清华大学安晓强等ACS ES&T Eng.:氢合成富缺陷结晶氮化碳——双向电荷迁移助力光催化反应

摘要:清华大学环境学院水质与水生态中心研究人员开发了一种具有高效激子解离和快速电子转移的超薄氮化碳纳米片,其活性分别比单独的光催化和传统块状氮化碳光活化过硫酸盐提高9.2和18.4倍。

英文原题:Hydrogen-Induced Defective Crystalline Carbon Nitride with Enhanced Bidirectional Charge Migration for Persulfate Photoactivation

图片

通讯作者:安晓强,清华大学

作者:Huachun Lan, Qingwen Tang, Zhiang Hou, Zhiang Hou, Kai Zhu, Xiaoqiang An*, Huijuan Liu, and Jiuhui Qu


图片


近日,清华大学环境学院水质与水生态中心研究人员开发了一种具有高效激子解离和快速电子转移的超薄氮化碳纳米片。这种氮化碳和过硫酸盐氧化剂的协同作用表现出优异的双酚A降解效率,其活性分别比单独的光催化和传统块状氮化碳光活化过硫酸盐提高9.2和18.4倍




基于过硫酸盐氧化的高级氧化工艺(AOP)由于在更宽的pH范围内产生具有更强氧化电位(2.6 V) 硫酸根自由基,成为近年来催化研究的热点领域。在许多活化分解过硫酸盐以产生自由基的策略中(紫外线、热、超声波等),多相光催化剂和活化过硫酸盐由于在可持续太阳能的帮助下协同氧化有害污染物,引起了人们的高度关注。其中,石墨氮化碳(g-C3N4)具有良好的热稳定性和化学稳定性,独特的电子结构和较好的可见光响应,最近在环境光催化中被广泛应用。然而,通过传统的热冷凝法制备的块状g-C3N4对过硫酸盐活化活性较差,这主要是由π-π堆叠层间的激子解离困难和非晶结构的片层内缓慢电子转移引起的。


为了解决上述问题,清华大学环境学院水质与水生态中心安晓强副研究员等采用三聚氰胺在氢气气氛下的热聚合方法制备出超薄氮化碳纳米片,提高了氮化碳的结晶度,同时产生大量氮空位作为活性位点,并破坏层内氢键以提高活性。具有缺陷晶体结构的纳米片能够促进堆叠超薄层之间的激子解离,并加速片层内的电子转移。随着双向电荷迁移的改善,氢诱导的缺陷结晶氮化碳与过硫酸盐氧化剂协同作用,对光降解双酚A表现出优异的活性,与通过传统块状堆积氮化碳光活化的过硫酸盐相比,净化率提高了18.4倍。实验表征和理论计算验证了缺陷和晶体结构在协同反应中的决定性作用。


图片

图1:缺陷结晶超薄氮化碳纳米片的晶体结构和形貌。


与传统块状氮化碳相比,具有缺陷的结晶超薄氮化碳纳米片由于具有相邻单层之间强烈的范德华引力,导致堆积距离被压缩,展现为具有皱纹边缘的2-D纳米片。高分辨率TEM中明显的晶格说明结晶性增强。同时,0.31 nm的晶格条纹远小于传统块状氮化碳的0.326 nm,进一步证明了堆叠内层的距离缩短。


图片

图2: 缺陷结晶超薄氮化碳纳米片的结构表征。


XPS测试表明,三聚氰胺在氢气气氛下热聚合过程中部分氮原子损失,双配位吡啶N位点形成氮空位。同时,端氨基/亚胺基团的含量上升表明,氢气不仅可以为将氮化碳蚀刻成缺陷结构提供活性气氛,而且还可以通过氨基/酰亚胺基团为结晶提供层内瓜链交联的必要质子。值得一提的是,这种氢化的氮不易形成氢键,避免了对电荷转移的有害影响。由于芳香环的p电子沿Z方向的脱域,富缺陷的结晶氮化碳纳米片表现出明显增强的ESR信号。此外,由于产生的缺陷离域电子增强了π-π共轭效应,氢气处理氮化碳的固体核磁图谱的C2峰随着屏蔽效应的降低,向较低的场偏移。研究通过简单的氢辅助策略成功构建了堆积距离减小、氢键断裂和缺陷位点的超薄氮化碳纳米片。


图片

图3: 缺陷结晶超薄氮化碳纳米片的催化性能。


在模拟太阳光下,具有双向电荷转移的缺陷结晶氮化碳表现出优异的过硫酸盐活化光活性,水中双酚A污染物降解速率常数达到0.367 min-1,其活性分别比单独的光催化和通过传统块状氮化碳光活化过硫酸盐提高9.2倍和18.4倍,远高于基于二氧化钛、二氧化硅、锡酸锌和MOF等活化过硫酸盐的相关报道。


