水溶性碳点促进石墨相氮化碳光催化水分解产氢
2022-12-19
摘要：中国科学院青岛生物能源与过程研究所的裴广贤副研究员与山东大学（青岛校区）合作，通过将水溶性CDs引入到Pt/g-C3N4光催化反应体系中，最终使得整个体系对可见光（> 420 nm）催化水分解产氢性能提高了两倍
光催化水分解产氢是将太阳能转化为可再生能源存储起来的重要过程之一，也是缓解当前环境和能源问题的理想途径之一。在众多光解水催化剂中，石墨相氮化碳（g-C3N4）由于其具有合适的导/价带位置、较窄的带隙和优异的热稳定性等优点，在光解水产氢体系中展现了一定的应用潜力，已成为一种很有前途的利用可见光催化水分解产氢的光催化剂。然而，由于光激发产生的电子会被束缚在体相g-C3N4中而不能参与析氢反应，从而降低了光生电子的利用率，是导致其目前光解水产氢性能较低的主要原因之一。碳点（CDs）近些年被报道可以用来提高光催化材料的催化性能，但是对其提高光催化性能的机制尚缺少深入的研究。
近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所的裴广贤副研究员与山东大学（青岛校区）合作，通过将水溶性CDs引入到Pt/g-C3N4光催化反应体系中，最终使得整个体系对可见光（> 420 nm）催化水分解产氢性能提高了两倍。而且整个体系具有非常好的循环稳定性，过夜后光解水产氢催化性能没有降低的趋势。
可见光范围内（400、450、500、520和550 nm）的量子产率测试结果显示，CDs的引入不仅提高了整个体系对原有可见光（400、450和500 nm）下的光解水产氢性能，并且扩大了其对可见光的吸收范围，引入CDs后的反应体系在520 nm可见光照射下依然具有光解水产氢性能。
图1. (a) 光解水产氢性能对比， (b) 引入CDs的体系循环稳定性。
采用时间分辨荧光光谱对引入CDs后g-C3N4的光生电荷动力学行为研究显示，CDs可以起到光敏化剂的作用，将光生电子转移到Pt/g-C3N4表面，促进析氢反应的发生。光谱拟合结果显示，CDs的加入有效提高了g-C3N4中光生电子的转移效率，进而促进了光生电子在体相g-C3N4中的传输。
图2. 时间分辨荧光光谱测试各体系激发态动力学结果。
该工作中，水溶性CDs受光激发后产生电子并转移到Pt/g-C3N4表面，促进光生电子在Pt/g-C3N4表面的消耗，即促进产氢反应的发生，从而使得更多的电荷从体相g-C3N4转移到其表面，缓解了光生电子在体相g-C3N4中的束缚作用。而这种促进光生电子转移的过程同时会促使g-C3N4发生能带弯曲，进一步促进光生电荷的传输，并抑制光生电荷的复合。
图3. （a）引入CDs后促进光生电荷传递机理，（b）促进光生电子传递引起的g-C3N4能带弯曲。
将太阳能转化为氢能储存起来的过程，被认为是解决能源危机和环境污染问题的理想途径之一，并受到人们的广泛关注。从根本上研究光催化反应机理、理解光催化反应过程、理性构建高效光催化剂对设计高效且经济的光催化体系具有重要的指导意义。该工作中以引入水溶性CDs促进g-C3N4光解水产氢性能作为研究对象，研究中发现的电荷转移行为与其对应的光催化活性之间的关系，将为碳基光催化材料的光生电荷分离动力学行为和活性提升提供新的认识。
论文信息
Solar Hydrogen Generation over Carbon Nitride Photocatalyst Promoted by Water-Soluble Carbon Dots
Zhongyi Wang, Dr. Guang Xian Pei, Dr. Haifeng Qi, Shengxin Zhang, Dr. Chengcheng Liu, Dr. Zhen Li, Prof. Keli Han
文章第一作者为山东大学博士生王忠义
ChemPhotoChem
DOI:10.1002/cptc.202200176
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