随着技术的不断进步，世界正面临日益严重的环境危机和能源挑战，这迫切需要开发清洁、环保的可再生能源[[1], [2], [3]]。由于氢能源具有丰富的储量、零碳排放[4]、高能量密度[5]以及灵活的储存和运输方式[6]，它有望重塑全球能源格局。作为一项有前景的清洁、环境和可持续的能源生产技术，光催化制氢在行业内受到了广泛关注[[7], [8], [9]]。
利用太阳能从水中制氢是应对全球能源挑战的关键策略[10]。光催化水分解作为一种有前景的技术，可以在太阳能驱动下将丰富的水资源转化为清洁的、可再生的氢能源[12]。然而，要实现这一过程的实际应用，仍需解决如何以经济可行的方式高效地从水中制氢这一关键问题。自1972年发现Honda-Fujishima效应以来，由于光催化制氢能够利用无限的太阳能资源[13]，这一领域受到了广泛关注。迄今为止，研究人员已经对多种半导体光催化剂进行了深入研究，包括二氧化钛[14,15]、硫化镉[16,17]和g-C?N?[18,19]。这些研究充分证明了光催化制氢技术路线的可行性。
在众多半导体材料中，由于其可调的电子结构和优异的性能，石墨碳氮化物（g-C?N?）已成为光催化水分解的有希望的候选材料[[20], [21], [22], [23]]。然而，g-C?N?较差的电荷传输特性和高电子-空穴复合率严重限制了其光催化活性[24]。为了克服这些局限性，研究人员开发了多种改性策略，包括形态控制[25]、元素掺杂[26]、缺陷工程[27]、异质结工程[28]等。尽管取得了一些进展，但g-C?N?在光催化制氢中的效率仍不尽如人意，亟需进一步提高。通常，碳氮化物材料可以通过使用含碳和氮的有机前驱体的固相聚缩合反应来合成[29]。然而，这种方法常常由于聚缩合不完全而导致产品结构不均匀和结晶度低[30]。Pang等人[31]提出了一种改进的方法：将前驱体与氯化铵（NH?Cl）共热解，成功合成了高结晶度的碳氮化物。这种高结晶度材料的光催化产氢速率为8.67 mmol g?1 h?1，是传统石墨碳氮化物的20.1倍。这一结果表明，在合成过程中引入发泡剂有助于减少有害缺陷并延长光生载流子的寿命，从而显著提高光催化性能。
在众多半导体材料中，硫化镉（CdS）因其独特的物理化学性质而受到广泛关注。近年来，由于其窄带隙和有利的导带位置，CdS在可见光驱动的光催化产氢领域引起了广泛的研究兴趣[32,33]。然而，其较高的光生载流子复合率、较差的电荷迁移率和固有的光催化降解严重限制了CdS单独用于光催化的实用性[34]。当CdS与g-C?N?形成异质结时，可以产生协同效应，显著提升光催化性能，实现“1+1>2”的效果。因此，g-C?N?/CdS纳米复合材料已成为广泛研究的方向[[35], [36], [37]]。
例如，Ma等人[16]采用化学浴法在g-C?N?单层之间原位生长CdS纳米棒，有效提高了材料的光响应性和电荷分离效率。Ponnala Rambabu等人[38]通过在g-C?N?纳米片上原位生长CdS纳米线，进一步优化了光催化性能。Ma等人[39]通过在g-C?N?纳米片和CdS纳米粒子之间引入高度分散的镍原子，成功构建了高性能的g-C?N?/CdS异质结构，显著提高了产氢速率。
总之，尽管有多种策略可以用来提高g-C?N?的光催化性能，但开发一种能够同时优化其质量和电荷传输特性的简单方法仍然具有挑战性。本研究提出了一种新颖的一步NH?Cl辅助热解策略。其创新之处在于NH?Cl不仅是一种孔形成剂，还是一种结构导向剂。其在高温下分解产生的气体可以在g-C?N?前驱体中诱导原位膨胀和蚀刻，从而推动材料从致密的块状结构转变为多孔片状结构。这种结构重构的双重优化具有重要意义：创造的高比表面积和通道促进了反应物/产物的扩散。形成的薄层结构显著缩短了光生载流子从块状到表面的迁移距离，从而可能缓解了由于电荷扩散长度短而导致的g-C?N?严重的块内复合问题。这种同时优化质量和电荷传输的策略为提高内在性能和后续构建高效异质结构提供了理想的材料基础。
本研究首先通过NH?Cl处理制备了片状g-C?N?（CN-c），然后在其表面原位生长CdS纳米片，成功构建了CN-c/CdS异质结。结构表征显示两层之间有紧密的结合界面，有效加速了光生载流子的分离和迁移。光催化性能测试表明，这种复合材料的产氢活性显著增强。对样品的晶体结构、微观结构和化学状态的系统表征证实了异质结的成功形成。基于这些发现，提出了一个潜在的光催化反应机制，并通过多种表征技术进行了验证。
