利用聚合物石墨氮化碳(g-C3N4)基材料进行光催化制氢,缓解能源问题是目前研究的热点。然而,由含氮前驱体热缩聚直接制备的大块g-C3N4存在比表面积有限、容易光生电子-空穴对重组快速、可见光利用差等固有缺点,严重限制了其光催化活性,因此设计和合成高效的g-C3N4材料仍然是一个重大的挑战。
采用超分子自主装合成策略,经过水热和煅烧两个过程制备S掺杂空心多孔管状聚合物氮化碳。
光催化产氢曲线和产氢速率表明S-HPTCN-2的光催化活性最高,且AQY高达8%。四次循环后催化剂没有出现明显失活,且反应后的XRD和红外光谱与反应前没有明显失活,证明该催化剂具有优异的稳定性。
通过光电化学测试进一步探究了光生载流子行为,荧光光谱(PL)和时间分辨瞬时PL的分析结果表明掺杂的硫原子可以作为电子捕获位点,延长载流子的寿命,从而抑制载流子复合。表面积(BET)结果反映了样品的多孔结构。线性扫描伏安法(LSV)发现掺杂硫原子可以降低析氢过电位,从而提高产氢动力学和光催化性能。光电流和阻抗(EIS)表明空心多孔管状结构具有良好的分离光诱导的电子-空穴对的能力。
通过理论计算分析硫掺杂的可能位点。催化剂的电子密度明显提高,同时电子主要集中在电子负性高的原子周围,促进了光诱导载体的迁移和分离效率。
总之,这项工作通过超分子自主装策略合成的S-HPTCN具有空心多孔纳米管结构,有效提高可见光利用,并提供充足的活性位点,提升了光催化产氢活性。相较于BCN、S-BCN和TCN,S-HPTCN具有更强的光吸收能力,更大的比表面积,优化的化学结构,更有效的分离效率,和增强的光生电子空穴的还原能力。S-HPTCN的中空多孔管状结构可以使光在管壁中多次入射折射,提高光的利用率;扩大的比表面积可以暴露更多的反应活性位点用于光催化反应;同时硫原子的掺杂可以调谐电子结构并提高CB中电子的还原能力。
文章链接
W. Shi,* L. Cao, Y. Shi, Z. Chen, Y. Cai, F. Guo,* X. Du,* Environmentally friendly supermolecule self-assembly preparation of S-doped hollow porous tubular g-C3N4 for boosted photocatalytic H2 production, Ceramics International 49 (2023) 11989-11998
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.12.049
作者简介
郭峰,现任江苏科技大学副教授,硕士生导师,新能源系专业负责人,中国感光学会光催化专业委员会会员,江苏省环境科学学会会员, 新加坡维泽专家库(VE)材料科学专家委员会会员。长安大学市政工程专业博士毕业,获工学博士学位。主要从事g-C3N4基复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目,江苏省青年基金项目,江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师人才项目,校级深蓝杰出人才项目, 河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金,江苏省产学研项目等10余项。近年来,共计以第一作者或通讯作者发表90篇SCI收录论文,其中一区SCI论文44篇(影响因子≥10的 15篇),二区论文17篇,ESI高被引论文27篇,ESI热点论文5篇,1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文,荣获国际学术奖“最佳研究者”奖,H-index 44,国家授权发明专利3项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单(World’s Top 2% Scientists 2022)、江苏省“科技副总”、镇江市“出彩教育人”、校“优秀教师”、本创“优秀指导教师”、省级竞赛“优秀指导教师”等称号,相关工作发表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平杂志。此外,担任《Frontiers in Chemistry》客座主编以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际期刊审稿人。
施伟龙,华中科技大学博士,郑州大学博士后,现任江苏科技大学副教授,硕士生导师,中国感光学会光催化专业委员会会员,江苏省复合材料学会会员,江苏省环境科学学会会员,江苏省材料学会会员。主要从事碳基(碳点、氮化碳)复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能(降解、分解水制氢及防腐)等方面的研究工作。相关工作发表在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., J. Mater. Chem. B., Appl. Surf. Sci., J. Alloy Compd.等高水平杂志。截止目前,共计以第一作者或通讯作者发表94篇SCI收录论文,其中一区SCI论文44篇(影响因子≥10的17篇),二区论文26篇,ESI高被引论文31篇,ESI热点论文12篇,1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文,H-index 46。荣获国际复合材料“最佳研究者”奖,受理发明专利2项。入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单(World’s Top 2% Scientists 2022), 现主持国家自然科学基金青年、江苏省“双创博士”、“科技副总”人才项目、河南省博士后科研项目启动资助、河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金、江苏省产学研项目、校级深蓝杰出人才等10余项。此外,担任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主编、《Photocatalysis and Photochemistry》青年编委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际Top期刊审稿人。
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