多面体SrTiO3原位生长N缺陷PCN中的纳米叠层效应助力光催化完全分解水:内建电场调控的协同机制

摘要:上海交通大学上官文峰教授团队在光催化完全分解水领域的最新研究成果。该工作报道了在纳米多面体SrTiO3表面生长聚合物氮化碳PCN并实现了光催化完全分解水

图片

DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64414-6


https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64414-6



近日,《催化学报》在线发表了上海交通大学上官文峰教授团队在光催化完全分解水领域的最新研究成果。该工作报道了在纳米多面体SrTiO3表面生长聚合物氮化碳PCN并实现了光催化完全分解水,揭示了利用纳米叠层效应调控催化剂内建电场是实现光催化完全分解水的有效策略之一。论文第一作者为韦之栋博士,论文通讯作者为上官文峰教授。


背景


太阳能光催化分解水是一种将太阳能储存并转化为氢能的极具潜力的绿色途径,被誉为“人类的圣杯”,自1972年问世以来受到了科学界的广泛关注。然而,反应效率成为制约其工业化进程的瓶颈。其中,光的钻穿效应使得纳米级光催化剂能带弯曲程度降低,影响内建电场的形成进而削弱光生载流子从体相到表面的驱动力,不利于完全分解水的实现及其效率的提升。调控内建电场进而实现能量流动在时空领域的匹配(即光吸收效率、载流子分离效率及氧化还原反应速率的协同优化)是实现光解水制氢的重要研究方向之一。


创新点


1. 聚合物氮化碳PCN生长在多面体SrTiO3表面,形成了纳米叠层结构。

2. N-Sr键的形成,促进了N缺陷的产生,同步优化了光吸收性质、载流子分离性质及热力学性质(注:本文将由叠层催化剂形成引发的光吸收、动力学及热力学性质的优化称为“纳米叠层效应”)。

3. 纳米叠层效应可以有效调控内建电场,实现光催化完全分解水。


研究成果


图片



图1. 论文中出现的Figure 2:(a) 纳米多面体SrTiO3的SEM结果,(b) 0.5g-SrTiO3-PCN的SEM背散射电子图像,(c,d) 0.5g-SrTiO3-PCN的TEM结果以及(e) 角度变换的TEM结果。


要点:

利用SEM和TEM分析了SrTiO3-PCN复合催化剂的形貌,通过旋转TEM样品杆角度,进一步确认了PCN包覆在SrTiO3表面的叠层结构的形成。



图片


图2. 论文中出现的Figure 4:(a) 归一化的Sr K-edge XANES近边分析结果,(b-f) 傅里叶变换扩展边X射线吸收精细结构谱(EXAFS)结果及R空间数据拟合,(g-j) 小波变换结果分析。


要点:

利用同步辐射分析,确认了N-Sr键及N缺陷的形成。其中Sr倾向于源自于SrTiO3中的Sr-Ti键,N倾向于源自-NH2基团。N-Sr键的形成促进了-NH2基团的转变,可能是形成N缺陷态的主要原因。




图片


图3. 论文中出现的Figure 6:不同配比的SrTiO3-PCN样品光催化完全分解水性能及0.5g-SrTiO3-PCN的循环测试结果。


要点:

当SrTiO3与PCN的质量比为0.5时,光催化完全分解水的氢氧比例最接近2:1。低浓度的N-Sr键形成产生的N缺陷是表面缺陷,有利于优化能量流动过程中的时空匹配,进而促进全解水反应的实现。而过多的N-Sr键形成会导致体相N缺陷浓度升高,使得催化剂光还原端性能显著下降,氢氧比远远小于2:1。



催化机理


图片


图4. 论文中出现的Figure 7:(a) PCN在SrTiO3表面生长情况下的差分电荷密度;(b) PCN, SrTiO3, 0.5g-SrTiO3-PCN的表面电势信号强度;(c) SrTiO3的功函数;(d) SrTiO(SKPM模式下)的表面电势;(e) PCN的莫特肖特基结果;(f) PCN (SKPM模式下)的表面电势以及(g) PCN与SrTiO3复合催化剂内建电场形成的机理图。


要点:

通过多种方法计算及测试SrTiO3与PCN的功函数所处的位置。由于二者费米能级具有0.4 eV的能级差使得SrTiO3与PCN之间形成内建电场,其方向从SrTiO3指向PCN。



图片


图5. 论文中出现的Figure 8:(a,b) 0.5g-SrTiO3-PCN的原子力显微镜表面电势(KPFM)及其信号强度、颗粒厚度分析结果;(c) 催化剂的zeta电位结果。


要点:

从原子力显微镜表面电势的结果上来看,在PCN与SrTiO3结合的区域具有更高的电势,而zeta电位的结果也表明复合催化剂具有更高的表面电荷密度。依据公式:


图片


E,内建电场强度,V;

Vs,表面电势,可通过KPFM测得,V;

Ρ,表面电荷密度,C·m2

ε,低频介电常数;

ε0,真空介电常数。

上述结果表明了复合催化剂的内建电场增强。


小结


本研究基于纳米催化剂中所存在的光的钻穿效应等不利因素,构建了由多面体SrTiO3与聚合物氮化碳PCN组成的复合催化剂,PCN包覆在SrTiO3表面使得复合催化剂形成了独特的叠层结构。进一步的研究发现,二者之间存在着化学作用力,所形成的N-Sr键促进了N缺陷的产生,进而增强了复合催化剂的光吸收性质,优化了动力学及热力学性质,引发了纳米尺度叠层效应,实现了光催化完全分解水。机理研究表明,由N-Sr键形成所引发的内建电场协同调控机制是实现光催化完全分解水的重要因素。而叠层光催化剂的构筑,不仅有利于减弱光的钻穿效应带来的能带弯曲不足的影响,而且可以实现内建电场的调控,有望成为纳米催化剂实现光催化完全分解水的重要策略之一。


作者简介


图片


第一作者:韦之栋,上海交通大学智慧能源创新学院助理教授。主要研究方向为:光催化分解水制氢、CO2吸附及利用、废弃物资源化等。入选2020年上海市“超级博士后”激励计划。先后承担国家自然科学青年基金、中国博士后科学基金、上海交通大学“双一流”建设项目启动基金等多项研究课题,在Chin. J. Catal., Appl. Catal. B-Environ.等国际一流期刊上发表论文30余篇。



图片


通讯作者:上官文峰,上海交通大学特聘教授。主要研究方向:光催化和环境催化、太阳能转换与氢能制备、内燃机与燃烧排放催化净化、室内空气污染控制。获得发明专利授权30余项,编著出版教材及中英文专著译著6部,2014-2022年连续入围“中国高被引学者”。曾获上海市自然科学一等奖、全国宝钢优秀教师奖、上海交通大学“教书育人”一等奖等荣誉。主要学术兼职有:中国化学会催化专业委员会委员、日本九州大学客座教授、Journal of Environmental Science、Frontiers in Energy等期刊编委、《工业催化》副主编等。




文献信息:

Zhidong Wei, Jiawei Yan, Weiqi Guo, Wenfeng Shangguan *, Chin. J. Catal., 2023, 48: 279–289



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

18221306212