姜文君、滕飞、杨勇团队:碳氮烯结构重组调控电子结构:协同实现选择性氧化苯甲醇和还原CO2

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研究背景



鉴于通常制备的g-C3N4光生电荷复合率高、活性位点少、氧化能力差等问题,而且大多数g-C3N4只有在助催化剂和牺牲剂的共同作用下才能有效光催化析氢或CO2还原。因此,实现g-C3N4光催化全反应,仍然是一个很大的挑战。
 
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文章简介


近日,中国空间技术研究院姜文君副教授、南京信息工程大学滕飞教授、西北工业大学杨勇教授团队,通过结构重构g-C3N4纳米片的方法,氮气气氛下简单煅烧硼氢化钠和g-C3N4纳米片,在保证g-C3N4的导带足够的还原驱动力同时,增强了g-C3N4的价带的氧化驱动力,最终实现了g-C3N4光催化全反应应用。

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研究内容


1、结构重整表征
与体相g-C3N和常规和g-C3N4纳米片比较,结构重整的碳氮烯R-CNS-400)价带氧化电势明显增加,导带还原电势小幅降低,仍可有效还原CO2,从而实现碳氮烯光催化全反应应用;同时,结构重整的R-CNS-400载流子浓度比体相g-C3N4g-C3N4纳米片,分别提高了15.6倍和10倍,高的载流子浓度,明显提高了电荷传输效率。
 
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▲图1. 结构重整碳氮烯能带表征
 


2、结构重整机理研究

g-C3N4骨架中的-NH2和-NH-基团,被硼氢化钠释放的氢还原为氨,并伴有=CH-基团和C-C键形成,重构了g-C3N4的内部结构结构重构,导致更多C-C键形成,这有助于优化π-共轭庚嗪环骨架面内的电荷分离,电荷分离性能的显著改善。


 
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▲图2.能带结构、差分电荷密度和CO2还原吉布斯自由能


3、结构重构g-C3N4光催化性能研究


在没有任何助催化剂和牺牲剂的情况下,结构重构的g-C3N4上对CO选择性达98.9%,CO生成速率分别为体相g-C3N4和g-C3N4纳米片的10倍和3倍。R-CNS-400在实现高效还原CO2同时,协同实现了高选择性氧化苯甲醇为苯甲醛,苯甲醛选择性达99.3 %,苯甲醛产率达59.6 %,实现了g-C3N4光催化全反应。

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▲图3. g-C3N4光催化全反应性能测试

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总结与展望


本文通过简单煅烧方法,成功地实现CNS的结构重构,实现了g-C3N4光催化全反应,在燃料和高附加值化学品生产方面,具有重要的前景。

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致谢


感谢国家自然科学基金(22002185)、南京龙山学者创新计划(20202511)、北京自然科学基金(2204100)、陕西省自然科学基金 (2020JQ-143)、国家重点研发计划 (2020YFA0710304)、民用航天技术研究项目(B0108)、中国空间技术研究院钱学森创新基金对本研究的支持。 

Authors: Zailun Liu, Zejun Zhao, Wenjun Jiang*, ZiXiao Zhu, Yuhong Wang, Zhe Liu, Wenhao Gu, Yang Yang, Yong Yang*, Liwu Zhang, Wei Yao, FeiTeng*, 2021, 298, 120517.
Title: Structural reconstruction of carbon nitride with tailored electronic structure: A bifunctional photocatalyst for cooperative artificial photosynthesis and selective phenylcarbinol oxidation Author links open overlay panel
Published in: Applied Catalysis B-Environmental, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120517

原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337321006433




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