熔盐辅助法制备g-C3N4纳米结构及其光催化制氢性能

doi:10.7503/cjcu20200471

摘要/Abstract

摘要：

以尿素作为原料, 采用熔盐辅助热聚合法在KCl-NaCl-BaCl₂体系中制备了带隙可调的g-C₃N₄纳米结构. 采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、 X射线光电子能谱仪、紫外-可见漫反射光谱仪及荧光光谱仪对产物的结构、形貌、成分及光学性能进行了表征. 对g-C₃N₄纳米结构可见光条件下的光催化制氢性能进行了测试, 研究了不同的尿素/熔盐比对其光催化性能的影响. 结果表明, 熔盐辅助热聚合法制备的g-C₃N₄ 纳米结构吸收光谱出现明显宽化, 吸收边由普通热聚合法制备g-C₃N₄的约450 nm红移至约500 nm左右. 同时光生载流子复合几率明显降低, 从而有效提升其光催化制氢性能. 最优化的g-C₃N₄(60)样品析氢速率达到12301.1 μmol?g^?1?h^?1, 为普通热聚合法制备g-C₃N₄析氢速率的4倍.

关键词: g-C₃N₄纳米结构, 光催化制氢, 熔盐辅助法, 可见光响应

Abstract:

Using urea as raw material， g-C₃N₄ nanostructures with adjustable bandgap were prepared in KCl-NaCl-BaCl₂ system by molten-salt-assistance thermal polymerization method. The structure， morphology， composition and optical properties of the products were characterized by X-ray diffraction， scanning electron microscope， X-ray photoelectron spectrometer， UV-Visible diffuse reflection spectrometer and fluorescence spectrometer， respectively. The photocatalytic performance of the products in visible light was tested， and the effects of different urea/molten salt ratios on the photocatalytic performance of g-C₃N₄ nanostructures were studied. The results show that the absorption spectra of g-C₃N₄ nanostructure prepared by molten-salt- assistance thermal polymerization manifest obvious broadening， and the absorption edge shifts from ca. 450 nm to ca. 500 nm， compared with the g-C₃N₄ prepared by ordinary thermal polymerization method. At the same time， the recombination rate of photogenerated carriers is obviously reduced， so the photocatalytic hydrogen production performance is effectively improved. The hydrogen evolution rate of the optimized g-C₃N₄（60） samples reach 12301.1 μmol?g^?1?h^?1， which is 4 times that of g-C₃N₄ prepared by ordinary thermal polymerization method.

Key words: g-C₃N₄ nanostructures, Photocatalytic hydrogen evolution, Molten-salt-assistance method, Visible light response

中图分类号:

O644

TrendMD:

桂晨, 王颢霖, 邵柏璇, 杨育景, 徐光青. 熔盐辅助法制备g-C₃N₄纳米结构及其光催化制氢性能. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 827.

GUI Chen, WANG Haolin, SHAO Baixuan, YANG Yujing, XU Guangqing. Molten-salt-assistance Synthesis and Photocatalytic Hydrogen Evolution Performances of g-C₃N₄Nanostructures. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 827.

图/表 7

Fig.1 XRD patterns of direct?calcination g?C3N4(a), g?C3N4(10)(b), g?C3N4(40)(c), g?C3N4(60)(d), g?C3N4(80)(e) and BaCO3(f)

Fig. 2 SEM images of direct?calcination g?C3N4(A) and g?C3N4(10)(B), g?C3N4(40)(C) and g?C3N4(60)(D) samples

Fig.3 XPS patterns of direct?calcination g?C3N4 and g?C3N4(60) samples(A) XPS survey spectrum; high?resolution spectra of C1s(B), N1s(C) and O1s(D).

Table 1 Gaussian decomposition results of C1s, N1s and O1s electrons in direct-calcination g-C3N4 and molten-salt-assistance g-C3N4(60) samples

Element	Group	g?C₃N₄		g?C₃N₄(60)
Element	Group	E_b/eV	Molar fraction(%)	E_b/eV	Molar fraction(%)
C₁_s	C―O	―	―	289.7	4.6
	N―C=N	288.0	83.8	287.9	57.5
	C―NH	286.5	6.7	―	―
	C―C	284.8	9.5	284.8	37.9
N₁_s	―NH_x	401.0	6.5	―	―
	N―(C)₃	399.8	23.7	400.1	18.1
	C―N=C	398.5	69.8	398.4	81.9
O₁_s	N―O	532.8	72.7	532.8	15.4
	C=O	531.3	27.3	531.3	84.6

Table 2 C, N, O contents and C/N molar ratios in the basic structure of g-C3N4 and g-C3N4(60) specimens

Sample	Elemental content(%)			C/N molar ratio
Sample	C	N	O	C/N molar ratio
g?C₃N₄	42.88(38.8)	52.21	4.91	0.74
g?C₃N₄(60)	42.91(24.6)	30.57	18.91	0.81

Fig.4 Photocatalytic hydrogen evolution performance ofdirect?calcination g?C3N4 and g?C3N4(10), g?C3N4(40), g?C3N4(60) and g?C3N4(80) samples(A) H2 production; (B) hydrogen evolution rate.

Fig.5 UV?Vis absorption spectra(A), (ahv)1/2?hv curves(B) and photoluminescence patterns(C) of direct?calcination g?C3N4 and g?C3N4(10), g?C3N4(40), g?C3N4(60) and g?C3N4(80) samples(B) Band gap/eV: g?C3N4: 3.04; g?C3N4(10): 2.72; g?C3N4(40): 2.77; g?C3N4(60): 2.80; g?C3N4(80): 2.80.

