鑒于通常制備的g-C3N4光生電荷復(fù)合率高、活性位點(diǎn)少、氧化能力差等問(wèn)題，而且大多數(shù)g-C3N4只有在助催化劑和犧牲劑的共同作用下才能有效光催化析氫或CO2還原。因此，實(shí)現(xiàn)g-C3N4光催化全反應(yīng)，仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。近日，中國(guó)空間技術(shù)研究院姜文君副教授、南京信息工程大學(xué)滕飛教授、西北工業(yè)大學(xué)楊勇教授團(tuán)隊(duì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)重構(gòu)g-C3N4納米片的方法，氮?dú)鈿夥障潞?jiǎn)單煅燒硼氫化鈉和g-C3N4納米片，在保證g-C3N4的導(dǎo)帶足夠的還原驅(qū)動(dòng)力同時(shí)，增強(qiáng)了g-C3N4的價(jià)帶的氧化驅(qū)動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)了g-C3N4光催化全反應(yīng)應(yīng)用。與體相g-C3N和常規(guī)和g-C3N4納米片比較，結(jié)構(gòu)重整的碳氮烯（R-CNS-400）價(jià)帶氧化電勢(shì)明顯增加，導(dǎo)帶還原電勢(shì)小幅降低，仍可有效還原CO2，從而實(shí)現(xiàn)碳氮烯光催化全反應(yīng)應(yīng)用；同時(shí)，結(jié)構(gòu)重整的R-CNS-400載流子濃度比體相g-C3N4和g-C3N4納米片，分別提高了15.6倍和10倍，高的載流子濃度，明顯提高了電荷傳輸效率。▲圖1. 結(jié)構(gòu)重整碳氮烯能帶表征
2、結(jié)構(gòu)重整機(jī)理研究
g-C3N4骨架中的-NH2和-NH-基團(tuán)，被硼氫化鈉釋放的氫還原為氨，并伴有=CH-基團(tuán)和C-C鍵形成，重構(gòu)了g-C3N4的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)重構(gòu)，導(dǎo)致更多C-C鍵形成，這有助于優(yōu)化π-共軛庚嗪環(huán)骨架面內(nèi)的電荷分離，電荷分離性能的顯著改善。
▲圖2.能帶結(jié)構(gòu)、差分電荷密度和CO2還原吉布斯自由能
3、結(jié)構(gòu)重構(gòu)g-C3N4的光催化性能研究
在沒(méi)有任何助催化劑和犧牲劑的情況下，結(jié)構(gòu)重構(gòu)的g-C3N4上對(duì)CO選擇性達(dá)98.9%，CO生成速率分別為體相g-C3N4和g-C3N4納米片的10倍和3倍。R-CNS-400在實(shí)現(xiàn)高效還原CO2同時(shí)，協(xié)同實(shí)現(xiàn)了高選擇性氧化苯甲醇為苯甲醛，苯甲醛選擇性達(dá)99.3 %，苯甲醛產(chǎn)率達(dá)59.6 %，實(shí)現(xiàn)了g-C3N4光催化全反應(yīng)。▲圖3. g-C3N4光催化全反應(yīng)性能測(cè)試
本文通過(guò)簡(jiǎn)單煅燒方法，成功地實(shí)現(xiàn)CNS的結(jié)構(gòu)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了g-C3N4光催化全反應(yīng)，在燃料和高附加值化學(xué)品生產(chǎn)方面，具有重要的前景。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金(22002185)、南京龍山學(xué)者創(chuàng)新計(jì)劃(20202511)、北京自然科學(xué)基金(2204100)、陜西省自然科學(xué)基金 (2020JQ-143)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 (2020YFA0710304)、民用航天技術(shù)研究項(xiàng)目(B0108)、中國(guó)空間技術(shù)研究院錢學(xué)森創(chuàng)新基金對(duì)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 panelPublished in: Applied Catalysis B-Environmental, https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120517https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337321006433
