蜂窝状C3N4/CoSe2/GA复合光催化剂的制备及CO2还原性能

doi:10.7503/cjcu20200745

摘要/Abstract

摘要：

以六水金氯化钴、硒粉和尿素为前驱体, 通过水热法合成C₃N₄/CoSe₂纳米粒子，再将其锚定在石墨烯气凝胶（Graphene aerogel， GA）表面，制备蜂窝状C₃N₄/CoSe₂/GA光催化剂. 采用X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等手段对材料的结构、形貌和光学性能进行表征. 同时以氙灯作为模拟可见光光源, 通过CO₂光催化还原为CO考察所制备纳米材料的光催化活性. 结果表明, 在C₃N₄纳米片表面引入了CoSe₂和GA并制备出蜂窝状结构 C₃N₄/CoSe₂/GA催化剂, 通过GA, CoSe₂与C₃N₄耦合可以显著提高光吸收密度以及扩展光响应范围, 呈现了更低的荧光强度和最大的电子转移速率. 在同种光催化下, C₃N₄/CoSe₂/GA对CO₂还原催化效率最大, CO产量达到5.75 μmol·g^-1·h^-1, 并且重复使用性能良好.

关键词: 氮化碳, 硒化钴, 石墨烯气凝胶, 二氧化碳还原, 光催化

Abstract:

C₃N₄/CoSe₂ nanoparticles were synthesized by hydrothermal method using cobalt chloride hexahydrate， selenium powder and urea as precursors， and then were anchor on the surface of graphene aerogel（GA） to prepare C₃N₄/CoSe₂/GA photocatalyst. The structure， surface morphology and optical properties of the materials were characterized by X-ray diffraction（XRD）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， scanning electron microscopy（SEM）， transmission electron microscopy（TEM） and UV-Vis diffuse-relective spectroscopy（UV-Vis DRS）. At the same time， the photocatalytic activity of the prepared nanomaterials was investigated by reduction of CO₂ to CO with using the xenon lamp as visible light source. The results showed that the cellular C₃N₄/CoSe₂/GA catalyst was successfully prepared by introducing CoSe₂ and GA on the surface of C₃N₄ nanometer sheet， and the coupling of GA and CoSe₂ with C₃N₄ could significantly improve the optical absorption density and expand the optical response range， showing lower fluorescence intensity and maximum electron transfer rate. Under the same photocatalysis condition， C₃N₄/CoSe₂/GA displayed the highest catalytic efficiency for CO₂ reduction， the CO yield reached 5.75 μmol·g^-1·h^-1， and the photocatalytic performance was good in repeating process.

Key words: C₃N₄, CoSe₂, Grapheme aerogel, CO₂ reduction, Photocatalysis

中图分类号:

O643

TrendMD:

王鹏, 阳敏, 汤森培, 陈飞台, 李佑稷. 蜂窝状C₃N₄/CoSe₂/GA复合光催化剂的制备及CO₂还原性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1924.

WANG Peng, YANG Min, TANG Sengpei, CHEN Feitai, LI Youji. Preparation of Cellular C₃N₄/CoSe₂/GA Composite Photocatalyst and Its CO₂ Reduction Activity. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1924.

图/表 15

Fig.1 TG?DTG curves of C3N4/CoSe2/GA

Fig.2 Raman spectrum of C3N4/CoSe2/GA

Fig.3 XRD patterns of pure C3N4(a), CoSe2(b), C3N4/CoSe2(c) and C3N4/CoSe2/GA(d) composites

Fig.4 SEM images of C3N4(A), CoSe2(B), C3N4/CoSe2(C) and C3N4/CoSe2/GA(D)Inset: cellula C3N4/CoSe2/GA composite.

Fig.5 Element mapping images of C3N4/CoSe2/GA for Se(A), C(B), Co(C) and N(D)

Fig.6 TEM images of C3N4(A), CoSe2(B), C3N4/CoSe2(C) and HRTEM image of C3N4/CoSe2/GA(D)

Fig.7 XPS survey spectra(A) of C3N4(a), CoSe2(b), C3N4/CoSe2(c) and C3N4/CoSe2/GA(d) composite and high?resloution C1s(B), N1s(C), Co2p(D) and Se3d(E) spectra of CoSe2/C3N4/GA

Fig.8 UV?Vis spectra(A) and corresponding tauc plots of (ahv)1/2?hv for the bandgap energy(B) of CoSe2(a), C3N4/CoSe2(b), C3N4(c) and C3N4/CoSe2/GA(d)

Fig.9 PL spectra of CoSe2(a), C3N4(b), C3N4/CoSe2(c) and C3N4/CoSe2/GA(d) composites

Fig.10 Transient photocurrent density of C3N4(a), CoSe2(b), C3N4/CoSe2(c) and C3N4/CoSe2/GA(d) composites

Fig.11 CO production rates over different catalysts(A), repeatability of photocatalytic CO evolution via the C3N4/CoSe2/GA photocatalyst(B) and FTIR spectra of C3N4/CoSe2/GA before and after catalysis(C)a. C3N4; b. CoSe2; c. C3N4/CoSe2; d. C3N4/CoSe2/GA.

