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g-C3N4/PCN-224"壳-核"结构异质结压电-光催化协同高效制备过氧化氢

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相比于传统的蒽醌法,光催化、压电催化或压电辅助光催化法制备过氧化氢(H2O2)对于推进清洁能源的开发和利用具有重要意义.石墨相氮化碳(g-C3N4)具有可见光催化合成H2O2的活性,其中材料内部生成的1,4-内过氧化物可有效提高双电子氧还原(2e-ORR)的选择性.然而,g-C3N4的本征结构性质导致其在催化制备H2O2过程中受到很多因素的限制,如存在光生载流子易复合、可见光响应范围窄、比表面积小导致传质效率低等问题.在众多针对g-C3N4的改性策略中,通过科学筛选并选择合适的功能材料与g-C3N4构建异质结构可有效解决上述问题.其中,卟啉基金属有机骨架材料PCN-224的带隙值(Eg=1.65 eV)较小,这使得其具有良好的光响应性能.同时,该材料拥有较大的比表面积(1310.5 m2 g-1)和丰富的孔道结构,这显著提升了传质效率.此外,PCN-224配体中的吡咯结构能够作为路易斯活性位点,有效促进分子氧的吸附,从而提升催化剂催化ORR制备H2O2的效率.本文采用简便的机械球磨法制备了 g-C3N4/PCN-224(简称为CP-x,x代表异质结催化剂中PCN-224的质量百分含量)异质结材料.为促使光生空穴与电子在异质界面实现定向迁移与高效分离,进一步构建了压电-光催化协同反应体系.粉末X射线衍射、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱等表征结果表明,PCN-224与g-C3N4之间形成了紧密的异质结构.紫外-可见漫反射光谱结果表明,相比于g-C3N4,CP-x异质结材料具有更宽的光谱响应范围和更大的比表面积(最高达到442.6 m2 g-1),更有利于传质过程.最佳材料CP-5催化制备H2O2的产率达到4.86mmol g-1 h-1,优于大多数现已报道的g-C3N4基和MOFs基功能材料.通过压电力显微镜和开尔文压电力显微镜等表征技术进一步验证了CP-5异质材料具有压电特性.自由基捕捉、活性物质定量、电子自旋共振波谱和电化学测试等结果表明,PCN-224与g-C3N4之间良好的能带匹配度有利于提升CP-x催化制备H2O2的活性与选择性.本文还采用天然雨水作为质子来源,并在相同条件下进行实验.结果发现,H2O2产率仍能达到2.78 mmol g-1 h-1.此外,本研究制备的H2O2溶液对大肠杆菌表现出了良好的灭活效果.对比空白实验组,添加400 μL反应后H2O2溶液的实验组对大肠杆菌的灭活效率达到了 100%.结合理论计算确定了H2O2催化制备过程中H+和O2等关键底物在CP-x异质材料上的吸附位点与吸附能,并分析了ORR过程中关键中间产物(O2*,H*,OOH*)的吉布斯自由能,阐明了 PCN-224与g-C3N4协同强化制备H2O2的反应机制.综上,本研究通过构建g-C3N4/PCN-224异质结材料,实现了高效催化制备H2O2,并阐明了其协同催化的反应机制.本文结果将对MOFs基功能材料在压电-光催化制备H2O2领域的发展与应用提供参考.
Synergetic piezo-photocatalysis of g-C3N4/PCN-224 core-shell heterojunctions for ultrahigh H2O2 generation
Hydrogen peroxide(H2O2)is a high-value-added chemical for multitudinous industrial applications.Being compared with traditional anthraquinone processes,it is an eco-friendly and promising strategy to accomplish catalytic reduction of molecular oxygen for H2O2 production with the aid of mechanical and solar energy.It was the first attempt to combine a porphyrin-based metal-organic framework(PCN-224)and piezoelectric semiconductor(g-C3N4)to fabricate heterostructures(ab-breviated as CP-x)with core-shell structure for piezo-photocatalytic H2O2 production.The introduc-tion of PCN-224 not only widened light absorption range and accelerated electron transfer,but also facilitated the hydrogenation and generation of OOH*,which was more prone to direct two-electron O2 reduction.Furthermore,benefitting from the synergism of the piezo-photocatalysis,an excep-tional piezo-photocatalytic H2O2 evolution rate of 5.97 mmol g-1 h-1 with solar-to-chemical conver-sion(SCC)efficiency of 0.14%was achieved by the optimum CP-5 heterojunction.This achievement significantly surpassed the previously reported g-C3N4-based and MOF-based materials.The use of rainwater as proton sources also allowed an impressive H2O2 generation rate(2.78 mmol g-1 h-1),thereby this outcome was of great significance to the rainwater utilization.This work contributed an in-depth understanding of piezo-photocatalytic O2 reduction and provided an alternative way for the development of porphyrinic MOFs heterojunctions for synthesis of H2O2.

Porphyrin MOFg-C3N4H2O2Piezo-photocatalysisMechanism

孟令辉、赵晨、楚弘宇、李渝航、付会芬、王鹏、王崇臣、黄洪伟

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北京建筑大学环境与能源工程学院,建筑结构与环境修复功能材料北京市重点实验室,北京 100044

中国地质大学(北京)材料科学与技术学院矿物材料国家实验室,资源地质碳储存与低碳利用教育部工程研究中心,非金属矿产与固体废物材料利用北京市重点实验室,北京 100083

卟啉-金属有机骨架 氮化碳 过氧化氢 压电-光催化 机理机制

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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):2024.59(4)