能源技术的利用水平，在一定程度上代表着一个社会的发展水平。被称之为“梦之能源”的氢能，作为一种可再生的清洁能源，其开发和利用已经成为当今社会关注和研究的热点。光催化水分解产氢，作为一种有效的将太阳能转化为氢能的手段，代表着氢能源取代不可再生的化石燃料的可能性。石墨相氮化碳（g-C3N4），以其低廉的原料成本、简单的合成方法和高的可见光光催化产氢效率，受到人们的广泛关注。然而，g-C3N4的光催化产氢效率距离其商业化应用还有很大的距离。光催化产氢过程基本可以分为三步：首先光催化剂吸收光能产生电子空穴对，接着电子空穴对分离，分离之后的光生电子和光生空穴分别迁移到催化剂表面，最后光生电子还原水产生氢气，而光生空穴氧化水产生氧气。但是，在整个催化反应过程当中，一部分的光生电子空穴对并没有参与催化剂表面的氧化还原反应，而是又重新复合，释放能量。这大大降低了光能向化学能的转化效率。因此，阻止光生电子空穴对的复合，是一种提升光催化性能的有效手段。
中山大学材料科学与工程学院杨国伟教授研究组闫波博士，通过氧氮共掺杂，在g-C3N4纳米片内构建内建电场，从而显著增强了其光生电子空穴对的分离效率，进而显著增强了其光催化产氢性能。研究成果以“Constructing Built-in Electric Field in Ultrathin Graphitic Carbon Nitride Nanosheets by N and O Codoping for Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution Activity”为题，在线发表在Small（DOI：10.1002/smll.201905700）上。
通过简单的两步煅烧法，研究者制备出了超薄的氧氮共掺杂g-C3N4纳米片。研究结果表明，相比于体相材料，超薄的纳米片状结构，不但能够提供更多的、能够有效接触反应介质的催化活性位点，而且还能够降低光生电子和空穴的迁移路程，使得光生电子和空穴更易于参与反应而不是复合。另外，DFT计算也证明了氮氧杂原子对g-C3N4电子结构的影响。计算表明，氮氧杂原子的引入，明显改变了原来g-C3N4的电荷分布。g-C3N4上电荷的重新分布在g-C3N4纳米片上引入了一个内建电场。时间相关单光子计数(TCSPC)结果表明，内建电场明显增强了光生电子空穴对的寿命，减少了光生电子和空穴的复合。光催化实验结果也表明，氧氮共掺杂的g-C3N4纳米片相比g-C3N4本体材料拥有更高的光催化产氢性能。研究者相信，此方法可以推广到其它的光催化体系，以增强光生电子和空穴的转移和分离，从而提升光催化剂的光催化析氢性能。
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