共热解策略合成原子级分散金属-g-C₃N₄催化剂用于高效CO₂光还原学术资讯

作者通过透射电子显微镜（TEM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和能量色散X-射线能谱（EDS）测试表征了25-Co-C3N4中Co的存在形式。如图1(a)所示，TEM图像显示了25-Co-C3N4的超薄片层形状，但未见Co纳米颗粒。HAADF-STEM图像显示了大量清晰可见原子尺寸的金属负载在g-C3N4表面（1(b)）。EDS图谱显示了均匀分布的C、N、Co元素（图1(c)）。这些结果表明，Co以原子级分散形式存在。

为了进一步表征25-Co-C3N4的化学组成和元素状态，作者对25-Co-C3N4进行了X-射线光电子能谱（XPS）测试。如图2(a)所示，XPS结果表明：25-Co-C3N4含有C、N、O和Co元素。Co 2p的两个主要特征峰位于796.1和781.3 eV，分别归属于Co2+的Co 2p1/2和Co 2p3/2，其中在781.3 eV的结合能归属于Co-N配位。此外，它们的卫星峰分别位于803.6和 786.2 eV，表明Co2+具有高自旋状态（图2(b)）。N 1s光谱上显示出四个特征峰位于398.9 eV、399.7 eV、401.0 eV和404.6 eV，分别归属于吡啶N、Co-N、石墨N和氧化物N（图2(c)）。C 1s光谱中出现了两个特征峰位于288.4和284.9 eV，分别归属于N-C=N和C-C的特征峰（图2(d)）。这些结果表明，原子级分散Co负载到g-C3N4表面。

基于上述表征结果，作者研究了X-Co-C3N4（X = 10，15，20，25， 30 和35）的光催化CO2还原性能。如图3(a)所示，10-Co-C3N4表现了较低的还原CO2到CO活性，其CO生成速率为32.8 μmol•g-1•h-1。随着MOF用量增加，CO的生成速率明显提高。当MOF用量增加到25毫克时，25-Co-C3N4的CO生成速率为394.4 μmol•g-1•h-1。进一步增加MOF的用量到30和35毫克，催化剂的CO生成速率呈现减小趋势。其中，25-Co-C3N4的CO生成速率分别是10-Co-C3N4 和35-Co-C3N4的12和1.7倍。此外，25-Co-C3N4的光催化产H2速率为94.5 μmol•g-1•h-1，表明大部分光生电子用于CO2还原，CO的选择性为81%（3(b)）。此外，通过13CO2同位素跟踪实验确认了催化产物CO中C来源于CO2（3(c)）。作者还研究了25-Co-C3N4的光催化稳定性，经过3轮循环实验后，其CO生成速率基本保持不变，说明25-Co-C3N4具有良好的光催化稳定性（图3(d)）。

来源：研之成理

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