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高选择性H2O2光合成:Ba原子注入面内高度有序结晶结构的g-C3N4纳米棒

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过氧化氢(H2O2)是一种重要的绿色氧化剂,在医疗、军工、食品和绿色化学合成等领域有着广泛应用.然而,传统蒽醌法合成H2O2存在能耗高、污染严重等问题.光催化合成H2O2技术,利用来源丰富的太阳能实现氧气的两电子还原,被认为是替代蒽醌工艺的理想方案.石墨相氮化碳(g-C3N4)因具有成本低、化学性质稳定和电子结构易调等优点,在光催化合成H2O2方面展现出很大潜力.但传统g-C3N4的面内结晶度低,且对两电子氧还原反应的选择性差,这极大地限制了其光合成H2O2效率.为解决这一难题,本文合理设计了一种新策略:将钡(Ba)原子注入面内高度有序结晶结构的g-C3N4纳米棒(BI-CN),在增强g-C3N4的面内结晶度的同时,进一步提高其对两电子氧还原反应的选择性.本文采用BaCl2诱导的面内聚合策略,实现了Ba原子注入的面内高度有序结晶结构g-C3N4纳米棒的可控合成.在合成过程中,三聚氰胺分子选择性地吸附在BaC12的(200)晶面,并与暴露在BaCl2表面的Ba原子形成Ba-N键.这种强相互作用诱导了三嗪结构单元的定向富集和聚合,从而形成面内有序结晶结构的g-C3N4结构.同时,Ba原子通过Ba-N键稳定地锚定在g-C3N4结构中,构建了Ba原子注入的面内高度有序结晶结构的g-C3N4纳米棒.实验和理论计算结果表明,由于Ba原子和N原子的电负性差异,电子从Ba原子迁移到N原子,形成缺电子的Ba活性位点.注入的Ba原子起到正电荷中心的作用,氧气分子以Pauling构型稳定地吸附在Ba原子上,该吸附构型使得O-O键不易断裂并增强了*OOH中间体的稳定性,从而抑制了四电子氧还原生成水的反应,有效地提高了两电子氧还原的选择性,最终实现高效的光催化H2O2合成.其中,最优的BI-CN3(三聚氰胺和BaCl2质量比为9∶2)光催化生成H2O2的速率达到353 μmol L-1 h-1,是原始g-C3N4的6.1倍,且表现出良好的光催化循环使用性能.同时,BI-CN3光催化剂表现出更强的表面光电压信号、光电流信号以及更低的荧光强度,表明其具有更强的光生电荷分离和迁移效率.综上,本文不仅为构建具有面内高结晶度和原子级活性位点的g-C3N4光催化剂提供了一种新策略,还为提高两电子氧还原反应的选择性提供了新思路,可为光催化H2O2的高效、绿色合成提供了参考.
Towards highly-selective H2O2 photosynthesis:In-plane highly ordered carbon nitride nanorods with Ba atoms implantation
Graphitic carbon nitride(g-C3N4)shows great potential in photocatalytic H2O2 production.However,challenges arise from its low in-plane crystallinity and selectivity in two-electron oxygen reduction reaction(2e--ORR),greatly limiting its H2O2 photosynthesis efficiency.Herein,we develop an ingenious strategy to simultaneously increase the in-plane crystallinity and induce the highly-selective 2e--ORR by rationally designing barium(Ba)atom-implanted in-plane highly ordered g-C3N4 nanorods.The approach involves controllable synthesis of in-plane high crystallinity g-C3N4 nanorods with Ba implantation(BI-CN)using a BaCl2-mediated in-plane polymerization strategy.The unique Ba-N interaction induces the oriented polymerization of 3-s-triazine units to form well-arranged in-plane structures.Experimental and theoretical calculations clarify that the implanted Ba atoms function as positive charge centers,resulting in a Pauling-type O2 adsorption configuration.This minimizes O-O bond breaking energy,thus suppressing the four-electron oxygen reduction reaction(4e--ORR)and facilitating a highly-selective 2e--ORR pathway for efficient photocatalytic H2O2 production.Consequently,the optimized BI-CN3 photocatalyst exhibits an outstanding H2O2 production rate of as high as 353 pmol L-1 h-1,surpassing the pristine g-C3N4 by 6.1 times.This study concurrently optimizes the in-plane crystallinity and O2 adsorption sites of g-C3N4 photocatalysts for highly-selective H2O2 production,providing innovative insights for designing efficient photocatalysts with diverse applications.

Hydrogen peroxide photosynthesisCarbon nitrideBa implantationHighly-selective 2e--ORRIn-plane crystallinity

孟爱云、马辛源、温达、钟威、周双、苏耀荣

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深圳技术大学新材料与新能源学院,广东深圳 518118

H2O2光合成 石墨相氮化碳 Ba原子注入 高选择性两电子氧还原 面内高结晶度

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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):2024.60(5)
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