催化学报 ›› 2024, Vol. 60: 231-241.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60008-2

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高选择性H2O2光合成: Ba原子注入面内高度有序结晶结构的g-C3N4纳米棒

孟爱云, 马辛源, 温达, 钟威*(), 周双*(), 苏耀荣*()   

  1. 深圳技术大学新材料与新能源学院, 广东深圳 518118
  • 收稿日期:2024-01-25 接受日期:2024-02-24 出版日期:2024-05-18 发布日期:2024-05-20
  • 通讯作者: 电子信箱: zhongwei@sztu.edu.cn (钟威), zhoushuang@sztu.edu.cn (周双), suyaorong@sztu.edu.cn (苏耀荣).
  • 作者简介:第一联系人:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22178224);国家自然科学基金(22272110);国家自然科学基金(22002091);深圳技术大学基本科研业务费(20211063010047);广东省基础与应用基础研究基金(2020A1515110873);广东省基础与应用基础研究基金(2023A1515110535);深圳市科技计划(20231127203830001)

Towards highly-selective H2O2 photosynthesis: In-plane highly ordered carbon nitride nanorods with Ba atoms implantation

Aiyun Meng, Xinyuan Ma, Da Wen, Wei Zhong*(), Shuang Zhou*(), Yaorong Su*()   

  1. College of New Materials and New Energies, Shenzhen Technology University, Shenzhen 518118, Guangdong, China
  • Received:2024-01-25 Accepted:2024-02-24 Online:2024-05-18 Published:2024-05-20
  • Contact: E-mail: zhongwei@sztu.edu.cn (W. Zhong), zhoushuang@sztu.edu.cn (S. Zhou), suyaorong@sztu.edu.cn (Y. Su).
  • About author:First author contact:1Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22178224);National Natural Science Foundation of China(22272110);National Natural Science Foundation of China(22002091);Fundamental Research Funds for Shenzhen Technology University(20211063010047);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2020A1515110873);Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation(2023A1515110535);Shenzhen Science and Technology Program(20231127203830001)

摘要:

过氧化氢(H2O2)是一种重要的绿色氧化剂, 在医疗、军工、食品和绿色化学合成等领域有着广泛应用. 然而, 传统蒽醌法合成H2O2存在能耗高、污染严重等问题. 光催化合成H2O2技术, 利用来源丰富的太阳能实现氧气的两电子还原, 被认为是替代蒽醌工艺的理想方案. 石墨相氮化碳(g-C3N4)因具有成本低、化学性质稳定和电子结构易调等优点, 在光催化合成H2O2方面展现出很大潜力. 但传统g-C3N4的面内结晶度低, 且对两电子氧还原反应的选择性差, 这极大地限制了其光合成H2O2效率. 为解决这一难题, 本文合理设计了一种新策略: 将钡(Ba)原子注入面内高度有序结晶结构的g-C3N4纳米棒(BI-CN), 在增强g-C3N4的面内结晶度的同时, 进一步提高其对两电子氧还原反应的选择性.

本文采用BaCl2诱导的面内聚合策略, 实现了Ba原子注入的面内高度有序结晶结构g-C3N4纳米棒的可控合成. 在合成过程中, 三聚氰胺分子选择性地吸附在BaCl2的(200)晶面, 并与暴露在BaCl2表面的Ba原子形成Ba‒N键. 这种强相互作用诱导了三嗪结构单元的定向富集和聚合, 从而形成面内有序结晶结构的g-C3N4结构. 同时, Ba原子通过Ba‒N键稳定地锚定在g-C3N4结构中, 构建了Ba原子注入的面内高度有序结晶结构的g-C3N4纳米棒. 实验和理论计算结果表明, 由于Ba原子和N原子的电负性差异, 电子从Ba原子迁移到N原子, 形成缺电子的Ba活性位点. 注入的Ba原子起到正电荷中心的作用, 氧气分子以Pauling构型稳定地吸附在Ba原子上, 该吸附构型使得O‒O键不易断裂并增强了*OOH中间体的稳定性, 从而抑制了四电子氧还原生成水的反应, 有效地提高了两电子氧还原的选择性, 最终实现高效的光催化H2O2合成. 其中, 最优的BI-CN3(三聚氰胺和BaCl2质量比为9:2)光催化生成H2O2的速率达到353 μmol L‒1 h‒1, 是原始g-C3N4的6.1倍, 且表现出良好的光催化循环使用性能. 同时, BI-CN3光催化剂表现出更强的表面光电压信号、光电流信号以及更低的荧光强度, 表明其具有更强的光生电荷分离和迁移效率.

综上, 本文不仅为构建具有面内高结晶度和原子级活性位点的g-C3N4光催化剂提供了一种新策略, 还为提高两电子氧还原反应的选择性提供了新思路, 可为光催化H2O2的高效、绿色合成提供了参考.

关键词: H2O2光合成, 石墨相氮化碳, Ba原子注入, 高选择性两电子氧还原, 面内高结晶度

Abstract:

Graphitic carbon nitride (g-C3N4) shows great potential in photocatalytic H2O2 production. However, challenges arise from its low in-plane crystallinity and selectivity in two-electron oxygen reduction reaction (2e--ORR), greatly limiting its H2O2 photosynthesis efficiency. Herein, we develop an ingenious strategy to simultaneously increase the in-plane crystallinity and induce the highly-selective 2e--ORR by rationally designing barium (Ba) atom-implanted in-plane highly ordered g-C3N4 nanorods. The approach involves controllable synthesis of in-plane high crystallinity g-C3N4 nanorods with Ba implantation (BI-CN) using a BaCl2-mediated in-plane polymerization strategy. The unique Ba-N interaction induces the oriented polymerization of 3-s-triazine units to form well-arranged in-plane structures. Experimental and theoretical calculations clarify that the implanted Ba atoms function as positive charge centers, resulting in a Pauling-type O2 adsorption configuration. This minimizes O-O bond breaking energy, thus suppressing the four-electron oxygen reduction reaction (4e--ORR) and facilitating a highly-selective 2e--ORR pathway for efficient photocatalytic H2O2 production. Consequently, the optimized BI-CN3 photocatalyst exhibits an outstanding H2O2 production rate of as high as 353 μmol L-1 h-1, surpassing the pristine g-C3N4 by 6.1 times. This study concurrently optimizes the in-plane crystallinity and O2 adsorption sites of g-C3N4 photocatalysts for highly-selective H2O2 production, providing innovative insights for designing efficient photocatalysts with diverse applications.

Key words: Hydrogen peroxide photosynthesis, Carbon nitride, Ba implantation, Highly-selective 2e?-ORR, In-plane crystallinity