一锅法合成Na掺杂柳叶状g-C3N4提高可见光催化活性

1. 文章信息

标题：One-pot synthesis of sodium-doped willow-shaped graphitic carbon nitride for improved photocatalytic activity under visible-light irradiation

页码：Journal of Colloid And Interface Science,2022, 624, 79-87.

DOI：doi.org/10.1016/j.jcis.2022.05.085

2. 文章链接

链接：https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.05.085

ScienceDirect专用链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979722008694

3. 期刊信息

期刊名：Journal of Colloid And Interface Science

ISSN: 0021-9797

2022年影响因子：9.965

分区信息：中科院1区Top；JCR分区（Q1）

涉及研究方向：化学，物理化学

4. 作者信息：扬州大学窦倩（首要作者），扬州大学侯建华（首要通讯作者）；

5. 光源型号：北京中教金源CEL HXF300（300 W氙灯，可见光范围）；CEL-PAEM-D8plus光催化评价系统；

文章简介：为了进一步提高光生载流子迁移效率，采用简便的热聚合反应合成了具有柳叶状结构和高结晶度的Na掺杂g-C3N4。通过Na掺杂改善了g-C3N4的π共轭体系，提高了π共轭体系的电子传递效率，使其具有良好的光催化性能。此外，最优的Na掺杂g-C3N4（CN-0.05）的光能辐照效率的提高归因于其较窄的带隙和电荷分离的显著改善。

因此，CN-0.05催化的H2析出速率可达3559.8 μ mol h-1 g-1，是块状g-C3N4催化产H2速率的1.9倍。CN-0.05的CO2还原为CO的产率（3.66 μ mol h-1 g-1）是块状g-C3N4的6.6倍。在污染物降解实验中，CN-0.05对罗丹明B（RhB）和甲基橙（MO）的降解反应常数分别为0.0271和0.0101 min-1，分别比原始g-C3N4高效4.7倍和7.2倍。

我们一致认为本文的创新之处有以下几点：

1. 通过钠掺杂是改善氮化碳界面电荷分离的绿色方法；

2. 钠掺杂g-C3N4材料呈现出很高的结晶度；

3.Na掺杂显著降低了e -h+对的复合速率；

3. G-C3N4的柳叶状形态结构加快了电子传递效率和多功能光催化活性。

图1 图形摘要

图2 催化剂的制备流程方案

图1和图2显示合成了Na掺杂的柳叶状g-C3N4，用于能源和环境中有效和可持续的光催化应用。钠掺杂方法不仅促进了样品的光吸收，提高了样品的结晶度，而且以Na2CO3为钠源，通过一个简单的步骤丰富了g-C3N4的形貌组成。最佳的Na掺杂的g-C3N4形成一个柳叶状的形态结构，这导致了更大的比表面积和额外的活性点的形成。光催化试验表明，合成的材料不仅能在可见光照射下快速催化降解有机污染物，而且在制氢和还原二氧化碳方面也表现出优异的活性。对Na-g-C3N4进行了详细的检测表征，揭示了引起光活性增强的光催化剂的基本性质。本研究为定制高效光催化剂在环境和能源方面的多功能应用提供了一种可持续和绿色的方法。

图3 体系的光催化电荷转移机理

图3提出了一个可能的反应机制。在降解RhB/MO的初始过程中，g-C3N4在黑暗条件下吸附了少量RhB/MO。在染料光敏化过程中，RhB/MO在催化剂上的吸附促进了电荷载体在染料和光催化剂表面之间的转移[148]。可见光照射材料后，光生电子由价带转移到导带，价带中只留下h+。在这个过程中，e-与O2反应形成•O2-，它具有高度氧化活性，可以降解有机污染物[149]。同时，主要活性物质h+可以直接氧化污染物。RhB和MO可以通过e-和h+的联合作用进行降解。在光催化制氢过程中，氢气的产生与作为光催化剂的半导体的价带和导带的势能之间存在着明显的潜在关联。

图3-11a显示了四个g-C3N4试验的价带和导带的完整能带势能。改进后的CN-X具有降低的带隙势能和增强的可见光吸收特性。CN-X的价带向负电位转移，这为光催化制氢提供了额外的有利条件。这些特性共同作用，使CN-0.05显示出优异的光催化活性。其机制可归纳为以下几点：(I) Na的掺杂可以增强对可见光的吸收，提高电子还原能力，增加电荷载流子的分离效率；(II)高结晶度促进了柳叶状结构的形成和电子-空穴的高效分离。(III)由柳叶状结构组成的层状多孔结构有助于接受更多的阳光，使污染物更容易到达光催化位点，促进电子空穴的分离；(IV)柳叶状结构赋予了高的比表面积，促进污染物更容易到达光催化位点；(V) 通过Na掺杂、高结晶度和柳叶状结构的协同作用，提高CN-X的光催化活性。

  结论：柳叶状的CN-0.05是相互连接和堆叠在一起的，因此在空隙之间可以产生中孔，其中，中孔是由于碳酸钠“高温发酵”而产生。合成材料的结构既有利于污染物的扩散，也有利于电子的传输。在硫脲和尿素的帮助下，Na掺杂的g-C3N4光催化剂产生了可控的能带。Na的引入限制了氮化碳晶粒的发展，这将增加比表面积，改善可见光吸收，提高光生载流子迁移效率，并抑制e--h+对重组。Na含量对氮化碳光催化剂的价带和导带的位置有明显的影响。掺Na后，样品在可见光照射下对罗丹明B和甲基橙染料的降解效果、制氢速率以及二氧化碳还原速率明显改善。这项工作为增强g-C3N4光催化降解有机污染物、制氢、二氧化碳还原性能做出了贡献，为实现高效的光催化反应开辟了一条新的道路。