博文
Green Energy & Environment｜铁-钾盐辅助合成氮化碳实现高活性可见光水分解
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背景介绍
开发高可见光活性光催化剂是推动太阳能制氢技术利用的必要条件。石墨态氮化碳(g-C3N4)具有丰富的结构可调变性，作为可见光光催化剂受到了广泛的关注。传统由富氮前驱体直接缩聚获得的g-C3N4，结构内存在大量氢键，光生载流子重组严重，大大限制了光生载流子的有效利用。与此同时，g-C3N4可见光吸收有限，不利于可见光催化性能的发挥。研究增强载流子分离/迁移和可见光吸收的有效策略，对高性能g-C3N4基光催化剂的开发具有重要意义。
提高结晶性是提高光生载流子迁移率的有效方法。近年来，通过盐辅助缩聚获得的高结晶g-C3N4，尤其是聚庚嗪酰亚胺结构（PHI）引起了人们的关注。为了优化PHI的微观结构，以进一步修饰其光催化过程，我们采用FeCl3/KCl岩盐/熔盐法合成了具有PHI结构的材料CNF-RSF。岩盐相及其部分氧化产物可作为结构导向模板，而熔盐的液体介质可保证盐与g-C3N4充分接触完成结构重构。与传统LiCl/KCl熔盐中制备的材料（CNF-MS）相比，采用FeCl3/KCl岩盐/熔盐法合成的CNF-RSF不仅具有显著提高的可见光产氢和全分解水性能，还获得了优越的压电催化性能。本研究可为高结晶g-C3N4的结构调制提供参考，并有望启发更多g-C3N4压电催化的研究。
研究亮点 1. 用FeCl3/KCl岩盐/熔融法合成了结构优化的g-C3N4（CNF-RSF）。 2. CNF-RSF表现出可见光吸收拓展、氧化能力提高、载流子转移动力学加快等特点。 3. CNF-RSF具有优异的光催化和压电催化性能。 图文解读 在不同的盐条件下合成CNF-MS和CNF-RSF材料的流程如图所示，SEM表征表明CNF-RSF具有纳米片状结构，高分辨透射电镜表明CNF-RSF含有孔结构，晶格条纹对应氮化碳的结构特征（图1）。 图1.（a）CNF-RSF和CNF-RSF的制备流程图，（b）FeCl3-KCl的相图，（c）和（d）CNF-RSF在不同放大倍数下SEM图，（e）和（f）CNF-RSF在不同放大倍数下TEM图像，内嵌SAED图。（g）CNF-RSF中呈现晶格条纹的高分辨率TEM图像。 XRD图谱表明，相比于尿素直接缩聚获得的普通g-C3N4结构（CNF），盐处理过程使CNF-MS和CNF-RSF具有更高的结晶性。8.1°的峰证实了CNF-MS和CNF-RSF含有PHI结构特征。BET结果表明，CNF-RSF具有更高的比表面积，这与岩盐熔盐法处理和Fe2O3的模板作用有关。XPS结果表明CNF-RSF中形成了氮空位（图2）。 图2.（a）不同样品的XRD图谱，（b）CNF-MS和CNF-RSF的吸附/脱附等温线，（c）XPS光谱，（d）C 1s,（e）N 1s和（f）O 1s的高分辨率XPS光谱。 可见光照射下不同样品催化RhB降解的速率为CNF < CNF-MS < CNF-RSF，表明FeCl3/KCl岩盐/熔盐法合成的g-C3N4具有优异的光催化活性。CNF-RSF的表观量子效率(AQE)达到8.90%，优于大多数报道的g-C3N4相关材料。CNF-RSF的光催化产氢速率在四次重复循环下没有明显的衰减，说明CNF-RSF具有优越的稳定性。此外，Rh/Cr2O3负载的CNF-RSF在光催化全解水过程中表现出优异的性能（图3）。 图3.（a）不同样品的可见光催化产氢速率（λ> 420 nm），（b）CNF-RSF在不同入射光波长下的表观量子效率（AQE）,（c）CNF-RSF在可见光（λ> 420 nm）下循环产氢性能，（d）紫外-可见光下负载Rh/Cr2O3的CNF-RSF全解水性能。 原文信息 本文以“Synthesis of crystalline g-C3N4 with rock/molten salts for efficient photocatalysis and piezocatalysis”为题发表在Green Energy & Environment期刊，本文第一作者东北大学许婷婷，通讯作者为东北大学牛萍教授，庆北国立大学Sang-Eun Chun 教授和东北大学李犁教授。 作者简介 许婷婷 许婷婷，东北大学理学院在读博士研究生。主要从事TiO2和C3N4材料的制备、表征及催化性能研究。研究成果发表于Appl. Catal. A、Nano-Micro Lett.、J. Mater. Sci. Technol.和Energy Environ. Mater.期刊。 牛萍 牛萍，东北大学冶金学院副教授，硕士生导师。2008年获得南京理工大学材料科学与工程专业学士学位，2014年获得中国科学院金属研究所材料科学博士学位。曾任香港中文大学研究助理、华中科技大学博士后。主要从事开发用于太阳能转换的光催化剂。第一作者或通讯作者发表的论文8篇入选ESI高被引论文，单篇最高引用2600余次。 李犁 李犁，东北大学冶金学院教授，博士生导师。东北大学新能源转换与存储团队负责人，入选国家级人才计划，辽宁省兴辽英才计划，H index>40。以第一作者或通讯作者在Chem、Matter、Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science等国内外著名SCI期刊发表论文100余篇，ESI热点论文与高被引论文20余篇，获英国皇家化学会青年奖、MMTA编委奖、荣程祥青科研创新奖、辽宁省自然科学学术成果二等奖等多项国内外学术奖励，担任中国有色金属学会熔盐化学与技术委员会委员等多个国内及国际学会委员会副主委/委员等。 撰稿：原文作者 编辑：GEE编辑部
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