3489
0
0
2020-07-20 22:43:24
2023-02-22
廣東石油化工學(xué)院CJCE：用于高效光催化制氫的P摻雜g-C3N4納米片的可控制備
(提示：掃碼關(guān)注上面的公眾號(hào)，獲取更多資料！)
【引言】
通過太陽(yáng)光光解水制氫是一種環(huán)保的可再生能源的制備技術(shù)，石墨碳氮化物（g-C3N4）盡管有明顯的催化作用，仍然不能滿足產(chǎn)生氫氣的需要。g-C3N4納米結(jié)構(gòu)不僅可以加速光生電子空穴對(duì)的有效分離和轉(zhuǎn)移，而且可以有效地防止光生載流子彼此復(fù)合。許多文獻(xiàn)表明，在犧牲性的輔助下劑和助催化劑，光催化制氫效率可能更高。原因是助催化劑可以作為產(chǎn)氫的活性點(diǎn)，光生電子將注入到助催化劑中，使光生載流子重新分布，從而使更多的活性載流子可以參與光催化反應(yīng)，提高光催化活性。鉑由于具有較高的催化活性而成為助催化劑的研究熱點(diǎn)。
關(guān)于異質(zhì)結(jié)的構(gòu)造，早期的報(bào)道稱其對(duì)光生電子的分離甚至電子空穴對(duì)的復(fù)合有影響，但是很難制備。摻雜金屬元素的機(jī)理是，摻雜的金屬元素可以在g-C3N4的導(dǎo)帶以下或價(jià)帶之上生成新的受體能級(jí)，從而減小g-C3N4的帶隙并增強(qiáng)可見光的吸收。如果采用金屬摻雜，則會(huì)出現(xiàn)晶體缺陷。此外，摻雜的金屬元素可能充當(dāng)復(fù)合中心，從而導(dǎo)致量子效率降低。非金屬元素?fù)诫s通過與g-C3N4的價(jià)帶雜化來(lái)減小帶隙。與金屬摻雜相比，非金屬摻雜不會(huì)引入載流子復(fù)合中心，這一優(yōu)勢(shì)有利于提高光催化活性。有文獻(xiàn)工作表明，固態(tài)次磷酸鈉經(jīng)過熱處理后可以分解成氣態(tài)PH3，而氣態(tài)PH3可以將磷原子結(jié)合到各種的基底（如碳材料、金屬材料等）結(jié)構(gòu)中。以次磷酸鈉為磷源制備磷摻雜g-C3N4具有明朗的應(yīng)用前景和創(chuàng)新意義。
【成果簡(jiǎn)介】
因此，在本研究中廣東石油化工學(xué)院的應(yīng)化16級(jí)本科生林恰純（一作）、李澤勝副教授（通訊）、余長(zhǎng)林教授（通訊）等人提出了一種有效的氮化碳改性方法，即將已經(jīng)制備好的氮化碳與次磷酸鈉混合在惰性氣氛下進(jìn)行煅燒，從而得到合成磷摻雜的石墨氮化碳。種固-氣反應(yīng)具有許多優(yōu)點(diǎn)：（i）合適批量化的反應(yīng)溫度，（ii）可接受的原料價(jià)格，（iii）氣態(tài)PH3直接參與反應(yīng)而沒有二次污染等。然后研究了催化劑的光催化活性以生產(chǎn)氫氣。在本次研究中，加入磷元素是為了調(diào)節(jié)g-C3N4的性能，同時(shí)還提供了犧牲劑和Pt助催化劑以幫助有效地光催化制氫。結(jié)果表明，以不同的碳磷比制備的催化材料的催化性能是不同的。P摻雜的g-C3N4的最高產(chǎn)生H2的速率為318μmol h-1g-1,，是未摻雜時(shí)的2.98倍。本研究為高效修飾g-C3N4開辟了一條簡(jiǎn)單、環(huán)保、可持續(xù)的新途徑。相關(guān)成果以“Controlled preparation of P-doped g-C3N4 nanosheets for efficient photocatalytic hydrogen production”為題目發(fā)表于Chinese Journal of Chemical Engineering（CJCE, 國(guó)產(chǎn)Chemical Engineering Journal, IF=2.627）。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1：本次實(shí)驗(yàn)所用到的g-C3N4 綜述示意圖