图片

图4:氮化碳活化过硫酸盐的DFT计算模拟。


密度泛函理论(DFT)计算表明,过硫酸盐在氮化碳上的吸附是一个自发的放热过程,具有氮空位的结晶氮化碳显示出比传统的块状堆积氮化碳更大的过硫酸盐吸附能。就整体电荷变化而言,电子更容易从缺陷结晶氮化碳的N原子转移到过硫酸盐的O原子。此外,由于N空位的形成在带隙中产生了一个新的能量状态,这为提高氮化碳中的光子利用率和电子迁移带来了更多的机会。


综上所述,本文采用独特的氢气气氛来合成具有快速双向电荷转移的缺陷结晶氮化碳用于光催化应用。DFT计算和实验表征证实,缩短的层间堆积距离和活性氮空位大大改善了激子解离和电荷分离能力,有助于高效的光活化过硫酸盐激活污染物的降解。这项工作为合成高性能C3N4基纳米催化剂提供了一种简便的方法,为克服结晶度控制和缺陷调节之间的权衡提供了新的思路。


相关论文发表在ACS ES&T Engineering上,清华大学兰华春副教授为文章的第一作者,清华大学安晓强副研究员为通讯作者。


来源:ACS美国化学会,作者:ACS Publications



查看更多
相关阅读
热门标签
光催化析氢反应器 JACS 光催化氧化 常州光化学反应仪价格 光催化实验 光催化脱硫反应釜 光化学反应仪说明书 微反应器 可见光催化烯烃双官能团化反应 天津光化学反应仪 光流体微反应器报价 氮杂环丙烷 光化学反应仪LED光源 光催化1,2-氨基醇合成 基于芳基噻蒽鎓盐的烯烃 光催化分解水制氢 磺胺嘧啶 溴烷基化反应 武汉光化学反应仪价格 光催化产业化 水裂解 烯丙基sp3 C–H键烷基化 光催化合成N-烷基苯胺 光催化析氢设备 喹啉 朴玲钰 光催化还原法 光催化析氢有机耦联反应 上海光化学反应釜 香港城市大学 光催化降解四环素 光催化降解装置 光化学反应仪常见问题 光催化还原重金属离子 国内光化学反应仪 北京光化学反应仪 光化学反应仪时间设置 光氯化反应釜定制 光电催化 大容量光化学反应仪 光催化烯烃的溴烷基化反应 光催化胺烷基化 光化学反应仪功率 常州光化学反应仪厂家 光催化生物质脱氢 二芳基二氢吩嗪基多孔有机聚合物 三氯甲基化反应 光催化酰胺化反应 光催化降解有机物 光催化合成C₂H₆ 光催化芳基环丙烷和硝酮偶极环加成反应 可见光催化二氯化 邻苯二甲酰亚胺自由基 糠醛 多功能光化学反应仪 光催化空气净化 高通量光反应仪厂家 急需光化学反应仪 光催化反应原理 芳香烯烃高效氧化裂解 光催化丙酮偶联制备2,5-己二酮 光化学反应釜报价 光催化有机合成 大容量光化学反应仪价格 光催化 上海多试管光化学反应仪 光驱动耦合催化CO2还原为合成气 光化学反应仪进口风险 光催化降解 光催化合成α-硼基醛 郑州光化学反应仪报价 光化学反应仪器厂家 中国矿业大学 高通量光反应仪报价 光化学反应仪 光催化CH4制C2H4 光化学反应仪哪家好 芳香族异硫氰酸酯 常温常压光解塑料 光催化胺化 光催化环丙烷的去消旋化 光氧化 光化学反应仪光源选择 重庆大学 光氧化还原催化芳香醚氢解 光化学反应釜类型 紫外光化学反应仪 电化学 有机光光合成过氧化氢 光催化制氨基酸 磺胺甲恶唑抗生素 光催化交流研讨会 红外区光化学反应仪 光化学反应仪贵吗 光催化技术 多位光化学反应仪报价 三甲基氯硅烷 光化学反应仪设备 烯烃 光催化甲烷 光催化烯烃异构化 武汉光化学反应仪厂家 光催化还原制酮 可见光催化穿梭二溴化 光催化水净化器 光催化水分解产氢 光催化合成 新加坡国立大学 丙烯酰苯胺自由基环化反应 光催化尾气分解 光流体微反应器 非均相光催化 光催化炔烃生产伯醇 光催化合成乙烷 武汉大学 光催化析氢实验装置 可见光催化葡萄糖 光反应器光源 光化学反应仪哪家性价比高 多功能光反应仪 光化学反应仪规格 可见光驱动有机转化 臭氧氧化 光铜共催化的自由基脱羧偶联反应 光催化苯甲醚酰胺化 高精密光化学反应仪厂家 