催化学报 ›› 2025, Vol. 69: 315-326.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60210-X

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基于双氧还原中心的共价三嗪框架构建的1D/2D S型异质结促进过氧化氢光合作用

夏兵全a, 刘高雄a, 樊坤a, 陈润东a, 刘欣c, 李来全b,*()   

  1. a武汉工程大学化学与环境工程学院, 湖北武汉 430074
    b上海理工大学能源材料科学研究院, 上海 200093
    c哈尔滨理工大学电子与电气工程学院, 黑龙江哈尔滨 150080
  • 收稿日期:2024-11-08 接受日期:2024-12-12 出版日期:2025-02-18 发布日期:2025-02-10
  • 通讯作者: 电子信箱: lqli@usst.edu.cn (李来全).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22409151);国家自然科学基金(22405173);湖北省自然科学基金(2023AFB181);武汉工程大学科学研究基金(23QD02)

Boosting hydrogen peroxide photosynthesis via a 1D/2D S-scheme heterojunction constructed by a covalent triazine framework with dual O2 reduction centers

Bingquan Xiaa, Gaoxiong Liua, Kun Fana, Rundong Chena, Xin Liuc, Laiquan Lib,*()   

  1. aKey Laboratory of Green Chemical Engineering Process of Ministry of Education, School of Chemistry and Environmental Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, Hubei, China
    bInstitute of Energy Materials Science, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
    cKey Laboratory of Engineering Dielectric and Applications (Ministry of Education), School of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, Heilongjiang, China
  • Received:2024-11-08 Accepted:2024-12-12 Online:2025-02-18 Published:2025-02-10
  • Contact: E-mail: lqli@usst.edu.cn (L. Li).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22409151);National Natural Science Foundation of China(22405173);Natural Science Foundation of Hubei Province(2023AFB181);Science Foundation of Wuhan Institute of Technology(23QD02)

摘要:

过氧化氢(H2O2)作为环保型氧化剂, 其国内年需求量约10万吨. 目前主要的生产方法蒽醌法要用昂贵的钯催化剂,同时会产生有毒的副产品, 因此利用太阳能开发一种可持续的H2O2生产方法迫在眉睫.具有芳香族三嗪结构的共价三嗪框架(CTFs)具有高电子亲和性和杂原子效应, 有着丰富的活性位点. 然而共价三嗪框架内部载流子快速重组和固有光捕获能力的不足, 使得其光催化性能受到阻碍. 目前常用策略是在结构中引入电子供体, 使其在分子水平上形成供体-受体结构, 通过强大的推拉式分子内电荷转移将载流子和空穴集中在相应的基团附近, 从而改善电荷分离和传输.

受此启发, 本文采用将无供体CTFs与ZnO结合的策略, 以ZnO作为电子供体构筑S型异质结, 利用异质结修饰策略来增加电子供体,充分发挥CTFs中的活性位点进行O2还原的整体光合H2O2生产. 通过构建S型异质结, 解决了分离电荷容易重组的问题, 并改变了电荷转移机制, 提高了光催化效率, 最终促进H2O2的生成. 通过物理自组装方法将一维(1D) ZnO纳米棒和二维(2D) CTF组合构筑成了ZnO/CTF S型异质结构的光催化剂, 研究了其对生成H2O2的光催化性能. 在模拟可见光照射下, ZC-10的H2O2生成速率为12000 μmol g‒1 h‒1, 分别是ZnO纳米棒和CTF的10.3倍和164倍. 原位X-射线光电子能谱(XPS)结果表明, 在黑暗条件下ZC-10存在内置静电场, 在光照条件下, ZC-10中ZnO失去电子, 而CTF得到电子, 这与S型异质结的电荷转移机理一致. 原位开尔文探针力显微镜进一步证实了ZC-10在黑暗条件下内置静电场存在, 同时光照之后电荷转移与原位XPS测试结果一致, 再次证明了S型异质结形成. 电子顺磁共振和自由基淬灭实验表明, 超氧自由基是光催化合成过氧化氢的主要活性物种, 同时ZC-10的超氧自由基和羟基自由基的光催化产率明显超过ZnO和CTF, 表明该S型异质结有效地分离了光生电子-空穴对, 从而促进超氧自由基中间体的产生. 原位漫反射傅里叶变换红外光谱和旋转圆盘电极测试结果证实了ZC-10的光催化合成H2O2是两步单电子氧还原途径. 另外, 理论计算结果表明, 噻二唑和三嗪基的氮原子作为氧还原反应位点, 两个活性位点吉布斯自由能几乎相同, 可同时作为反应中心.

综上所述, 本文合成1D/2D S型异质结光催化剂, 实现了高效光催化合成过氧化氢, 为构建高效的S型异质结光催化剂提供了新的思路.

关键词: 共价三嗪框架, 光催化合成过氧化氢, S型异质结, 双氧还原中心

Abstract:

Emerging as lamellar materials, covalent triazine frameworks (CTFs) exhibited great potential for photocatalysis, but their photocatalytic performance is always hindered by the prone recombination of photogenerated carriers. To overcome this obstacle, a 1D/2D step-scheme (S-scheme) heterojunction is constructed for photocatalytic synthesis of H2O2. The S-scheme heterojunction fabricated with CTF and ZnO effectively enhances light absorption, redox capabilities, and charge carrier separation and transfer. In particular, the CTF is decorated with benzothiadiazole and triazine groups as dual O2 reduction active centers, boosting photocatalytic H2O2 production. The optimal ZC-10 hybrid delivers a maximum H2O2 generation rate of 12000 μmol g−1 h−1, 10.3 and 164 times higher than those of zinc oxide nanorods and CTFs, respectively. Moreover, the charge transfer mechanism in the S-scheme heterojunction is well investigated with in situ spectroscopic measurements and theoretical calculations.

Key words: Covalent triazine frameworks, Photocatalytic H2O2 production, S-scheme heterojunction, Dual O2 reduction centers