催化学报 ›› 2024, Vol. 58: 194-205.DOI: 10.1016/S1872-2067(23)64602-9

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构筑共轭聚合物基S型异质结分子内和界面电场以实现高效光催化制氢

王乐乐, 程文瑶, 王嘉鑫, 杨娟*(), 刘芹芹*()   

  1. 江苏大学材料科学与工程学院, 江苏镇江212013
  • 收稿日期:2023-11-18 接受日期:2024-01-12 出版日期:2024-03-18 发布日期:2024-03-28
  • 通讯作者: *电子信箱: qqliu@ujs.edu.cn (刘芹芹),yangjuan6347@ujs.edu.cn (杨娟).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22102064);国家自然科学基金(21972058)

Construction of intramolecular and interfacial built-in electric field in a donor-acceptor conjugated polymers-based S-scheme heterojunction for high photocatalytic H2 generation

Lele Wang, Wenyao Cheng, Jiaxin Wang, Juan Yang*(), Qinqin Liu*()   

  1. School of Materials Science & Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China
  • Received:2023-11-18 Accepted:2024-01-12 Online:2024-03-18 Published:2024-03-28
  • Contact: *E-mail: qqliu@ujs.edu.cn (Q. Liu),yangjuan6347@ujs.edu.cn (J. Yang).
  • Supported by:
    National Nature Science Foundation of China(22102064);National Nature Science Foundation of China(21972058)

摘要:

能源短缺与环境问题已成为阻碍社会经济发展的重要因素, 并对人类生活质量产生了深远影响, 成为重大的全球性挑战. 传统的一次能源, 如煤、石油和天然气, 正面临着日益严重的短缺问题, 同时, 水体污染日趋严重. 因此, 迫切需要寻找绿色、可持续的能源解决方案. 其中, 利用太阳能进行光解水制氢以及降解水中污染物, 被视为一种极具潜力和前景的能源利用方式. 然而, 目前的光催化剂普遍面临光生载流子容易复合、迁移速率缓慢等问题, 这些问题限制了光生电荷的寿命, 往往只有几十皮秒, 从而降低了其在氧化还原反应中的有效性和光催化效率. 因此, 开发高效、稳定的光催化剂成为了当前研究的热点和迫切需求.

本文报道了一种新型光催化剂的合成与应用. 首先, 将1,6-二溴芘分子作为富电子供体(D)引入到氮化碳(g-C3N4)中, 合成了以C‒N键连接的g-C3N4-1,6-二溴芘(CNPy)材料. 随后, 通过多种手段对样品进行了表征. X射线衍射图谱、傅里叶红外光谱和核磁共振图谱证明了1,6-二溴芘分子的成功引入. 氮气等温吸附脱附曲线结果表明, 与纯g-C3N4相比, 芘基的引入增加了g-C3N4的比表面积, 暴露出更多的活性位点. X射线光电子能谱和表面电荷密度测试结果证实了CNPy分子内电场的成功构建. 当以铂为助催化剂时, CNPy-0.2(包含200 mg CNPy)表现出较高的光催化产氢性能, 产率达到6.1mmol·g-1·h-1. 在此基础上, 为了进一步提升催化性能, 将CNPy与具有宽光谱响应范围和匹配能带结构的CdSe纳米颗粒进行复合, 构筑了具有双电场(分子内和界面电场)的CdSe/CNPy S型异质结光催化剂. X射线衍射图谱、扫描电子显微镜及透射电子显微镜测试结果证实了CdSe与1,6-二溴芘修饰的g-C3N4的成功复合, 且CdSe纳米颗粒(200 nm左右)均匀地分布在CNPy上. 此外, 通过原位X射线光电子能谱、电子顺磁共振波谱和开尔文探针力显微镜等表征手段证实了S型异质结的形成以及CdSe与CNPy之间存在内建电场. 光电化学表征进一步证实了CdSe/CNPy S型异质结具有高效的载流子分离效率. 能带结构分析结果表明, 该CdSe/CNPy S型异质结在光激发后保留了CNPy的较强氧化能力与CdSe的较强还原能力. 在无Pt作助催化剂的情况下, 测试了CdSe/CNPy S型异质结的析氢与降解性能. 结果显示, 优化后的复合材料100% CdSe/CNPy-0.2在光催化产H2反应中, 产率高达1.16 mmol·g-1·h-1, 分别是纯CNPy-0.2, CdSe和100% CdSe/CN的58倍, 2.2倍和2.32倍. 此外, 该S型异质结材料表现出较好的光催化降解四环素性能, 在全光谱照射下, 降解效率高达97%. 多次循环数据显示, 该S型异质结材料表现出良好的稳定性.

综上所述, 本研究通过分子结构设计, 在共轭聚合物分子内引入内建电场, 并结合异质结界面工程策略, 构筑了具有双电场的S型异质结光催化材料. 该材料表现出高效的光催化析氢和污染物降解性能, 为提升共轭半导体基光催化材料的性能提供了新思路.

关键词: g-C3N4, 分子内电场, 界面电场, S型异质结构, 光催化剂

Abstract:

Engineering a robust built-in electric field (IEF) is favorable for boosting carrier separation and achieving high photocatalytic performance. Herein, we developed a donor-acceptor conjugated polymer-based S-scheme heterojunction, utilizing both intramolecular and interfacial IEF to enhance carrier separation and achieve superior photocatalytic performance. Specifically, the intramolecular IEF was established by introducing 1,6-dibromopyrene into carbon nitride (CN) to form 1,6-dibromopyrene grafted CN (CNPy). Concurrently, the S-scheme heterojunction was formed by coupling CNPy with CdSe nanoparticles to create an interfacial IEF. Experimental findings demonstrated that the combined effect of intramolecular and interfacial IEF within the CdSe/CNPy heterojunction significantly improved the carrier separation and retained strong redox capacity. Benefiting from these advantages, the optimized composite, 100%CdSe/CNPy-0.2, showed the highest H2 generation rate of 1.16 mmol•g-1•h-1, surpassing those of pure CNPy-0.2, CdSe and 100%CdSe/CN by 58, 2.2 and 2.32 times, respectively. This study introduces an innovative design strategy for IEF-regulated conjugated polymer-based materials, paving the way for efficient solar-to-chemical energy conversion.

Key words: g-C3N4, Intramolecular built-in electric field, Interfacial built-in electric field, S-Scheme heterostructure, Photocatalyst