K原子掺杂高度面间结晶的g-C3N4光催化剂及其高效H2O2光合成

钟威 郑丹 欧远新 孟爱云 苏耀荣

引用本文: 钟威, 郑丹, 欧远新, 孟爱云, 苏耀荣. K原子掺杂高度面间结晶的g-C3N4光催化剂及其高效H2O2光合成[J]. 物理化学学报, 2024, 40(11): 240600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202406005 shu
Citation:  Wei Zhong, Dan Zheng, Yuanxin Ou, Aiyun Meng, Yaorong Su. Simultaneously Improving Inter-Plane Crystallization and Incorporating K Atoms in g-C3N4 Photocatalyst for Highly-Efficient H2O2 Photosynthesis[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(11): 240600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202406005 shu

K原子掺杂高度面间结晶的g-C3N4光催化剂及其高效H2O2光合成

    通讯作者: 孟爱云, mengaiyun@sztu.edu.cn; 苏耀荣, suyaorong@sztu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目 22178224

    国家自然科学基金项目 22272110

    广东省基础与应用基础研究基金 2023A1515110535

    广东省基础与应用基础研究基金 2020A1515110873

    深圳市科技计划资助 RCBS20231211090522041

    深圳技术大学基础科研业务费 20211063010047

    深圳市超金刚石与功能晶体应用技术重点实验室 ZDSYS20230626091303007

    深圳市高校稳定支持项目 20231127203830001

摘要: 石墨相氮化碳(g-C3N4)在光催化制备过氧化氢(H2O2)领域有巨大潜力。然而,低的两电子氧还原活性严重限制了g-C3N4的光催化产H2O2效率。在这项研究中,我们通过两步煅烧法在KI晶体表面重新晶化传统g-C3N4材料,合成了钾掺杂的高晶化g-C3N4光催化剂(CN-K)。所制备的CN-K光催化材料具有更高的面间结晶度、更窄的禁带宽度和更小的颗粒尺寸(大约20到50纳米)。更重要的是,掺入的钾原子作为优异的催化位点可以增强O2吸附和稳定*OOH中间体,从而提高钾掺杂高晶化g-C3N4光催化剂的两电子氧还原活性。其中CN-K(1:6)样品具有显著增强的光催化产H2O2速率(7.8 mmol·L-1·h-1),且在420 nm下的表观量子效率为5.17%,光催化活性是传统块状g-C3N4样品的220倍。这项研究不仅揭示了杂原子提高g-C3N4光催化剂两电子氧还原活性的机理,而且为设计高效g-C3N4基光催化剂提供了新的见解。

English

    1. [1]

      Zhang, X.; Gao, D.; Zhu, B.; Cheng, B.; Yu, J.; Yu, H. Nat. Commun. 2024, 15, 3212. doi: 10.1038/s41467-024-47624-7

    2. [2]

      He, Q.; Viengkeo, B.; Zhao, X.; Qin, Z.; Zhang, J.; Yu, X.; Hu, Y.; Huang, W.; Li, Y. Nano Res. 2023, 16, 4524. doi: 10.1007/s12274-021-3882-1

    3. [3]

      Zhang, K.; Li, Y.; Yuan, S.; Zhang, L.; Wang, Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2212010. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212010

    4. [4]

      Wang, L.; Sun, J.; Cheng, B.; He, R.; Yu, J. J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 4803. doi: 10.1021/acs.jpclett.3c00811

    5. [5]

      Li, K.; Mei, J.; Li, J.; Liu, Y.; Wang, G.; Hu, D.; Yan, S.; Wang, K. Sci. China Mater. 2024, 67, 484492. doi: 10.1007/s40843-023-2717-0

    6. [6]

      He, R.; Xu, D.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 138, 256. doi: 10.1016/j.jmst.2022.09.002

    7. [7]

      Jian, L.; Dong, Y.; Zhao, H.; Pan, C.; Wang, G.; Zhu, Y. Appl. Catal. B-Environ. 2024, 342, 123340. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.123340

    8. [8]

      Yu, W.; Bie, C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40, 2307022. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307022

    9. [9]

