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构筑共轭聚合物基S型异质结分子内和界面电场以实现高效光催化制氢

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能源短缺与环境问题已成为阻碍社会经济发展的重要因素,并对人类生活质量产生了深远影响,成为重大的全球性挑战.传统的一次能源,如煤、石油和天然气,正面临着日益严重的短缺问题,同时,水体污染日趋严重.因此,迫切需要寻找绿色、可持续的能源解决方案.其中,利用太阳能进行光解水制氢以及降解水中污染物,被视为一种极具潜力和前景的能源利用方式.然而,目前的光催化剂普遍面临光生载流子容易复合、迁移速率缓慢等问题,这些问题限制了光生电荷的寿命,往往只有几十皮秒,从而降低了其在氧化还原反应中的有效性和光催化效率.因此,开发高效、稳定的光催化剂成为了当前研究的热点和迫切需求.本文报道了一种新型光催化剂的合成与应用.首先,将1,6-二溴芘分子作为富电子供体(D)引入到氮化碳(g-C3N4)中,合成了以C-N键连接的g-C3N4-1,6-二溴芘(CNPy)材料.随后,通过多种手段对样品进行了表征.X射线衍射图谱、傅里叶红外光谱和核磁共振图谱证明了 1,6-二溴芘分子的成功引入.氮气等温吸附脱附曲线结果表明,与纯g-C3N4相比,芘基的引入增加了g-C3N4的比表面积,暴露出更多的活性位点.X射线光电子能谱和表面电荷密度测试结果证实了CNPy分子内电场的成功构建.当以铂为助催化剂时,CNPy-0.2(包含200 mg CNPy)表现出较高的光催化产氢性能,产率达到6.1mmol·g-1·h-1.在此基础上,为了进一步提升催化性能,将CNPy与具有宽光谱响应范围和匹配能带结构的CdSe纳米颗粒进行复合,构筑了具有双电场(分子内和界面电场)的CdSe/CNPy S型异质结光催化剂.X射线衍射图谱、扫描电子显微镜及透射电子显微镜测试结果证实了CdSe与1,6-二溴芘修饰的g-C3N4的成功复合,且CdSe纳米颗粒(200nm左右)均匀地分布在CNPy上.此外,通过原位X射线光电子能谱、电子顺磁共振波谱和开尔文探针力显微镜等表征手段证实了S型异质结的形成以及CdSe与CNPy之间存在内建电场.光电化学表征进一步证实了CdSe/CNPy S型异质结具有高效的载流子分离效率.能带结构分析结果表明,该CdSe/CNPy S型异质结在光激发后保留了CNPy的较强氧化能力与CdSe的较强还原能力.在无Pt作助催化剂的情况下,测试了CdSe/CNPy S型异质结的析氢与降解性能.结果显示,优化后的复合材料100%CdSe/CNPy-0.2在光催化产H2反应中,产率高达1.16 mmol·g-1·h-1,分别是纯CNPy-0.2,CdSe和100%CdSe/CN的58倍,2.2倍和2.32倍.此外,该S型异质结材料表现出较好的光催化降解四环素性能,在全光谱照射下,降解效率高达97%.多次循环数据显示,该S型异质结材料表现出良好的稳定性.综上所述,本研究通过分子结构设计,在共轭聚合物分子内引入内建电场,并结合异质结界面工程策略,构筑了具有双电场的S型异质结光催化材料.该材料表现出高效的光催化析氢和污染物降解性能,为提升共轭半导体基光催化材料的性能提供了新思路.
Construction of intramolecular and interfacial built-in electric field in a donor-acceptor conjugated polymers-based S-scheme heterojunction for high photocatalytic H2 generation
Engineering a robust built-in electric field(IEF)is favorable for boosting carrier separation and achieving high photocatalytic performance.Herein,we developed a donor-acceptor conjugated polymer-based S-scheme heterojunction,utilizing both intramolecular and interfacial IEF to en-hance carrier separation and achieve superior photocatalytic performance.Specifically,the intra-molecular IEF was established by introducing 1,6-dibromopyrene into carbon nitride(CN)to form 1,6-dibromopyrene grafted CN(CNPy).Concurrently,the S-scheme heterojunction was formed by coupling CNPy with CdSe nanoparticles to create an interfacial IEF.Experimental findings demon-strated that the combined effect of intramolecular and interfacial IEF within the CdSe/CNPy het-erojunction significantly improved the carrier separation and retained strong redox capacity.Bene-fiting from these advantages,the optimized composite,100%CdSe/CNPy-0.2,showed the highest H2 generation rate of 1.16 mmol g-1·h1,surpassing those of pure CNPy-0.2,CdSe and 100%CdSe/CN by 58,2.2 and 2.32 times,respectively.This study introduces an innovative design strategy for IEF-regulated conjugated polymer-based materials,paving the way for efficient solar-to-chemical energy conversion.

g-C3N4Intramolecular built-in electric fieldInterfacial built-in electric fieldS-Scheme heterostructurePhotocatalyst

王乐乐、程文瑶、王嘉鑫、杨娟、刘芹芹

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江苏大学材料科学与工程学院,江苏镇江 212013

g-C3N4 分子内电场 界面电场 S型异质结构 光催化剂

国家自然科学基金国家自然科学基金

2210206421972058

2024

催化学报
中国化学会 中国科学院大连化学物理研究所

催化学报

CSTPCD
影响因子:1.269
ISSN:0253-9837
年,卷(期):2024.58(3)
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