物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (6): 2009080.doi: 10.3866/PKU.WHXB202009080
所属专题: 先进光催化剂设计与制备
陈一文1, 李铃铃2, 徐全龙3,*(), Tina Düren4, 范佳杰1,4,*(
), 马德琨5,*(
)
收稿日期:
2020-09-25
录用日期:
2020-10-16
发布日期:
2020-10-22
通讯作者:
徐全龙,范佳杰,马德琨
E-mail:xuql@wzu.edu.cn;fanjiajie@zzu.edu.cn;dkma@wzu.edu.cn
作者简介:
第一联系人:†These authors contribute equally.
基金资助:
Yiwen Chen1, Lingling Li2, Quanlong Xu3,*(), Düren Tina4, Jiajie Fan1,4,*(
), Dekun Ma5,*(
)
Received:
2020-09-25
Accepted:
2020-10-16
Published:
2020-10-22
Contact:
Quanlong Xu,Jiajie Fan,Dekun Ma
E-mail:xuql@wzu.edu.cn;fanjiajie@zzu.edu.cn;dkma@wzu.edu.cn
About author:
Dekun Ma, Email: dkma@wzu.edu.cnSupported by:
摘要:
日渐严重的能源短缺和环境失衡问题已经阻碍了人类社会的进一步和长远可持续发展。能够将太阳能转化为可储存化学能的半导体基光催化技术被广泛的理解为一种经济和清洁的解决方式,比如光催化分解水。虽然被认为是有前途的光催化剂,g-C3N4低的比表面积极大地限制了其光催化性能。大孔-介孔结构可以为物质的传输和光的充分利用提供有效通道,从而提高光催化反应效率。本文中,具有反蛋白石(IO)结构的g-C3N4合理地通过紧密堆积的SiO2作为模板来制备得到。并且显示出超高比表面积(450.2 m2·g-1),表现出更好的光催化产氢速率(21.22 μmol·h-1),约为体相g-C3N4 (3.65 μmol·h-1)的六倍。相对于体相g-C3N4,IO g-C3N4表现了更好的可见光吸收能力, 这得益于3D多孔结构的多重光散射效应。同时,较低的荧光强度、更长的荧光寿命、更小的Nyquist半圆环和更强的光电流响应协同地抑制了光生载流子的复合,降低了界面电荷传输的电阻,促进了光生电子的形成。此外,氮空位的存在能够增强局部电子密度,氮气吸-脱附测试揭示了IO g-C3N4中存在丰富的中孔和大孔,高比表面积暴露更多的活性边界和催化中心。正如光学性质、电子顺磁共振和电化学表征结果所揭示的那样,那些有利因素,包括增强的光利用率、提高的光生电荷的分离、延长的荧光寿命都赋予具有反蛋白石结构的IO g-C3N4优越的光催化性能。这项工作为结构设计和光催化性能调制做出了重要贡献。
MSC2000:
陈一文, 李铃铃, 徐全龙, Tina Düren, 范佳杰, 马德琨. 反蛋白石结构的g-C3N4可控合成及其优异的光催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2009080.
Yiwen Chen, Lingling Li, Quanlong Xu, Düren Tina, Jiajie Fan, Dekun Ma. Controllable Synthesis of g-C3N4 Inverse Opal Photocatalysts for Superior Hydrogen Evolution[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2021, 37(6): 2009080.
Table 1
FT-IR spectra modeling parameters for the IO and bulk g-C3N4."
Position (cm-1) | Assignments |
809 | C-N stretching vibration triazine cycles |
892 | cross-linked heptazine deformation |
1241/1320 | stretching vibrations of connected C=N-C units |
1800 to 1400 | skeletal vibrations of the CN aromatic heterocycles |
1 |
Meng A. ; Zhang L. ; Cheng B. ; Yu J. Adv. Mater. 2019, 31, 1807660.
doi: 10.1002/adma.201807660 |
2 |
Xu Q. ; Zhang L. ; Yu J. ; Wageh S. ; Al-Ghamdi A.A. ; Jaroniec M. Mater. Today 2018, 21, 1042.
doi: 10.1016/j.mattod.2018.04.008 |
3 |
Xu Q. ; Zhang L. ; Cheng B. ; Fan J. ; Yu J. Chem 2020, 6, 1543.
doi: 10.1016/j.chempr.2020.06.010 |
4 |
Cui L. ; Song J. ; McGuire A.F. ; Kang S. ; Fang X. ; Wang J. ; Yin C. ; Li X. ; Wang Y. ; Cui B. ACS Nano 2018, 12, 5551.