光催化有机污染物矿化 甲烷 北京理工大学 海南光化学反应仪 光催化苯甲醚 香港大学 光催化析氢装置 多试管光化学反应仪厂家 光催化合成2-哌啶酮 复旦大学 Nature 光化学反应仪波波长选择 光催化末端烯烃 西安交通大学 光催化甲烷无氧偶联制乙烯 光化学反应仪哪个品牌好 钙钛矿光催化剂 二维富勒烯 光催化苯甲醚酰胺化反应 光催化制氢产率 光催化硫醚化反应 光催化实验设备 光催化合成反应釜 光化学反应仪器生产厂家 多光源光化学反应仪 有机光催化合成2-哌啶酮 光化学合成 厦门大学 光催化制备2,5-己二酮 光催化配套设备 平行光反应仪厂家 光催化降解有机污染物 光催化丙烯醛自由加成反应 加州理工大学 有机合成 光催化三氟乙酰化反应 光催化过氧化氢 光化学反应仪多少钱 光化学反应仪地区分布 二硫化物光化学合成 光化学反应仪厂家排名 光催化芳香醚氢解 硼化 氨基悬链烯烃 前景 吉林大学 光化学反应釜价格 铀酰光催化烯烃氧化裂解 北京光化学反应仪报价 磁力搅拌器 氟聚合物 异相光催化氯化苄自偶联 去芳香性戊烯基化反应 国产光化学反应仪 光催化甲烷制甲醇 光催化芳基环丙烷 光化学反应仪用途 光催化烷基溴三氟乙酰化反应 中国科学院 可见光催化还原炔丙基化反应 光催化N-苯基哌啶β-C(sp³)–H酰胺化反应 南京光化学反应仪哪家好 贵州大学 脂肪族异硫氰酸酯 大连工业大学 光降解反应釜 光催化糖类转化制备5-羟甲基糠醛 光催化末端烯烃生产伯醇 光催化合成轴手性N-芳基吡咯 光催化还原 南京光化学反应仪选哪个品牌 光催化制H2O2 光氯化反应釜厂家 有机化合物脱氢偶联 LED光化学反应仪 布里斯托大学 马来酰亚胺衍生物 光催化烯烃 二氟烷基自由基加成 华中科技大学 光催化炔烃 光催化伯胺类化合物 多相光催化 南京光化学反应仪 多电子 平行光反应仪厂家排名 光催化合成苯并噻唑衍 光催化合成烯丙基硅化合物 光催化制氢 光催化合成C4化合物 光化学反应仪维护 Science 光流体微反应器厂家 太阳能驱动耦合催化CO2还原为合成气 自由基加成反应 光催化缺电子吲哚衍生物 光催化降解亚甲基蓝 光催化生成2-吲哚酮 光催化合成酰基酮产物 高压光化学反应釜厂家 氮化硼 齐齐哈尔大学 复旦大学张立武 精密光化学反应仪 天津大学雷圣宾教授课题组 光催化炔烃合成N-芳基吡咯类化合物 光催化甲苯 OER 邻苯二甲酰亚胺 可见区光化学反应仪 光催化脱氢还原 郑州光化学反应仪厂家 光化学反应仪精度 阿德莱德大学 光催化还原反应釜 钍簇 多试管光化学反应仪 光催化磺胺嘧啶降解 溴二氟烷基 多相光催化氧化降解TMP 光催化制苯甲酸 海南光化学反应仪厂家 可见光催化伯胺类化合物 工业级光化学反应仪 光流体反应器 可换光源 光电共催化 可见光催化氧化脱氢 光催化氧化技术 国内光化学反应仪现状 光催化矿化产物 CO2 转化为 CO 光催化氯化苄自偶联反应 四川大学 光催化合成苯甲酸 拉曼区光化学反应仪 光催化Meerwein型溴芳基化反应 光催化合成H2O2 光氯化反应釜 光催化降解仪器 丙酮光催化脱氢偶联制备2,5-己二酮 上海光化学反应仪 光化学反应釜 光催化三氯甲基烯烃内酯化 光化学 溴代烷烃 光化学反应仪使用指南 南方科技大学舒伟 光催化剂种类 多相光催化氧化降解废水中抗生素 光化学反应仪价格 平行光化学反应仪 近红外区光化学反应仪 光催化制合成三氟甲基酮 北京大学 光催化制乙烷 高压光化学反应釜报价 多试管光化学反应仪价格 光催化反应釜 可见光催化合成苯酚 华东理工大学 光催化胺烷基化反应 光化学反应釜厂家 光催化自由基脱羧偶联反应 光化学反应仪进口 实验室级光化学反应仪 光催化合成含硼杂环化合物 中国地质大学 山东大学 可见光催化 中山大学 光催化水分解 可见光催化从环己酮 EDA 复合物 光氧化还原 光催化析氢 芝加哥大学 CO2光催化还原 