一鍋法合成Na摻雜柳葉狀g-C3N4提高可見(jiàn)光催化活性

1. 文章信息

標題：One-pot synthesis of sodium-doped willow-shaped graphitic carbon nitride for improved photocatalytic activity under visible-light irradiation

頁(yè)碼：Journal of Colloid And Interface Science,2022, 624, 79-87.

DOI：doi.org/10.1016/j.jcis.2022.05.085

2. 文章鏈接

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.05.085

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3. 期刊信息

期刊名：Journal of Colloid And Interface Science

ISSN: 0021-9797

2022年影響因子：9.965

分區信息：中科院1區Top；JCR分區（Q1）

涉及研究方向：化學(xué)，物理化學(xué)

4. 作者信息：揚州大學(xué)竇倩（第一作者），揚州大學(xué)侯建華（首要通訊作者）；

5. 光源型號：北京中教金源CEL HXF300（300 W氙燈，可見(jiàn)光范圍）；CEL-PAEM-D8plus光催化評價(jià)系統；

文章簡(jiǎn)介：為了進(jìn)一步提高光生載流子遷移效率，采用簡(jiǎn)便的熱聚合反應合成了具有柳葉狀結構和高結晶度的Na摻雜g-C3N4。通過(guò)Na摻雜改善了g-C3N4的π共軛體系，提高了π共軛體系的電子傳遞效率，使其具有良好的光催化性能。此外，最佳的Na摻雜g-C3N4（CN-0.05）的光能輻照效率的提高歸因于其較窄的帶隙和電荷分離的顯著(zhù)改善。

因此，CN-0.05催化的H2析出速率可達3559.8 μ mol h-1 g-1，是塊狀g-C3N4催化產(chǎn)H2速率的1.9倍。CN-0.05的CO2還原為CO的產(chǎn)率（3.66 μ mol h-1 g-1）是塊狀g-C3N4的6.6倍。在污染物降解實(shí)驗中，CN-0.05對羅丹明B（RhB）和甲基橙（MO）的降解反應常數分別為0.0271和0.0101 min-1，分別比原始g-C3N4高效4.7倍和7.2倍。

我們一致認為本文的創(chuàng )新之處有以下幾點(diǎn)：

1. 通過(guò)鈉摻雜是改善氮化碳界面電荷分離的綠色方法；

2. 鈉摻雜g-C3N4材料呈現出很高的結晶度；

3.Na摻雜顯著(zhù)降低了e -h+對的復合速率；

3. G-C3N4的柳葉狀形態(tài)結構加快了電子傳遞效率和多功能光催化活性。

圖1和圖2顯示合成了Na摻雜的柳葉狀g-C3N4，用于能源和環(huán)境中有效和可持續的光催化應用。鈉摻雜方法不僅促進(jìn)了樣品的光吸收，提高了樣品的結晶度，而且以Na2CO3為鈉源，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的步驟豐富了g-C3N4的形貌組成。最佳的Na摻雜的g-C3N4形成一個(gè)柳葉狀的形態(tài)結構，這導致了更大的比表面積和額外的活性點(diǎn)的形成。光催化試驗表明，合成的材料不僅能在可見(jiàn)光照射下快速催化降解有機污染物，而且在制氫和還原二氧化碳方面也表現出優(yōu)異的活性。對Na-g-C3N4進(jìn)行了詳細的檢測表征，揭示了引起光活性增強的光催化劑的基本性質(zhì)。本研究為定制高效光催化劑在環(huán)境和能源方面的多功能應用提供了一種可持續和綠色的方法。

圖3提出了一個(gè)可能的反應機制。在降解RhB/MO的初始過(guò)程中，g-C3N4在黑暗條件下吸附了少量RhB/MO。在染料光敏化過(guò)程中，RhB/MO在催化劑上的吸附促進(jìn)了電荷載體在染料和光催化劑表面之間的轉移[148]?？梢?jiàn)光照射材料后，光生電子由價(jià)帶轉移到導帶，價(jià)帶中只留下h+。在這個(gè)過(guò)程中，e-與O2反應形成•O2-，它具有高度氧化活性，可以降解有機污染物[149]。同時(shí)，主要活性物質(zhì)h+可以直接氧化污染物。RhB和MO可以通過(guò)e-和h+的聯(lián)合作用進(jìn)行降解。在光催化制氫過(guò)程中，氫氣的產(chǎn)生與作為光催化劑的半導體的價(jià)帶和導帶的勢能之間存在著(zhù)明顯的潛在關(guān)聯(lián)。

圖3-11a顯示了四個(gè)g-C3N4試驗的價(jià)帶和導帶的完整能帶勢能。改進(jìn)后的CN-X具有降低的帶隙勢能和增強的可見(jiàn)光吸收特性。CN-X的價(jià)帶向負電位轉移，這為光催化制氫提供了額外的有利條件。這些特性共同作用，使CN-0.05顯示出優(yōu)異的光催化活性。其機制可歸納為以下幾點(diǎn)：(I) Na的摻雜可以增強對可見(jiàn)光的吸收，提高電子還原能力，增加電荷載流子的分離效率；(II)高結晶度促進(jìn)了柳葉狀結構的形成和電子-空穴的高效分離。(III)由柳葉狀結構組成的層狀多孔結構有助于接受更多的陽(yáng)光，使污染物更容易到達光催化位點(diǎn)，促進(jìn)電子空穴的分離；(IV)柳葉狀結構賦予了高的比表面積，促進(jìn)污染物更容易到達光催化位點(diǎn)；(V) 通過(guò)Na摻雜、高結晶度和柳葉狀結構的協(xié)同作用，提高CN-X的光催化活性。

  結論：柳葉狀的CN-0.05是相互連接和堆疊在一起的，因此在空隙之間可以產(chǎn)生中孔，其中，中孔是由于碳酸鈉“高溫發(fā)酵"而產(chǎn)生。合成材料的結構既有利于污染物的擴散，也有利于電子的傳輸。在硫脲和尿素的幫助下，Na摻雜的g-C3N4光催化劑產(chǎn)生了可控的能帶。Na的引入限制了氮化碳晶粒的發(fā)展，這將增加比表面積，改善可見(jiàn)光吸收，提高光生載流子遷移效率，并抑制e--h+對重組。Na含量對氮化碳光催化劑的價(jià)帶和導帶的位置有明顯的影響。摻Na后，樣品在可見(jiàn)光照射下對羅丹明B和甲基橙染料的降解效果、制氫速率以及二氧化碳還原速率明顯改善。這項工作為增強g-C3N4光催化降解有機污染物、制氫、二氧化碳還原性能做出了貢獻，為實(shí)現高效的光催化反應開(kāi)辟了一條新的道路。