中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展强磁... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（SHMFF）是国家“十一五”重大科技基础设施，由中国科学院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学共建，各项任务依托强磁场科学中心开展。装置于2017年通过国家验收，验收专家组一致认为，SHMFF“磁体技术和综合性能达到国际领先水平... 更多简介 +
近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心喻志武研究员及其合作者，采用甲硫氨酸介导的超分子自组装，通过硫诱导对称性破缺激活n–π*跃迁，制备了具有亚稳态储电子能力的硫掺杂管状氮化碳（met20%TCN），其可见光产氢速率达1943.03 μmol·g⁻¹·h⁻¹（为BCN的26.2倍），400 nm处AQE为6.97%。相关成果以“Sulfur-Induced Symmetry Breaking in Carbon Nitride: Activating n–π* Transitions for Metastable Electron Storage and Boosted Photocatalytic Hydrogen Evolution”为题发表于国际期刊Journal of Energy Chemistry。
自2009年Nature Materials首次报道石墨相氮化碳（g-C₃N₄）可作为无金属半导体用于可见光催化分解水以来，氮化碳材料因其稳定性高、成本低以及可调控的电子结构，在太阳能转化领域受到广泛关注。然而，传统氮化碳材料仍存在可见光吸收范围有限、光生载流子复合严重以及活性位点不足等关键瓶颈，限制了其进一步应用。
针对上述问题，研究团队提出了一种甲硫氨酸介导的超分子自组装策略，在实现硫元素精准引入的同时，诱导氮化碳骨架发生结构扭曲和对称性破缺，突破了传统平面氮化碳体系中 n–π* 跃迁受限的问题。通过构筑一维四方管状结构的材料，不仅获得了更高的比表面积和丰富的暴露活性位点，同时借助管壁结构光多重反射效应增强了光捕获能力。
研究发现，硫元素引入边缘氮位点后，可破坏七嗪环骨架的局域对称性，使原本受对称选择规则限制的 n–π* 跃迁被有效激活。通过固体核磁，紫外-可见吸收光谱、变温 PL 光谱以及理论计算等多种手段，研究团队证实硫诱导的 n–π* 跃迁显著拓宽了氮化碳的可见光吸收范围，使吸收边扩展至约 758 nm。进一步结合飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）研究，发现n–π* 跃迁的激活能够打开超快非辐射弛豫通道，促进光生电子向硫诱导浅陷阱态转移，并形成长寿命陷阱相关电子组分，实现光生电子的亚稳态储存。这一过程有效避免了传统氮化碳中光生载流子快速复合而损失的问题，为后续界面电子传输提供了持续电子来源。此外，理论计算结果表明，硫掺杂显著增强了低能电子跃迁概率，并通过自然跃迁轨道（NTO）分析揭示了符合 n–π* 跃迁特征的空穴–电子空间分布，进一步证明了硫诱导结构畸变对电子结构调控的作用。
该研究揭示了元素掺杂诱导结构对称性破缺调控电子跃迁行为的新机制，提出了一种通过分子工程实现激发态调控和电子储存的新策略，为设计高效、宽光谱响应的氮化碳基光催化材料提供了新的理论依据和技术路径。
中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心博士研究生徐智俐为论文第一作者，强磁场科学中心喻志武研究员、王俊峰研究员及固体物理研究所徐伟宏研究员为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金以及合肥物质科学研究院院长基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2026.06.081
图1. (a) BCN和(d) met20%TCN的飞秒瞬态吸收光谱二维伪彩色图；对应的(b) BCN和(e) met20%TCN在不同探针延迟时间下的飞秒瞬态吸收光谱；通过全局分析得到的(c) BCN和(f) met20%TCN的演化关联差谱及时间常数；(g) BCN和(h) met20%TCN的激子解离与电荷转移机制示意图
图2. met20%TCN光催化产氢的可能机理（银灰色球体代表沉积在样品表面作为助催化剂的Pt纳米颗粒）
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