硫取代氮增强g-C3N4光催化产氢性能

王海涛 余良浪 江吉周 Arramel 邹菁

引用本文: 王海涛, 余良浪, 江吉周, Arramel, 邹菁. 硫取代氮增强g-C3N4光催化产氢性能[J]. 物理化学学报, 2024, 40(5): 230504. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305047 shu
Citation:  Haitao Wang, Lianglang Yu, Jizhou Jiang, Arramel, Jing Zou. S-Doping of the N-Sites of g-C3N4 to Enhance Photocatalytic H2 Evolution Activity[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(5): 230504. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305047 shu

硫取代氮增强g-C3N4光催化产氢性能

    通讯作者: 江吉周, 027wit@163.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 62004143

    湖北省重点研发计划 2022BAA084

    湖北省自然科学基金 2021CFB133

    国家重点研发计划 2022YFC3902703

    磷资源开发利用教育部工程研究中心创新项目 LCX2021003

    能量转换与存储材料化学教育部重点实验室开放基金 2021JYBKF05

摘要: 利用取之不尽的太阳能资源进行光催化水裂解制氢是缓解全球能源危机、实现碳中和战略的一项有前景的技术。石墨相氮化碳(g-C3N4)因成本低且稳定性高在光催化产氢领域备受关注。然而,纯g-C3N4存在表面积小、电子转移慢、光生载流子复合快等缺陷,产氢性能通常不佳。本研究通过直接热解硫酸铵和三聚氰胺混合物,成功实现硫物种对g-C3N4氮位点的原位取代,开发出一种高效的硫掺杂g-C3N4 (S-g-CN)光催化剂。系列结构和光谱表征证实硫的成功掺杂。密度泛函理论的第一性原理计算表明S活性位对氢的吸附吉布斯自由能近乎为零(~0.26 eV),揭示S掺杂在优化H活性中间体吸附和解吸过程中起着重要作用。透射电子显微镜和原子力显微镜测试结果表明,S-g-CN具有超薄的纳米片状结构,其片层厚度约为2.5 nm。随后的氮气吸脱附等温线和光电化学性质测试结果表明,S掺杂不仅可显著增大g-C3N4比表面积,而且还能有效提高其光生电子-空穴对的转移、分离和氧化还原能力。得益于材料良好的结构特性,S-g-CN的光催化产氢速率高达4923 μmol∙g−1∙h−1,是原始g-C3N4的28倍,超越诸多最近报道的其它S掺杂g-C3N4光催化剂。而且,S-g-CN的表观量子效率高达3.64%。本研究除了开发一种高效的光催化剂,还将为高性能g-C3N4基催化剂的设计提供有益借鉴。

English

    1. [1]

      Zhao, Z.; Wang, Z.; Zhang, J.; Shao, C.; Dai, K.; Fan, K.; Liang, C. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214470. doi: 10.1002/adfm.202214470

    2. [2]

      李云锋, 张敏, 周亮, 杨思佳, 武占省, 马玉花. 物理化学学报, 2021, 37, 2009030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030Li, Y.; Zhang, M.; Zhou, L.; Yang, S.; Wu, Z.; Ma, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030

    3. [3]

      Wang, J.; Jiang, J.; Li, F.; Zou, J.; Xiang, K.; Wang, H.; Li, Y.; Li, X. Green Chem. 2023, 25, 32. doi: 10.1039/D2GC03160D

    4. [4]

      Wang, X.; Wang, X.; Huang, J.; Li, S.; Meng, A.; Li, Z. Nat. Commun. 2021, 12, 4112. doi: 10.21203/rs.3.rs-208751/v1

    5. [5]

      Wang, Z.; Liu, R.; Zhang, J.; Dai, K. Chin. J. Struct. Chem. 2022, 41, 2206015. doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0108

    6. [6]

      Liu, T.; Li, Y. F.; Sun, H. J.; Zhang, M.; Xia, Z. L.; Yang, Q. Chin. J. Struct. Chem. 2022, 41, 2206055. doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0152

    7. [7]

      李喜宝, 刘积有, 黄军同, 何朝政, 冯志军, 陈智, 万里鹰, 邓芳. 物理化学学报, 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030Li, X.; Liu, J.; Huang, J.; He, C.; Feng, Z.; Chen, Z.; Wan, L.; Deng, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030

    8. [8]

