背景介紹
過氧化氫（H2O2）作為一種綠色氧化劑，被廣泛應用于化學合成、環(huán)境治理、醫(yī)藥等領域，市場需求量巨大。H2O2 也可作為一種清潔燃料用于H2O2燃料電池，其能量密度甚至可與壓縮氫氣相媲美。目前，工業(yè)上H2O2的制備主要依賴于傳統(tǒng)蒽醌氧化法，具有工藝復雜、能耗大等不足。近年來，光催化H2O2合成受到研究者越來越多的關注。該方法利用太陽光作為清潔能源，通過二電子氧還原實現(xiàn)在溫和條件下H2O2的制備，被認為是一種極具應用前景的綠色可再生的H2O2生產(chǎn)途徑。開發(fā)穩(wěn)定、高效的光催化劑是該領域研究的重點。C3N4作為一種廉價的聚合物半導體材料，在光催化H2O2合成領域展現(xiàn)出良好應用前景。然而其較低的光催化效率和欠佳的穩(wěn)定性嚴重制約其實際應用。盡管人們可通過引入多孔結(jié)構(gòu)、制造缺陷或雜原子摻雜等手段在一定程度上提高其催化效率，但單一使用某一策略的效果并不理想，大多數(shù)C3N4光催化劑的H2O2生產(chǎn)效率仍然低于1000 μmol?g?1?h?1。
成果簡介 近日，蘇州大學李彥光課題組報道了一種多尺度的材料設計策略，同時將形貌控制、缺陷工程和堿金屬摻雜應用到C3N4催化劑的改性當中，有效提升C3N4中光生載流子的分離及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其光催化H2O2生成效率高達3080 μmol?g?1?h?1，且能連續(xù)穩(wěn)定15小時性能無衰減，并最終得到的H2O2濃度達到45.5 mM。材料通過將三聚氰胺/三聚氰酸自組裝前驅(qū)體和一定量NaOH混合，經(jīng)高溫煅燒制得。研究表明，樣品是由大量C3N4薄納米片狀堆積而成，形成具有開放孔結(jié)構(gòu)的球狀形貌。借助FT-IR、NMR以及XPS等譜圖分析，進一步證實由于NaOH在高溫下的刻蝕作用，使C3N4骨架中七嗪環(huán)單元發(fā)生部分分解，從而引入了結(jié)構(gòu)缺陷，并同時將Na離子嵌入晶格當中，形成具有N缺陷、Na摻雜和多孔微球結(jié)構(gòu)的C3N4催化劑（DCNS），實現(xiàn)對材料“三合一”的改性。一系列光物理表征結(jié)果表明，相較于未改性C3N4和未摻雜的CNS樣品，DCNS展現(xiàn)出更加高效的電荷分離效率。在光催化性能測試中，DCNS的光催化產(chǎn)H2O2速率達到了3080 μmol?g?1?h?1，分別是C3N4和CNS的 11倍和4倍，其表觀量子效率（AQY）在420nm處達6.8%，該性能優(yōu)于已報道的絕大多數(shù)C3N4催化劑。此外，DCNS還展現(xiàn)出十分突出的光催化穩(wěn)定性。在連續(xù)4個循環(huán)測試中，DCNS仍能保持最初的光催化活性。在長時間反應中，H2O2產(chǎn)量能夠在15 h內(nèi)保持連續(xù)線性增長，最終濃度達到45.5 mM，這是目前已知在光催化體系中所獲得的最高H2O2濃度，其有望直接應用于H2O2燃料電池或者醫(yī)用殺菌試劑。 作者簡介 李彥光，1982年出生，2010年獲美國俄亥俄州立大學化學系博士學位。2010–2013年在美國斯坦福大學從事博士后研究?，F(xiàn)任蘇州大學功能納米與軟物質(zhì)研究院教授。主要研究方向包括：電催化、光催化、新型化學電池。到目前為止，共發(fā)表學術論文140多篇，論文總他引3萬余次。獲中國化學會青年化學獎、中國電化學青年獎等。在2017–2020年連續(xù)入選科睿唯安“全球高被引學者”榜單（材料、化學）。 黃偉，2017年于德國馬普高分子研究所獲博士學位，現(xiàn)任蘇州大學功能納米與軟物質(zhì)研究院副教授（蘇大優(yōu)秀青年學者）。主要從事多孔聚合物半導體材料的合成及其光催化應用研究。目前已在Angewandte. Chemie，Materials Today, ACS Catalysis等期刊發(fā)表學術論文20余篇。 課題組主頁：http://www.ligroup.com.cn/ 文章信息 Qing He, Bounxome Viengkeo, Xuan Zhao, Zhengyuan Qin, Jie Zhang, Xiaohan Yu, Yongpan Hu, Wei Huang* & Yanguang Li*. Multiscale structural engineering of carbon nitride for enhanced photocatalytic H2O2 production. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3882-1.
