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構(gòu)筑S型Co3O4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)以增強(qiáng)光催化產(chǎn)氫性能
發(fā)布時(shí)間：2023-05-27 瀏覽量：2023
1.文章信息
標(biāo)題： Construction of S-scheme Co3O4/g-C3N4 heterojunctions with boosted photocatalytic H2 production performance
中文標(biāo)題： 構(gòu)筑S型Co3O4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)以增強(qiáng)光催化產(chǎn)氫性能
頁(yè)碼： 102838
DOI： 10.1016/j.surfin.2023.102838
2. 文章鏈接
https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.102838
3. 期刊信息
期刊名： Surfaces and Interfaces
ISSN： 2468-0230
2022年影響因子： 6.14
分區(qū)信息： JCR分區(qū)（Q1）,中科院2區(qū)
涉及研究方向： 材料科學(xué)
4. 作者信息：第一作者是 四川輕化工大學(xué)，許正東 。通訊作者為 四川輕化工大學(xué)鐘俊波教授和李敏嬌教授。
5.光反應(yīng)儀型號(hào)：CEL-PEAM-D6;氣相色譜型號(hào)：GC7920
文章簡(jiǎn)介：
人們普遍認(rèn)為采用環(huán)境兼容和可再生能源轉(zhuǎn)換的方案是長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。在緩解能源危機(jī)的眾多能源中，氫能因其存儲(chǔ)、運(yùn)輸方便、能量密度高等諸多優(yōu)勢(shì)而被人們普遍接受。目前，大多數(shù)制氫技術(shù)仍依賴于化石能源消耗。因此，如何加速制氫方案轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)具有非凡的意義。利用太陽(yáng)能光催化裂解水產(chǎn)生氫氣是最理想的方法之一，因?yàn)樘?yáng)能是取之不盡、無(wú)污染的。光催化法制備氫氣的純度高，可直接利用。此外，光催化技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物的清除，如降解微生物難以解毒的有機(jī)染料、有機(jī)氟化物和抗生素，以及重金屬的解毒。然而，光催化技術(shù)的核心是光催化劑，因此設(shè)計(jì)一種高效穩(wěn)定的光催化劑來(lái)減少生態(tài)破壞是必不可少的。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員探索了大量的光催化劑，并對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性進(jìn)行了研究和驗(yàn)證。在所有的光催化劑中，g-C3N4因其獨(dú)特的石墨狀二維層狀結(jié)構(gòu)而引起了研究人員的最大興趣。根據(jù)最近的報(bào)道，g-C3N4中的C和N原子是通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的，類似于苯環(huán)的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)。環(huán)與N原子相連，通過(guò)氫鍵層層疊加形成塊狀結(jié)構(gòu)，使g-C3N4具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)。同時(shí)，g-C3N4成本低、制備工藝簡(jiǎn)單、無(wú)毒、帶隙合適等諸多優(yōu)點(diǎn)，使g-C3N4成為太陽(yáng)能光催化技術(shù)發(fā)展中很有前途的材料。而g-C3N4作為單一光催化劑，由于比表面積小，光誘導(dǎo)載體分離轉(zhuǎn)移緩慢，光催化活性較低。
因此，為了滿足實(shí)際應(yīng)用，探索和嘗試了多種方法來(lái)進(jìn)一步改善g-C3N4的光催化性能，其中主要方法包括原子摻雜、貴金屬沉積、形態(tài)調(diào)控和缺陷構(gòu)造。其中，引入缺陷被證明是提高純g-C3N4活性的一種可靠方法。缺陷g-C3N4的研究是近年來(lái)光催化領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。缺陷可以在光催化劑本體或表面引入。其中，表面空位作為缺陷之一可以捕獲電子，促進(jìn)光生電子在界面上的轉(zhuǎn)移。
同時(shí)，這些表面原子逸出后的位點(diǎn)也可以作為反應(yīng)位點(diǎn)，大大增強(qiáng)了對(duì)目標(biāo)物的吸收，拓寬了光響應(yīng)范圍。例如，張教授的研究團(tuán)隊(duì)制備了表面具有豐富碳缺陷的超薄氮化碳，該材料可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)吸附和激活二氮分子。碳缺陷加速了體與表面的光生電荷分離，從而在可見光照射下表現(xiàn)出更高的光催化固氮活性。此外，空位還會(huì)影響目標(biāo)污染物的吸附性能，從而影響目標(biāo)污染物的配位結(jié)構(gòu)和電子態(tài)。更重要的是，空位的位置、結(jié)構(gòu)和濃度是影響光催化性能的重要因素。
在g-C3N4中引入空位的方法有很多，如在還原氣氛中焙燒、形態(tài)控制和構(gòu)建異質(zhì)結(jié)。但這些方法都存在經(jīng)濟(jì)成本高、流程復(fù)雜等固有缺點(diǎn)。因此，制定一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法來(lái)建造空缺是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。
在本工作中，通過(guò)不同濃度的NaBH4溶液對(duì)g-C3N4進(jìn)行表面處理，引入碳空位，提高可見光驅(qū)動(dòng)的光催化還原性能。采用多種表征方法對(duì)處理后的光催化劑的晶體性質(zhì)、微觀形貌和表面狀態(tài)進(jìn)行了研究和分析。通過(guò)光譜測(cè)量和理論計(jì)算，探討了碳空位對(duì)g-C3N4光學(xué)性質(zhì)的影響。用可見光驅(qū)動(dòng)誘導(dǎo)水裂解法對(duì)樣品的光催化效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并進(jìn)行了產(chǎn)氫和Cr(VI)還原實(shí)驗(yàn)。以3NBCN為代表制備的光催化劑，通過(guò)4次光催化產(chǎn)氫循環(huán)實(shí)驗(yàn)，探討了NaBH4處理后g-C3N4的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，碳空位能顯著促進(jìn)光生載流子的分離和遷移，擴(kuò)大整體光吸收和利用，從而提高光催化性能。最后，基于所有測(cè)試結(jié)果，探討了光催化性能增強(qiáng)的機(jī)理。這項(xiàng)工作開發(fā)了一個(gè)實(shí)用的策略，以提高g-C3N4的光催化性能。
