TiO2提高富碳氮化碳的光生电荷存储性能

doi:10.7503/cjcu20230028

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (6): 20230028.doi: 10.7503/cjcu20230028

TiO₂提高富碳氮化碳的光生电荷存储性能

王锡慧, 唐笑(), 刘婷婷, 李艳虹, 荆川, 凌发令, 刘俊, 周贤菊, 姚璐, 周衡, 张家忠

重庆邮电大学理学院, 重庆 400065

收稿日期:2023-01-20 出版日期:2023-06-10 发布日期:2023-03-21
通讯作者: 唐笑 E-mail:tangxiao@cqupt.edu.cn
基金资助:
重庆市教育委员会科学技术研究项目(重点项目)(KJZD-K202200605);国家自然科学基金(12004061);重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJQN202000629);重庆市自然科学基金(cstc2021jcyj-msxmX0024);重庆市教育委员会科学技术研究项目(重大项目)(KJZD-M202000601)

Photocharging Storage Capacity of C-rich Polymeric Carbon Nitrides Enhanced by TiO₂

WANG Xihui, TANG Xiao(), LIU Tingting, LI Yanhong, JING Chuan, LING Faling, LIU Jun, ZHOU Xianju, YAO Lu, ZHOU Heng, ZHANG Jiazhong

School of Science，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China

Received:2023-01-20 Online:2023-06-10 Published:2023-03-21
Contact: TANG Xiao E-mail:tangxiao@cqupt.edu.cn
Supported by:
the Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission, China(KJZD-K202200605);the National Natural Science Foundation of China(12004061);the Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission, China(KJQN202000629);the Natural Science Foundation of Chongqing, China(cstc2021jcyj-msxmX0024);the Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission, China(KJZD-M202000601)

1. ESM to 20230028.pdf(337KB)

摘要/Abstract

摘要：

氮化碳材料固有的导电性差、电子迁移率低等问题导致高光生电荷复合率, 阻碍了其光生电荷存储性能的提高. 为此, 构建了TiO₂富碳氮化碳共轭聚合物(CPCN)界面异质结, 以提高光生电荷分离率. 采用具有高比表面积(220.03 m²/g)的TiO₂纳米晶介孔薄膜作为电子传输物质, 通过增大TiO₂与CPCN之间的界面面积提高了电极反应活性, 促进了光生空穴的高效抽取, 获得了197 C/g的光生电荷存储容量.

关键词: 富碳氮化碳, 二氧化钛, 太阳能电池, 可光充电电极, 聚合物半导体

Abstract:

The light-induced accumulation of long-lived trapped electrons within the conjugated heptazine backbone enables polymeric carbon nitrides the dual ability of light absorption and charge storage. However， the photocharge storage capacity of C-rich polymeric carbon nitride（CPCN） has still been plagued by the severe recombination of photogenerated electrons and holes， which causes by its poor conductivity and low electron mobility. Herein， in order to enhance the photocharge separation， TiO₂ was used to build an interfacial heterojunction with CPCN. Serving as the electron transporter， the used TiO₂ nanocrystalline mesoporous film has high specific surface area of 220.03 m²/g. The electrode reaction activity is significantly improved by increasing the interface area between TiO₂ and CPCN. Owing to the desirable hole-extraction route for the CPCN photo-rechargeable cell， a remarkable photo-charging capacity of 197 C/g is achieved. The photoelectrode is prepared by coating the CPCN material on top of TiO₂ sintered on an fluorine-doped tin oxide（FTO） substrate. The counter electrode is a platinized FTO glass. The electrolyte， using I₃^-/I^- （LiI and I₂） in the solution of acetonitrile with a hint of water as the redox shuttle， is injected into the gap between the photoelectrode and the counter electrode to fabricate the cell. The microstructure and morphology of the TiO₂ and CPCN materials are characterized by field emission scanning electron microscopy（FESEM）， transmission electron microscopy（TEM）， X-ray diffraction（XRD）， Fourier infrared spectroscopy（FTIR）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS） and nuclear magnetic resonance spectroscopy（NMR）. The photoelectric and electrochemical properties of the TiO₂， the CPCN as well as the TiO₂/CPCN photoelectrodes are investigated using ultraviolet photoelectron spectroscopy（UPS）， UV-Vis absorption spectrum， cyclic voltammetry（CV）， galvanostatic charge- discharge（GCD） and electrochemical impedance spectroscopy（EIS）.