doi: 10.1021/acsnano.8b01271 |
5 |
Li J. ; Wu D. ; Iocozzia J. ; Du H. ; Liu X. ; Yuan Y. ; Zhou W. ; Li Z. ; Xue Z. ; Lin Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1985.
doi: 10.1002/anie.201813117 |
6 |
Zhu B. ; Zhang L. ; Cheng B. ; Yu Y. ; Yu J. Chin. J. Catal. 2021, 42, 115.
doi: 10.1016/S1872-2067(20)63598-7 |
7 |
Zhu B. ; Cheng B. ; Zhang L. ; Yu J. Carbon Energy 2019, 1, 32.
doi: 10.1002/cey2.1 |
8 |
Xia P. ; Liu M. ; Cheng B. ; Yu J. ; Zhang L. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 8945.
doi: 10.1021/acssuschemeng.8b01300 |
9 |
Ong W. J. ; Tan L. L. ; Ng Y. H. ; Yong S. T. ; Chai S. P. Chem. Rev. 2016, 116, 7159.
doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00075 |
10 |
Xiang Q. ; Li F. ; Zhang D. ; Liao Y. ; Zhou H. Appl. Surf. Sci. 2019, 495, 143520.
doi: 10.1016/j.apsusc.2019.07.262 |
11 |
Li Y. ; Zhou M. ; Cheng B. ; Shao Y. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 1.
doi: 10.1016/j.jmst.2020.04.028 |
12 |
Wen J. ; Xie J. ; Chen X. ; Li X. Appl. Surf. Sci. 2017, 391, 72.
doi: 10.1016/j.apsusc.2016.07.030 |
13 |
Li Y. ; Jin Z. ; Zhang L. Chin. J. Catal. 2019, 40, 90.
doi: 10.1016/S1872-2067(18)63173-0 |
14 |
Tian B. ; Wu Y. ; Lu G. Appl. Catal. B. 2021, 280, 119410.
doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119410 |
15 |
Gao Y. ; Chen F. ; Chen Z. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 227.
doi: 10.1016/j.jmst.2020.02.050 |
16 |
Li Y. ; Li X. ; Zhang H. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 69.
doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.033 |
17 | Wang Y. ; Shen S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905080. |
王亦清; 沈少华; 物理化学学报, 2020, 36, 1905080.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201905080 |
|
18 | Huang J. ; Du J. ; Du H. ; Xu G. ; Yuan Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1905056. |
黄娟娟; 杜建梅; 杜海威; 徐更生; 袁玉鹏; 物理化学学报, 2020, 36, 1905056.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201905056 |
|
19 |
Man L. ; Xu Q. ; Li W. ; Chen W. ; Zheng W. ; Ma D. Appl. Surf. Sci. 2020, 512, 145647.
doi: 10.1016/j.apsusc.2020.145647 |
20 |
Sun K. ; Shen J. ; Liu Q. Chin. J. Catal. 2020, 41, 72.
doi: 10.1016/S1872-2067(19)63430-3 |
21 |
Xiao N. ; Li S. ; Liu S. Chin. J. Catal. 2019, 40, 352.
doi: 10.1016/S1872-2067(18)63180-8 |
22 |
Liu M. ; Xia P. ; Zhang L. ; Cheng B. ; Yu J. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 10472.
doi: 10.1021/acssuschemeng.8b01835 |
23 |
Luo J. ; Lin Z. ; Zhao Y. Chin. J. Catal. 2020, 41, 122.
doi: 10.1016/S1872-2067(19)63490-X |
24 |
Li Y. ; Zhou M. ; Cheng B. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 1.
doi: 10.1016/j.jmst.2020.04.028 |
25 | Wang L. ; Zhu C. ; Yin L. ; Huang W. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1907001. |
王梁; 朱澄鹭; 殷丽莎; 黄维; 物理化学学报, 2020, 36, 1907001.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201907001 |
|
26 |
Chang W. ; Xue W. ; Liu E. ; Fan J. ; Zhao B. Chem. Eng. J. 2019, 362, 392.
doi: 10.1016/j.cej.2019.01.021 |
27 |
Li Y. ; Zhang D. ; Feng X. Chin. J. Catal. 2020, 41, 21.
doi: 10.1016/S1872-2067(19)63427-3 |
28 |
Liu M. ; Wageh S. ; Al-Ghamdi A. ; Xia P. ; Cheng B. ; Zhang L. ; Yu J. Chem. Commun. 2019, 55, 14023.
doi: 10.1039/c9cc07647f |
29 |
Yang Y. ; Wang S. ; Li Y. ; Wang J. ; Wang L. Chem. Asian J. 2017, 12, 1421.
