双功能复合材料g-C3N4/CdS/Ni催化光解水产氢和5-羟甲基糠醛氧化性能

doi:10.7503/cjcu20210255

摘要/Abstract

摘要：

采用高温煅烧法、原位生长法和光还原法分三步制备出双功能复合光催化剂g-C₃N₄/CdS/Ni. 材料中CdS的引入可以增强光生电子和空穴的分离效率, Ni可以进一步提高光致产氢速率. 在以三乙醇胺(TEOA)为电子给体的水溶液中对所制备的材料进行了催化产氢性能测试, 并对材料中CdS的含量进行了优化. 结果表明, 25% (质量分数)CdS负载量的复合材料催化产氢性能最佳, 其催化产氢速率为4134.5 μmol·g^-1·h^-1, 是 g-C₃N₄/Ni催化产氢速率的115倍. 且Ni是一种良好的质子催化剂. 在此基础上, 以5-羟甲基糠醛(HMF)替代TEOA作为体系的电子给体, 其可以被选择性地催化氧化为增值化学品2, 5-二甲酰基呋喃(DFF). 当体系中HMF的转化率为82.3%, DFF的选择性为69.4%时, DFF的产率(57.2%)达到最高, 体系中H₂的产量为 51.8 μmol/g. g-C₃N₄/CdS/Ni复合材料可以在同一体系中进行催化光致产氢和HMF的选择性氧化.

关键词: 光催化, 选择性氧化, 5-羟甲基糠醛, 2, 5-二甲酰基呋喃, 氢气

Abstract:

The bifunctional photocatalyst g-C₃N₄/CdS/Ni was synthesized by high temperature calcination， in situ growth method and photoreduction method in three steps. The introduction of CdS in this composite can enhance the separation rate of photogenerated holes and electrons. And the loading of Ni can further improve the photoinduced hydrogen production rate. In addition， the photocatalytic hydrogen evolution reaction was carried out in triethanolamine（TEOA， hole sacrificial agent） aqueous solution and the optimal CdS content of the composite was determined. Experiments showed that the composite with 25%（mass fraction） CdS exhibited the best photocatalytic activity and the Ni was a good cocatalyst for hydrogen production. The highest H₂ gene- ration rate catalyzed by g-C₃N₄/25CdS/Ni composite was 4134.5 μmol·g^-1·h^-1， which was 115 times higher than that of g-C₃N₄/Ni composite. Subsequently， the TEOA in this system was replaced by 5-hydroxymethylfurfural（HMF）. HMF can be selectively oxidized to the value-added chemical 2，5-diformylfuran（DFF）. When the conversion of HMF was 82.3% and the selectivity of DFF was 69.4%， the yield of DFF was up to the highest（57.2%）. At the same time， the yield of H₂ in this system was 51.8 μmol/g. In summary， g-C₃N₄/CdS/Ni composite can catalyze photoinduced H₂ evolution and HMF selective oxidation in the same system.

Key words: Photocatalysis, Selective oxidation, 5-Hydroxymethylfurfural, 2, 5-Diformylfuran, Hydrogen

中图分类号:

O644

TrendMD:

李晨晨, 那永. 双功能复合材料g-C₃N₄/CdS/Ni催化光解水产氢和5-羟甲基糠醛氧化性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2896.

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图/表 9

Fig.1 XRD patterns of g?C3N4(a), CdS(b) and g?C3N4/25CdS composite(c)

Fig.2 SEM images of g?C3N4(A) and g?C3N4/25CdS composite(B), SEM image(C), elemental mapping for elements C(D), N(E), S(F), Cd(G), Ni(H) and EDS(I) of g?C3N4/25CdS/Ni compositeInset of （I）： ICP?OES results.

Fig.3 XPS survey spectra(A) and high?resolution XPS spectra of C1s(B), N1s(C), S2p(D), Cd3d(E) and Ni2p(F) of g?C3N4/25CdS/Ni composite

Fig.4 HRTEM image of g?C3N4/25CdS/Ni composite

Fig.5 UV?Vis absorption spectra(A), the band gap calculated by Kubelka?Munk function(B), PL spectra(C) and I?t spectra(D) of g?C3N4, g?C3N4/25CdS composite and g?C3N4/25CdS/Ni composite

Fig.6 Photocatalytic H2 evolution rate of different samples with different contents of CdS(A), samples with or without Ni(B) and composites prepared by physical mixing or insitu growth method(C) from TEOA aqueous solution driven by visible light(λ>420 nm)（A） a. g?C3N4/Ni； b. g?C3N4/10CdS/Ni； c. g?C3N4/15CdS/Ni； d. g?C3N4/20CdS/Ni； e. g?C3N4/25CdS/Ni； f. g?C3N4/30CdS/Ni； g. g?C3N4/35CdS/Ni； h. CdS/Ni. （B） a. g?C3N4； b. g?C3N4/Ni； c. g?C3N4/25CdS； d. g?C3N4/25CdS/Ni. （C） a. （g?C3N4+25CdS）/Ni； b. g?C3N4/25CdS/Ni.

Fig.7 Electronic transfer path of g?C3N4/CdS/Ni composite driven by visible light

Fig.8 HMF oxidation catalyzed by g?C3N4/25CdS/Ni composite under visible light irradiation(A) and the influence of h+ scavenger(EDTA?2Na) on the photocatalytic activity(B)

Fig.9 Recycling study of the photocatalytic oxidation of HMF

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双功能复合材料g-C₃N₄/CdS/Ni催化光解水产氢和5-羟甲基糠醛氧化性能

g-C₃N₄/CdS/Ni Composite as a Bifunctional Photocatalyst for H₂ Generation and 5-Hydroxymethylfurfural Oxidation

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