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催化学报:C-I共掺杂多孔g-C3N4高效产氢

该工作采用两步热聚合法成功制备了具有高光催化活性的C-I共掺杂多孔g-C3N4。论文第一作者为:杨传锋,论文通讯作者为:崔言娟。

催化学报:C-I共掺杂多孔g-C3N4高效产氢

前言

《催化学报》在线发表了江苏科技大学崔言娟副教授团队在光催化领域的最新研究成果。该工作采用两步热聚合法成功制备了具有高光催化活性的C-I共掺杂多孔g-C3N4。论文第一作者为:杨传锋,论文通讯作者为:崔言娟。

背景介绍

A. 光催化材料研究存在的问题:

(1) 目前大量的研究工作都集中在开发各种可见光反应光催化剂上,以增加对可见光的利用率;

(2) 聚合物氮化碳 g-C3N4被认为是一类非常优异的光催化材料,但光生载流子的传输效率较低限制了其光催化性能的提高

(3) 非金属掺杂可由原子电负性差异改善电荷分离,并调节能带位置以提高g-C3N4的光催化活性,且同时保持半导体的非金属性质。

B. C-I共掺杂多孔g-C3N4

   非金属碳和碘掺杂可以改善半导体的导电性和光吸收性能,虽然C和I分别单掺杂的g-C3N4已有研究,但是很少有研究对C-I共掺杂g-C3N4的光电性质及光催化性能做出详细阐述。离子液体作为一类绿色多功能溶剂,在材料合成领域的应用日益广泛。前期研究表明,离子液体参与热聚合,可得到杂原子(B/F)掺杂改性的氮化碳材料,其光催化活性得到显著提高。但针对离子液体辅助改性氮化碳的研究仍有待进一步深化,探索具有不同阳离子/阴离子基团离子液在改性氮化碳过程中的作用。

本文亮点

(1)本文以离子液体碘化1-乙基-3-甲基咪唑为掺杂源,通过两步直接热聚合法直接得到C-I共掺杂的多孔层状堆积g-C3N4。并对C-I共掺杂多孔产物的电子结构、表面性质、能带特征和光催化活性等对光催化性能的影响进行了研究。通过调控掺杂含量,研究不同C-I掺杂量对其催化性能的影响。

(2)首次证实离子液辅助改性氮化碳引入C掺杂,因此利用碘化离子液可得到C-I共掺杂产物。利用多种表征测试方法对C及I掺杂对氮化碳光电性质进行了详细分析,结果表明C及I掺杂分别对提高氮化碳光吸收及光生电子传输性能起到重要作用,从而大幅提高其光催化产氢性能。

图文解析

催化学报:C-I共掺杂多孔g-C3N4高效产氢

图1. 不同掺杂量样品的SEM图片以及CNIN0.2的EDS图谱和元素分布图。

要点: C-I共掺杂和后热处理使产物颗粒尺寸降低,得到多孔片层紧密堆积颗粒,微量I元素均匀掺杂其中。

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图2. CNI和CNIN样品的XRD图谱。

要点:二次热处理使氮化碳CNIN聚合度增加,层间距减小,有利于电荷传输。C-I共掺杂没有改变其层状堆积的特性。

 

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图3. 氮气吸附-脱附等温线和BJH孔径分布图。

要点:改性后样品的比表面积和孔隙率显著增加,有利于催化性能的提高。

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图4. XPS元素总谱和I 3d、C 1s、N 1s高分辨图谱。

要点. 样品中碘元素以I和I5+的形式存在,改性后样品sp2共轭度提高,且表面氨基数量降低

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图5. CNI和CNIN在大于400 nm和不同波长范围下可见光照射下的产氢量。

要点. 相比于一次热聚合C-I共掺杂样品CNI,后热处理C-I共掺杂样品CNIN的可见光催化产氢活性显著提高

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图6. CNIN0.2在大于400 nm可见光照射下产氢稳定性的测试。

要点. 多次循环测试,产氢性能保持稳定而没有明显下降,表明催化剂产氢稳定性良好

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图7. 紫外-可见光吸收光谱,Kubelka-Munk图谱,Mott‐Schottky曲线以及能带示意图。

要点C-I共掺杂有利于提高光响应范围,降低了二次热处理引起带隙扩大的影响

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图8. 稳态荧光光谱和瞬态荧光光谱。

要点. 改性后样品的PL强度均显著降低,表明C-I共掺杂可抑制光生电荷的复合。二次热处理C-I共掺杂样品CNIN0.2的光生载流子平均寿命大于未掺杂CNI0和CNIN0

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图9. 瞬态光电流与电化学阻抗图谱。

要点. 后热处理和C-I共掺杂改性的样品导电率和电荷迁移率增加

全文小结

1.碘化离子液体为掺杂源,热聚合制备C-I共掺杂聚合物CNI,并对其进行二次热处理成功制备出C-I共掺杂多孔氮化碳CNIN;

2. 后热处理和C-I共掺杂协同作用,使催化剂具有较高的聚合度、较大的比表面积和孔隙率以及较宽的光响应范围;

3. 适宜掺杂含量的样品CNIN0.2在大于400 nm可见光照射下的产氢量高达168.2 umol/L,是CNIN0的2.7倍。

作者介绍

催化学报:C-I共掺杂多孔g-C3N4高效产氢

崔言娟,2013年福州大学获理学博士学位,现为江苏科技大学副教授。主要研究方向为环境与能源光催化,围绕非金属聚合物功能材料的合成及其在太阳能光解水制氢以及环境有毒污染物净化中的应用。近年来已在SCI收录期刊发表研究论文近二十篇,包括Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ., Catal. Sci. Technol.等国际著名期刊,高被引论文一篇。h-index:12,他引次数:1032,单篇最高被引次数232次。

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