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江蘇科大郭峰/施偉龍《Ceram. Int.》:環境友好型超分子自組裝合成S摻雜空心多孔管狀聚合物氮化碳增強光催化產氫
2023-03-13  來源:高分子科技

  利用聚合物石墨氮化碳(g-C3N4)基材料進行光催化制氫,緩解能源問題是目前研究的熱點。然而,由含氮前驅體熱縮聚直接制備的大塊g-C3N4存在比表面積有限、容易光生電子-空穴對重組快速、可見光利用差等固有缺點,嚴重限制了其光催化活性,因此設計和合成高效的g-C3N4材料仍然是一個重大的挑戰。


  近日,江蘇科技大學郭峰/施偉龍課題組在《Ceramics International》期刊上發表了題為Environmentally friendly supermolecule self-assembly preparation of S-doped hollow porous tubular g-C3N4 for boosted photocatalytic H2 production的文章。報告了一種環境友好的超分子自組裝方法來合成S摻雜空心多孔管狀g-C3N4S-HPTCN)以實現高效和持久的光催化產氫。


   采用超分子自主裝合成策略,經過水熱和煅燒兩個過程制備S摻雜空心多孔管狀聚合物氮化碳。 



  通過SEMTEM觀察了空心多孔管狀氮化碳結構的形成過程;隨著水熱時間的延長,堆疊的微卷曲層狀前驅體逐漸演化為棒狀結構。此外,在隨后的煅燒過程中產生的大量氣體沖擊形成了孔隙,最終形成了空心多孔管狀形態的聚合物氮化碳。



  通過UV-vis評估了催化劑的光學性能,硫摻雜對聚合物氮化碳的光吸收性能和帶隙結構的影響,制備過程中含硫氣體誘導形成的空心多孔管狀結構使入射光在管壁中發生多次光反射有效地提高了可見光的吸收,提高了可見光利用率。結合催化劑的帶隙和CB的位置,計算VB,得到光催化劑的帶結構,發現S摻雜導致帶隙變窄同時導帶上移增強了還原能力。 



  光催化產氫曲線和產氫速率表明S-HPTCN-2的光催化活性最高,且AQY高達8%。四次循環后催化劑沒有出現明顯失活,且反應后的XRD紅外光譜與反應前沒有明顯失活,證明該催化劑具有優異的穩定性。 



  通過光電化學測試進一步探究了光生載流子行為,熒光光(PL)和時間分辨瞬時PL的分析結果表明摻雜的硫原子可以作為電子捕獲位點,延長載流子的壽命,從而抑制載流子復合。表面積(BET)結果反映了樣品的多孔結構。線性掃描伏安法(LSV)發現摻雜硫原子可以降低析氫過電位,從而提高產氫動力學和光催化性能。光電流和阻抗(EIS)表明空心多孔管狀結構具有良好的分離光誘導的電子-空穴對的能力。 



  通過理論計算分析硫摻雜的可能位點。催化劑的電子密度明顯提高,同時電子主要集中在電子負性高的原子周圍,促進了光誘導載體的遷移和分離效率。 



  總之,這項工作通過超分子自主裝策略合成的S-HPTCN具有空心多孔納米管結構,有效提高可見光利用,并提供充足的活性位點,提升了光催化產氫活性。相較于BCNS-BCNTCNS-HPTCN具有更強的光吸收能力,更大的比表面積,優化的化學結構,更有效的分離效率,和增強的光生電子空穴的還原能力。S-HPTCN的中空多孔管狀結構可以使光在管壁中多次入射折射,提高光的利用率;擴大的比表面積可以暴露更多的反應活性位點用于光催化反應;同時硫原子的摻雜可以調諧電子結構并提高CB中電子的還原能力。


  文章第一作者為江蘇科技大學材料學院施偉龍副教授,通訊作者為郭峰副教授。


  文章鏈接

  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


作者簡介


  郭峰現任江蘇科技大學副教授,碩士生導師,新能源系專業負責人,中國感光學會光催化專業委員會會員,江蘇省環境科學學會會員新加坡維澤專家庫(VE)材料科學專家委員會會員。長安大學市政工程專業博士畢業,獲工學博士學位。主要從事g-C3N4基復合光催化材料的設計、構筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持國家自然科學基金項目,江蘇省青年基金項目,江蘇省“青藍工程”優秀骨干教師人才項目,校級深藍杰出人才項目河北省水資源可持續利用與開發實驗室開發基金,江蘇省產學研項目等10余項。近年來,共計以第一作者或通訊作者發表90SCI收錄論文,其中一區SCI論文44篇(影響因子≥10的 15篇),二區論文17篇,ESI高被引論文27篇,ESI熱點論文5篇,1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文,榮獲國際學術獎“最佳研究者”獎,H-index 44,國家授權發明專利3項。入選2022年全球前2%頂尖科學家榜單(Worlds Top 2% Scientists 2022)、江蘇省“科技副總”、鎮江市“出彩教育人”、校“優秀教師”、本創“優秀指導教師”、省級競賽“優秀指導教師”等稱號,相關工作發表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平雜志。此外,擔任《Frontiers in Chemistry》客座主編以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際期刊審稿人。


  施偉龍,華中科技大學博士,鄭州大學博士后,現任江蘇科技大學副教授,碩士生導師,中國感光學會光催化專業委員會會員,江蘇省復合材料學會會員,江蘇省環境科學學會會員,江蘇省材料學會會員。主要從事碳基(碳點、氮化碳)復合光催化材料的設計、構筑以及光催化性能(降解、分解水制氫及防腐)等方面的研究工作。相關工作發表在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.等高水平雜志。截止目前,共計以第一作者或通訊作者發表94SCI收錄論文,其中一區SCI論文44篇(影響因子≥1017篇),二區論文26篇,ESI高被引論文31篇,ESI熱點論文12篇,1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文,H-index 46。榮獲國際復合材料“最佳研究者”獎,受理發明專利2項。入選2022年全球前2%頂尖科學家榜單(Worlds Top 2% Scientists 2022現主持國家自然科學基金青年、江蘇省“雙創博士”、“科技副總”人才項目、河南省博士后科研項目啟動資助、河北省水資源可持續利用與開發實驗室開發基金、江蘇省產學研項目、校級深藍杰出人才等10余項。此外,擔任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主編、《Photocatalysis and Photochemistry》青年編委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際Top期刊審稿人。

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(責任編輯:xu)
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