如何構筑S型Co3O4/g-C3N4異質(zhì)結以增強光催化產(chǎn)氫性能

1.文章信息

標題：   Construction of S-scheme Co3O4/g-C3N4 heterojunctions with boosted photocatalytic H2 production performance          

中文標題：     構筑S型Co3O4/g-C3N4異質(zhì)結以增強光催化產(chǎn)氫性能    

頁(yè)碼：  102838  

DOI：   10.1016/j.surfin.2023.102838      

2. 期刊信息

期刊名：     Surfaces and Interfaces      

ISSN：    2468-0230      

2022年影響因子：     6.14    

分區信息：     JCR分區（Q1）,中科院2區        

涉及研究方向：  材料科學(xué)  

3. 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。

4.光反應儀型號：CEL-PEAM-D6;氣相色譜型號：GC7920

文章簡(jiǎn)介：

人們普遍認為采用環(huán)境兼容和可再生能源轉換的方案是長(cháng)期可持續發(fā)展的很好選擇。在緩解能源危機的眾多能源中，氫能因其存儲、運輸方便、能量密度高等諸多優(yōu)勢而被人們普遍接受。目前，大多數制氫技術(shù)仍依賴(lài)于化石能源消耗。因此，如何加速制氫方案轉型的挑戰具有非凡的意義。利用太陽(yáng)能光催化裂解水產(chǎn)生氫氣是理想的方法之一，因為太陽(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)也被廣泛應用于環(huán)境污染物的清除，如降解微生物難以解毒的有機染料、有機氟化物和抗生素，以及重金屬的解毒。然而，光催化技術(shù)的核心是光催化劑，因此設計一種高效穩定的光催化劑來(lái)減少生態(tài)破壞是必要的。

為了實(shí)現這一目標，研究人員探索了大量的光催化劑，并對其在實(shí)際應用中的可行性進(jìn)行了研究和驗證。在所有的光催化劑中，g-C3N4因其特色的石墨狀二維層狀結構而引起了研究人員的最大興趣。根據最近的報道，g-C3N4中的C和N原子是通過(guò)共價(jià)鍵結合的，類(lèi)似于苯環(huán)的六邊形蜂窩結構。環(huán)與N原子相連，通過(guò)氫鍵層層疊加形成塊狀結構，使g-C3N4具有穩定的物理化學(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，光誘導載體分離轉移緩慢，光催化活性較低。

因此，為了滿(mǎn)足實(shí)際應用，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)調控和缺陷構造。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移。

同時(shí)，這些表面原子逸出后的位點(diǎn)也可以作為反應位點(diǎn)，大大增強了對目標物的吸收，拓寬了光響應范圍。例如，張教授的研究團隊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)現強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(jiàn)光照射下表現出更高的光催化固氮活性。此外，空位還會(huì )影響目標污染物的吸附性能，從而影響目標污染物的配位結構和電子態(tài)。更重要的是，空位的位置、結構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)控制和構建異質(zhì)結。但這些方法都存在經(jīng)濟成本高、流程復雜等固有缺點(diǎn)。因此，制定一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法來(lái)建造空缺是一項重要的挑戰。

在本工作中，通過(guò)不同濃度的NaBH4溶液對g-C3N4進(jìn)行表面處理，引入碳空位，提高可見(jiàn)光驅動(dòng)的光催化還原性能。采用多種表征方法對處理后的光催化劑的晶體性質(zhì)、微觀(guān)形貌和表面狀態(tài)進(jìn)行了研究和分析。通過(guò)光譜測量和理論計算，探討了碳空位對g-C3N4光學(xué)性質(zhì)的影響。用可見(jiàn)光驅動(dòng)誘導水裂解法對樣品的光催化效率進(jìn)行了評價(jià)，并進(jìn)行了產(chǎn)氫和Cr(VI)還原實(shí)驗。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，探討了NaBH4處理后g-C3N4的穩定性。結果表明，碳空位能顯著(zhù)促進(jìn)光生載流子的分離和遷移，擴大整體光吸收和利用，從而提高光催化性能。最后，基于所有測試結果，探討了光催化性能增強的機理。這項工作開(kāi)發(fā)了一個(gè)實(shí)用的策略，以提高g-C3N4的光催化性能。