如何構筑S型Co3O4/g-C3N4異質結以增強光催化產氫性能

1.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    

分區信息：     JCR分區（Q1）,中科院2區        

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境兼容和可再生能源轉換的方案是長期可持續發展的很好選擇。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定的光催化劑來減少生態破壞是必要的。

為了實現這一目標，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，類似于苯環的六邊形蜂窩結構。環與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、帶隙合適等諸多優點，使g-C3N4成為太陽能光催化技術發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。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。

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次光催化產氫循環實驗，探討了NaBH4處理后g-C3N4的穩定性。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。這項工作開發了一個實用的策略，以提高g-C3N4的光催化性能。