多位光化学反应仪厂家 剑桥大学 加州大学伯克利分校 海南光化学反应仪价格 浙江大学 郑州大学 光催化制氢反应仪 紫外光化学反应仪多少钱 康奈尔大学 光催化塑料降解 光化学反应仪波波长 多相光催化氧化降解抗生素 光反应釜 光催化制乙烯 光催化降解法 光催化脱羧反应 同济大学 加州大学洛杉矶分校 合成气和烯丙基sp3 C–H键的选择性芳基化/烷基化 光催化还原六价铬 ghx光化学反应仪 光化学反应仪生产厂家 光催化氧化氮氧化物 光催化制甲醇 插烯反应 光催化CO2还原 光催化有机污染物降解 光化学反应仪选购 偕溴代硝基环丁烷 光化学反应仪应用 光流体微反应器多少钱 上海光化学反应仪报价 可见光催化芳香烯烃氧化裂解 安徽大学 宾夕法尼亚大学 光催化降解磺胺甲恶唑抗生素 高压光化学反应釜 Au-CeO2 洛桑联邦理工学院 陕西科技大学 紫外光化学反应仪厂家 国产光化学反应仪厂家 可见光催化葡萄糖产HMF 光催化H2O2 普林斯顿大学 光催化还原CO2 光催化氧化法 光催化降解技术 实验室光催化反应釜 多位平行反应釜 工业级光催化降解反应釜 光化学反应仪怎么选择 黄素光催化去饱和与环氧反应 光催化还原制烯烃 国产光化学反应仪公司 光化学反应仪光源分类 PHECOO 金属笼光催化制氢 光催化Meerwein型溴芳 大容量光化学反应仪厂家 光催化应用 硝基芳烃 清洁可再生能源化学合成 光催化产氢 N-烷基苯胺 广东工业大学 酮烯胺 光催化降解反应釜 光催化水消毒 羧酸 β-内酰胺 南开大学 光化学反应仪转速 西湖大学 光催化合成三氟甲基酮 光化学反应仪哪家比较靠谱 偶联 亚甲基蓝 工业级光流体反应器 光催化水分解制氢 光催化制α‑叔伯胺 光催化剂选择 南京理工大学 光催化合成过氧化氢 多光源光化学反应仪报价 多试管光化学反应仪多少钱 华南师范大学 ​Angew 实验室光反应釜 光催化降解环丙沙星 光催化甲苯氧化 华中师范大学 光合成 光反应器LED光源 福州大学 天津光化学反应仪厂家 光化学反应仪报价 光催化制氢设备 微通道反应器 羧化反应 叠氮化物 光生电荷 CO2还原 多光源光化学反应仪厂家 哈尔滨工业大学 光化学反应仪厂家 水制氢 光催化硅基羧酸化合物 光化学反应釜如何选择 东京大学 bromide 上海光化学反应仪厂家 氢烯基化 光催化α-叔碳伯胺合成 上海大学 板式微通道反应器 光化学反应仪光源 烯丙基sp3 C–H键的选择性芳基化 光反应器点光源 偶氮苯 华南理工大学 自由基 光化学衍生装置 曼彻斯特大学 光化学反应仪市场 光催化磺胺嘧啶 光催化反应釜厂家 高精密光化学反应仪报价 光催化胺烷基化构建α‑叔伯胺 常州光化学反应仪 光催化合成α‑叔伯胺 光化学反应仪选哪家 光催化氧化还原 光催化氧化糠醛 马来酰亚胺 开普敦大学 g-C3N4 高精密光化学反应仪 ghx光化学反应仪优势 光催化降解设备 江苏大学 纳米光催化剂 光催化产氢装置 光化学反应仪市场分布 大连理工大学 双供体-受体有机网络光合成过氧化氢 中国科学技术大学 光合成生物学 XPA光化学反应仪 光催化丙酮 光催化苯甲醚类化合物 光催化芬顿降解 上海光化学反应仪厂家排名 平行光反应仪品牌 聚合物 寡聚物 天津光化学反应仪报价 光催化还原技术 光化学反应仪采购 光催化氧化反应釜 烯烃二卤化 光催化硝酮 有机 金属氧化物光催化剂 武汉光化学反应仪 多位光化学反应仪 光催化反应器 光催化N-苯基哌啶的去饱和 β-C(sp3)–H酰胺化方法 光化学反应仪使用说明书 光催化环丙烷 清华大学 多功能光化学反应仪器 平行光反应仪 可见光催化醛的不对称还原炔丙基化反应 叔烷基胺 光催化氧化二氧化硫 实验室光化学反应釜 郑州光化学反应仪 光催化原理 光催化烯丙基醋酸酯 光诱导 水凝胶 光化学反应仪配套设备 烯醇硅醚转化为α,β-环氧酮 实验室光化学反应仪

18221306212