Table 1 Photocatalysts towards CO2 reduction reported in the literature

Photocatalyst	Reducing agent	Light source	Product	Production rate/(μmol·g^-1·h^-1)	Ref.
NiO/C₃N₄	100 mL water	300 W Xe	CO	4.17	[31]
Cu/C₃N₄	50 μL water	─	CO	3.09	[32]
CeO₂/C₃N₄	Water vapor	300 W Xe	CO+CH₄	1.96, 0.12	[33]
BiVO₄/Cu₂O	Water vapor	─	CO	3.01	[34]
C₃N₄/MgAI?LDH	Water	500 W Xe	CO+CH₄	0.20, 0.77	[35]
TiO₂	1.5 mL water	500 W Xe	CO	0.35	[36]
CoSe₂/C₃N₄/GA	3 mL water	300 W Xe	CO	5.75	This work

Fig.12 Isotope measurement for the CO2 photoreduction process CoSe2 /C3N4/GA under visible light irradiation

Table 2 Specific area, pore volumes and pore diameter of samples

Sample	V_pore/(cm³·g^-1)	S_BET/(cm³·g^-1)	d_pore/nm
C₃N₄/CoSe₂	0.03	18	3.057
C₃N₄/CoSe₂/GA	0.60	30	3.893

Scheme 1 Mechanism of CO2 photoreduction system by C3N4/CoSe2/GA

参考文献 37

1	Hoffmann M. R.， Martin S. T.， Bahnemann D. W.， Chem. Rev.， 1995， 95， 69―96
2	He P. C.， Zhou J.， Zhou A. W.， Dou Y. B.， Li J. R.， Chem. J. Chinese Universities， 2019， 40（5）， 855―866（何鹏琛，周健，周阿武，豆义波，李建荣，高等学校化学学报， 2019， 40（5）， 855―866）
3	Hong S. J.， Zhou Z. Y.， Sun S. G.， Shao G. Q.， Qu Z. T.， Chem. J. Chinese Universities， 1999， 20（6）， 923―927（洪双进，周志有，孙世刚，邵国强，区泽堂. 高等学校化学学报， 1999， 20（6）， 923―927）
4	Wang X.， Maeda K.， Thomas A.， Nat. Mater.， 2009， 8， 76―80
5	Qin J.， Wang S.， Ren H.， Hou Y.， Wang X.， Appl. Catal. B： Environ.， 2015， 179， 1―8
6	Zhang Y.， Mori T.， Antonietti.， Chem. Soc.， 2010， 132， 6294―6295
7	Xiang Q.， Yu J.， Jaroniec M. J.， Phys. Chem. C， 2011， 115， 7355―7363
8	Zhang J. S.， Chen X. F.， Takanabe K.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2010， 49， 441―452
9	Zhang Y. J.， Thomas A.， Antonietti M.， Wang X. C.， Chem. Soc.， 2009， 131， 50―57
10	Wang X. C.， Maeda K.， Chen X. F.， Takanabe K.， Chem. Soc.， 2009， 131， 1680―1689
11	Chen X. F.， Zhang J. S.， Fu X. Z. Antonietti M.， Wang X. C.， Chem. Soc.， 2009， 58， 1131―1136
12	Guo Y.， Chu S.， Yan S. C.， Wang Y.， Zou Z. G.， Chem. Commun.， 2010， 46， 7325―7332
13	Wang Y.， Zhang J. S.， Antonietti M.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2010， 49， 3356―3367
14	Zhang Y.， Mori J. T.， Ye J. H.， Antonietti M.， Chem. Soc.， 2010， 132， 6294―6307
15	Liu G.， Niu P.， Sun C. H.， Smith S. C.， Chen Z. G.， Chem. Soc.， 2010， 132， 11642―11652
16	Wang Y.， Di Y.， Antonietti M.， Chen H. R.， Chem. Mater.， 2010， 22， 5119―5127
17	Yan S.， Li C.， Zou Z. S.， G Z.， Langmuir， 2010， 26， 3894―3907
18	Wang X. C.， Chen X. F.， Thomas A.， Antonietti M.， Adv. Mater.， 2009， 21， 1609―1619
19	Di Y.， Wang X. C.， Thomas A.， Antonietti M.， Chem. Cat.， 2010， 2， 834―846
20	Zhang G.， Zang S.， Lan Z. A.， Huang C. G.， Wang， J.， Mater. Chem. A， 2015， 3， 17946―17950
21	Chen J.， Wu X. J.， Gang Y.， Zhu Y.， Yang Z.， J. Am Chem. Soc.， 2017， 139， 8653―8660
22	Li N.， Wu J.， Lu Y.， Zhao Z.， Zhang H.， Li X.， Appl. Catal. B： Environ.， 2018， 238， 27―37
23	Bera R.， DuttaKundu A.， Polshettiwar S. V.， J. Phys. Chem. C， 2018， 122， 12158―12167
24	Cao S.， Chen Y.， Kang L.， Lin Z.， Fu W. F.， J. Mater. Chem. A， 2015， 3， 18711―18717
25	Li X. H.， Chen J. S.， Wang X.， Sun J.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133， 8074―8077
26	Kong D.， Cha J. J.， Wang H.， Lee H. R.， Cui Y.， Energ. Environ. Sci.， 2013， 6， 3553―3558
27	Zhang K.， Park M. H.， Zhou L. M.， Lee G. H.， Adv. Funct. Mater.， 2016， 26， 6728―6735
28	Kong D. S.， Wang H. T.， Lu Z. Y.， Cui Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136， 4897―4900
29	Yang J.， Cheng G. H.， Zeng J. H.， Yu S. H.， Chem. Mater.， 2001， 13， 848―853
30	Eun H. K.， Amaranatha R.， Hwan L.， Tae K. K.， Catal. Sci. Technol.， 2019， 9， 4702―4710
31	Tang J. Y.， Guo R. T.， Zhou W. G.， Huang C. Y.， Catalysis B， 2018， 6， 30576―30586
32	Li Y.， Li B. H.， Zhang D. N.， Cheng L.， ACS Nano， 2020， 8， 14―21
33	Li M. L.， Zhang X. L.， Wu M. Y.， Du Y. Y.， Nano Energy， 2015， 19， 145―155
34	Chansol K.， Kyeong M. C.， ACS Catalysis， 2018， 8， 4170―4177
35	Hong J.， Zhang W.， Wang Y.， ChemCatChem， 2014， 62315―62321
36	Yui T.， Kan A.， Saitoh C.， ACS Applied Materials & Interfaces， 2011， 3， 2594―2600
37	Gan R. Z.， Ma X. H.， Wang G. R.， Jin Z. L.， Catalysts， 2019， 9， 616―662

