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Synergistic Plasmonic and Molecular Engineering of Carbon Nitride: Breaking Photocatalytic Trade‐Offs for Efficient Noble‐Metal‐Free Solar CO 2 Reduction

材料科学 等离子体子 光催化 光电子学 吸收(声学) 电子转移 电子 载流子 等离子纳米粒子 氮化碳 激子 氮化钛 光化学 量子产额 超快激光光谱学 纳米技术 光伏 碳纤维 量子点 吸收光谱法 石墨氮化碳 半导体 氮化物 超短脉冲 量子隧道 氮化硼
作者
Ming Cao,Ying Zhang,Hao Feng,Maochang Liu,Dong Liu,Qiang Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.202519444
摘要

Abstract As a promising photocatalyst for CO 2 conversion, graphitic carbon nitride (CN) suffers from limited visible‐light absorption and rapid charge recombination. Here, a noble‐metal‐free plasmonic system, comprising titanium nitride (TiN) nanoparticle‐decorated between CN nanolayers, functionalized with 2,2′‐bipyridine‐4,4′‐dicarboxylic groups (dcbpy) is introduced. The CN‐dcbpy‐TiN hybrid exhibits activated dcbpy‐induced substates, plasmonic features, and thus broadband light absorption, accompanied by elevated energy levels at the TiN‐CN plasmonic Ohmic interface. Through steady‐state and time‐resolved photoluminescence, as well as transient absorption spectroscopy, it is shown that the dual‐functionalization of dcbpy terminals and plasmonic TiN efficiently suppresses the exciton recombination and promotes internal electron transfer to the dcbpy‐associated shallow‐trapping sites. Moreover, plasmonic TiN enables ultrafast electron transfer (<400 fs) and generates long‐lived active electrons via energetic high‐lying electrons and a nanoheating effect. The optimized CN‐dcbpy‐TiN15 demonstrates a notable CO production rate of 1180 µmol g −1 h −1 under visible‐light irradiation ( λ > 420 nm) and an apparent quantum yield of 2.53% at 420 nm. This work develops a novel mechanism of “noble‐metal‐free plasmon‐induced defect‐state electron enhancement” that successfully addresses the trade‐off between light absorption and thermodynamics/kinetics, offering new insights to resolve the trilemma of traditional photocatalysts—simultaneously achieving broad‐spectrum responsiveness, high carrier energy, and long‐lived charge separation.
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