Key words: C-Rich carbon nitride, Titania dioxide, Solar cell, Photo-rechargeable battery, Polymer semiconducting

中图分类号:

O646

TrendMD:

王锡慧, 唐笑, 刘婷婷, 李艳虹, 荆川, 凌发令, 刘俊, 周贤菊, 姚璐, 周衡, 张家忠. TiO₂提高富碳氮化碳的光生电荷存储性能. 高等学校化学学报, 2023, 44(6): 20230028.

WANG Xihui, TANG Xiao, LIU Tingting, LI Yanhong, JING Chuan, LING Faling, LIU Jun, ZHOU Xianju, YAO Lu, ZHOU Heng, ZHANG Jiazhong. Photocharging Storage Capacity of C-rich Polymeric Carbon Nitrides Enhanced by TiO₂. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(6): 20230028.

图/表 12

Fig.1 XRD pattern(A) and N2 adsorption⁃desorption isotherm(B) of TiO2 nanoparticles

Fig.2 TEM image of the prepared TiO2 nanoparticles(A), FESEM image of the cross section(B) and an enlarged part(C), EDS elemental mapping of C(D), N(E), O(F) and Ti(G) of the TiO2/CPCN thin film electrode

Fig.3 FTIR spectrum(A) and 13C liquid⁃state NMR spectrum(B) of the synthesized CPCN sample, schematic diagram of the NMR chemical shift of heptazine rings(C) and conjugate carbon frameworks(D)（B） The inset is 13C chemical shifts of conjugated carbon frameworks.

Fig.4 C1s (A), N1s (B), O1s (C) and Ti2p (D) XPS spectra of the TiO2/CPCN thin film electrode

Fig.5 UV⁃Vis absorption(A) and transmission spectra(B) of TiO2 and CPCN, Taucs plots calculated from the transmission spectra of TiO2(C) and CPCN(D)

Fig.6 UPS results of CPCN(A—C) and TiO2(D—F)(A) EHOMO; (B, E) Ecutoff; (C, F) Eonset; (D) EV.

Fig.7 Band diagram for the energy levels of the CPCN and TiO2, as well as the schematic illustration of working mechanism of the TiO2/CPCN cellEvac: the vacuum level.

Fig.8 CV curves at a scan rate of 10 mV/s(A), GCD curves at a current of 0.4 mA and in a potential window of 0—1 V(B), OCPT curves(C) and EIS spectroscopies(D) of TiO2, CPCN and TiO2/CPCN electrodes（D） The inset is the Nyquist plots amplification of TiO2 and TiO2/CPCN heterojunction and equivalent circuit model， where RCT is the charge transfer resistance， CPE1 is the electric double layer capacitance， Ws is the Warburg component caused by diffusion of ions， Rs is the resistance of conductive substrate； the illumination condition is the simulated AM 1.5 solar light irradiation（100 mW/cm2） and the geometric area of the cell is 4 cm2.

Fig.9 CV curves tested in different scan rates ranging from 1 mV/s to 10 mV/s under illumination（A） TiO2⁃1/CPCN；（B） TiO2⁃2/CPCN；（C） TiO2⁃3/CPCN；（D） TiO2⁃4/CPCN；（E） TiO2⁃5/CPCN.Scan rate： a.1 mV/s； b.2 mV/s； c.3 mV/s； d.4 mV/s； e.5 mV/s； f.6 mV/s； g.7 mV/s； h.8 mV/s； i.9 mV/s； j.10 mV/s. The insets show the prepared photoelectrodes.

Fig.10 Linear fitting results of the relationship between total integral capacity and v-1/2（A） TiO2⁃1/CPCN；（B） TiO2⁃2/CPCN；（C） TiO2⁃3/CPCN；（D） TiO2⁃4/CPCN；（E） TiO2⁃5/CPCN.

Fig.11 Contributions and properties of the capacities of TiO2⁃x/CPCN(x=1, 2, 3, 4, 5) electrodeIllumination condition is simulated sunlight AM 1.5(100 mW/cm2) irradiation, and the geometric area of the cell is 4 cm2.

Fig.12 GCD curves under illumination(A) and dark condition(B), coulomb efficiency(C) and specific capacitance(D) of illumination and dark condition calculated from GCD curves of TiO2⁃x/CPCN(x= 1, 2, 3, 4, 5) electrodeIllumination condition is simulated sunlight AM 1.5(100 mW/cm2) irradiation, and the geometric area of the cell is 4 cm2. (C, D) a.TiO2⁃1/CPCN; b.TiO2⁃1/CPCN; c.TiO2⁃3/CPCN; d.TiO2⁃4/CPCN; e.TiO2⁃5/CPCN.

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