      Li, X.; Luo, Q.; Han, L.; Deng, F.; Yang, Y.; Dong, F. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 114, 222. doi: 10.1016/j.jmst.2021.10.030

    9. [9]

      Shen, R.; Ren, D.; Ding, Y.; Guan, Y.; Ng, Y.; Zhang, P.; Li, X. Sci. China Mater. 2022, 63, 2153. doi: 10.1007/s40843-020-1456-x

    10. [10]

      Zhang, S.; Dong, H.; An, C.; Li, Z.; Xu, D.; Xu, K.; Wu, Z.; Shen, J.; Chen, X.; Zhang, S. J. Mater. Sci. Technol. 2021, 75, 59. doi: 10.1016/j.jmst.2020.10.030

    11. [11]

      Li, F.; Jiang, J.; Wang, J.; Zou, J.; Sun, W.; Wang, H.; Xiang, K.; Wu, P.; Hsu, J. P. Nano Res. 2023, 16, 127. doi: 10.1007/s12274-022-4799-z

    12. [12]

      刘珊池, 王凯, 杨梦雪, 靳治良. 物理化学学报, 2022, 38, 2109023. doi: 10.3866/PKU.WHXB202109023Liu, S; Wang, K; Yang, M; Jin, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2109023. doi: 10.3866/PKU.WHXB202109023

    13. [13]

      Jiang, J.; Zou, Y.; Arramel; Li, F.; Wang, J.; Zou, J.; Li, N. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 24195. doi: 10.1039/d1ta07332j

    14. [14]

      Jiang, J.; Xiong, Z.; Wang, H.; Xiang, K.; Wu, P.; Zou, J. Sci. China Technol. Sc. 2022, 65, 3020. doi: 10.1007/s11431-022-2192-6

    15. [15]

      Tao, S. R.; Wan, S. J.; Huang, Q. Y.; Li, C. M.; Yu, J. G.; Cao, S. W. Chin. J. Struct. Chem. 2022, 41, 2206048. doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0068

    16. [16]

      Yang, H.; Dai, K.; Zhang, J.; Dawson, G. Chin. J. Catal. 2022, 43, 2111. doi: 10.1016/s1872-2067(22)64096-8

    17. [17]

      Zhao, Z.; Dai, K.; Zhang, J.; Dawson, G. Adv. Sustain. Syst. 2023, 7, 2100498. doi: 10.1002/adsu.202100498

    18. [18]

      Li, Y.; He, Z.; Liu, L.; Jiang, Y.; Ong, W.; Duan, Y.; Ho, W.; Dong, F. Nano Energy 2023, 105, 108032. doi: 10.1016/j.nanoen.2022.108032

    19. [19]

      Zou, J.; Liao, G.; Wang, H.; Ding, Y.; Wu, P.; Hsu, J. P.; Jiang, J. J. Alloy. Compd. 2022, 911, 165020. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.165020

    20. [20]

      Zou, J.; Liao, G.; Jiang, J.; Xiong, Z.; Bai, S.; Wang, H.; Wu, P.; Zhang, P.; Li, X. Chin. J. Struct. Chem. 2022, 41, 2201025. doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2021-0039

    21. [21]

      Fu, J.; Xu, Q.; Low, J.; Jiang, C.; Yu, J. Appl. Catal. B Environ. 2019, 243, 556. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.11.011

    22. [22]

      沈荣晨, 郝磊, 陈晴, 郑巧清, 张鹏, 李鑫. 物理化学学报, 2022, 38, 2110014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014Shen, R.; Hao, L.; Chen, Q.; Zheng, Q.; Zhang, P.; Li, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2110014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014

    23. [23]

      Liu, Y.; Zheng, Y.; Zhang, W.; Peng, Z.; Xie, H.; Wang, Y.; Guo, X.; Zhang, M.; Li, R.; Huang, Y. J. Mater. Sci. Technol. 2021, 95, 127. doi: 10.1016/j.jmst.2021.03.025

    24. [24]

      Wang, J.; Wang, G.; Cheng, B.; Yu, J.; Fan, J. Chin. J. Catal. 2021, 42, 56. doi: 10.1016/s1872-2067(20)63634-8

    25. [25]

      Chen, Y.; Su, F.; Xie, H.; Wang, R.; Ding, C.; Huang, J.; Xu, Y.; Ye, L. Chem. Eng. J. 2021, 404, 126498. doi: 10.1016/j.cej.2020.126498

    26. [26]

