太阳能驱动的光催化水分解是一种可持续且高效的产氢技术。其中，聚合物氮化碳(C₃N₄)具有成本低、可见光响应快、环境友好等优点，在光催化领域受到广泛关注。然而，由于C₃N₄的光生电子/空穴对分离能力差和层间电荷输运能力差，其催化效率受到严重限制。

基于此，湖南大学刘承斌、唐海芳和苏州大学张浩等通过铜前体自组装超分子与三聚氰胺-氰尿酸单体的热缩合反应，构建了一种具有丰富氮空位的单原子铜桥联C₃N₄(SA-Cu-CN-620)光催化剂，以提高其电荷分离效率。

具体而言，铜前驱体由柠檬酸和醋酸铜组成，通过柠檬酸与三聚氰胺-三聚氰酸之间的氢键自组装，可将铜前驱体带入三聚氰胺-三聚氰酸层中。

此外，三聚氰胺中的−NH³与三聚氰酸中的−OH结合可以在自组装过程中稳定Cu²⁺。随后通过煅烧形成Cu原子被包埋在C₃N₄薄片之间的Cu-N₃C₁结构。光催化析氢性能测试结果显示，所制备的光催化剂在可见光驱动下具有优异的长期析氢性能，并且在420 nm处的析氢速率为11.23 mmol g⁻¹ h⁻¹，表观量子产率(AQY)为31.60%。

基于实验测试和密度泛函理论(DFT)计算，研究人员提出了SA-Cu-CN-620的光催化增强机理：C₃N₄层之间的单原子Cu桥使得光生电子能够沿着Cu单原子在层之间穿梭，导致层间电荷的快速转移；由于电荷可以在层间穿梭，有效地分离了电子/空穴对，优化了电荷分布，降低了析氢势垒；另外，N空位浓度的进一步增加使得更多的电子能够通过C₃N₄的离域π共轭网络到达Cu位，进一步加速了层间的电荷转移。因此，SA-Cu-CN-620具有增强的光催化析氢性能。

综上，该项工作通过在层间引入Cu单原子有效地解决了C₃N₄体系电荷分离和转移效率低的难题，这为未来具有电荷快速转移的单原子催化剂的设计和合成提供了思路。

Single-Atom Cu Channel and N-Vacancy Engineering Enables Efficient Charge Separation and Transfer between C₃N₄ Interlayers for Boosting Photocatalytic Hydrogen Production. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.2c05789