近日，我院金永灿教授团队与苏州大学纳米与软物质研究院江林、梁志强教授团队合作在国际著名材料类综合性期刊Advanced Functional Materials（中文译名《先进功能材料》，影响因子18.808）在线发表了题为“Wood-Inspired Binder Enabled Vertical 3D Printing of g-C3N4/CNT Arrays for Highly Efficient Photoelectrochemical Hydrogen Evolution”的研究论文。南京林业大学为本研究的第一完成单位，我校金永灿教授和苏州大学江林、梁志强教授为通讯作者，轻工学院青年教师姜波为论文第一作者。
二维（2D）纳米材料因其超薄结构、高比表面积、丰富的活性位点和优异的电子传输能力，在光电化学领域应用潜力巨大。然而，常用的无序堆叠的2D纳米材料的应用一直受到电荷传输曲折度高、表面活性位点少、传质效率低等问题的限制。天然木材具有的层级多孔结构为多相（流体、气体、离子等）传输和多谱线能量（光、声、微波等）转移提供了通道，并且木材中木质素填充在细胞壁微纤丝之间，增强了细胞壁的刚性和尺寸稳定性。受此启发，金永灿教授团队与江林教授团队针对上述挑战，以2D石墨相氮化碳（g-C3N4）为主要原料，木质素为胶黏剂，碳纳米管（CNT）为添加剂，创新性地提出了垂直三维（3D）打印策略，利用“墨水”在打印过程中受针头剪切应力的作用，构建了层级多孔的g-C3N4/CNT垂直取向（高1.5 mm）阵列结构。垂直阵列结构由于光的多重散射增强了可见光的捕获能力，CNT的添加显著提升了g-C3N4表面光生电子的转移效率。g-C3N4/CNT垂直阵列的层级多孔结构使其暴露丰富的活性位点，可作为传质通道，获得高效的水相化学反应。特别地，g-C3N4纳米片的垂直取向益于电子的直接快速传输，可减小电子传输势垒，避免了电子在无序堆叠膜结构中传输的高曲折度。同时，木质素的熔融胶黏特性以及天然的疏水性，增强了g-C3N4/CNT垂直阵列在水相反应中的结构稳定性，使其表现出优异的光电催化制氢潜力。论文提出的简单和可拓展的垂直3D打印策略为提升2D纳米材料的光电催化性能提供了新的思路。
该成果得到国家自然科学基金重点项目等资助。
研究论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202105045