為了克服上述問題，人們提出了各種修飾方法，例如制備g-C3N4納米結(jié)構(gòu)，共催化劑改性，構(gòu)建基于g-C3N4的異質(zhì)結(jié)，元素和分子摻雜，以增強(qiáng)其光催化性能（綜述示意圖見圖1）。較大比表面積的g-C3N4納米結(jié)構(gòu)的可以提供更多的活性位點(diǎn)。
圖2：制備的g-C3N4樣品的XRD圖譜
眾所周知，X射線衍射(XRD)可以準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)所制備的樣品的晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)。結(jié)果表明，CN的XRD圖中，在13.7度和27.5度附近有兩個(gè)明顯的衍射峰(圖2)。
圖3：樣品的TEM和EDS元素掃描圖片
用透射電鏡TEM進(jìn)一步觀察了樣品的形貌細(xì)節(jié)。圖像如圖4（A-C）所示。從圖4圖像（A-B）可以看出，已經(jīng)成功合成了不規(guī)則的二維大尺度結(jié)構(gòu)，PCN-S-3表面缺乏光滑度。圖4C顯示PCN-S-3呈向內(nèi)卷曲的趨勢(shì)。此外，我們使用HAADF-STEM觀察單個(gè)納米顆粒（見圖4D）。此外，還添加了元素映射圖（見圖4E-G），結(jié)果表明，C、N和P均分布在PCN-S-3的整個(gè)結(jié)構(gòu)中。
圖4：光解制氫圖表:(A)CN (B) PCN-S-1 (C) PCN-S-2 (D) PCN-S-3 (E)標(biāo)準(zhǔn)曲線 (F)峰面積與氫含量的關(guān)系曲線
光催化制氫樣品的氣相色譜圖如圖4A-D所示。通過將一定量體積的標(biāo)準(zhǔn)氫注入氣相色譜儀獲得圖4E。圖4F是通過理想的氣體狀態(tài)方程將體積（ML）轉(zhuǎn)換為摩爾體積（μmol），然后建立峰面積與氫摩爾體積之間的關(guān)系，給出標(biāo)準(zhǔn)偏差，將在不同時(shí)間獲得的一系列制氫數(shù)據(jù)代入得到。可以繪制出制氫摩爾量（μmol）與時(shí)間（h）之間的關(guān)系曲線，然后通過線性擬合得出直線形的斜率，擬合后的線是樣品的催化產(chǎn)氫率值。可以得出，速率值越高，催化劑的光催化活性越好。
【小結(jié)】
本次實(shí)驗(yàn)提出了一種改性氮化碳的新策略：選擇次磷酸鈉作為磷源，通過熱處理成功制備了含磷g-C3N4納米片。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，證明了P原子代替C原子并納入C原子，PCN-S-2的C=N-C中的N-C鍵可能在摻磷過程中斷裂。犧牲劑和助催化劑也被提供以幫助有效的光催化制氫。PCN-S-3釋放H2的速率是CN的2.98倍。特別有趣的是，PCN-S-2不僅成功摻雜了磷，而且還存在碳缺陷。當(dāng)磷摻雜和碳缺陷同時(shí)存在時(shí)會(huì)產(chǎn)生積極影響，大大提高了水生氫的光解速率。
文獻(xiàn)鏈接：Controlled preparation of P-doped g-C3N4 nanosheets for efficient photocatalytic hydrogen production （https://doi.org/10.1016/j.cjche.2020.06.037）
廣東石油化工學(xué)院：鉍銀氧化物納米催化劑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換及四環(huán)素的光催化降解特性
2020-07-07 閱讀(74)
恭喜廣油陳丹瑤同學(xué)第一作者 Journal of Hazardous Materials（IF=6.434）一區(qū)論文正式發(fā)表！
2019-03-20 閱讀(1310)
本人研究團(tuán)隊(duì)“精英培養(yǎng)計(jì)劃”——2019年招生啟動(dòng)，歡迎18級(jí)同學(xué)報(bào)名！
2018-11-17 閱讀(2122)
