具有可调能带结构和电荷转移特性的叶脉状g-C3N4的合成的研究学术资讯

来源：CBG资讯

过氧化氢（H2O2）是一种重要的清洁化工资源，其副产品仅以水的形式排放，广泛应用于有机合成、废水处理、纸浆漂白、消毒等领域。近年来，过氧化氢作为氢在单室电池中的电能替代品也备受关注对H2O2的巨大需求引起了人们对H2O2制备技术的关注，同时，应用最广泛的蒽醌法也面临着不足，由于高能耗和大量有毒副产物的存在，开发清洁的过氧化氢制备技术迫在眉睫。半导体催化剂光催化制备H2O2由于其清洁、低能的光驱动双电子O2还原过程（O2+ 2H++ 2e- → H2O2）备受关注。双电子氧还原过程是以超氧自由基（·O2-）为中间产物（O2+ e- → ·O2-+ 2H++ e-→ H2O2）的两步单电子还原过程，这可能受到从·O2-到H2O2的第二步的限制。由于·O2-转化为H2O2的效率较低，会导致大量光激发电子只参与单电子氧还原过程（O2+ e-→ ·O2-），大大降低了光能的利用率。因此，提高双电子光催化氧化还原过程的选择性是提高光催化H2O2生产效率的关键。石墨碳氮化物（g-C3N4）作为一种稳定、低成本的无金属聚合物半导体材料，由于其优异的光催化分解水、二氧化碳还原、固氮、降解有机污染物等性能，近年来受到广泛关注，最近的研究发现，g-C3N4在光催化生产H2O2方面也显示出突出的潜力。

课题组主要开展的研究工作包括：（1）基于环境功能材料的河湖水体和湿地修复机制；（2）改性生物炭材料用于重金属污染河湖底泥修复；（3）环境生物传感与重金属/持久性有机物动态监测技术；（4）固体废物处理与资源化；（5）光催化、电催化及过硫酸盐活化等高级氧化技术对有机污染物的降解研究。课题组在Chemical Society Reviews、Progress in Materials Science、Nano Energy、Environmental Science & Technology、Water Research、Applied Catalysis B-Environmental、Environmental Science: Nano等高水平SCI源刊上发表论文100余篇。

具有可调能带结构和电荷转移特性的叶脉状g-C3N4的合成及其选择性光催化产H2O2的研究

石墨碳氮化物（g-C3N4）在光催化制备H2O2领域表现出潜力，但存在可见光吸收范围有限、光生电荷分离效率低等缺点，普通的g-C3N4产H2O2效率过低。元素掺杂和缺陷工程作为半导体光催化剂的常用修饰手段，可通过改变能带结构及局部电子云密度的途径调控催化剂的光吸收性能及电荷转移能力。本工作中作者利用硼氢化钾（KBH4）辅助的热缩聚法，在g-C3N4缩聚过程中制造高温还原气氛，从而可控的引入硼掺杂及氮缺陷位点。

图1.普通块状g-C3N4（左）和叶脉状g-C3N4（右）的SEM图

作者通过扫描电镜对比观察了普通块状g-C3N4和本工作所制备g-C3N4的形貌结构，发现本工作所制备的g-C3N4表面形成了密集的叶脉状结构，且存在丰富的孔道结构。这种独特的结构能够显著提升g-C3N4的比表面积，暴露出更多的反应活性位点。

图2.所制备材料的（a）XRD，（b）红外及（c-e）XPS表征

作者接着通过XRD、FTIR及XPS等表征手段确定了缺陷的存在形式（氰基）及硼掺杂位点（二号氮），作为后续理论计算的建模依据。

图3.所制备材料的吸光能力及能带结构

通过紫外可见漫反射图片研究了所制备材料的光吸收能力，发现优化后的g-C3N4不仅吸收边发生了红移，还出现了一个新的吸收带。该吸收带源自于氮缺陷位点的孤对电子的跃迁。结合漫反射光谱的换算和XPS价带谱，作者确认了所制备材料的能带结构，发现优化后的g-C3N4导带位置呈下移趋势，而价带位置基本保持不变。

图4.（a）普通g-C3N4，（b）缺陷g-C3N4及（c）硼掺杂和缺陷共修饰g-C3N4的DFT模拟DOS图。

来源：BeanGoNews CBG资讯

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI4ODQ0NjUwMg==&mid=2247508375&idx=1&sn=fc1be82beabb249769d94ad7329d5e2d&chksm=ec3ca0dedb4b29c8508d090b2111ebd47a1ddd21d31e2a3d0c7e415eba1ed454d54e1148ade3#rd

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn