双助剂促进g-C3N4光解水制氢性能

氢能是最具应用前景的清洁能源之一,利用太阳能作为驱动力光催化水分解制取氢气已被广泛研究.作为非金属半导体光催化剂, g-C_3N_4具有合适的能带结构(2.71 eV),良好的可见光捕获能力和物理化学稳定性,因而有一定的光催化产氢能力;但是它具有可见光吸收能力(470 nm)不够、光生电子空穴容易复合等缺点,使其光催化制氢能力受到了极大限制.通过助剂修饰可有效促进载流子分离,增加反应活性位点及加速产氢动力学.因此,本文采用双助剂改性以提高g-C_3N_4的光催化制氢性能.本文首先采用原位煅烧法将银纳米粒子(AgNPs)沉积在g-C_3N_4表面(Ag/g-C_3N_4),随后利用水热法成功地将硫化镍(NiS)负载在Ag/g-C_3N_4复合材料表面.XRD, FT-IR, XPS和TEM结果表明,通过原位煅烧和水热合成法可以成功地将Ag和NiS均匀、稳定沉积在g-C_3N_4表面,并且g-C_3N_4保持原有结构不变.紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、瞬态光电流、阻抗(EIS)和光致发光谱(PL)分析表明, AgNPs和NiS的引入不仅改善了体系的光吸收范围和强度,而且显著提高了体系光生电子和空穴的产生、分离性能,有助于提高光子利用效率.其中三元样品的最高光电流可以达到2.94′10–7 A·cm~(–2),是纯g-C_3N_4的3.1倍.对系列光催化剂的分解水制氢性能测试发现(采用300 W氙灯作为光源,三乙醇胺作为牺牲剂), 10wt%-NiS/1.0wt%-Ag/CN样品具有最优异的光催化分解水制氢性能,产氢速率可达9.728 mmol·g–1·h–1,是纯g-C_3N_4的10.82倍,二元10wt%-NiS/CN的3.45倍, 1.0wt%-Ag/CN的2.77倍.三元样品反应前后的XRD特征峰位置没有发生变化,循环四次后样品仍具有83%的催化活性,证明其具有良好的制氢稳定性.10 wt%-NiS/1.0 wt%-Ag/CN样品在可见光下(λ 420 nm)的制氢量子效率为1.21%.三元体系光催化产氢性能增强的原因在于:(1)Ag纳米颗粒的局域表面等离子体效应使得三元体系的光捕获能力得到提高;(2)Ag NPs和NiS负载在g-C_3N_4上共同促进了光生电子空穴的产生和分离;(3)Ag NPs和Ni S作为优良的析氢助催化剂沉积在g-C_3N_4表面上可以有效地提高产氢动力学.本文构建的NiS/Ag/g-C_3N_4复合体系为g-C_3N_4基复合光催化剂的设计及制备提供了新的思路.     

分级孔结构g-C3N4光催化剂的制备及性能

以单分散SiO2为模板,通过简单的一步煅烧法制备具有分级孔结构的g-C3N4。与体相g-C3N4相比,分级孔结构的g-C3N4不仅可见光吸收性能和比表面积得到提高,而且更有利于光生电子-空穴的分离。此外,具有分级孔结构的g-C3N4具有明显增强的可见光驱动的光催化产氢活性,当SiO2和二氰二胺质量比为1∶1时,制备所得g-C3N4(C3N4-2)产氢速率几乎是体相g-C3N4的18倍。     

Ni5P4/g-C3N4复合光催化剂的制备及光催化性能

使用尿素、 红磷和氯化镍为原料, 通过一种简单的焙烧方法合成了Ni₅P₄/g-C₃N₄光催化剂. 该催化剂形成的异质结可以降低界面电阻, 有效抑制光生电子-空穴对复合率. 以罗丹明B模拟污染物进行降解测试, 发现3NPC的反应速率常数最高, 几乎是g-C₃N₄的7倍, 并具有最高的光催化产氢能力, 制氢速率高达1013.88 μmol·g^-1·h^-1, 明显高于g-C₃N₄(664.38 μmol·g^-1·h^-1).     

NiS2助剂修饰g-C3N4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究

g-C3N4是一种新型的稳定的半导体光催化材料,它可以通过热缩聚法、固相反应法、电化学沉积法和溶剂热法等制备.g-C3N4禁带宽度约为2.7 eV,吸收边在460 nm左右,具有合适的导带位置,可用作可见光响应制氢的光催化材料,但在实际应用中g-C3N4光催化性能较低,其原因可归纳为:(1)g-C3N4在吸收光子产生电子和空穴对后,光生载流子的传输速率较慢,容易在体相或表面复合,致使g-C3N4的量子效率较低;(2)材料在合成过程中易于结块,使g-C3N4的比表面积远小于理论值,严重削弱了g-C3N4光催化材料的制氢性能.目前已有很多关于g-C3N4改性的报道,但一些方法对材料的处理过程耗时较长或者合成过程较难控制.用助剂改性是提高光催化制氢活性的半导体材料的主要策略之一.合适的助剂可改进电荷分离和加速表面催化反应,从而提高光催化剂的制氢活性.虽然稀有金属或贵金属,如铂、金和银可大大提高g-C3N4的制氢速率,但由于其昂贵和稀缺性,因而应用严重受限.因此,开发成本低、储量丰富、高性能助剂来进一步提高制氢性能具有重要意义.NiS2来源丰富、价格低廉.它可在酸性和碱性的环境保持相对较高的稳定性,且其表面电子结构表现出类金属特性.但它较难与半导体光催化剂形成强耦合和界面,通常需要水热等条件下合成.实验表明,g-C3N4表面存在着大量的含氧官能团及未缩合的氨基基团,为表面接枝提供了丰富的反应活性位点,因而可利用g-C3N4表面均匀分布的含氧官能团等和Ni2+结合,再原位与S2?反应,从而在g-C3N4上负载耦合紧密的NiS2助剂,进一步提高复合材料的光催化制氢活性.本文采用低温浸渍法制备了NiS2/g-C3N4光催化剂.NiS2助剂在温和的反应条件下与g-C3N4光催化剂复合,可以防止催化剂结构的破坏,同时使得助剂均匀地分散,并紧密结合在催化剂表面,从而大大提高光催化剂的制氢性能.该样品制备过程为:(1)通过水热处理制备含氧官能团和较大比表面积的g-C3N4;(2)添加Ni(NO3)2前驱体后,Ni2+离子由于静电作用紧密吸附在g-C3N4表面;(3)在80oC加入硫代乙酰胺(TAA),可在g-C3N4的表面紧密和均匀形成助剂NiS2.表征结果证实成功制备NiS2纳米粒子修饰的g-C3N4光催化剂.当Ni含量为3 wt%,样品表现出最大的制氢速率(116μmol h?1 g?1),明显高于纯g-C3N4.此外,对NiS2/g-C3N4(3 wt%)的样品进行光催化性能的循环测试结果表明:该样品在可见光照射下可以保持一个稳定的、有效的光催化制氢性能.根据实验结果,我们提出一个可能的光催化机理:即NiS2促进了物质表面快速转移光生电子,使g-C3N4光生电荷有效分离.基于NiS2具有成本低和效率高的优点,因而有望广泛应用于制备高性能的光催化材料.     

g-C3N4/Ag/TiO2复合材料的构筑及其光催化性能（英文）

以合成的g-C3N4纳米片和Ag/TiO2空心微球为原料,采用机械搅拌的方法构筑了g-C3N4/Ag/TiO2三元复合光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光漫反射(UV-Vis DRS)和光致发光光谱(PL)对g-C3N4/Ag/TiO2进行了表征。研究表明,g-C3N4/Ag/TiO2是由Ag/TiO2微球和g-C3N4纳米片复合而成的。与TiO2相比,其可见光响应范围延长,光生载流子的分离速率加快。在室温下,用降解罗丹明B的反应考察了g-C3N4/Ag/TiO2的可见光催化活性。研究表明,光照180 min时,g-C3N4(0.5%)/Ag/TiO2显示了最高的光催化活性(91.9%),分别是TiO2和Ag/TiO2的7.5和1.8倍。光催化活性的提高与合理的异质结构建和Ag的导电性能有关。     

g-C3N4/Bi2O2CO32D纳米片复合材料的制备及可见光催化性能研究

采用自组装和化学沉淀法分别制得两种可见光驱动复合材料石墨相氮化碳/碳酸氧铋(g-C_3N_4/Bi_2O_2CO_3).采用X射线衍射光谱(XRD),紫外可见光谱、扫描电镜(SEM)、N_2吸附、电化学阻抗谱(EIS)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对制备的催化剂进行了表征.结果表明,制备方法对纳米复合材料的晶相、形态及光学性能没有影响,但是影响g-C_3N_4和Bi_2O_2CO_3之间的相互作用力,导致光生电子-空穴对的分离速率存在显著差异.以可见光驱动苯酚和罗丹明B的降解实验为探针反应检测催化剂的光催化性能.实验结果表明自组装法得到的异质结催化剂中相互作用力更强,催化效果最高.O_2-是罗丹明B降解反应的主要活性物种,染料的光敏化、Bi_2O_2CO_3与g-C_3N_4综合效应,导致光生载流子电荷分离效率更高.     

热聚合硫氰酸铵制备多孔 g-C3N4纳米片及其可见光催化分解水制氢性能

二维层状半导体材料与其体相堆积结构相比表现出独特的性质,有望在纳米材料科学领域取得新的突破.基于对太阳能利用的研究,二维半导体光催化材料引起了研究者的广泛关注.诸多半导体材料已被设计合成二维纳米片结构应用于光催化领域,如 MoS2, WS2, SnS2和TiO2等.石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种典型的非金属二维聚合物半导体.二维层状结构的组成使得 g-C3N4纳米片能够表现出优异的光电性质.然而,其合成目前仍然存在很大困难.目前已报道的单层或多层 g-C3N4的制备主要有超声辅助溶剂剥离法、热处理法、插层法和电化学合成法等.但这些方法存在合成复杂和引入结构缺陷等不足.另外,在体相组成中插入孔结构也能够提高 g-C3N4的光催化活性.目前常用的方法主要是模板法.然而,在这些生孔过程中往往引起聚合度降低,增加长程无序度,不利于光生载流子的传输.因此,如果将多孔结构引入 g-C3N4纳米片,同时提高其聚合度结构,将在很大程度上提高其光催化性能.本文利用直接氨气热聚合的方法,将硫氰酸铵进行高温热处理,一步法合成出较高聚合度的多孔 g-C3N4纳米片,在可见光照射下表现出较高的产氢活性和稳定性.采用 X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、荧光光谱(PL)和电子顺磁共振(EPR)等方法对多孔 g-C3N4纳米片结构进行了详细表征.在助催化剂 Pt存在下,采用可见光照射(>420 nm)分解水产氢的方法评价了其光催化性能.结果表明,热处理温度对产物结构及性能具有较大影响. XRD结果表明,在450oC热处理,硫氰酸铵未完全聚合,与前期氮气热处理的结论不同.当热聚合温度上升至500oC,石墨相结构形成.至600oC时,石墨相的层间距缩小,且聚合度没有明显下降.这表明氨气气氛抑制了原料分解,提高了分解聚合温度,同时增加了产物的聚合度. FTIR结果表明,热聚合温度对产物 C–N共轭结构改变不大,但在810 cm–1处的峰位向长波数移动,表明七嗪环单元含量增加,再次证明高的热聚合温度没有造成明显的结构分解,反而促进了聚合结构的形成.扫描电镜与氮气吸脱附分析表明,随着聚合温度升高,产物粒子尺寸变小,形貌呈现层状分布,并伴随多孔状的产生,因此比表面积和孔体积显著增大,吸收带边发生蓝移. PL和 EPR结果表明,聚合温度从500增至600oC,样品光生载流子的复合速率下降,导带离域电子密度增加,从而有利于光催化性能的提高.光解水产氢性能测试表明,聚合温度升高有利于催化剂产氢速率提高;600oC所得样品的产氢速率达340μmol/h.进一步分析表明,产氢速率与比表面积基本成正相关关系,说明层状多孔结构的形成是影响产氢性能的重要因素.经过多轮循环测试,其产氢性能保持稳定而没有显著下降,表明其活性稳定性良好.     

溶剂辅助合成介孔g-C3N4及其增强的可见光催化去除NO性能研究

类石墨相氮化碳(g-C3N4)具有特殊的层状二维结构、独特的电子结构、合适的能带结构、良好的热稳定性和化学稳定性等理化性能,因而在可见光催化净化环境污染物领域广受关注.但原始块状g-C3N4的可见光催化活性较弱,还不能满足实际应用需求.因此,亟需开发一种高效的改性方法来提高g-C3N4的光催化性能.本课题组发展了一种有效的改进g-C3N4方法,以硫脲为前驱体,去离子水(制备样品标记为CN-W)或无水乙醇(制备样品标记为CN-E)为溶剂,通过一步高温缩聚制得具有高可见光催化性能的介孔g-C3N4.然而,对于不同溶剂效应原位改性g-C3N4及其增强可见光催化性能的机理还不清楚.因此,本文采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱(PL)、N2吸附和元素分析等手段研究了去离子水和无水乙醇作为溶剂原位改性g-C3N4的理化性能差异及增强可见光催化性能的原因.XRD结果表明,去离子水和无水乙醇不会改变g-C3N4的晶体结构,但会抑制其晶体结构的生长.由TEM图像可见,因去离子水和无水乙醇在热聚合过程中产生的气泡可以作为软模板,导致CN-W和CN-E纳米片均为酥松多孔层状结构,其中CN-W更薄更小.元素分析测试结果表明,无水乙醇和硫脲在热聚合过程中导致碳自掺杂g-C3N4.UV-Vis DRS结果显示,CN-W和CN-E分别发生了相对的蓝移和红移现象.荧光寿命测试结果显示,CN的短荧光寿命和长荧光寿命(0.805 ns,3.269 ns)明显高于CN-W(0.756 ns,3.125 ns)和CN-E(0.743 ns,2.749 ns),表明CN-W和CN-E纳米薄片可以促进光生电子的储存和往复运动,有利于光生电子的迁移.此外,通过理论计算得CN-E的电子迁移速率(1.04×108 s?1)明显快于CN-W(0.81×108 s?1),表明CN-E和CN-W都有利于光生电子的迁移猝灭.另外,BET-BJH测试结果显示,CN-W(32.73 m2/g,0.22 cm3/g)和CN-E(25.59 m2/g,0.18 cm3/g)的比表面积和孔容均显著高于未改性的g-C3N4(13.81 m2/g,0.12 cm3/g),表明溶剂和前驱体在热聚合过程中产生的H2O,C2H5OH,H2S,CO2和NH3气体有利于层状结构和丰富孔结构的形成,因而CN-W和CN-E的比表面积和孔容显著增加.由此可见,无水乙醇和去离子水在辅助制备介孔g-C3N4过程中表现出不同的作用.可见光催化去除NO的测试结果表明,CN-E(48.3%)和CN-W(37.2%)的光催化活性明显高于g-C3N4(19.5%),CN-E和CN-W的可见光催化活性也明显优于我们以前报道的BiOBr、C掺杂TiO2和BiOBr/C3N4异质结.结合表征结果,CN-E和CN-W可见光催化性能增强的原因主要有两个:(1)CN-E和CN-W增大的的比表面积和孔容有利于NO的吸附、反应中间产物的转移和提供更多的活性位点参与光催化氧化反应;(2)更薄的纳米片结构和C掺杂g-C3N4有利于促进光生电子的迁移,从而显著提高其光催化活性.     

碳纳米管改性g-C3N4提升可见光催化降解性能

以尿素为原料,引入少量的多壁碳纳米管(CNT)改性,采用简便方法制备CNT/g-C_3N_4催化剂。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR Spectrophotometer)、荧光光谱(PL)等手段对CNT/g-C_3N_4催化剂进行表征。结果表明,g-C_3N_4与CNT之间的协同作用,影响了gC_3N_4的能带结构,增强了其对可见光的吸收,改善了光生载流子的分布,提高了电子-空穴对的分离效率。并以罗丹明B(RhB)水溶液模拟废水,在可见光下考察催化剂的光催化降解性能,发现当CNT掺杂量为0.1%(w/w)时效果最佳,降解速率常数是体相g-C_3N_4的3.1倍,且研究发现超氧自由基是该体系下的主要活性物种。     

石墨相氮化碳/蒙脱石复合材料的制备及其可见光催化性能

为提高石墨相氮化碳(g-C₃N₄)对可见光的利用率及光催化效率,采用热聚合与直接负载等方法,将g-C₃N₄负载于蒙脱石表面,制备了g-C₃N₄/蒙脱石复合光催化材料,其结构经SEM, FT-IR及XRD表征。以罗丹明B(RhB)为目标污染物,研究了不同负载量g-C₃N₄/蒙脱石复合光催化剂的可见光催化性能。并分别以对苯醌、碘化钾和异丙醇为自由基捕获剂,研究了复合材料的光催化机理。结果表明：当g-C₃N₄的质量分数为83%(CN/M-83%)时,RhB经可见光照射1 h后,降解率达到99.2%。光催化速率常数为纯g-C₃N₄光催化速率常数的3.2倍。     

Z型光催化剂Sb2WO6/g-C3N4的制备及光催化性能

通过水热反应合成了Sb₂WO₆改性的g-C₃N₄复合材料(Sb₂WO₆ /g-C₃N₄). 通过X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 紫外-可见漫散射反射光谱(UV-Vis DRS)和光致发光光谱(PL)等表征了样品的性质. 结果表明, Sb₂WO₆在g-C₃N₄的表面上生长, 并且复合材料光吸收能力有一定的增强, 光生电子-空穴的重组率降低. 通过罗丹明B(RhB)的光降解评价了Sb₂WO₆/g-C₃N₄复合材料的光催化性能. 结果表明, 模拟日光下Sb₂WO₆质量分数为10%的Sb₂WO₆/g-C₃N₄复合材料在60 min内对RhB的降解率为99.3%, 高于纯g-C₃N₄和Sb₂WO₆. Sb₂WO₆/g-C₃N₄复合材料的这种高度增强的光催化活性主要归因于强的界面相互作用促进了光生电子-空穴分离和迁移. 添加自由基清除剂的实验结果表明, ·O^2-和h⁺是光催化反应中的主要活性物质. Sb₂WO₆/g-C₃N₄复合材料在几个反应周期内表现出优异的稳定性. 根据实验结果提出了一种可能的Z型光催化机理.     

Pt-M (M = Co,Ni, Fe)/g-C3N4复合材料构建及其高效光解水制氢性能

Platinum (Pt) is recognized as an excellent cocatalyst which not only suppresses the charge carrier recombination of the photocatalyst but also reduces the overpotential for photocatalytic H₂ generation. Albeit of its good performance, the high cost and low abundance restricted the utilization of Pt in large-scale photocatalytic H₂ generation. Pt based transition metal alloys are demonstrated to reveal enhanced activities towards various catalytic reactions, suggesting the possibility to substitute Pt as the cocatalyst. In the present work, Pt was partially substituted with Co, Ni, and Fe and Pt-M (M = Co, Ni, and Fe)/g-C₃N₄ composites were constructed through co-reduction of H₂PtCl₆ and transition metal salts by the reductant of ethylene glycol. The crystal structure and valence states were measured by X-ray diffractometer (XRD) and X-ray photoelectron spectrometer (XPS), respectively. The higher degree of XRD peaks and larger binding energies for Pt 4f_5/2 and Pt 4f_7/2 after incorporating Co²⁺ ions indicated that Co was successfully introduced into the lattice of Pt and Pt-Co bimetallic alloys was attained through the solvothermal treatment. The morphology was subsequently observed by transmission electron microscope (TEM), which showed a good dispersion of Pt-Co nanoparticles on the surface of g-C₃N₄. Meanwhile, the shrinkage of lattice fringe after introducing cobalt salt further confirmed the presence of Pt-Co bimetallic alloys. The UV-Vis absorption spectra of g-C₃N₄ and Pt, Pt-Co deposited g-C₃N₄ were subsequently performed. It was found that the absorption edges were all consistent for all three samples as anticipated, implying that the band gap energy was maintained after hybridizing with Pt or Pt-Co alloys. Furthermore, the photocatalytic H₂ generation was carried out over the as-prepared composites with triethanolamine (TEOA) as sacrificial reagent. Under visible-light illumination, the1% (w) Pt_2.5M/g-C₃N₄ (M = Co, Fe, Ni) composites all exhibited higher or comparable activity towards photocatalytic H₂ generation when compared to 1% (w) Pt loaded counterpart. In addition, the atomic ratios of Pt/Co and the loading amount of Pt-Co cocatalyst were modified to optimize the photocatalytic performance, among which, 1% (w) Pt_2.5Co/g-C₃N₄ composite revealed the highest activity with a 1.6-time enhancement. Electrochemical impedance spectra (EIS) and photoluminescence (PL) spectra indicated that the enhancement might be attributed to improved charge transfer from g-C₃N₄ to Pt_2.5Co cocatalyst and inhibited charge carrier recombination in the presence of Pt_2.5Co cocatalyst. Therefore, the present study demonstrates the great potential to partially replace Pt with low-cost and abundant transition metals and to fabricate Pt based bimetallic alloys as promising cocatalysts for highly efficient photocatalytic H₂ generation.     

微波辅助快速制备2D/1D ZnIn2S4/TiO2 S型异质结及其光催化制氢性能

The threat and global concern of energy crises have significantly increased over the last two decades. Because solar light and water are abundant on earth, photocatalytic hydrogen evolution through water splitting has been considered as a promising route to produce green energy. Therefore, semiconductor photocatalysts play a key role in transforming sunlight and water to hydrogen energy. To date, various photocatalysts have been studied. Among them, TiO₂ has been extensively investigated because of its non-toxicity, high chemical stability, controllable morphology, and high photocatalytic activity. In particular, 1D TiO₂ nanofibers (NFs) have attracted increasing attention as effective photocatalysts because of their unique 1D electron transfer pathway, high adsorption capacity, and high photoinduced electron–hole pair transfer capability. However, TiO₂ NFs are considered as an inefficient photocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER) because of their disadvantages such as a large band gap (~3.2 eV) and fast recombination of photoinduced electron–hole pairs. Therefore, the development of a high-performance TiO₂ NF photocatalyst is required for efficient solar light conversion. In recent years, several strategies have been explored to improve the photocatalytic activity of TiO₂ NFs, including coupling with narrow-bandgap semiconductors (such as ZnIn₂S₄). Recently, microwave (MW)-assisted synthesis has been considered as an important strategy for the preparation of photocatalyst semiconductors because of its low cost, environment-friendliness, simplicity, and high reaction rate. Herein, to overcome the above-mentioned limiting properties of TiO₂ NFs, we report a 2D/1D ZnIn₂S₄/TiO₂ S-scheme heterojunction synthesized through a microwave (MW)-assisted process. Herein, the 2D/1D ZnIn₂S₄/TiO₂ S-scheme heterojunction was constructed rapidly by using in situ 2D ZnIn₂S₄nanosheets decorated on 1D TiO₂ NFs. The loading of ZnIn₂S₄ nanoplates on the TiO₂ NFs could be easily controlled by adjusting the molar ratios of ZnIn₂S₄ precursors to TiO₂ NFs. The photocatalytic activity of the as-prepared samples for water splitting under simulated solar light irradiation was assessed. The experimental results showed that the photocatalytic performance of the ZnIn₂S₄/TiO₂ composites was significantly improved, and the obtained ZnIn₂S₄/TiO₂ composites showed increased optical absorption. Under optimal conditions, the highest HER rate of the ZT-0.5 (molar ratio of ZnIn₂S₄/TiO₂= 0.5) sample was 8774 μmol·g^-1·h^-1, which is considerably higher than those of pure TiO₂ NFs (3312 μmol·g^-1·h^-1) and ZnIn₂S₄nanoplates (3114 μmol·g^-1·h^-1) by factors of 2.7 and 2.8, respectively. Based on the experimental data and Mott-Schottky analysis, a possible mechanism for the formation of the S-scheme heterojunction between ZnIn₂S₄ and TiO₂ was proposed to interpret the enhanced HER activity of the ZnIn₂S₄/TiO₂heterojunctionphotocatalysts.      

界面聚合法制备PANI/g-C3N4复合催化剂及其热稳定性和可见光催化性能

利用界面聚合法, 成功将聚苯胺(PANI)纳米棒生长在石墨型氮化碳(g-C₃N₄)片层上, 制备了PANI/g-C₃N₄复合光催化剂. 采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见(UV-Vis)光谱、热重分析(TGA)和电化学工作站表征手段考察样品的结构、形貌及性能, 以可见光催化降解亚甲基蓝为模型考察样品的可见光催化活性. 实验结果表明, 在复合材料中的g-C₃N₄能很好地分散成层状, 并在层间与PANI纳米棒形成复合物, 这种特殊的复合结构不仅利于片状g-C₃N₄对PANI链段运动的限制及对其降解产物的物理屏蔽, 从而可以提高复合材料的热稳定性, 而且具有优越的可见光催化性能.     

Ni2P-NiS双助剂促进g-C3N4光催化产氢动力学

本文通过简单的一步水热法得到Ni₂P-NiS双助催化剂,之后采用溶剂蒸发法将Ni₂P-NiS与g-C₃N₄纳米片结合构建获得无贵金属的Ni₂P-NiS/g-C₃N₄异质结。研究结果表明,优化后的复合材料具有良好的光催化产氢活性,其产氢速率最高可到6892.7 μmol·g^-1·h^-1,分别为g-C₃N₄ (150 μmol·g^-1·h^-1)、15%NiS/g-C₃N₄ (914.5 μmol·g^-1·h^-1)和15%Ni₂P/g-C₃N₄ (1565.9 μmol·g^-1·h^-1)的46.1、7.5和4.4倍。这主要归因于Ni₂P-NiS相比Ni₂P和NiS单体具有更好的载流子转移能力,其与g-C₃N₄形成的肖特基势垒能有效促进光生载流子在二者界面上的分离,同时Ni₂P-NiS能进一步降低析氢过电势,进而显著增强了表面析氢反应动力学。本研究为开发稳定、高效的非贵金属产氢助剂提供了实验基础。     

Heterostructured Nitrogen and Sulfur co-Doped Black TiO2/g-C3N4 Photocatalyst with Enhanced Photocatalytic Activity

Conventional titanium dioxide(TiO₂) photocatalyst could absorb only ultraviolet light due to its wide bandgap. In this paper, black TiO₂ with narrow bandgap was prepared by introducing oxygen vacancies. Meanwhile, nitrogen(N) and sulfur(S) elements were doped to further broaden the visible light response range of TiO₂(NS-BT), and then heterostructured N,S-doped black TiO₂/g-C₃N₄(CN/NS-BT) was successfully constructed by easily accessible route. The formation of CN/NS-BT heterojunction structure increased the generation and separation efficiency of photogenerated electron-hole pairs, as well as accelerated the transfer rate of the carriers. The as-prepared CN/NS-BT exhibited excellent photocatalytic performance towards the degradation of Rhodamine B(RhB) under visible light irradiation with satisfactory stability. The apparent reaction rate constant of CN/NS-BT(0.0079) was 15.8-fold higher than that of commercial P25(0.0005). The structure, morphology, chemical composition and optical properties of the as-prepared CN/NS-BT were characterized by various analytical methods, and possible photocatalytic enhancement mechanism was proposed. Overall, CN/NS-BT composites look promising as photocatalytic material for future environmental treatment.     

In-situ Construction of Sulfur-doped g-C3N4/defective g-C3N4 Iso-type Step-scheme Heterojunction for Boosting Photocatalytic H2 Evolution

The rational construction of a high-efficiency stepscheme heterojunctions is an effective strategy to accelerate the photocatalytic H₂.Unfortunately,the variant energy-level matching between two different semiconductor confers limited the photocatalytic performance.Herein,a newfangled graphitic-carbon nitride(g-C₃N₄)based isotype step-scheme heterojunction,which consists of sulfur-doped and defective active sites in one microstructural unit,is successfully developed by in-situ polymerizing N,N-dimethylformamide(DMF)and urea,accompanied by sulfur(S)powder.Therein,the polymerization between the amino groups of DMF and the amide group of urea endows the formation of rich defects.The propulsive integration of S-dopants contributes to the excellent fluffiness and dispersibility of lamellar g-C₃N₄.Moreover,the developed heterojunction exhibits a significantly enlarged surface area,thus leading to the more exposed catalytically active sites.Most importantly,the simultaneous introduction of S-doping and defects in the units of g-C₃N₄ also results in a significant improvement in the separation,transfer and recombination efficiency of photo-excited electron-hole pairs.Therefore,the resulting isotype step-scheme heterojunction possesses a superior photocatalytic H₂ evolution activity in comparison with pristine g-C₃N₄.The newly afforded metal-free isotype step-scheme heterojunction in this work will supply a new insight into coupling strategies of heteroatoms doping and defect engineering for various photocatalytic systems.     

A Metal-Organic-Framework-Derived g-C3N4/α-Fe2O3 Hybrid for Enhanced Visible-Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Evolution

As one of the most efficient systems for photocatalytic hydrogen evolution, the Z-Scheme system, consisting of different semiconductors with a reversible donor–acceptor pair, has attracted great attention. Considering the non-toxicity and low cost of photocatalysts, a series of g-C₃N₄/α-Fe₂O₃ hybrids were rationally constructed based on the Z-Scheme mechanism for the first time, using a metal-organic framework template approach that can fine tune the compositions and properties of the hybrids. An optimized hybrid, g-C₃N₄/α-Fe₂O₃-2, exhibited prominent photocatalytic water splitting performance with a visible light response. Under irradiation of visible light (λ>420 nm), the hybrid shows a high durability and superior hydrogen production rate of 2066.2 μmol g⁻¹ h⁻¹ from water splitting, which is approximately three times greater than that of bulk g-C₃N₄ because of the effective separation of photo-excited charge carriers by two narrow band gap semiconductors, tightly coupled with the Z-Scheme structural feature.     

