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。
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。
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和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,熒光光譜(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BCN、S-BCN和TCN,S-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90篇SCI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(World’s 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94篇SCI收錄論文,其中一區SCI論文44篇(影響因子≥10的17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(World’s 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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