如何构筑S型Co3O4/g-C3N4异质结以增强光催化产氢性能

1.文章信息

标题：   Construction of S-scheme Co3O4/g-C3N4 heterojunctions with boosted photocatalytic H2 production performance          

中文标题：     构筑S型Co3O4/g-C3N4异质结以增强光催化产氢性能    

页码：  102838  

DOI：   10.1016/j.surfin.2023.102838      

2. 期刊信息

期刊名：     Surfaces and Interfaces      

ISSN：    2468-0230      

2022年影响因子：     6.14    

分区信息：     JCR分区（Q1）,中科院2区        

涉及研究方向：  材料科学  

3. 作者信息：第一作者是  四川轻化工大学，许正东 。通讯作者为 四川轻化工大学钟俊波教授和李敏娇教授。

4.光反应仪型号：CEL-PEAM-D6;气相色谱型号：GC7920

文章简介：

人们普遍认为采用环境兼容和可再生能源转换的方案是长期可持续发展的很好选择。在缓解能源危机的众多能源中，氢能因其存储、运输方便、能量密度高等诸多优势而被人们普遍接受。目前，大多数制氢技术仍依赖于化石能源消耗。因此，如何加速制氢方案转型的挑战具有非凡的意义。利用太阳能光催化裂解水产生氢气是理想的方法之一，因为太阳能是取之不尽、无污染的。光催化法制备氢气的纯度高，可直接利用。此外，光催化技术也被广泛应用于环境污染物的清除，如降解微生物难以解毒的有机染料、有机氟化物和抗生素，以及重金属的解毒。然而，光催化技术的核心是光催化剂，因此设计一种高效稳定的光催化剂来减少生态破坏是必要的。

为了实现这一目标，研究人员探索了大量的光催化剂，并对其在实际应用中的可行性进行了研究和验证。在所有的光催化剂中，g-C3N4因其特色的石墨状二维层状结构而引起了研究人员的最大兴趣。根据最近的报道，g-C3N4中的C和N原子是通过共价键结合的，类似于苯环的六边形蜂窝结构。环与N原子相连，通过氢键层层叠加形成块状结构，使g-C3N4具有稳定的物理化学性质。同时，g-C3N4成本低、制备工艺简单、无毒、带隙合适等诸多优点，使g-C3N4成为太阳能光催化技术发展中很有前途的材料。而g-C3N4作为单一光催化剂，由于比表面积小，光诱导载体分离转移缓慢，光催化活性较低。

因此，为了满足实际应用，探索和尝试了多种方法来进一步改善g-C3N4的光催化性能，其中主要方法包括原子掺杂、贵金属沉积、形态调控和缺陷构造。其中，引入缺陷被证明是提高纯g-C3N4活性的一种可靠方法。缺陷g-C3N4的研究是近年来光催化领域的一个热点。缺陷可以在光催化剂本体或表面引入。其中，表面空位作为缺陷之一可以捕获电子，促进光生电子在界面上的转移。

同时，这些表面原子逸出后的位点也可以作为反应位点，大大增强了对目标物的吸收，拓宽了光响应范围。例如，张教授的研究团队制备了表面具有丰富碳缺陷的超薄氮化碳，该材料可以实现强吸附和激活二氮分子。碳缺陷加速了体与表面的光生电荷分离，从而在可见光照射下表现出更高的光催化固氮活性。此外，空位还会影响目标污染物的吸附性能，从而影响目标污染物的配位结构和电子态。更重要的是，空位的位置、结构和浓度是影响光催化性能的重要因素。

在g-C3N4中引入空位的方法有很多，如在还原气氛中焙烧、形态控制和构建异质结。但这些方法都存在经济成本高、流程复杂等固有缺点。因此，制定一个简单的办法来建造空缺是一项重要的挑战。

在本工作中，通过不同浓度的NaBH4溶液对g-C3N4进行表面处理，引入碳空位，提高可见光驱动的光催化还原性能。采用多种表征方法对处理后的光催化剂的晶体性质、微观形貌和表面状态进行了研究和分析。通过光谱测量和理论计算，探讨了碳空位对g-C3N4光学性质的影响。用可见光驱动诱导水裂解法对样品的光催化效率进行了评价，并进行了产氢和Cr(VI)还原实验。以3NBCN为代表制备的光催化剂，通过4次光催化产氢循环实验，探讨了NaBH4处理后g-C3N4的稳定性。结果表明，碳空位能显著促进光生载流子的分离和迁移，扩大整体光吸收和利用，从而提高光催化性能。最后，基于所有测试结果，探讨了光催化性能增强的机理。这项工作开发了一个实用的策略，以提高g-C3N4的光催化性能。