一鍋法合成Na摻雜柳葉狀g-C3N4提高可見光催化活性

1. 文章信息

標題：One-pot synthesis of sodium-doped willow-shaped graphitic carbon nitride for improved photocatalytic activity under visible-light irradiation

頁碼：Journal of Colloid And Interface Science,2022, 624, 79-87.

DOI：doi.org/10.1016/j.jcis.2022.05.085

2. 文章鏈接

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.05.085

ScienceDirect專用鏈接：https://www.sciencedirect。。ｃｏｍ/science/article/pii/S0021979722008694

3. 期刊信息

期刊名：Journal of Colloid And Interface Science

ISSN: 0021-9797

2022年影響因子：9.965

分區(qū)信息：中科院1區(qū)Top；JCR分區(qū)（Q1）

涉及研究方向：化學，物理化學

4. 作者信息：揚州大學竇倩（第一作者），揚州大學侯建華（首要通訊作者）；

5. 光源型號：北京中教金源CEL HXF300（300 W氙燈，可見光范圍）；CEL-PAEM-D8plus光催化評價系統(tǒng)；

文章簡介：為了進一步提高光生載流子遷移效率，采用簡便的熱聚合反應合成了具有柳葉狀結構和高結晶度的Na摻雜g-C3N4。通過Na摻雜改善了g-C3N4的π共軛體系，提高了π共軛體系的電子傳遞效率，使其具有良好的光催化性能。此外，最佳的Na摻雜g-C3N4（CN-0.05）的光能輻照效率的提高歸因于其較窄的帶隙和電荷分離的顯著改善。

因此，CN-0.05催化的H2析出速率可達3559.8 μ mol h-1 g-1，是塊狀g-C3N4催化產H2速率的1.9倍。CN-0.05的CO2還原為CO的產率（3.66 μ mol h-1 g-1）是塊狀g-C3N4的6.6倍。在污染物降解實驗中，CN-0.05對羅丹明B（RhB）和甲基橙（MO）的降解反應常數(shù)分別為0.0271和0.0101 min-1，分別比原始g-C3N4高效4.7倍和7.2倍。

我們一致認為本文的創(chuàng)新之處有以下幾點：

1. 通過鈉摻雜是改善氮化碳界面電荷分離的綠色方法；

2. 鈉摻雜g-C3N4材料呈現(xiàn)出很高的結晶度；

3.Na摻雜顯著降低了e -h+對的復合速率；

3. G-C3N4的柳葉狀形態(tài)結構加快了電子傳遞效率和多功能光催化活性。

圖1和圖2顯示合成了Na摻雜的柳葉狀g-C3N4，用于能源和環(huán)境中有效和可持續(xù)的光催化應用。鈉摻雜方法不僅促進了樣品的光吸收，提高了樣品的結晶度，而且以Na2CO3為鈉源，通過一個簡單的步驟豐富了g-C3N4的形貌組成。最佳的Na摻雜的g-C3N4形成一個柳葉狀的形態(tài)結構，這導致了更大的比表面積和額外的活性點的形成。光催化試驗表明，合成的材料不僅能在可見光照射下快速催化降解有機污染物，而且在制氫和還原二氧化碳方面也表現(xiàn)出優(yōu)異的活性。對Na-g-C3N4進行了詳細的檢測表征，揭示了引起光活性增強的光催化劑的基本性質。本研究為定制高效光催化劑在環(huán)境和能源方面的多功能應用提供了一種可持續(xù)和綠色的方法。

圖3提出了一個可能的反應機制。在降解RhB/MO的初始過程中，g-C3N4在黑暗條件下吸附了少量RhB/MO。在染料光敏化過程中，RhB/MO在催化劑上的吸附促進了電荷載體在染料和光催化劑表面之間的轉移[148]。可見光照射材料后，光生電子由價帶轉移到導帶，價帶中只留下h+。在這個過程中，e-與O2反應形成•O2-，它具有高度氧化活性，可以降解有機污染物[149]。同時，主要活性物質h+可以直接氧化污染物。RhB和MO可以通過e-和h+的聯(lián)合作用進行降解。在光催化制氫過程中，氫氣的產生與作為光催化劑的半導體的價帶和導帶的勢能之間存在著明顯的潛在關聯(lián)。

圖3-11a顯示了四個g-C3N4試驗的價帶和導帶的完整能帶勢能。改進后的CN-X具有降低的帶隙勢能和增強的可見光吸收特性。CN-X的價帶向負電位轉移，這為光催化制氫提供了額外的有利條件。這些特性共同作用，使CN-0.05顯示出優(yōu)異的光催化活性。其機制可歸納為以下幾點：(I) Na的摻雜可以增強對可見光的吸收，提高電子還原能力，增加電荷載流子的分離效率；(II)高結晶度促進了柳葉狀結構的形成和電子-空穴的高效分離。(III)由柳葉狀結構組成的層狀多孔結構有助于接受更多的陽光，使污染物更容易到達光催化位點，促進電子空穴的分離；(IV)柳葉狀結構賦予了高的比表面積，促進污染物更容易到達光催化位點；(V) 通過Na摻雜、高結晶度和柳葉狀結構的協(xié)同作用，提高CN-X的光催化活性。

  結論：柳葉狀的CN-0.05是相互連接和堆疊在一起的，因此在空隙之間可以產生中孔，其中，中孔是由于碳酸鈉“高溫發(fā)酵"而產生。合成材料的結構既有利于污染物的擴散，也有利于電子的傳輸。在硫脲和尿素的幫助下，Na摻雜的g-C3N4光催化劑產生了可控的能帶。Na的引入限制了氮化碳晶粒的發(fā)展，這將增加比表面積，改善可見光吸收，提高光生載流子遷移效率，并抑制e--h+對重組。Na含量對氮化碳光催化劑的價帶和導帶的位置有明顯的影響。摻Na后，樣品在可見光照射下對羅丹明B和甲基橙染料的降解效果、制氫速率以及二氧化碳還原速率明顯改善。這項工作為增強g-C3N4光催化降解有機污染物、制氫、二氧化碳還原性能做出了貢獻，為實現(xiàn)高效的光催化反應開辟了一條新的道路。