由于全球能源短缺和环境问题加剧,诸如氢气等清洁能源的制备和利用日益受到研究者的关注。利用光解水产氢是获取清洁能源的绿色途径之一。g-C3N4因其具有可见光响应的特性而广泛用于光催化析氢、废水处理、有机合成等领域。然而,无机g-C3N4纳米片在水中极易团聚,导致自身比表面积的降低而抑制光催化反应的进行。此外,g-C3N4纳米片的光催化仅限于水环境且对光的利用率不高,这都严重阻碍了光解水产氢的实际应用。因此,提高g-C3N4纳米片的光利用率和拓展使用环境是实现g-C3N4光解水产氢应用的关键所在。
在前期研究中,钟齐副教授团队和西北工业大学王维佳副教授团队在光催化剂g-C3N4上负载Pt原子改性制得g-C3N4/Pt纳米片后,将g-C3N4/Pt纳米片、丙烯酰胺类(NIPAM)温敏聚合物与海藻酸钙结合制备了具有互穿网络结构(IPN)的复合水凝胶。利用水凝胶的亲水特性,实现了水分的存储和在无水环境下光解水产氢。该研究不仅解决了g-C3N4/Pt纳米片的团聚和水分供给问题,借助水凝胶对入射光的多重散射,光催化效率提升30%。相关研究成果已发表于Journal of Materials Chemistry A(2020, 8, 23812-23819)。
图1. (a) P(MEO2MA-co-OEGMA300) 纳米凝胶和(b) P(MEO2MA-co-OEGMA300)/g-C3N4/Pt 复合纳米凝胶的SEM图;(c) P(MEO2MA-co-OEGMA300) 纳米凝胶和(d) hybrid P(MEO2MA-co-OEGMA300)/g-C3N4/Pt复合纳米凝胶的TEM图。
图2. (a) P(MEO2MA-co-OEGMA300) 水凝胶 和 (b) P(MEO2MA-co-OEGMA300) 复合纳米凝胶膜暴露在RH = 60% 的环境中不同时长后的ATR-FTIR谱图(0 h: 深绿, 0.5 h: 橙色, 1 h: 蓝色, 2 h: 红色)。
图3. (a)复合纳米凝胶膜的光催化装置图;(b)析氢曲线;(c)析氢速率;(d)复合纳米凝胶膜的循环析氢曲线。
图4. 复合纳米凝胶膜的制备和光催化反应示意图。
相关研究成果以“Hydrogen Evolution System Based on Hybrid Nanogel Films with Capabilities of Spontaneous Moisture Collection and High Light Harvesting”为题,发表于Green Chemistry(DOI: org/10.1039/D1GC03322K)。
论文的第一作者为浙江理工大学博士研究生胡能,通讯作者为钟齐副教授,共同通讯作者为西北工业大学王维佳副教授与青岛大学谭业强教授。该课题研究获得了国家自然科学基金(项目批准号:52173087,51403186和51611130312)和浙江省自然科学基金(项目批准号:LY21E030022)的资助。
原文链接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/GC/D1GC03322K
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