      Jiang, J.; Xiong, Z.; Wang, H.; Liao, G.; Bai, S.; Zou, J.; Wu, P.; Zhang, P.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 118, 15. doi: 10.1016/j.jmst.2021.12.018

    27. [27]

      Wang, H.; Bian, Y. R.; Hu, J. T.; Dai, L. M. Appl. Catal. B Environ. 2018, 238, 592. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.07.023

    28. [28]

      Zhou, Y.; Lv, W.; Zhu, B.; Tong, F.; Pan, J.; Bai, J.; Zhou, Q.; Qin, H. ACS Sustain. Chem. Eng. 2019, 7, 5801. doi: 10.1021/acssuschemeng.8b05374

    29. [29]

      Bai, S.; Yang, M.; Jiang, J.; He, X.; Zou, J.; Xiong, Z.; Liao, G.; Liu, S. npj 2D Mater. Appl. 2021, 5, 78. doi: 10.1038/s41699-021-00259-4

    30. [30]

      Liu, D.; Xu, G.; Yang, H.; Wang, H.; Xia, B. Y. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2208358. doi: 10.1002/adfm.202208358

    31. [31]

      Jiang, J.; Bai, S.; Yang, M.; Zou, J.; Li, N.; Peng, J.; Wang, H.; Xiang, K.; Liu, S.; Zhai, T. Nano Res. 2022, 15, 5977. doi: 10.1007/s12274-022-4276-8

    32. [32]

      秦祖赠, 吴靖, 李斌, 苏通明, 纪红兵. 物理化学学报, 2021, 37, 2005027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005027Qin, Z.; Wu, J.; Li, B.; Su, T.; Ji, H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2005027. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005027

    33. [33]

      Zou, J.; Wu, S.; Liu, Y.; Sun, Y.; Cao, Y.; Hsu, J. P.; Wee, A. T. S.; Jiang, J. Carbon 2018, 130, 652. doi: 10.1016/j.carbon.2018.01.008

    34. [34]

      Feng, C.; Tang, L.; Deng, Y.; Wang, J.; Liu, Y.; Ouyang, X.; Yang, H.; Yu, J.; Wang, J. Appl. Catal. B Environ. 2021, 281, 119539. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119539

    35. [35]

      Deng, Y.; Zhou, Z.; Zeng, H.; Tang, R.; Li, L.; Wang, J.; Feng, C.; Gong, D.; Tang, L.; Huang, Y. Appl. Catal. B Environ. 2022, 320, 121942. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121942

    36. [36]

      Wang, H.; Qiu, X.; Peng, Z.; Wang, W.; Wang, J.; Zhang, T.; Jiang, L.; Liu, H. J. Colloid Interface Sci. 2020, 561, 829. doi: 10.1016/j.jcis.2019.11.065

    37. [37]

      Hua, J.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K.; Shao, C.; Fan, K. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 156, 64. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.003

    38. [38]

      Jiang, J.; Lei, O. Y.; Zhu, L.; Zheng, A.; Zou, J.; Yi, X.; Tang, H. Carbon 2014, 80, 213. doi: 10.1016/j.carbon.2014.08.059

    39. [39]

      Su, T.; Hood, Z. D.; Naguib, M.; Bai, L.; Luo, S.; Rouleau, C. M.; Ivanov, I. N.; Ji, H.; Qin, Z.; Wu, Z. Nanoscale 2019, 11, 8138. doi: 10.1039/c9nr00168a

    40. [40]

      Hu, Y.; Li, X.; Wang, W.; Deng, F.; Han, L.; Gao, X.; Feng, Z.; Chen, Z.; Huang, J.; Zengi, F.; et al. Chin. J. Struct. Chem. 2022, 41, 2206069. doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0103

    41. [41]

      Wu, M.; Yan, J.; Tang, X.; Zhao, M.; Jiang, Q. ChemSusChem 2014, 7, 2654. doi: 10.1002/cssc.201402180

    42. [42]

      Lin, Y. R.; Dizon, G. V. C.; Yamada, K.; Liu, C. Y.; Venault, A.; Lin, H. Y.; Yoshida, M.; Hu, C. J. Colloid Interface Sci. 2020, 567, 202. doi: 10.1016/j.jcis.2020.02.017

    43. [43]

      Wang, H.; Qiu, X.; Wang, W.; Jiang, L.; Liu, H. Front. Chem. 2019, 7, 855. doi: 10.3389/fchem.2019.00855

    44. [44]

