示了人工光作用的详细机制。

碳氮化物如何光催化水分子进行人工光合作用？

碳氮化物是一种由碳和氮组成的聚合物半导体，结构类似于石墨，但含有大量的氮原子，使其具备独特的光电性质。早在2009年，研究就发现它可以在光照下分解水产氢。此后，经过优化调整，其性能不断提升。

现在某些碳氮化物材料的表观量子效率已超过60%，有些还能催化甲烷氧化、氯盐氧化等复杂反应。

尽管实验数据表明碳氮化物有效，但仍不清楚它的表面究竟发生了什么，水分子如何吸附？光照后电子又去了哪里？为什么有些碳氮化物性能优异，而有些则表现平平？

为了回答这些问题，研究团队设计了一套原位实时观测系统，利用一种超高强度的X射线同步辐射光源结合光谱技术，在模拟真实反应条件的环境下，监测碳氮化物的变化。

研究中使用的近环境压力X射线光电子能谱（NAP-XPS）可以精确测量材料表面元素的电子状态变化，还利用了X射线吸收光谱近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）用于分析碳和氮的化学键环境，最后利用飞行时间质谱法（TOF-MS）实时检测反应产物如氢气D₂和氧气O₂，这项实验实验中用重水D₂O代替H₂O以提高检测精度。通过这些技术，研究可以原子尺度看清每一步的变化。

实验发现，当重水分子（D₂O）吸附在氮化碳表面时，氮原子会通过氢键向水分子输送部分电子，这一过程导致X射线光电子能谱峰位移动，氮和碳的结合能均向高能方向移动，电子密度降低。材料的价带位置上移，从+1.59 eV升至+2.63 eV，使其氧化能力大幅增强。

这一过程也揭示了水分子如何激活氮化碳的过程，同时，也是氮化碳催化作用的关键。

水去掉电子被氧化生存氧气的过程，通常是光催化中最难的一步，然后氮化碳在吸收水分后，氧化能力大幅提升，更容易获得水分子中的电子，从而推动反应进行。

发现氮化碳的催化作用后，研究继续模拟太阳光照射，碳氮化物吸收光子，产生电子和空穴，然而，NAP-XPS显示氮和碳的峰向低结合能方向回移，表明光生电子聚集在氮-氘键和碳-氧自由基等中间体上，定域在表面。而由于空穴寿命太短，仅纳秒级，NAP-XPS未能直接捕捉到空穴，但结合理论计算，研究认为，空穴迅速转移至水分子，生成OD自由基，最终形成氧气。

也就是说，光照出发电子-质子协同转移，使反应更高效。

最后，用飞行时间质谱法检测显示，光照期间D₂和O₂的产量逐步增加，经过两轮循环实验，D₂的产率分别为15%和18%，O₂的产率分别为13%和14%。研究还发现，即使关闭光源，反应仍会缓慢进行，表明后续的D₂O₂分解为D₂和O₂是一个较慢的热化学步骤。

这项研究首次揭示了水吸附氮化碳关键作用，光照使得氮化碳电子和空穴协同转移，实现高效水分解。这项研究不仅深化了我们对光催化水分解的理解，也为研究人工光合作用系统提供了新思路。或许人工光合作用也是产生清洁能源的可持续途径。

图：氮化碳-重水体系的原位照明

A氮化碳薄膜吸附重水后（上图）和经太阳模拟器照射后（下图）的 XPS、N1s 光谱；箭头表示光谱偏移方向。B氮化碳薄膜吸附重水后（上图）和经太阳模拟器照射后（下图）的 XPS、C1s 光谱；箭头表示光谱变化方向。C氮化碳薄膜吸附重水后（洋红色线）和光照后（橙色线）的 NEXAFS、N K 边；彩色方框突出显示不同的化学特征。D氮化碳薄膜吸附重水后（洋红色线）和光照后（橙色线）的 NEXAFS、C K 边及其价带相对值；彩色方框突出显示不同的化学特征；箭头表示强度变化。E氮化碳薄膜吸附重水后（洋红色线）和光照后（橙色线）的VB -XPS 光谱及其价带相对值；箭头表示光谱变化方向。F光照后氮化碳-水结构示意图。

❓思考题：碳氮化物在人工光合作用中的作用是什么？

A.吸收CO₂并释放氧气
B.利用阳光分解水产生氢气和氧气
C.直接合成葡萄糖
D.替代植物进行光合作用

参考文献：Daniel Cruz, Sonia Żółtowska, Oleksandr Savateev, Markus Antonietti & Paolo Giusto ，Carbon nitride caught in the act of artificial photosynthesis.  Nature Communications volume 16, Article number: 374 (2025) ，doi.s41467-024-55518-x