光热效应增强的Au/RGO/Na2Ti3O7光催化加氢性能

doi:10.7503/cjcu20210655

摘要/Abstract

摘要：

将典型的光热等离激元石墨烯和纳米金简便地负载在钛酸钠(Na₂Ti₃O₇)载体上, 构建出具有较窄禁带宽度和较高光催化活性的Au/RGO/Na₂Ti₃O₇光热辅助光催化体系. 研究发现, 石墨烯片层与金纳米颗粒在光照下, 通过局域表面等离激元共振效应诱导产生大量的热电子, 以活化反应物并降低反应活化能, 其引发的光热效应还可精准提升光催化体系中反应位点附近的温度, 从而大幅提升光催化反应速率. 通过构建特殊微支结构, 进一步增强了Au/RGO/Na₂Ti₃O₇催化剂对光的捕获, 并限域锚定高表面能催化剂以增强体系的稳定性. 在光热、光催化的高效协同增强下, Au/RGO/Na₂Ti₃O₇催化剂体系对对硝基苯酚和肉桂醛的加氢反应均表现出增强的光催化活性. 光热辅助下的Au/RGO/Na₂Ti₃O₇光催化剂在对硝基苯酚反应中的转换频率（TOF）值高达54.4 min^-1, 反应活化能显著降低至15.78 kJ/mol, 且其在长效测试中表现出良好的稳定性（4次循环催化后, 转化率的保持率近90%）.

关键词: 光热效应, 光催化, 热电子, 加氢还原

Abstract:

Typical photothermal plasmon graphene and nano gold were simply supported on sodium titanate（Na₂Ti₃O₇）. Thus， Au/RGO/Na₂Ti₃O₇ photothermal-assisted photocatalytic system was constructed， featured with narrow bandgap and high photocatalytic activity. Graphene sheets and gold nanoparticles could generate a large number of hot-electron for activating reactants and reducing the reaction energy，through their local surface plasmon resonance effect under light. The photothermal effect can precisely raise the temperature near the reaction site， thus greatly improving the photocatalytic reaction rate. In addition， the Au/RGO/Na₂Ti₃O₇ catalyst is endow with enhanced light-trapping performance by ably constructing special micro-branched structure. Also， the stability of catalyst was enhanced by confinement effects. Under the synergistic enhancement of photothermal effect and photocatalysis， Au/RGO/Na₂Ti₃O₇ catalyst showed enhanced photocatalytic activity for the p-nitrophenol hydrogenation and cin-namaldehyde hydrogenation. The turnover frequency（TOF） of the p-nitrophenol reduction reaction catalyzed by the photothermal-assisted Au/RGO/Na₂Ti₃O₇ was up to 54.4 min^-1， and the activation energy barrier was significantly reduced to 15.78 kJ/mol. Moreover， it showed high stability in the long-term test（after 4 cycling test， the conversion retention rate was nearly 90%）.

Key words: Photothermal effect, Photocatalysis, Hot-electron, Hydrogenation reduction

中图分类号:

O643

TrendMD:

孟祥钰, 詹琦, 武亚南, 马晓双, 姜靖逸, 孙岳明, 代云茜. 光热效应增强的Au/RGO/Na₂Ti₃O₇光催化加氢性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(3): 20210655.

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图/表 11

Fig.1 Schematic illustration of the preparation of the Au/RGO/Na2Ti3O7(A) and TEM images of RGO/Na2Ti3O7(B) and Au/RGO/Na2Ti3O7(C,D)The arrows in Fig.1(B) highlight the RGO, the white dots highlight the contact interface between RGO and Na2Ti3O7. The arrows in Fig.1(C) highlight the Au nanoparticles.

Fig.2 XPS spectra of survey(A), Ti2p (B), C1s (C) and O1s (D) of Au/RGO/Na2Ti3O7

Fig.3 UV?Vis spectra of Au/RGO/Na2Ti3O7(A),Tauc plot(B) and the corresponding bandgaps(C) of Au/RGO/Na2Ti3O7 with different GO input contents

Fig.4 Normalized concentration changes of 4?NP and the corresponding catalytic conversion catalyzed by Au/RGO/Na2Ti3O7 with different GO input contents under visible?light irradiation(A), the conversion efficiency from 4?NP to 4?AP catalyzed by Au/RGO/Na2Ti3O7 with different GO input contents under visible?light irradiation(B)

Fig.5 Temperature evolution of the reaction systems catalyzed by Au/RGO/Na2Ti3O7 with different GO input contents under visible?light irradiation

Table 1 Comparison on photocatalytic and photothermal performance of different photocatalytic systems*

Catalyst	P/（J·s^-1）	η（%）	K/min^-1	TOF/min^-1	TOF_mass/（min^-1·μg^-1）	Ref.
66%?Au/RGO/Na₂Ti₃O₇	153	18.2	0.240	38.2	7.17	This work
60%?Au/RGO/Na₂Ti₃O₇	112	13.4	0.399	54.5	10.4	This work
50%?Au/RGO/Na₂Ti₃O₇	101	12.3	0.278	51.4	9.87	This work
33%?Au/RGO/Na₂Ti₃O₇	98.9	11.7	0.137	37.9	7.30	This work
Fe₃O₄@Ag	—	—	—	17.1	—	［46］
Au/N?doped carbon	—	—	—	11.4	—	［47］
Au/Co₃O₄	—	—	—	5.01	—	［48］

Scheme 1 Schematic illustration of the photothermal?promoted photocatalytic reaction catalyzed by Au/RGO/Na2Ti3O7 with different RGO contents under visible?light irradiation

Fig.6 Conversion of 4?NP catalyzed by Au/RGO/Na2Ti3O7 with different GO input contents in visible light irradiation and dark condition within 10 min(A), the conversion of 4?NP catalyzed by 60%?Au/RGO/Na2Ti3O7 under visible?light irradiation with different wavelengths(B)

Table 2 Temperature increment of reaction system and quantum efficiency of Au/RGO/Na2Ti3O7under light with different wavelengths

Catalyst	Temperature increment/℃	Wavelength of light irradiation/nm	η_q_uantum （%）
60%?Au/RGO/Na₂Ti₃O₇	6.6	450	54.4
60%?Au/RGO/Na₂Ti₃O₇	6.15	500	47.5
60%?Au/RGO/Na₂Ti₃O₇	6.3	550	44.4

Fig.7 Relationship between reaction rate and reaction temperature(A), scheme for illustrating activation energy of reactions under light and dark(B), schematic illustration for the reaction route with(C) and without(D) light?induced photothermal enhancement of 4?NP catalyzed by 60%?Au/RGO/Na2Ti3O7

Fig.8 TEM images of Au/RGO/Na2Ti3O7 after catalytic reaction(A,B) and the cycling test of the 4?NP reduction catalyzed by 60%?Au/RGO/Na2Ti3O7(C)

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光热效应增强的Au/RGO/Na₂Ti₃O₇光催化加氢性能

Photothermal Enhanced Photocatalytic Hydrogenation Performance of Au/RGO/Na₂Ti₃O₇

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