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如何構筑S型Co3O4/g-C3N4異質結以增強光催化產氫性能
閱讀：1084 發(fā)布時間：2023-10-121.文章信息
標題： Construction of S-scheme Co3O4/g-C3N4 heterojunctions with boosted photocatalytic H2 production performance
中文標題： 構筑S型Co3O4/g-C3N4異質結以增強光催化產氫性能
頁碼： 102838
DOI： 10.1016/j.surfin.2023.102838
2. 期刊信息
期刊名： Surfaces and Interfaces
ISSN： 2468-0230
2022年影響因子： 6.14
分區(qū)信息： JCR分區(qū)（Q1）,中科院2區(qū)
涉及研究方向： 材料科學
3. 作者信息：第一作者是 四川輕化工大學，許正東 。通訊作者為 四川輕化工大學鐘俊波教授和李敏嬌教授。
4.光反應儀型號：CEL-PEAM-D6;氣相色譜型號：GC7920
文章簡介：
人們普遍認為采用環(huán)境兼容和可再生能源轉換的方案是長期可持續(xù)發(fā)展的很好選擇。在緩解能源危機的眾多能源中，氫能因其存儲、運輸方便、能量密度高等諸多優(yōu)勢而被人們普遍接受。目前，大多數制氫技術仍依賴于化石能源消耗。因此，如何加速制氫方案轉型的挑戰(zhàn)具有非凡的意義。利用太陽能光催化裂解水產生氫氣是理想的方法之一，因為太陽能是取之不盡、無污染的。光催化法制備氫氣的純度高，可直接利用。此外，光催化技術也被廣泛應用于環(huán)境污染物的清除，如降解微生物難以解毒的有機染料、有機氟化物和抗生素，以及重金屬的解毒。然而，光催化技術的核心是光催化劑，因此設計一種高效穩(wěn)定的光催化劑來減少生態(tài)破壞是必要的。
為了實現(xiàn)這一目標，研究人員探索了大量的光催化劑，并對其在實際應用中的可行性進行了研究和驗證。在所有的光催化劑中，g-C3N4因其特色的石墨狀二維層狀結構而引起了研究人員的最大興趣。根據最近的報道，g-C3N4中的C和N原子是通過共價鍵結合的，類似于苯環(huán)的六邊形蜂窩結構。環(huán)與N原子相連，通過氫鍵層層疊加形成塊狀結構，使g-C3N4具有穩(wěn)定的物理化學性質。同時，g-C3N4成本低、制備工藝簡單、無毒、帶隙合適等諸多優(yōu)點，使g-C3N4成為太陽能光催化技術發(fā)展中很有前途的材料。而g-C3N4作為單一光催化劑，由于比表面積小，光誘導載體分離轉移緩慢，光催化活性較低。
因此，為了滿足實際應用，探索和嘗試了多種方法來進一步改善g-C3N4的光催化性能，其中主要方法包括原子摻雜、貴金屬沉積、形態(tài)調控和缺陷構造。其中，引入缺陷被證明是提高純g-C3N4活性的一種可靠方法。缺陷g-C3N4的研究是近年來光催化領域的一個熱點。缺陷可以在光催化劑本體或表面引入。其中，表面空位作為缺陷之一可以捕獲電子，促進光生電子在界面上的轉移。
同時，這些表面原子逸出后的位點也可以作為反應位點，大大增強了對目標物的吸收，拓寬了光響應范圍。例如，張教授的研究團隊制備了表面具有豐富碳缺陷的超薄氮化碳，該材料可以實現(xiàn)強吸附和激活二氮分子。碳缺陷加速了體與表面的光生電荷分離，從而在可見光照射下表現(xiàn)出更高的光催化固氮活性。此外，空位還會影響目標污染物的吸附性能，從而影響目標污染物的配位結構和電子態(tài)。更重要的是，空位的位置、結構和濃度是影響光催化性能的重要因素。
在g-C3N4中引入空位的方法有很多，如在還原氣氛中焙燒、形態(tài)控制和構建異質結。但這些方法都存在經濟成本高、流程復雜等固有缺點。因此，制定一個簡單的辦法來建造空缺是一項重要的挑戰(zhàn)。
在本工作中，通過不同濃度的NaBH4溶液對g-C3N4進行表面處理，引入碳空位，提高可見光驅動的光催化還原性能。采用多種表征方法對處理后的光催化劑的晶體性質、微觀形貌和表面狀態(tài)進行了研究和分析。通過光譜測量和理論計算，探討了碳空位對g-C3N4光學性質的影響。用可見光驅動誘導水裂解法對樣品的光催化效率進行了評價，并進行了產氫和Cr(VI)還原實驗。以3NBCN為代表制備的光催化劑，通過4次光催化產氫循環(huán)實驗，探討了NaBH4處理后g-C3N4的穩(wěn)定性。結果表明，碳空位能顯著促進光生載流子的分離和遷移，擴大整體光吸收和利用，從而提高光催化性能。最后，基于所有測試結果，探討了光催化性能增強的機理。這項工作開發(fā)了一個實用的策略，以提高g-C3N4的光催化性能。
