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江蘇科大郭峰/施偉龍《Ceram. Int.》:環(huán)境友好型超分子自組裝合成S摻雜空心多孔管狀聚合物氮化碳增強(qiáng)光催化產(chǎn)氫
2023-03-13  來源:高分子科技

  利用聚合物石墨氮化碳(g-C3N4)基材料進(jìn)行光催化制氫,緩解能源問題是目前研究的熱點。然而,由含氮前驅(qū)體熱縮聚直接制備的大塊g-C3N4存在比表面積有限、容易光生電子-空穴對重組快速、可見光利用差等固有缺點,嚴(yán)重限制了其光催化活性,因此設(shè)計和合成高效的g-C3N4材料仍然是一個重大的挑戰(zhàn)。


  近日,江蘇科技大學(xué)郭峰/施偉龍課題組在《Ceramics International》期刊上發(fā)表了題為Environmentally friendly supermolecule self-assembly preparation of S-doped hollow porous tubular g-C3N4 for boosted photocatalytic H2 production的文章。報告了一種環(huán)境友好的超分子自組裝方法來合成S摻雜空心多孔管狀g-C3N4S-HPTCN)以實現(xiàn)高效和持久的光催化產(chǎn)氫。


   采用超分子自主裝合成策略,經(jīng)過水熱和煅燒兩個過程制備S摻雜空心多孔管狀聚合物氮化碳。 



  通過SEMTEM觀察了空心多孔管狀氮化碳結(jié)構(gòu)的形成過程;隨著水熱時間的延長,堆疊的微卷曲層狀前驅(qū)體逐漸演化為棒狀結(jié)構(gòu)。此外,在隨后的煅燒過程中產(chǎn)生的大量氣體沖擊形成了孔隙,最終形成了空心多孔管狀形態(tài)的聚合物氮化碳。



  通過UV-vis評估了催化劑的光學(xué)性能,硫摻雜對聚合物氮化碳的光吸收性能和帶隙結(jié)構(gòu)的影響,制備過程中含硫氣體誘導(dǎo)形成的空心多孔管狀結(jié)構(gòu)使入射光在管壁中發(fā)生多次光反射有效地提高了可見光的吸收,提高了可見光利用率。結(jié)合催化劑的帶隙和CB的位置,計算VB,得到光催化劑的帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)S摻雜導(dǎo)致帶隙變窄同時導(dǎo)帶上移增強(qiáng)了還原能力。 



  光催化產(chǎn)氫曲線和產(chǎn)氫速率表明S-HPTCN-2的光催化活性最高,且AQY高達(dá)8%。四次循環(huán)后催化劑沒有出現(xiàn)明顯失活,且反應(yīng)后的XRD紅外光譜與反應(yīng)前沒有明顯失活,證明該催化劑具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。 



  通過光電化學(xué)測試進(jìn)一步探究了光生載流子行為,熒光光(PL)和時間分辨瞬時PL的分析結(jié)果表明摻雜的硫原子可以作為電子捕獲位點,延長載流子的壽命,從而抑制載流子復(fù)合。表面積(BET)結(jié)果反映了樣品的多孔結(jié)構(gòu)。線性掃描伏安法(LSV)發(fā)現(xiàn)摻雜硫原子可以降低析氫過電位,從而提高產(chǎn)氫動力學(xué)和光催化性能。光電流和阻抗(EIS)表明空心多孔管狀結(jié)構(gòu)具有良好的分離光誘導(dǎo)的電子-空穴對的能力。 



  通過理論計算分析硫摻雜的可能位點。催化劑的電子密度明顯提高,同時電子主要集中在電子負(fù)性高的原子周圍,促進(jìn)了光誘導(dǎo)載體的遷移和分離效率。 