      Bai, J.; Zhou, P.; Xu, P.; Deng, Y.; Zhou, Q. Ceram. Int. 2021, 47, 4043. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.09.275

    45. [45]

      Jiao, Y.; Liu, M.; Qin, J.; Li, Y.; Wang, J.; He, Z.; Li, Z. J. Colloid Interface Sci. 2022, 608, 1432. doi: 10.1016/j.jcis.2021.10.084

    46. [46]

      Fei, T.; Qin, C.; Zhang, Y.; Dong, G.; Wang, Y.; Zhou, Y. Int. J. Hydrog. Energy 2021, 46, 20481. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.03.148

    47. [47]

      Li, J.; Liu, X.; Liu, C.; Che, H.; Li, C. J. Taiwan. Inst. Chem. E 2020, 117, 93. doi: 10.1016/j.jtice.2020.12.001

    48. [48]

      Zhang, T.; Cai, X.; Lin, X.; Jiang, Z.; Jin, H.; Huang, Z.; Gan, T.; Hu, H.; Zhang, Y. Sep. Purif. Technol. 2023, 314, 123618. doi: 10.1016/j.seppur.2023.123618

    49. [49]

      Niu, L.; Du, J.; Tian, X.; Jiang, D.; Gu, L.; Yuan, Y. Mater. Lett. 2021, 300, 130120. doi: 10.1016/j.matlet.2021.130120

    50. [50]

      Fang, K.; Chen, Z.; Wei, Y.; Fang, S.; Dong, Z.; Zhang, Y.; Li, W.; Wang, L. J. Alloy. Compd. 2022, 925, 166257. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.166257

    51. [51]

      Long, D.; Wang, L.; Cai, H.; Rao, X.; Zhang, Y. Catal. Lett. 2020, 150, 2487. doi: 10.1007/s10562-020-03156-5

    52. [52]

      Ahmad, K.; Khan, M. Q.; Alsalme, A.; Kim, H. Synth. Met. 2022, 288, 117100. doi: 10.1016/j.synthmet.2022.117100

    53. [53]

      Zhou, P.; Meng, X.; Li, L.; Sun, T. J. Alloy. Compd. 2020, 827, 154259. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.154259

    54. [54]

      Feng, C.; Tang, L.; Deng, Y, Wang, J.; Liu, Y.; Ouyang, X.; Yang, H.; Yu, J.; Wang, J. Appl. Catal. B Environ. 2021, 281, 119539. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119539

    55. [55]

      Zou, J.; Zou, Y.; Wang, H.; Wang, W.; Wu, P.; Arramel; Jiang, J.; Li, X. Chin. Chem. Lett. 2023, 34, 107378. doi: 10.1016/j.cclet.2022.03.101

    56. [56]

      Zhao, Z.; Li, X.; Dai, K.; Zhang, J.; Dawson, G. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 117, 109. doi: 10.1016/j.jmst.2021.11.046

    57. [57]

      Che, W.; Cheng, W.; Yao, T.; Tang, F.; Liu, W.; Su, H.; Huang, Y.; Liu, Q.; Liu, J.; Hu, F.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 3021. doi: 10.1021/jacs.6b11878

    58. [58]

      Gao, C.; Wei, T.; Zhang, Y.; Song, X.; Huan, Y.; Liu, H.; Zhao, M.; Yu, J.; Chen, X. Adv. Mater. 2019, 31, 1806596. doi: 10.1002/adma.201806596

    59. [59]

      Ruan, X.; Huang, C.; Cheng, H.; Zhang, Z.; Cui, Y.; Li, Z.; Xie, T.; Ba, K.; Zhang, H.; Zhang, L.; et al. Adv. Mater. 2023, 35, 2209141. doi: 10.1002/adma.202209141

    60. [60]

      Xia, P.; Cao, S.; Zhu, B.; Liu, M.; Shi, M.; Yu, J.; Zhang, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 5218. doi: 10.1002/anie.201916012

    61. [61]

      Wang, H.; Jiang, J.; Yu, L.; Peng, J.; Song, Z.; Xiong, Z.; Li, N.; Xiang, K.; Zou, J.; Hsu, J. -P.; et al. Small 2023, doi: 10.1002/smll.202301116

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  • 发布日期:  2024-05-15
  • 收稿日期:  2023-05-26
  • 接受日期:  2023-06-21
  • 修回日期:  2023-06-21
  • 网络出版日期:  2023-06-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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