Graphitic carbon nitride (CNx) is a promising photocatalyst with visible-light sensitivity, attractive band-edge positions, tunable electronic structure, and eco-friendliness. However, their applications are limited by a low catalytic activity due to inefficient charge separation and insufficient visible-light absorption. Here we show a new method to generate the electron polarization of CNx toward the edge via the chemical conjugation of catechol to CNx for enhanced photochemical activity. The electron-attracting property of catechol/quinone pairs induces the accumulation of photo-excited electrons at the edge of conjugated catechol-CNx hybrid nanostructure (Cat-CNx), serving as an electron hot spot. The accumulation is demonstrated by positive open-circuit photovoltage and increases electron transfer through the conjugated catechol while suppressing charge recombination in the CNx. The catechol conjugation also widens the photoactive spectrum via the larger range delocalization of π-electrons. Accordingly, Cat-CNx reveals a 6.3 times higher reductive photocurrent density than CNx. Gold ion reduction dramatically increased due to the enhanced electron transfer activity of Cat-CNx in cooperation with the inherent hydrophilicity and metal chelating property of catechols. Cat-CNx exhibits a 4.3 times higher maximum adsorption capacity for gold ions under simulated sun light illumination compared to CNx. This work suggests that the post-modification of CNx’s π-conjugated system is a promising route to handle varied shortcomings and broaden availability of CNx.
탄화질소는 가시광선 영역에서의 활성과 전자띠의 적절한 위치와 이를 조절 가능한 성질, 친환경적 성질로 인해 매력적인 광촉매다. 하지만, 낮은 광전하 분리 효율과, 넓지 않은 가시 광선 흡광 영역은 그들의 촉매 활성을 낮추고 이들의 활용을 제한한다. 이 논문에서는 탄화질소의 광화학적 활성을 높이기 위해 카테콜을 컨주게이션 형태로 공유 결합하여 표면에서 분극을 유도할 방법을 제시한다. 전자를 잡아당기는 카테콜/퀴논 짝의 성질은 카테콜/탄화질소 복합체의 표면에 광전자를 집중시키고, 이 짝을 전자의 응집점으로 만든다. 양의 개회로 전압을 통해 확인할 수 있는 이러한 전자 집중은 광전하의 재결합을 억제하고, 공유결합으로 연결된 카테콜을 통한 전자 전달을 증가시킨다. 컨주게이션 형태로의 결합은 파이(π) 전자의 비편재화 영역을 넓혀 복합체의 흡광 영역을 넓힌다. 따라서, 이 복합체는 개질 되지 않은 탄화질소에 비해 6.3 배 증가한 광전류밀도를 보인다. 전자 전달의 활성이 증가함과 더불어 카테콜의 친수성, 금속 이온을 킬레이트 가능한 성질은 이 복합체를 통한 금 이온 환원량을 비약적으로 증가시킨다. 태양광이 조사되었을 때, 카테콜/탄화질소 복합체는 개질 되지 않은 탄화질소에 비해 4.3 배 증가한 최대 금 흡착량을 보인다. 이 연구는 탄화질소의 컨주게이션 시스템을 후공정으로 개질하는 것이 탄화질소의 다양한 단점을 보완할 수 있는 잠재성 높은 방식이며, 이를 통해 탄화질소의 활용성을 높일 수 있음을 보여준다.
