第一作者：李玲
通讯作者：邓垚成
副教授、黄颖 副教授
通讯单位：湖南农业大学
近日，湖南农业大学环境与生态学院邓垚成副教授与资源学院黄颖副教授在Small上发表了题为“Donor–Acceptor
Type Carbon Nitride Photocatalysts in Photocatalysis: Current Understanding,
Applications and Challenges”的综述论文（DOI：10.1002/smll.202409903）。本文聚焦于供体-受体型氮化碳（D-A型PCN）光催化剂的研究进展，深入探讨了其分子设计策略、性能提升机制以及在能源转换和环境修复中的应用。文章详细讨论了分子内和分子间D-A结构的构建方法，并提出了双D-A型PCN的新概念，旨在提高光催化剂的合成效率和光催化性能。此外，文章还总结了D-A型PCN在解决能源和环境问题中的潜力，并探讨了该领域的挑战和机遇，为未来的研究提供了方向和思路。
随着光催化技术在能源转换和环境修复领域的快速发展，对高效光催化剂的需求日益增加。给体-受体型氮化碳（D-A型PCN）因其独特的结构和优异的光催化性能，成为研究的热点。D-A型PCN通过在氮化碳框架中引入电子给体（D）和受体（A）单元，有效地促进了光生电荷的分离与传输，从而提高其光催化活性。这种结构不仅增强了氮化碳对光的吸收能力，还减少了电荷载流子的复合，为解决能源和环境问题提供了新的途径。因此，构建D-A型氮化碳成为提高氮化碳光催化性能的重要策略。
不完全聚合的氮化碳分子上的-NH-、=N-和-NH
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基团赋予其丰富的表面特性，包括电子性质、Brönsted碱性功能、Lewis碱性功能以及氢键基序等。这些特性为PCN在D-A工程中的分子水平设计提供了巨大潜力。根据分子结构类型，PCN可分为分子内D-A型和分子间D-A型。分子D-A型PCN多途径且便捷的合成方法引起了越来越多的关注，推动了相关研究的迅速发展。
图1.（A）PCN作为催化剂的多种功能。（B）近年来D-A型PCN的发展情况（2024年10月9日通过Web of Science 搜索“donor-acceptor”和“carbon nitride”关键词获得）。（C）D-A型PCN的主要发展时间线。
无论采用哪种方法合成PCN，其制备过程通常包括聚加成和缩聚。这种自下而上的合成方法暴露了许多反应性的-C=N-和-NH
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基团，为构建分子内D-A型PCN创造了丰富的机会。顾名思义，分子内D-A型PCN是指主要在氮化碳内部形成的D-A结构。分子内D-A型PCN通常通过掺杂或共聚构建，在其各部分之间产生电负性差异，并引导平面内电荷转移的方向。目前主要通过官能团修饰、三嗪/七嗪重排、原子或分子取代等方法来构建分子内D-A型PCN。
近年来，对分子间D-A型PCN的研究已经超过了对分子内D-A型PCN的研究。这一趋势可归因于更广泛的合成方法和各种各样的可嫁接分子。D-A型PCN分子间引入的D（或A）不进入PCN的分子框架，这是与分子内D-A型PCN最显著的区别。由于聚合后仍然有部分氨基留在PCN的边缘，分子接枝可以发生在PCN聚合过程中和聚合完成后。因此，分子间D-A型PCN可以通过共聚、亲核反应和希夫碱反应将电子给体或受体接枝到PCN框架上。我们将接枝分子分为三大类：苯、单杂环化合物和稠合杂环化合物。
目前，构建D-A型PCN主要有两种策略。分子内D-A是通过在氮化碳分子内进行原子掺杂或分子取代，以形成明显的电负性差异来驱动电荷转移。分子间D-A是通过将具有不同电负性的分子或基团接枝到氮化碳框架的边缘来实现。众所周知，氮化碳是一种层状或块状聚合物。仅仅构建分子内的D-A结构，由于电负性差异极小，仍然会产生一定的电荷消耗，从而导致内部重组。类似地，仅构建分子间的D-A结构将导致接枝分子附近有效的电荷转移，但氮化碳内部的电荷转移效率将受到极大限制。经过广泛的研究和认真的考虑，我们提出双D-A型PCN的概念。双D-A型PCN主要分为两种类型，一种是分子内D-A和分子间D-A的组合，另一种涉及两个分子间D-A。
D-A型PCN光催化剂在光催化领域展现出巨大潜力，但目前对其理解仍处于初级阶段。未来的研究方向应从现象学转向理性设计和精确的材料表征。尽管D-A型PCN在电荷载流子传输能力、光吸收强度和电子-空穴复合率方面具有优势，但其性能尚未达到实际应用的标准。因此，开发低成本、省时的策略以精确引入D或A，以及合成具有特殊形态的D-A型PCN光催化剂，将是未来研究的重点。此外，深入理解D-A结构增强光催化效率的机制，以及D-A结构在光催化反应过程中的作用，对于提高光催化效率和实际应用的可行性至关重要。随着研究的不断深入，D-A型PCN有望在工业应用中取得突破，为解决能源和环境问题做出更大贡献。
通讯作者：邓垚成（Yaocheng Deng）
，湖南农业大学环境与生态学院副教授，博士生导师。连续入选全球前2%顶尖科学家年度影响力（Single year impact）（2021-2023）榜单，入选2022年科睿唯安全球高被引科学家（个人H指数60，SCI引用12000余次）。主要从事环境污染物迁移转化及治理与修复，尤其是高级氧化技术研究，在环境功能纳米材料的合成及其光催化应用方面做了大量的研究工作，并主持了国家自然科学基金2项，湖南省自然科学基金2项，湖南省教育厅优秀青年基金1项，中国博士后面上项目1项等，入选长沙市杰出创新青年培养计划（2022），湖南省湖湘青年英才（2024）。近年来，以第一作者或通讯作者先后在Energy & Environmental Science, Water Research, Advanced Energy
Materials, Applied Catalysis B: Environmental，Small等刊物，发表SCI论文60余篇，其中13篇论文入选ESI 1%高被引论文，2篇入选ESI
0.1%热点论文，参与编写英文学术专著1部，同时担任Materials、Frontiers in Environmental Science等期刊客座编辑。
通讯作者：黄颖
（Ying Huang）
，湖南农业大学资源学院副教授，博士生导师，湖南省土壤肥料学会理事。主要研究方向为农田系统污染源解析及污染防控及修复技术研究。先后主持国家级科研项目2项，省部级项目3项，地厅级项目4项。近5年以第一及通讯作者在Applied Catalysis B:
Environmental、Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials、Journal of
Cleaner Production等期刊发表SCI论文17篇，其中，中科院大类一区15篇，ESI高被引论文4篇。
第一作者：李玲
（Ling Li）
，博士研究生，现就读于湖南农业大学资源学院。主要研究方向为基于光催化体系的高级氧化技术在水处理中的应用，光催化剂的设计与合成（主要以分子修饰、元素掺杂及构建同/异质结等方法设计氮化碳基光催化剂），水体中以农药为主的有机污染物的治理与修复。在Applied
Catalysis B: Environment and Energy，Small，Chemical Engineering Journal等期刊发表论文4篇，授权专利一项。
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