钛酸铋/氮化碳无机/有机复合S型异质结纯水光催化产过氧化氢

doi:10.3866/PKU.WHXB202403009

物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (11): 2403009.doi: 10.3866/PKU.WHXB202403009

钛酸铋/氮化碳无机/有机复合S型异质结纯水光催化产过氧化氢

李可¹^,†, 刘创¹^,†, 李静萍¹, 王国宏¹^,*(), 王楷¹^,²^,³^,*()

¹ 污染物分析与资源化技术湖北省重点实验室, 湖北师范大学化学化工学院, 黄石市土壤污染防治重点实验室, 湖北黄石 435002
² 武汉纺织大学纺织印染清洁生产教育部工程研究中心, 武汉 430073
³ School of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Nanyang Technological University, 62 Nanyang Drive, Singapore 637459, Singapore

收稿日期:2024-03-12 修回日期:2024-04-08 录用日期:2024-04-08 发布日期:2024-10-14
通讯作者: Email: wanggh2003@163.com (王国宏)wangkai@hbnu.edu.cn (王楷)
作者简介:
^†These authors contributed equally to this work.
基金资助:
国家自然科学基金(22378104); 国家自然科学基金(52104254); 纺织印染清洁生产教育部工程研究中心开放课题(2023GCZX008)

Architecting Inorganic/Organic S-Scheme Heterojunction of Bi₄Ti₃O₁₂ Coupling with g-C₃N₄ for Photocatalytic H₂O₂ Production from Pure Water

Ke Li¹, Chuang Liu¹, Jingping Li¹, Guohong Wang¹^,*(), Kai Wang¹^,²^,³^,*()

¹ Hubei Key Laboratory of Pollutant Analysis and Reuse Technology, College of Chemistry and Chemical Engineering, Huangshi Key Laboratory of Prevention and Control of Soil Pollution, Hubei Normal University, Huangshi 435002, Hubei Province, China
² Engineering Research Center for Clean Production of Textile Printing and Dyeing, Ministry of Education, Wuhan Textile University, Wuhan 430073, China
³ School of Chemistry, Chemical Engineering and Biotechnology, Nanyang Technological University, 62 Nanyang Drive, Singapore 637459, Singapore

Received:2024-03-12 Revised:2024-04-08 Accepted:2024-04-08 Published:2024-10-14
Contact: Email: wanggh2003@163.com (Guohong Wang)wangkai@hbnu.edu.cn (Kai Wang )
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22378104); the National Natural Science Foundation of China(52104254); the Open Subject of Engineering Research Center for Clean Production of Textile Printing and Dyeing, Ministry of Education(2023GCZX008)

1. WHXB202403009-SI-4p.pdf(1397KB)

摘要/Abstract

摘要：

过氧化氢不仅是一种常见的工业化学品，还是潜在的能源载体。在纯水环境中人工光合成过氧化氢(H₂O₂)是一种具有成本效益且环保的方法。然而，传统的单一人工光合成H₂O₂催化剂存在光吸收有限、团聚严重、难以重复使用等问题，这严重阻碍了其应用。在本研究中，我们采用了简单的静电纺丝辅助超声组装策略，在有机石墨相氮化碳(CN) 纳米片表面上成功复合了无机钛酸铋纳米纤维(BTO)，并形成了具有紧密接触界面的无机/有机BTOCN S型异质结光催化剂。经过光照，BTOCN复合材料的产H₂O₂速率达到1650 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹，并且在纯水无牺牲剂条件下可以持续产生H₂O₂。这种增强的光催化活性归因于增强的光吸收、S型异质结的高电子-空穴分离效率和强氧化还原活性。原位辐照X射线光电子能谱测试和电子顺磁共振实验结果表明BTOCN异质结光催化剂中的电子迁移遵循梯型电荷转移路径。综上所述，本研究提供了一种简单的无机/有机S型异质结光催化剂的制备方法，该方法可以优化能带结构以促进光生载流子的分离，从而实现高效的人工光合成过氧化氢效率。

关键词: 异质结, 光催化, 过氧化氢生成, S型机理

Abstract:

Hydrogen peroxide (H₂O₂) plays a significant role as an industrial chemical and potential energy carrier. However, common H₂O₂ photosynthesis catalysts face challenges such as limited solar spectrum absorption, severe agglomeration, and difficulty in reuse, hindering their widespread application. In this study, an inorganic/organic heterojunction photocatalyst comprising g-C₃N₄ nanosheets and Bi₄Ti₃O₁₂ nanofibers is synthesized using electrospinning assisted self-assembly methods. The Bi₄Ti₃O₁₂/g-C₃N₄ heterojunction exhibits significantly enhanced H₂O₂ yield of 1650 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹ and efficient H₂O₂ photosynthesis directly from pure water. The improved performance is attributed to enhanced visible light absorption, charge separation efficiency, and boosting redox properties of photoinduced carriers in S-scheme heterojunctions. Additionally, the utilization of in situ X-ray photoelectron spectroscopy (ISXPS) enables the investigation of the S-scheme mechanism and dynamics of inorganic/organic Bi₄Ti₃O₁₂/g-C₃N₄ heterojunctions. This research presents a novel approach for designing inorganic/organic heterojunction photocatalysts for solar-driven H₂O₂ production.

Key words: Heterojunction, Photocatalysis, Hydrogen peroxide production, S-scheme mechanism

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链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202403009

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2024/V40/I11/2403009

图/表 7

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[10]	陈轼逸, 付家龙, 裘建平, 常国菊, 郝仕油. 废弃医用口罩衍生的碳量子点增强BiOBr/g-C₃N₄ S型异质结光催化降解聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)[J]. 物理化学学报, 2026, 42(1): 100135 - .
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钛酸铋/氮化碳无机/有机复合S型异质结纯水光催化产过氧化氢

Architecting Inorganic/Organic S-Scheme Heterojunction of Bi₄Ti₃O₁₂ Coupling with g-C₃N₄ for Photocatalytic H₂O₂ Production from Pure Water

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