【期刊】石墨相氮化碳光催化制双氧水——能源带工程的创新路径

学术   2024-11-23 00:02   安徽  






研 究 背 景



氢双氧水(H2O2)作为一种高能、环保的化学品,在废水处理、化学合成、漂白工业等领域有着广泛的应用。随着对环保和能源效率要求的提高,开发绿色、高效的H2O2生产方法显得尤为重要。光催化技术以其低能耗、易操作和少污染的特点,成为研究的热点。石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种新型的二维层状有机半导体材料,因其简单的合成路线、可调的能带结构和优异的可见光响应而备受关注。


成 果 介 绍



上海大学Tengyang Gao等人通过能源带工程,优化了g-C3N4的光催化性能,实现了高效光催化制双氧水。通过形态控制、晶型与缺陷调节、掺杂以及与其他材料的结合等多种策略,显著提高了g-C3N4的光生电荷分离效率和表面氧化还原反应活性。该文以

Energy band engineering of graphitic carbon nitride for photocatalytic hydrogen peroxide production”为题发表在Carbon Energy 上。


研 究 亮 点



能源带工程:系统地阐述了通过调节g-C3N4的能源带结构来增强其光催化性能的新策略。

光催化效率提升:通过形态、晶型、掺杂等多种方法,实现了g-C3N4光催化制双氧水效率的显著提升。

绿色化学:该研究为环境友好型H2O2的生产提供了新的思路,有助于推动绿色化学和可持续能源技术的发展。


图 文 解 析



图1:g-C3N4的结构和能带工程策略

图1展示了石墨相氮化碳(g-C3N4)的层状结构,以及通过能带工程调节其光催化性能的策略。这些策略包括形态控制、晶型与缺陷调节、掺杂等,旨在提高g-C3N4的光生电荷分离效率和表面氧化还原反应活性。

图2:光催化H2O2生产的基本过程和原理

图2描述了光催化过程中的基本步骤,包括光吸收、电荷载流子的产生和分离,以及最终的表面氧化还原反应。这些步骤共同决定了光催化剂的效率和选择性。

图3:g-C3N4的能带工程和光催化H2O2生产的可能路径

图3展示了g-C3N4的能带结构和光催化H2O2生产的可能反应路径,包括直接的两电子氧还原反应和间接的单电子氧还原反应。

图4:g-C3N4量子点的形貌控制

图4展示了通过热氧化和酸刻蚀方法制备的g-C3N4量子点,以及其对能带结构和光催化性能的影响。量子点的强量子限制效应改变了g-C3N4的能带结构,从而影响了其光催化活性。

图5:高晶型g-C3N4的能带结构调控

图5展示了通过熔盐法制备的高晶型g-C3N4,以及其能带结构的变化。高晶型g-C3N4显示出更高的分子有序性和改善的光催化性能。

图6:g-C3N4的缺陷控制能带结构

图6展示了g-C3N4中不同类型氮缺陷的能带结构调控。氮缺陷的引入改变了g-C3N4的能带结构,从而影响了其光催化活性。

图7:非金属掺杂g-C3N4的能带结构调控

图7展示了通过非金属元素掺杂(如C、O、B、P、S)调节g-C3N4的能带结构。掺杂可以改变g-C3N4的光吸收能力和电荷载流子的分离效率。

图8:金属掺杂g-C3N4的能带结构调控

图8展示了通过金属元素掺杂(如K、Ni、Pt)调节g-C3N4的能带结构。金属掺杂可以提高g-C3N4的电子传输效率和光催化活性。

图9:g-C3N4基复合光催化剂的能带结构工程

图9展示了通过构建g-C3N4与其他半导体的异质结来调节能带结构,以提高光催化H2O2生产的性能。

图10:g-C3N4同质结的能带结构调控

图10展示了通过g-C3N4的不同晶型构建同质结,以及通过共聚单体分子调节能带结构,以增强光催化性能。

图11:其他策略调控g-C3N4的能带结构

图11展示了除了掺杂、晶型控制和缺陷工程之外的其他策略,如酸-碱处理、边缘功能化和插层,用于调节g-C3N4的能带结构。


研 究 小 结



本研究通过能源带工程策略,显著提高了g-C3N4的光催化制双氧水性能。这一成果不仅为光催化技术的发展提供了新的理论支持,也为实现绿色、高效的H2O2生产提供了可行的技术路径。研究团队将继续探索g-C3N4在光催化领域的应用,以期在未来实现更广泛的工业应用。




相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy,点击“阅读原文”查看论文。


论文标题:

Energy band engineering of graphitic carbon nitride for photocatalytic hydrogen peroxide production


文章研究方向:

光催化


论文网址:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.596


DOI: 10.1002/cey2.596



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