
物理化学学报 >> 2024, Vol. 40 >> Issue (5): 2305047.doi: 10.3866/PKU.WHXB202305047
王海涛1,†, 余良浪1,†, 江吉周1,*(
), Arramel2, 邹菁1
收稿日期:2023-05-26
修回日期:2023-06-21
录用日期:2023-06-21
发布日期:2023-06-26
通讯作者:
Email: 027wit@163.com (江吉周)
作者简介:† These authors contributed equally to this work.
基金资助:
Haitao Wang1, Lianglang Yu1, Jizhou Jiang1,*(
), Arramel2, Jing Zou1
Received:2023-05-26
Revised:2023-06-21
Accepted:2023-06-21
Published:2023-06-26
Contact:
Email: 027wit@163.com (Jizhou Jiang)
Supported by:摘要:
利用取之不尽的太阳能资源进行光催化水裂解制氢是缓解全球能源危机、实现碳中和战略的一项有前景的技术。石墨相氮化碳(g-C3N4)因成本低且稳定性高在光催化产氢领域备受关注。然而,纯g-C3N4存在表面积小、电子转移慢、光生载流子复合快等缺陷,产氢性能通常不佳。本研究通过直接热解硫酸铵和三聚氰胺混合物,成功实现硫物种对g-C3N4氮位点的原位取代,开发出一种高效的硫掺杂g-C3N4 (S-g-CN)光催化剂。系列结构和光谱表征证实硫的成功掺杂。密度泛函理论的第一性原理计算表明S活性位对氢的吸附吉布斯自由能近乎为零(~0.26 eV),揭示S掺杂在优化H活性中间体吸附和解吸过程中起着重要作用。透射电子显微镜和原子力显微镜测试结果表明,S-g-CN具有超薄的纳米片状结构,其片层厚度约为2.5 nm。随后的氮气吸脱附等温线和光电化学性质测试结果表明,S掺杂不仅可显著增大g-C3N4比表面积,而且还能有效提高其光生电子-空穴对的转移、分离和氧化还原能力。得益于材料良好的结构特性,S-g-CN的光催化产氢速率高达4923 μmol∙g−1∙h−1,是原始g-C3N4的28倍,超越诸多最近报道的其它S掺杂g-C3N4光催化剂。而且,S-g-CN的表观量子效率高达3.64%。本研究除了开发一种高效的光催化剂,还将为高性能g-C3N4基催化剂的设计提供有益借鉴。
王海涛, 余良浪, 江吉周, Arramel, 邹菁. 硫取代氮增强g-C3N4光催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(5), 2305047. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305047
Haitao Wang, Lianglang Yu, Jizhou Jiang, Arramel, Jing Zou. S-Doping of the N-Sites of g-C3N4 to Enhance Photocatalytic H2 Evolution Activity[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40(5), 2305047. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305047
表1
"
| Photocatalyst | Loading (mg) | Co-catalyst | H2 evolution rate (μmol∙g−1∙h−1) | Reference |
| S-g-CN1.0 | 50 | 1 wt% Pt | 4923 | this work |
| PCNS | 15 | 2 wt% Pt | 880.2 | 44 |
| SPCN0.1 | 50 | 3 wt% Pt | 4200.3 | 45 |
| SCN1.0 | 50 | 3 wt% Pt | 141.9 | 46 |
| SCND-3 | 50 | 3 wt% Pt | 1404 | 47 |
| MA-Fe-S-CN | 50 | – | 2965.5 | 48 |
| g-CN-TM1 | 10 | 0.5 wt% Pt | 4430 | 49 |
| Co-S-CN | 20 | 1 wt% Pt | 910.6 | 50 |
| 0.3S-CN | 10 | 1 wt% Pt | 952 | 51 |
| S@g-C3N4 | 5 | 1 wt% Pt | 736.8 | 52 |
| PSCN | 20 | 3 wt% Pt | 1969 | 53 |
| SS-CN | 50 | 1 wt% Pt | 982.3 | 54 |
| 1 |
doi: 10.1002/adfm.202214470 |
| 2 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030 |
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李云锋; 张敏; 周亮; 杨思佳; 武占省; 马玉花.. 物理化学学报, 2021, 37, 2009030.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030 |
|
| 3 |
doi: 10.1039/D2GC03160D |
| 4 |
doi: 10.21203/rs.3.rs-208751/v1 |
| 5 |
doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0108 |
| 6 |
doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0152 |
| 7 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030 |
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李喜宝; 刘积有; 黄军同; 何朝政; 冯志军; 陈智; 万里鹰; 邓芳.. 物理化学学报, 2021, 37, 2010030.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030 |
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| 8 |
doi: 10.1016/j.jmst.2021.10.030 |
| 9 |
doi: 10.1007/s40843-020-1456-x |
| 10 |
doi: 10.1016/j.jmst.2020.10.030 |
| 11 |
doi: 10.1007/s12274-022-4799-z |
| 12 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202109023 |
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刘珊池; 王凯; 杨梦雪; 靳治良.. 物理化学学报, 2022, 38, 2109023.