1D/2D TiO2/ZnIn2S4S型异质结光催化剂及其高效制氢性能

通过半导体催化剂利用太阳能分解水制氢被认为是解决人类面临的环境问题和能源危机的有效途径.在众多的半导体光催化剂中,TiO₂由于其良好的光化学稳定性、无毒性、丰富的形貌以及低廉的价格,在光催化制氢领域备受关注.然而TiO₂的内在缺陷,如较宽的带隙、较窄的光响应范围,光生电子空穴对的快速复合,极大限制了其太阳能制氢效率.构建异质结结构被认为是解决以上问题的一个有效方法,通过将TiO₂与另一个半导体复合可以提升催化剂对太阳光的吸收范围,也可降低光生电子空穴对的复合速率.但构建一个成功的异质结结构不仅要满足上述的要求,还需要保留异质结催化剂体系中光生电子和空穴的氧化还原能力.研究表明,S型异质结是将两个具有合适能带结构的半导体进行耦合,由于费米能级的差异,两个半导体间将发生电子转移,从而引起能带弯曲并形成内建电场.光照条件下,具有较弱还原能力的光生电子在内建电场和能带弯曲的作用下与较弱氧化能力的光生空穴复合,实现异质结催化剂体系中各个半导体内部光生载流子有效分离的目标,同时保留了异质结催化剂体系中较强氧化能力和较强还原能力的光生电子和空穴,进而实现光催化活性的提高.本文采用水热合成方法,将具有更强还原能力和可见光响应特性的半导体(ZnIn₂S₄)原位生长在TiO₂纳米纤维表面,构建了1D/2DTiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂.最优比例的TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料表现出优越的光催化制氢活性(6.03mmol/h/g),分别是纯TiO₂和纯ZnIn₂S₄制氢活性的3.7倍和2倍.TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料光催化活性的提高可以归因于紧密的异质结界面、光生载流子的有效分离、丰富的反应活性位点以及增强的光吸收能力.通过原位XPS和DFT计算研究了异质结内部光生电子的转移机制.结果表明,在光照条件下电子由TiO₂向ZnIn₂S₄迁移,遵循了S型异质结内部电子的转移机制,实现了TiO₂和ZnIn₂S₄内部光生载流子的有效分离,同时保留了具有较强还原能力的ZnIn₂S₄价带电子和较强氧化能力的TiO₂导带空穴,从而显著提升光催化制氢效率.综上,本文制备的TiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂很好地克服了TiO₂在光催化制氢领域所面临的诸多障碍,为设计和制备高效异质结光催化剂提供了新的思路.     

化学镀法制备CoP量子点修饰g-C3N4用于光催化产氢（英文）

光催化分解水制氢被认为是解决当前能源危机和环境污染问题的重要途径之一.在众多光催化剂中,石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有高的热稳定性、高的化学稳定性、合适的能带位置以及成本低廉等优点,受到光催化领域研究者的广泛关注,成为研究热点.然而,由于g-C3N4的禁带宽度较大(Eg=2.7 eV),导致其对可见光的响应较差,而且光生电子-空穴对在其中易于复合,从而导致其光催化产氢活性较低.已有研究表明,助催化剂可以有效地促进催化剂中光生载流子的分离和传输,从而提高光催化剂的光催化活性和氢气的产生速率.目前使用最广泛的助催化剂多为贵金属(Au,Ag,Pt和Pd等),然而贵金属储量低、成本高,极大地限制了其实际应用.因而,开发适用于光催化水分解制氢的非贵金属助催化剂成为该领域的研究热点.其中,用非贵金属助催化剂修饰g-C3N4制备高效光催化剂分解水制氢技术引起了人们极大的兴趣.过渡金属磷化物(FeP,CoP,CuP,NiP等)是一种有效的光催化辅助催化剂.然而,这些金属磷化物的合成通常使用有毒的有机磷化合物和白磷或涉高温煅烧.特别是在传统水热法制备金属磷化物过程中会释放大量氢气,导致容器内压力过高,造成较大的安全问题.据报道,在这些磷化物中,磷化钴由于其合适的能带结构和较高的导电性,作为光催化分解水助催化剂受到了广泛关注.然而,截至目前,关于磷化钴作为助催化剂用于光催化的实用技术报道很少,特别是在温和条件下制备磷化钴修饰的g-C3N4复合光催化剂的研究还有待进行.本文研究了以CoP作为助催化剂来改进g-C3N4(制备g-C3N4/CoP),并用于光催化水裂解制氢气.复合光催化剂g-C3N4/CoP经由两步反应合成.第一步采用尿素热分解法制备g-C3N4,第二步通过化学镀法将CoP修饰在g-C3N4表面.采用XRD,TEM,UV-DRS和XPS等手段表征了g-C3N4/CoP光催剂的性质.结果表明,CoP以量子点(QDs)形式均匀分布在g-C3N4表面,显著提高了g-C3N4的光催化活性.不同CoP负载量的样品中,g-C3N4/CoP-4%表现出优异的光催化活性,H2生成速率为936μmol g^-1 h^-1,甚至高于4%Pt负载的g-C3N4(H2的生成速率仅为665μmol g^-1 h^-1).从紫外可见光谱上看,g-C3N4在451 nm达到吸收波长上限,但与CoP复合后,g-C3N4/CoP-4%的吸收波长上限延展到497 nm.此外,光致发光和光电流测试结果证实,将CoP量子点负载到g-C3N4上不仅可以降低光生电荷-空穴对的复合,而且可以改善光生e--h+对的转移,从而提高光催化剂的产氢性能.这项工作为开发高效的非贵金属助催化剂修饰g-C3N4的技术提供了一个可行策略,所制材料在光催化制氢领域显示出潜在的应用前景.