如何構(gòu)筑S型Co3O4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)以增強(qiáng)光催化產(chǎn)氫性能

1.文章信息

標(biāo)題：   Construction of S-scheme Co3O4/g-C3N4 heterojunctions with boosted photocatalytic H2 production performance          

中文標(biāo)題：     構(gòu)筑S型Co3O4/g-C3N4異質(zhì)結(jié)以增強(qiáng)光催化產(chǎn)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(xué)  

3. 作者信息：第一作者是  四川輕化工大學(xué)，許正東 。通訊作者為 四川輕化工大學(xué)鐘俊波教授和李敏嬌教授。

4.光反應(yīng)儀型號：CEL-PEAM-D6;氣相色譜型號：GC7920

文章簡介：

人們普遍認(rèn)為采用環(huán)境兼容和可再生能源轉(zhuǎn)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(jī)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(shù)制氫技術(shù)仍依賴于化石能源消耗。因此，如何加速制氫方案轉(zhuǎn)型的挑戰(zhàn)具有非凡的意義。利用太陽能光催化裂解水產(chǎn)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(shù)也被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染物的清除，如降解微生物難以解毒的有機(jī)染料、有機(jī)氟化物和抗生素，以及重金屬的解毒。然而，光催化技術(shù)的核心是光催化劑，因此設(shè)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(biāo)，研究人員探索了大量的光催化劑，并對其在實際應(yīng)用中的可行性進(jìn)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(jié)構(gòu)而引起了研究人員的最大興趣。根據(jù)最近的報道，g-C3N4中的C和N原子是通過共價鍵結(jié)合的，類似于苯環(huán)的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)。環(huán)與N原子相連，通過氫鍵層層疊加形成塊狀結(jié)構(gòu)，使g-C3N4具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)。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(shù)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(dǎo)載體分離轉(zhuǎn)移緩慢，光催化活性較低。

因此，為了滿足實際應(yīng)用，探索和嘗試了多種方法來進(jìn)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(diào)控和缺陷構(gòu)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(lǐng)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(jìn)光生電子在界面上的轉(zhuǎn)移。

同時，這些表面原子逸出后的位點也可以作為反應(yīng)位點，大大增強(qiáng)了對目標(biāo)物的吸收，拓寬了光響應(yīng)范圍。例如，張教授的研究團(tuán)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(qiáng)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(biāo)污染物的吸附性能，從而影響目標(biāo)污染物的配位結(jié)構(gòu)和電子態(tài)。更重要的是，空位的位置、結(jié)構(gòu)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(gòu)建異質(zhì)結(jié)。但這些方法都存在經(jīng)濟(jì)成本高、流程復(fù)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(jìn)行表面處理，引入碳空位，提高可見光驅(qū)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(zhì)、微觀形貌和表面狀態(tài)進(jìn)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(xué)性質(zhì)的影響。用可見光驅(qū)動誘導(dǎo)水裂解法對樣品的光催化效率進(jìn)行了評價，并進(jìn)行了產(chǎn)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(chǎn)氫循環(huán)實驗，探討了NaBH4處理后g-C3N4的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，碳空位能顯著促進(jìn)光生載流子的分離和遷移，擴(kuò)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(jié)果，探討了光催化性能增強(qiáng)的機(jī)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。