      Wu, Q.; Cao, J.; Wang, X.; Liu, Y.; Zhao, Y.; Wang, H.; Liu, Y.; Huang, H.; Liao, F.; Shao, M.; et al. Nat. Commun. 2021, 12, 483. doi: 10.1038/s41467-020-20823-8

    10. [10]

      Zhang, X.; Yu, J.; Macyk, W.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Wang, L. Adv. Sustainable Syst. 2023, 7, 2200113. doi: 10.1002/adsu.202200113

    11. [11]

      Wang, W.; Zhang, H.; Chen, Y.; Shi, H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2201008. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201008

    12. [12]

      Wu, X.; Tan, L.; Chen, G.; Kang, J.; Wang, G. Sci. China Mater. 2024, 67, 444. doi: 10.1007/s40843-023-2755-2

    13. [13]

      Luo, C.; Long Q.; Cheng, B.; Zhu, B.; Wang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2212026. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212026

    14. [14]

      Wu, Y.; Yang, Y.; Gu, M.; Bie, C.; Tan, H.; Cheng, B.; Xu, J. Chin. J. Catal. 2023, 53, 123. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64514-0

    15. [15]

      Zan, Z.; Li, X.; Gao, X.; Huang, J.; Luo, Y.; Han, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2209016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202209016

    16. [16]

      Jiang, Z.; Long, Q.; Cheng, B.; He, R.; Wang, L. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 162, 1. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.045

    17. [17]

      Liu, W.; Wang, P. F.; Chen, J.; Gao, X.; Che, H. N.; Liu, B.; Ao, Y. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2205119. doi: 10.1002/adfm.202205119

    18. [18]

      He, H.; Wang, Z.; Zhang, J.; Shao, C.; Dai, K.; Fan, K. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2315426. doi: 10.1002/adfm.202315426

    19. [19]

      He, B.; Wang, Z.; Xiao, P.; Chen, T.; Yu, J.; Zhang, L. Adv. Mater. 2022, 34, 2203225. doi: 10.1002/adma.202203225

    20. [20]

      Zhu, B.; Liu, J.; Sun, J.; Xie, F.; Tan, Hai.; Cheng, B.; Zhang, J. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 162, 90. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.054

    21. [21]

      Zhu, B.; Sun, J.; Zhao, Y.; Zhang, L.; Yu, J. Adv. Mater. 2024, 36, 2310600. doi: 10.1002/adma.202310600

    22. [22]

      Xie, Y.; Zhang, Q.; Sun, H.; Teng, Z.; Su, C. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2301001. doi: 10.3866/PKU.WHXB202301001

    23. [23]

      Li, Y.; Guo, Y.; Luan, D.; Gu, X.; Lou, X. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202310847. doi: 10.1002/anie.202310847

    24. [24]

      Zhang, H.; Liu, J.; Zhang, Y.; Cheng, B.; Zhu, B.; Wang, L. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 166, 241. doi: 10.1016/j.jmst.2023.05.030

    25. [25]

      Du, R.; Xiao, K.; Li, B.; Han, X.; Zhang, C.; Wang, X.; Zuo, Y.; Guardia, P.; Li, J.; Chen, J.; Arbiol, J.; Cabot, A. Chem. Eng. J. 2022, 441, 135999. doi: 10.1016/j.cej.2022.135999

    26. [26]

      Feng, C.; Luo, J.; Chen, C.; Zuo, S.; Ren, Y.; Wu, Z.; Hu, M.; Ould-Chikh, S.; Ruiz-Martínez, J.; Han, Y.; Zhang, H. Energy Environ. Sci. 2024, 17, 1520. doi: 10.1039/D3EE03032F

    27. [27]

      Chen, Z.; Yao, D.; Chu, C.; Mao, S. Chem. Eng. J. 2023, 451, 138489. doi: 10.1016/j.cej.2022.138489

    28. [28]

      Zhou, S.; Wen, D; Zhong, W.; Zhang, J.; Su, Y.; Meng, A. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 199, 53. doi: 10.1016/j.jmst.2024.02.048

    29. [29]

      Wang, Z.; Wang, J.; Zhang, J.; Dai, K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2209037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202209037

