二维非金属的石墨相氮化碳/共价三嗪骨架异质结构材料用于高效和高选择性光催化二氧化碳还原

编号：NMJS08377

篇名：二维非金属的石墨相氮化碳/共价三嗪骨架异质结构材料用于高效和高选择性光催化二氧化碳还原

作者：何杰 王选东 金尚彬 刘兆清 朱明山

关键词： 二氧化碳还原 共价三嗪骨架 石墨相氮化碳 非金属异质结构 光催化

机构： 暨南大学环境学院 西安交通大学化学工程与技术学院 广州大学化学与化学工程学院/广州大学清洁能源材料研究所/广州市清洁能源材料重点实验室 佛山科学技术学院环境与化学工程学院

摘要： 利用太阳光驱动CO2转化成为有价值的化工品是一种极具前景的降低大气中CO2含量和生产可再生能源的方法,而这种方法主要依赖于具有高效分离载流子能力的光催化剂.本文将石墨相氮化碳(g-C3N4,简写为CN)和共价三嗪骨架(CTF)结合的非金属异质结构(CN/CTF)应用于CO2的光催化还原反应中.材料的zeta电位和X射线光电子能谱结果表明,CN和CTF在超声自组装过程中通过静电作用力相结合,并进一步通过共价键作用增强其界面反应形成CN/CTF异质结构.紫外可见漫反射光谱、光致发光光谱和时间分辨荧光衰变光谱等结果表明,CN/CTF异质结构具有较好的可见光吸收性质,同时具备高效分离光生载流子的能力,其电子转移速率达2.04×108s‒1,有助于提高光催化CO2还原效率.CTF的引入可以极大提高CN的光催化活性,当CTF含量为2.5 wt%时CN/CTF异质结构还原CO2生成CO的产率达到151.1μmol/(g·h),可稳定保持30 h,且反应过程中几乎没有CH4的生成,CO生成选择性达99.9%.与单纯的CTF和CN相比,最优条件的CN/CTF异质结构在可见光照射下能更有效地分离载流子,且载流子复合率更低,其光催化CO2还原成CO的产率分别为CTF和CN的25.5倍和2.5倍.与已报道的基于CN和CTF的光催化剂相比,CN/CTF异质结构具有更好的光催化活性、稳定性和还原CO2选择性.莫特肖特基曲线测试等实验结果表明,CN的导带电位和价带电位分别为-1.20和1.73 V,而CTF的分别为-0.78和1.71 V,该能带结构使得CN和CTF形成Ⅰ型异质结,有利于进行CO2/CO的还原反应(氧化还原电位为-0.52 V).在反应动力学上,CN/CTF异质结构光催化CO2还原生成CO仅需两对H+/e−,提高了生成CO的选择性,同时助剂2,2’-联吡啶配合物的加入可加快电子传输效率,实现CO2的吸附断键和光催化还原的动态循环.综上,本文有望为基于太阳光驱动的光催化还原CO2研究领域提供新的高效非金属催化剂.