石墨型氮化碳–还原氧化石墨烯 (g-C3N4@r-GO) 纳米复合材料用于光催化分水制氢与高性能电化学超级电容器

由寻常元素产生的清洁能源

氢燃料与快速可充电的能量存储常被视为两项独立的技术挑战。本研究显示可以用一种由富含碳和氮的常见元素构成的无金属材料同时解决这两项问题。通过将一种吸光的黄色粉末（石墨型氮化碳）与超薄碳片（还原氧化石墨烯）精心混合，研究者构建出一种“二合一”材料，既能利用阳光分解水制氢，也能作为高性能超级电容器储存电能。

为光与电荷构建更聪明的海绵

工作核心是名为 g-C3N4@r-GO 的复合材料，其中石墨型氮化碳 (g-C3N4) 与经化学还原以增强导电性的氧化石墨烯片层结合。单独看，g-C3N4 吸收光但导电性差，而基于石墨烯的材料导电性好但分水效率不足。将二者紧密堆叠，可形成一种类似电子 p–n 结的结构——一种内建电场，有助于分离光照产生的正负电荷。研究团队测试了两种温和的还原剂：维生素 C（抗坏血酸）和硼氢化钠，以调控石墨烯片层的导电性和连接质量。

窥探纳米尺度的结构

为了解为何某种复合材料表现更优，作者使用了一系列结构与光学表征工具。电子显微镜图像揭示了这些粉末由堆叠的薄片和杆状颗粒构成；在一种样品中出现的浅凹会困住并使电荷复合，降低有用输出。X 射线衍射显示了原子层的有序程度，红外和紫外可见光谱则揭示了当 g-C3N4 与石墨烯耦合时化学键与吸光特征如何发生移动。性能最好的样品（用抗坏血酸还原制备）具有最小的有效带隙（吸收光的能量阈值）以及两组分之间强相互作用的迹象，有利于光吸收和电子流动。

将光与水转化为氢燃料

当这些复合材料被置于含少量甲醇的水中并用氙灯照射时，它们产生氢气的速率差异显著。纯 g-C3N4 和单独的氧化石墨烯产生的氢量相对较少。相比之下，用维生素 C 还原的 g-C3N4@r-GO 每克催化剂每小时产生 339.82 微摩尔氢气，在 420 纳米处的表观量子效率为 2.52%。在相同条件下，这意味着其产氢量比某些对照样品高出五倍以上。多次循环测试表明，该材料在三次运行后仍保留近 90% 的产氢能力，表明在不依赖昂贵或有毒金属的情况下具有良好的稳定性和可回收性。

作为高速能量储层的表现

同一复合材料还被压制成电极并浸入碱性溶液中，以测试其作为超级电容器的性能——超级电容器是一种能非常快速储存和释放电荷的器件。通过标准电化学测量，研究者发现用抗坏血酸还原的 g-C3N4@r-GO 电极在低扫描速率下的比电容约为 323 法拉每克，优于文献中报道的若干相关材料。即便在相对较高电流下经过 5000 次充放电循环后，它仍保持了近 79% 的初始电容，表明其结构能经受反复使用。石墨烯层为电子提供了快速通道，而碳氮化物中富含氮的位点则通过与电解液中离子发生可逆反应来帮助储存电荷。

这对未来能源系统的重要性

对非专业读者而言，关键结论是：经过精心设计的碳基材料能够在清洁能源体系中兼顾两项功能——利用阳光从水中制取氢燃料，并作为坚固且快速充放的能量存储装置。通过避免使用贵金属或有毒金属并采用温和的化学方法（如维生素 C 还原），该研究指向了更廉价、更可持续的大规模制氢和高功率超级电容器路线。尽管在安全性、放大生产和器件集成方面仍需更多工作，这些 g-C3N4@r-GO 复合材料将我们更接近一种实用的、无金属的制能与储能工具箱。

引用: Nagar, O.P., Kameliya, M., Gurbani, N. et al. Graphitic carbon nitride–reduced graphene oxide (g-C₃N₄@r-GO) nanocomposites for photocatalytic hydrogen production by water splitting and high-performance electrochemical supercapacitors. Sci Rep 16, 5465 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35069-5

关键词: 制氢, 分水, 石墨烯复合材料, 超级电容器, 太阳能