doi: 10.3866/PKU.WHXB202109023 |
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| 13 |
doi: 10.1039/d1ta07332j |
| 14 |
doi: 10.1007/s11431-022-2192-6 |
| 15 |
doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0068 |
| 16 |
doi: 10.1016/s1872-2067(22)64096-8 |
| 17 |
doi: 10.1002/adsu.202100498 |
| 18 |
doi: 10.1016/j.nanoen.2022.108032 |
| 19 |
doi: 10.1016/j.jallcom.2022.165020 |
| 20 |
doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2021-0039 |
| 21 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2018.11.011 |
| 22 |
doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014 |
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沈荣晨; 郝磊; 陈晴; 郑巧清; 张鹏; 李鑫.. 物理化学学报, 2022, 38, 2110014.
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doi: 10.1016/j.jmst.2021.03.025 |
| 24 |
doi: 10.1016/s1872-2067(20)63634-8 |
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doi: 10.1016/j.cej.2020.126498 |
| 26 |
doi: 10.1016/j.jmst.2021.12.018 |
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doi: 10.1016/j.apcatb.2018.07.023 |
| 28 |
doi: 10.1021/acssuschemeng.8b05374 |
| 29 |
doi: 10.1038/s41699-021-00259-4 |
| 30 |
doi: 10.1002/adfm.202208358 |
| 31 |
doi: 10.1007/s12274-022-4276-8 |
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| 33 |
doi: 10.1016/j.carbon.2018.01.008 |
| 34 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119539 |
| 35 |
doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121942 |
| 36 |
doi: 10.1016/j.jcis.2019.11.065 |
| 37 |
doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.003 |
| 38 |
doi: 10.1016/j.carbon.2014.08.059 |
| 39 |
doi: 10.1039/c9nr00168a |
| 40 |
doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0103 |
| 41 |
doi: 10.1002/cssc.201402180 |
| 42 |
doi: 10.1016/j.jcis.2020.02.017 |
| 43 |
doi: 10.3389/fchem.2019.00855 |
| 44 |
doi: 10.1016/j.ceramint.2020.09.275 |
| 45 |
doi: 10.1016/j.jcis.2021.10.084 |
| 46 |
doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.03.148 |
| 47 |
doi: 10.1016/j.jtice.2020.12.001 |
| 48 |
doi: 10.1016/j.seppur.2023.123618 |
| 49 |
doi: 10.1016/j.matlet.2021.130120 |
| 50 |
doi: 10.1016/j.jallcom.2022.166257 |
| 51 |
doi: 10.1007/s10562-020-03156-5 |
| 52 |
doi: 10.1016/j.synthmet.2022.117100 |
| 53 |
doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154259 |
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doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119539 |
| 55 |
doi: 10.1016/j.cclet.2022.03.101 |
| 56 |
doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.046 |
| 57 |
doi: 10.1021/jacs.6b11878 |
| 58 |
doi: 10.1002/adma.201806596 |
| 59 |
doi: 10.1002/adma.202209141 |
| 60 |
doi: 10.1002/anie.201916012 |
| 61 |
doi: 10.1002/smll.202301116 |
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