doi: 10.1002/asia.201700540 |
30 |
Li Y. ; Li X. ; Zhang H. ; Fan J. ; Xiang Q. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 69.
doi: 10.1016/j.jmst.2020.03.033 |
31 |
Curti M. ; Schneider J. ; Bahnemann D. W. ; Mendive C. B. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 3903.
doi: 10.1021/acs.jpclett.5b01353 |
32 |
Chen B. ; Zhou L. ; Tian Y. ; Yu J. ; Lei J. ; Wang L. ; Liu Y. ; Zhang J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 12818.
doi: 10.1039/c9cp01495k |
33 |
Armstrong E. ; O'Dwyer C. J. Mater. Chem. C 2015, 3, 6109.
doi: 10.1039/c5tc01083g |
34 |
Low J. ; Zhang L. ; Zhu B. ; Liu Z. ; Yu J. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 15653.
doi: 10.1021/acssuschemeng.8b04150 |
35 |
Jiao J. ; Wei Y. ; Zhao Z. ; Liu J. ; Li J. ; Duan A. ; Jiang G. Ind. Eng. Chem. Res. 2014, 53, 17345.
doi: 10.1021/ie503333b |
36 |
Xiao M. ; Wang Z. ; Lyu M. ; Luo B. ; Wang S. ; Liu G. ; Cheng H. ; Wang L. Adv. Mater. 2019, 31, 1801369.
doi: 10.1002/adma.201801369 |
37 |
Hwang S. ; Lee S. ; Yu J. Appl. Surf. Sci. 2007, 253, 5656.
doi: 10.1016/j.apsusc.2006.12.032 |
38 |
Lin B. ; Li J. ; Xu B. ; Yan X. ; Yang B. ; Wei J. ; Yang G. Appl. Catal. B 2019, 243, 94.
doi: 10.1016/j.apcatb.2018.10.029 |
39 |
Lin B. ; Yang G. ; Wang L. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4587.
doi: 10.1002/anie.201814360 |
40 |
Sun L. ; Yang M. ; Huang J. ; Yu D. ; Hong W. ; Chen X. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 4943.
doi: 10.1002/adfm.201600894 |
41 |
Lei J. ; Chen B. ; Lv W. ; Zhou L. ; Wang L. ; Liu Y. ; Zhang J. ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, 7, 16467.
doi: 10.1021/acssuschemeng.9b03678 |
42 |
Xu Q. ; Zhu B. ; Cheng B. ; Yu J. ; Zhou M. ; Ho W. Appl. Catal. B 2019, 255, 117770.
doi: 10.1016/j.apcatb.2019.117770 |
43 |
Xu Q. ; Ma D. ; Yang S. ; Tian Z. ; Cheng B. ; Fan J. Appl. Surf. Sci. 2019, 495, 143555.
doi: 10.1016/j.apsusc.2019.143555 |
44 |
Tian N. ; Huang H. ; Liu C. ; Dong F. ; Zhang T. ; Du X. ; Yu S. ; Zhang Y. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 17120.
doi: 10.1039/c5ta03669k |
45 |
Zhao H. ; Hu Z. ; Liu J. ; Li Y. ; Wu M. ; Van Tendeloo G. ; Su B. Nano Energy 2018, 47, 266.
doi: 10.1016/j.nanoen.2018.02.052 |
46 |
Wang H. ; Sun X. ; Li D. ; Zhang X. ; Chen S. ; Shao W. ; Tian Y. ; Xie Y. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 2468.
doi: 10.1021/jacs.6b12878 |
47 | Li X. ; Wang B. ; Yin W. ; Di J. ; Xia J. ; Zhu W. ; Li H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 1902001. |
李小为; 王彬; 尹文轩; 狄俊; 夏杰祥; 朱文帅; 李华明; 物理化学学报, 2020, 36, 1902001.
doi: 10.3866/PKU.WHXB201902001 |
|
48 |
Niu P. ; Liu G. ; Cheng H. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 11013.
doi: 10.1021/jp301026y |
49 |
Xiong T. ; Cen W. ; Zhang Y. ; Dong F. ACS Catal. 2016, 6, 2462.
doi: 10.1021/acscatal.5b02922 |
50 |
Cho Y. ; Kim S. ; Park B. ; Lee C. L. ; Kim J. K. ; Lee K. S. ; Choi I. Y. ; Kim J. K. ; Zhang K. ; Oh S. H. ; et al Nano Lett. 2018, 18, 4257.
doi: 10.1021/acs.nanolett.8b01245 |
51 |
Zhong Y. ; Djurisic A. B. ; Hsu Y. ; Wong K. ; Brauer G. ; Ling C. ; Chan W. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 16286.