    30. [30]

      Wen, D.; Su, Y.; Fang, J.; Zheng, D.; Xu, Y.; Zhou, S.; Meng, A.; Han, P.; Wong, C.-P. Nano Energy 2023, 117, 108917. doi: 10.1016/j.nanoen.2023.108917

    31. [31]

      Chen, L.; Chen, C.; Yang, Z.; Li, S.; Chu, C.; Chen, B. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2105731. doi: 10.1002/adfm.202105731

    32. [32]

      Ma, L.; Gao, Y.; Wei, B.; Huang, L.; Zhang, N.; Weng, Q.; Zhang, L.; Liu, S.; Jiang, R. ACS Catal. 2024, 14, 2775. doi: 10.1021/acscatal.3c05360

    33. [33]

      Zhou, J.; Shan, T.; Zhang, F.; Boury, B.; Huang, L.; Yang, Y.; Liao, G.; Xiao, H.; Chen, L. Adv. Fiber Mater. 2024, 6, 387. doi: 10.1007/s42765-023-00354-9

    34. [34]

      Meng, A.; Ma, X.; Wen, D.; Zhong, W.; Zhou, S.; Su, Y. Chin. J. Catal. 2024, 60, 231. doi: 10.1016/S1872‐2067(24)60008‐2

    35. [35]

      Pan, Y.; Liu, X.; Zhang, W.; Shao, B.; Liu, Z.; Liang, Q.; Wu, T.; He, Q.; Huang, J.; Peng, Z.; et al. Chem. Eng. J. 2022, 427, 132032. doi: 10.1016/j.cej.2021.132032

    36. [36]

      Zeng, S.; Li, L.; Yang, Z.; Cui, J.; Wang, K.; Hu, C.; Zhao, Y. ACS Sustain. Chem. Eng. 2023, 11, 7094. doi: 10.1021/acssuschemeng.3c00230

    37. [37]

      Meng, A.; Zhou, S.; Wen, D.; Han, P.; Su, Y. Chin. J. Catal. 2022, 43, 2548. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64111-1

    38. [38]

      Yang, Y.; Zeng, G.; Huang, D.; Zhang, C.; He, D.; Zhou, C.; Wang, W.; Xiong, W.; Li, X.; Li, B.; et al. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 272, 118970. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118970

    39. [39]

      Li, D.; Wen, C.; Huang, J.; Zhong, J.; Chen, P.; Liu, H.; Wang, Z.; Liu, Y.; Lv, W.; Liu, G. Appl. Catal. B-Environ. 2022, 307, 121099. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121099

    40. [40]

      Zhang, X.; Ma, P.; Wang, C.; Gan, L.; Chen, X.; Zhang, P.; Wang, Y.; Li, H.; Wang, L.; Zhou, X.; et al. Energy Environ. Sci. 2022, 15, 830. doi: 10.1039/d1ee02369a

    41. [41]

      Teng, Z.; Zhang, Q.; Yang, H.; Kato, K.; Yang, W.; Lu, Y.; Liu, S.; Wang, C.; Yamakata, A.; Su, C.; et al. Nat. Catal. 2021, 4, 374. doi: 10.1038/s41929-021-00605-1

    42. [42]

      Zhao, Y.; Wang, D.; Che, H.; Liu, B.; Ao, Y. Environ. Funct. Mater. 2022, 1, 316. doi: 10.1016/j.efmat.2023.01.001

    43. [43]

      Liang, H.; Wang, A.; Cheng, R.; Tian, X.; Jing, S.; Tsiakaras, P. Small 2023, 19, 2303813. doi: 10.1002/smll.202303813

    44. [44]

      Liu, L.; Chen, F.; Wu, J.; Chen, J.; Yu, H. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2023, 120, e2215305120. doi: 10.1073/pnas.2215305120

    45. [45]

      Yuan, J.; Tian, N.; Zhu, Z.; Yu, W.; Li, M.; Zhang, Y.; Huang, H. Chem. Eng. J. 2023, 467, 143379. doi: 10.1016/j.cej.2023.143379

    46. [46]