[1]	秦永吉, 罗俊. 单原子催化剂在CO₂转化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220300.
[2]	林治, 彭志明, 贺韦清, 沈少华. 单原子与团簇光催化：竞争与协同[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220312.
[3]	吴玉, 李轩, 杨恒攀, 何传新. 钴单原子的双重限域制备策略及高效CO₂电还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220343.
[4]	滕镇远, 张启涛, 苏陈良. 聚合物单原子光催化剂的载流子分离和表面反应机制[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220325.
[5]	王新天, 李攀, 曹越, 洪文浩, 耿忠璇, 安志洋, 王昊宇, 王桦, 孙斌, 朱文磊, 周旸. 单原子材料在二氧化碳催化中的技术经济分析与产业化应用前景[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220347.
[6]	韩付超, 李福进, 陈良, 贺磊义, 姜玉南, 徐守冬, 张鼎, 其鲁. CoSe₂/C复合电催化材料修饰隔膜对高载量锂硫电池性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220163.
[7]	赵盈喆, 张建玲. 金属-有机框架基材料在二氧化碳光催化转化中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220223.
[8]	王丽君, 李欣, 洪崧, 詹新雨, 王迪, 郝磊端, 孙振宇. 调节氧化镉-炭黑界面高效电催化CO₂还原生成CO[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220317.
[9]	邱丽琪, 姚向阳, 何良年. 可见光驱动丰产金属卟啉类配合物催化的二氧化碳选择性还原反应[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220064.
[10]	夏雾, 任颖异, 刘京, 王锋. 壳聚糖包裹CdSe量子点组装体的水相可见光催化CO₂还原[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220192.
[11]	赵润瑶, 纪桂鹏, 刘志敏. 吡咯氮配位单原子铜催化剂的电催化二氧化碳还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220272.
[12]	王广琦, 毕艺洋, 王嘉博, 石洪飞, 刘群, 张钰. 非贵金属三元复合Ni(PO₃)₂-Ni₂P/CdS NPs异质结的构建及可见光高效催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220050.
[13]	宋颖颖, 黄琳, 李庆森, 陈立妙. CuO/BiVO₄光催化剂的制备及光催化CO₂还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220126.
[14]	闫嘉森, 韩现英, 党兆涵, 李建刚, 何向明. 石蜡/膨胀石墨/石墨烯复合相变储热材料的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220054.
[15]	龚妍熹, 王建兵, 柴歩瑜, 韩元春, 马云飞, 贾超敏. 钾掺杂g-C₃N₄薄膜光阳极的制备及光电催化氧化降解水中双氯芬酸钠性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220005.

蜂窝状C₃N₄/CoSe₂/GA复合光催化剂的制备及CO₂还原性能

Preparation of Cellular C₃N₄/CoSe₂/GA Composite Photocatalyst and Its CO₂ Reduction Activity

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