doi: 10.1021/jp804132u |
52 |
Yu Y. ; Tang Y. ; Yuan J. ; Wu Q. ; Zheng W. ; Cao Y. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 13545.
doi: 10.1021/jp412375z |
53 |
Zheng Y. ; Lin L. ; Ye X. ; Guo F. ; Wang X. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 11926.
doi: 10.1002/anie.201407319 |
54 |
Xia P. ; Cheng B. ; Jiang J. ; Tang H. Appl. Surf. Sci. 2019, 487, 335.
doi: 10.1016/j.apsusc.2019.05.064 |
55 |
Li Y. ; Jin R. ; Xing Y. ; Li J. ; Song S. ; Liu X. ; Li M. ; Jin R. Adv. Energy Mater. 2016, 6, 1601273.
doi: 10.1002/aenm.201601273 |
56 |
Tu W. ; Xu Y. ; Wang J. ; Zhang B. ; Zhou T. ; Yin S. ; Wu S. ; Li C. ; Huang Y. ; Zhou Y. ; et al ACS Sustain. Chem. Eng. 2017, 5, 7260.
doi: 10.1021/acssuschemeng.7b01477 |
57 |
Yu L. ; Li G. ; Zhang X. ; Ba X. ; Shi G. ; Li Y. ; Wong P. ; Yu J. ; Yu Y. ACS Catal. 2016, 6, 6444.
doi: 10.1021/acscatal.6b01455 |
[1] | 李开宁, 张梦曦, 欧小雨, 李睿娜, 李覃, 范佳杰, 吕康乐. 高活性氮化碳纳米片的制备策略[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2008010 -0 . |
[2] | 郑倩, 曹玥晗, 黄南建, 张瑞阳, 周莹. BN诱导BiOI富氧{110}面的暴露并增强其可见光催化氧化性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2009063 -0 . |
[3] | 张鹏, 王继全, 李源, 姜丽莎, 王壮壮, 张高科. 非贵金属助剂Ni2P修饰类石墨碳氮化物光催化剂增强可见光光催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2009102 -0 . |
[4] | 陈鹏, 周莹, 董帆. 二维光催化材料电子结构和性能调控策略研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2010010 -0 . |
[5] | 周易, 欧阳威龙, 王岳军, 王海强, 吴忠标. 核壳结构NH2-UiO-66@TiO2的制备及其可见光下的甲苯降解性能研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2009045 -0 . |
[6] | 贾晓庆, 白晓宇, 吉喆喆, 李轶, 孙妍, 秘雪岳, 展思辉. 二维层状NiO/g-C3N4复合材料在无铁光电类芬顿体系中有效去除环丙沙星的研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2010042 -0 . |
[7] | 李钱, 胡静, 周易, 王海强, 吴忠标. La掺杂BiOI微球可见光下光催化氧化NO性能研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2009100 -0 . |
[8] | 李瀚, 李芳, 余家国, 曹少文. 二维/二维FeNi-LDH/g-C3N4复合光催化剂用于促进CO2光还原反应[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2010073 -0 . |
[9] | 王薇, 黄宇, 王震宇. 缺陷工程调控石墨相氮化碳及其光催化空气净化应用进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(8): 2011073 -0 . |
[10] | 刘源, 李卫东, 吴捍, 卢思宇. 碳点增强的Ru纳米颗粒复合材料用于碱性条件下高效电解水析氢[J]. 物理化学学报, 2021, 37(7): 2009082 -0 . |
[11] | 王则鉴, 洪佳佳, Ng Sue-Faye, 刘雯, 黄俊杰, 陈鹏飞, Ong Wee-Jun. 氧化物钙钛矿的光催化研究进展:CO2还原、水裂解、固氮[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2011033 -0 . |
[12] | 费新刚, 谭海燕, 程蓓, 朱必成, 张留洋. 理论计算研究二维/二维BP/g-C3N4异质结的光催化CO2还原性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010027 -0 . |
[13] | 李喜宝, 刘积有, 黄军同, 何朝政, 冯志军, 陈智, 万里鹰, 邓芳. 全有机S型异质结PDI-Ala/S-C3N4光催化剂增强光催化性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010030 -0 . |
[14] | 刘东, 陈圣韬, 李仁杰, 彭天右. 用于光催化能量转换的Z-型异质结的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2010017 -0 . |
[15] | 赫荣安, 陈容, 罗金花, 张世英, 许第发. 石墨烯量子点修饰的BiOI/PAN柔性纤维的制备及其增强的光催化活性[J]. 物理化学学报, 2021, 37(6): 2011022 -0 . |
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