      Cao, Q.; Wu, X.; Zhang, Y.; Yang, B.; Ma, X.; Song, J.; Zhang, J. J. Catal. 2022, 414, 64. doi: 10.1016/j.jcat.2022.08.030

    47. [47]

      Xu, Q.; Zheng, Y.; Wang, S.; Fu, Q.; Guo, X.; Li, Y.; Ren, J.; Cao, Z.; Li, R; Zhao, L.; et al. Alloy. Compd. 2023, 947, 169663. doi: 10.1016/j.jallcom.2023.169663

    48. [48]

      Wu, S.; Yu, H.; Chen, S.; Quan, X. ACS Catal. 2020, 10, 14380. doi: 10.1021/acscatal.0c03359

    49. [49]

      Che, H.; Gao, X.; Chen, J.; Hou, J.; Ao, Y.; Wang, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25546. doi: 10.1002/anie.202111769

    50. [50]

      Zheng, D.; Su, Y.; Wen, D.; Zhang, Z.; Yang, P.; Ma, X.; Chen, Y.; Deng, L.; Zhou, S.; Meng, A. J. Catal. 2023, 428, 115180. doi: 10.1016/j.jcat.2023.115180

    51. [51]

      Lei, Z.; Ma, X.; Hu, X.; Fan, J.; Liu, E. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2110049. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110049

    52. [52]

      Cao, J.; Wu, Q.; Zhao, Y.; Wei, K.; Li, Y.; Wang, X.; Liao, F.; Huang, H.; Shao, M.; Liu, Y.; et al. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 285, 119817. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119817

    53. [53]

      Huang, Y.; Mei, F.; Zhang, J.; Dai, K.; Dawson, G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2108028. doi: 10.3866/PKU.WHXB202108028

    54. [54]

      Xu, J.; Zhong, W.; Zhang, X.; Wang, X.; Hong, X.; Yu, H. Small 2023, 19, 2303960. doi: 10.1002/smll.202303960

    55. [55]

      Zhong, W.; Xu, J.; Zhang, X.; Zhang, J.; Wang, X.; Yu, H. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2302325. doi: 10.1002/adfm.202302325

    56. [56]

      Zhong, W.; Zhao, B.; Wang, X.; Wang, P.; Yu, H. ACS Catal. 2023, 13, 749. doi: 10.1021/acscatal.2c04042

    57. [57]

      Zhang, G.; Zhu, J.; Xu, Y.; Yang, C.; He, C.; Zhang, P.; Li, Y.; Ren, X.; Mi, H. ACS Catal. 2022, 12, 4648. doi: 10.1021/acscatal.2c00233

    58. [58]

      Xu, Y.; Fan, M.; Yang, W.; Xiao, Y.; Zeng, L.; Wu, X.; Xu, Q.; Su, C.; He, Q. Adv. Mater. 2021, 33, 2101455. doi: 10.1002/adma.202101455

    59. [59]

      Gao, D.; Deng, P.; Zhang, J.; Zhang, L.; Wang, X.; Yu, H.; Yu, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202304559. doi: 10.1002/anie.202304559

    60. [60]

      Li, Z.; Chen, T.; Chen, Y.; Chen, X.; Li, L.; Kuang, S.; Gao, J.; Guo, Y.; Lo, T.; Du J. J. Mater. Chem. A 2023, 11, 5925. doi: 10.1039/D3TA00196B

    61. [61]

      Zhao, B.; Zhong, W.; Chen, F.; Wang, P.; Bie, C.; Yu, H. Chin. J. Catal. 2023, 52, 127. doi: 10.1016/s1872-2067(23)64491-2

    62. [62]

      Qiu, J.; Meng, K.; Zhang, Y.; Cheng, B.; Zhang, J.; Wang, L.; Yu, J. Adv. Mater. 2024, 36, 2400288. doi: 10.1002/adma.202400288

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  265
  • HTML全文浏览量:  55
文章相关
  • 发布日期:  2024-11-15
  • 收稿日期:  2024-06-05
  • 接受日期:  2024-07-17
  • 修回日期:  2024-07-16
  • 网络出版日期:  2024-08-02
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

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章