  總之,這項工作通過超分子自主裝策略合成的S-HPTCN具有空心多孔納米管結(jié)構(gòu),有效提高可見光利用,并提供充足的活性位點,提升了光催化產(chǎn)氫活性。相較于BCN、S-BCNTCNS-HPTCN具有更強(qiáng)的光吸收能力,更大的比表面積,優(yōu)化的化學(xué)結(jié)構(gòu),更有效的分離效率,和增強(qiáng)的光生電子空穴的還原能力。S-HPTCN的中空多孔管狀結(jié)構(gòu)可以使光在管壁中多次入射折射,提高光的利用率;擴(kuò)大的比表面積可以暴露更多的反應(yīng)活性位點用于光催化反應(yīng);同時硫原子的摻雜可以調(diào)諧電子結(jié)構(gòu)并提高CB中電子的還原能力。


  文章第一作者為江蘇科技大學(xué)材料學(xué)院施偉龍副教授,通訊作者為郭峰副教授。


  文章鏈接

  W. Shi,* L. Cao, Y. Shi, Z. Chen, Y. Cai, F. Guo,* X. Du,* Environmentally friendly supermolecule self-assembly preparation of S-doped hollow porous tubular g-C3N4 for boosted photocatalytic H2 production, Ceramics International 49 (2023) 11989-11998

  https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.12.049


作者簡介


  郭峰現(xiàn)任江蘇科技大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,新能源系專業(yè)負(fù)責(zé)人,中國感光學(xué)會光催化專業(yè)委員會會員,江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會會員新加坡維澤專家?guī)欤?/span>VE)材料科學(xué)專家委員會會員。長安大學(xué)市政工程專業(yè)博士畢業(yè),獲工學(xué)博士學(xué)位。主要從事g-C3N4基復(fù)合光催化材料的設(shè)計、構(gòu)筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持國家自然科學(xué)基金項目,江蘇省青年基金項目,江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀骨干教師人才項目,校級深藍(lán)杰出人才項目河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)實驗室開發(fā)基金,江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目等10余項。近年來,共計以第一作者或通訊作者發(fā)表90SCI收錄論文,其中一區(qū)SCI論文44篇(影響因子≥10的 15篇),二區(qū)論文17篇,ESI高被引論文27篇,ESI熱點論文5篇,1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文,榮獲國際學(xué)術(shù)獎“最佳研究者”獎,H-index 44,國家授權(quán)發(fā)明專利3項。入選2022年全球前2%頂尖科學(xué)家榜單(Worlds Top 2% Scientists 2022)、江蘇省“科技副總”、鎮(zhèn)江市“出彩教育人”、!皟(yōu)秀教師”、本創(chuàng)“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”、省級競賽“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”等稱號,相關(guān)工作發(fā)表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平雜志。此外,擔(dān)任《Frontiers in Chemistry》客座主編以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際期刊審稿人。


  施偉龍,華中科技大學(xué)博士,鄭州大學(xué)博士后,現(xiàn)任江蘇科技大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,中國感光學(xué)會光催化專業(yè)委員會會員,江蘇省復(fù)合材料學(xué)會會員,江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會會員,江蘇省材料學(xué)會會員。主要從事碳基(碳點、氮化碳)復(fù)合光催化材料的設(shè)計、構(gòu)筑以及光催化性能(降解、分解水制氫及防腐)等方面的研究工作。相關(guān)工作發(fā)表在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., J. Mater. Chem. B., Appl. Surf. Sci., J. Alloy Compd.等高水平雜志。截止目前,共計以第一作者或通訊作者發(fā)表94SCI收錄論文,其中一區(qū)SCI論文44篇(影響因子≥1017篇),二區(qū)論文26篇,ESI高被引論文31篇,ESI熱點論文12篇,1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文,H-index 46。榮獲國際復(fù)合材料“最佳研究者”獎,受理發(fā)明專利2項。入選2022年全球前2%頂尖科學(xué)家榜單(Worlds Top 2% Scientists 2022現(xiàn)主持國家自然科學(xué)基金青年、江蘇省“雙創(chuàng)博士”、“科技副總”人才項目、河南省博士后科研項目啟動資助、河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)實驗室開發(fā)基金、江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目、校級深藍(lán)杰出人才等10余項。此外,擔(dān)任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主編、《Photocatalysis and Photochemistry》青年編委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際Top期刊審稿人。

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(責(zé)任編輯:xu)
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