参考文献 20

1	Fujishima A.， Honda K.， Nature， 1972， 238（5358）， 37—38
2	Liang R. Y.， Xu D. D.， Zha W. Y.， Qi J. Z.， Huang L. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2016， 37（11）， 1953—1959（梁瑞钰，徐冬冬，查文莹，齐楫真，黄浪欢. 高等学校化学学报， 2016， 37（11）， 1953—1959）
3	Wang X.， Maeda K.， Thomas A.， Takanabe K.， Xin G.， Carlsson Johan M.， Domen K.， Antonietti M.， Nat. Mater.， 2009， 8（1）， 76—80
4	Zhao Y. F.， Sun X. L.， Hu S. Z.，Wang H.， Wang F.， Li P.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（1）， 132-139（赵艳锋，孙效龙，胡绍争，王辉，王菲，李萍. 高等学校化学学报， 2020， 41（1）， 132—139）
5	Jiang S. K.， Meng X. Z.， Agriculture and Technology， 2020， 40（13）， 26—28（姜淑坤，孟祥哲.农业与技术， 2020， 40（13）， 26—28）
6	Ran J. R.， Ma T. Y.， Gao G. P.， Duc X. W.， Qiao S. Z.， Energy Environ. Sci.， 2015， 8（12）， 3708—3717
7	Arendt R. H.， J. Solid State Chem.， 1973，（8）， 339—347
8	Fechler N.， Wohlgemuth S. A.， Jäker P.， Antonietti M.， J. Mater. Chem. A， 2013， 1（33）， 9418—9421
9	Qu X. Y.， Hu S. Z.， Li P.， Wang F.， Zhao Y. F.， Wang Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2017， 38（12）， 2280—2288（曲晓钰，胡绍争，李萍，王菲，赵艳锋，王琼. 高等学校化学学报， 2017， 38（12）， 2280—2288）
10	Liu Z. M.， Zhao C. C.， Wang S. J.， Guo R.， Wang Y. J.， Han J. P.， Acta Petrolei Sinica（Petroleum Processing Section）， 2018， 34（2）， 365—372（刘宗梅，赵朝成，王帅军，郭锐，王永剑，韩建鹏. 石油学报（石油加工）， 2018， 34（2）， 365—372）
11	Yang Y.， Wang S.， Jiao Y.， Wang Z.， Xiao M.， Du A.， Li Y.， Wang J.， Wang L.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28（47）， 1805698
12	Ruan D.， Kim S.， Fujitsuka M.， Majima T.， Appl. Catal. B： Environ.， 2018， 238（15）， 638—646
13	Jiang Y.， Sun Z.， Tang C.， Zhou Y.， Zeng L.， Huang L.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 240， 30—38
14	Wang Y.， Li Y.， Zhao J.， Wang J.， Li Z.， Int. J. Hydrogen Energ.， 2019， 44（2）， 618—628
15	Liu J.， Fang W.， Wei Z.， Qin Z.， Jiang Z.， Shangguan W.， Appl. Catal. B： Environ.， 2018， 238（15）， 465—470
16	Fan C.， Feng Q.， Xu G.， Lv J.， Zhang Y.， Liu J.， Qin Y.， Wu Y.， Appl. Surf. Sci.， 2018， 427， 730—738
17	Xiong T.， Cen W.， Zhang Y.， Dong F.， ACS Catal.， 2016， 6（4）， 2462—2472
18	Wu M.， Zhang J.， He B. B.， Wang H. W.， Wang R.， Gong Y. S.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 241， 159—166
19	Wang H.， Pei Y. B.， Hu S. Z.， Ma W. T.， Shi S. Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（7）， 1503—1510（王辉，裴彦博，胡绍争，马文涛，石朔宇. 高等学校化学学报， 2018， 39（7）， 1503—1510）
20	Zeng Z.， Yu H.， Quan X.， Chen S.， Zhang S.， Appl. Catal. B： Environ.， 2018， 227（5）， 153—160

[1]	刘苏毓, 丁飞, 李茜, 樊春海, 冯景. 偶氮苯类DNA纳米机器[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220122.
[2]	孙亚光, 张含烟, 明涛, 徐宝彤, 高雨, 丁茯, 徐振和. ZnIn₂S₄/g-C₃N₄复合材料的制备及可见光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3160.
[3]	罗威, 梁佑才, 胡志诚, 唐浩然, 刘孝诚, 邢晔彤, 黄飞. 新型亲水性共轭聚合物的制备及光催化制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 456.
[4]	赵伟良, 李琮, 韩旭, 黎挺挺, 张桂菊, 甘欣, 李褔敏, 傅文甫. 硫代多联吡啶铂(Ⅱ)配合物的合成、性质及在光催化制氢中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2014, 35(10): 2214.
[5]	穆劲, 陈丽莉, 康诗钊, 李向清. 曙红-碳纳米管-NiO光催化体系的构建及光催化还原水制氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2012, 33(09): 2080.

熔盐辅助法制备g-C₃N₄纳米结构及其光催化制氢性能

Molten-salt-assistance Synthesis and Photocatalytic Hydrogen Evolution Performances of g-C₃N₄Nanostructures

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 7

参考文献 20

相关文章 5

编辑推荐

Metrics

本文评价