N缺陷g-C3N5/CdS/Ti3C2异质结光催化剂的制备及高效去除NO性能

doi:10.7503/cjcu20240488

摘要/Abstract

摘要：

采用简单的溶剂热法合成了一系列具有N空位的g-C₃N₅/CdS/Ti₃C₂复合光催化剂. 通过缺陷工程和异质结的协同作用, 所设计的最佳比例g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂复合材料的光催化性能分别是g-C₃N _x 和CdS的2.7和2.4倍. 由于光吸收率的提高和界面电荷迁移的改善, 在可见光照射下, 10 min内g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂对流动反应器内的NO去除率达到60.21%, NO₂的生成率仅为2.08%. 通过电子顺磁共振(EPR)和捕获实验分析了活性物种并推断出光生载流子的迁移途径. 此外, 通过原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in-situ DRIFTS)进一步揭示了g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂体系光催化去除NO的机理. 研究结果为利用空位工程和异质结构的协同作用有效去除NO提供了新的思路和实验依据.

关键词: 光催化, NO, g-C₃N _x, Ti₃C₂, CdS

Abstract:

The synergy of two widely developed modulation techniques， defect engineering and heterostructure construction， was integrated to substantially improve photocatalytic performance and a series of N-defective g-C₃N₅/CdS/Ti₃C₂ photocatalysts were successfully constructed. Through the rational combination of vacancy engineering and multi-component charge transfer mode， the photocatalytic performance of the designed optimal g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂ photocatalyst reached equilibrium at 60.21% within 10 min of visible light irradiation in a flow reactor， which was 2.7 and 2.4 times that of pure g-C₃N _x and CdS， respectively. Furthmore， the NO₂ production rate of g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂ is several times lower than other catalysts. Additionally， the charge carrier transfer pathway was deduced by analyzing the active species via electron paramagnetic resonance（EPR） and trapping experiment. The in-situ diffuse reflectance Fourier transform infrared spectroscopy（in-situ DRIFTS） experiment further revealed the mechanism of photocatalytic removal of NO in the g-C₃N _x /CdS/Ti₃C₂ system. This research provides a new standpoint for the reasonable design of vacancy engineering and heterogeneous structures for effective NO removal.

Key words: Photocatalysis, NO, g-C₃N _x, Ti₃C₂, CdS

中图分类号:

O643

TrendMD:

康莎, 章柯, 卫亚静, 王传义. N缺陷g-C₃N₅/CdS/Ti₃C₂异质结光催化剂的制备及高效去除NO性能. 高等学校化学学报, 2025, 46(4): 20240488.

KANG Sha, ZHANG Ke, WEI Yajing, WANG Chuanyi. In⁃situ Construction of N-defective g-C₃N₅/CdS/Ti₃C₂ Schottky Junction for High-efficiency Photocatalytic NO Removal. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(4): 20240488.

图/表 13

Fig.1 Removal rate of nitrogen monoxide(A) and generation rate of nitrogen dioxide of synthesized samples(B), comparison of catalytic performance of synthesized samples(C), photocatalytic cycle test(D) and generation rate of nitrogen dioxide in the cycling test(E) and comparison of cycling performance of synthesized samples(F)（C） a. g-C3N x； b. CdS； c. g-C3N x /CdS； d. g-C3N x /CdS/Ti3C2-10%； e. g-C3N x /CdS/Ti3C2-20%； f. g-C3N x /CdS/Ti3C2-30%.（D）—（F） g-C3N x /CdS/Ti3C2-20%.

Fig.2 SEM image(A) and TEM images(B—F) of g⁃C3N x /CdS/Ti3C2⁃20%

Fig.3 TEM image(A) and elemental mappings of Cd(B), N(C) and Ti(D) of g⁃C3N x /CdS/Ti3C2⁃20%

Fig.4 XRD patterns of the synthesized catalysts

Fig.5 XPS spectra of C1s (A), N1s (B), O1s (C), S2p (D), Cd3d (E) and Ti2p (F) of g⁃C3N x /CdS/Ti3C2⁃20%

Fig.6 Nitrogen adsorption⁃desorption isotherms(A), pore diameter diagram(B), transient responses of photocurrent(C) and electrochemical impedance spectra(D) of the prepared catalysts

Table 1 Texture properties of g-C3N x, CdS, g-C3N x /CdS and g-C3N x /CdS/Ti3C2-20%

Sample	S_BET/（m²·g^‒1）	Pore volume/（cm³·g^‒1）	Pore size/nm
g⁃C₃N _x	1.49	0.02	54.48
CdS	21.52	0.07	13.40
g⁃C₃N _x /CdS	81.97	0.23	11.46
g⁃C₃N _x /CdS/Ti₃C₂⁃20%	135.52	0.39	11.39

Fig.7 FTIR spectra(A), UV⁃Vis DRS(B), fluorescence spectra(C) and TRPL decay plots(D) of g⁃C3N x, CdS and g⁃C3N x /CdS/Ti3C2⁃20%

Table 2 Kinetics parameters of emission decay of g-C3N x, CdS and g-C3N x /CdS/Ti3C2-20%

Catalyst	A₁	τ₁/ns	A₂	τ₂/ns	Τ_avg/ns
g⁃C₃N _x	0.296	1.56	0.024	9.73	4.30
CdS	0.099	1.19	0.025	29.99	26.08
g⁃C₃N _x /CdS/Ti₃C₂⁃20%	0.064	2.32	0.030	33.65	33.20

Fig.8 Band gap(A, C) and Mott⁃Schottky curves(B, D) of g⁃C3N x (A, B) and CdS(C, D)

Fig.9 EPR spectra(A) and O2⁃TPD plots of different samples(B), and capture experiment results(C), EPR spectra of •O2‒ (D), 1O2(E), •OH(F) of g⁃C3N x /CdS/Ti3C2⁃20%

Fig.10 EPR spectra of •O2‒ (A, D), 1O2(B, E), •OH(C, F) of CdS(A—C) and g-C3N x (D—F)

Fig.11 In⁃situ DRIFTS(A) and the reaction mechanism(B) of g⁃C3N x /CdS/Ti3C2⁃20% for photocatalytic NO removal

参考文献 23

24	Chen Y. L.， Liu X. Q.， Hou L.， Guo X. R.， Fu R. W， Sun J. M.， Chem. Eng. J.， 2020， 383， 123132
25	Vadivel S.， Hariganesh S.， Paul B.， Mamba G.， Puviarasu P.， Colloids Surf. A， 2020， 592， 124583
26	Kumar P.， Vahidzadeh E.， Thakur U. K.， Kar P.， Alam K. M.， Goswami A.， Mahdi N.， Cui K.， Bernard G. M.， Michaelis V. K.， Shankar K.， J. Am. Chem. Soc.， 2019， 141（13）， 5415—5436
27	Xiao R.， Zhao C. X.， Zou Z. Y.， Chen Z. P.， Tian L.， Xu H. T.， Tang H.， Liu Q. Q.， Lin Z. X.， Yang X. F.， Appl. Catal. B， 2020， 268， 118382
28	Xin Y.， Zhu Q. H.， Gao T.， Li X. M.， Zhang W.， Wang H.， Ji D. H.， Huang Y.， Padervand M.， Yu F.， Wang C. Y.， Appl. Catal. B， 2023， 324， 122238
29	Dai W. R.， Zhang S.， Shang H.， Xiao S. N.， Tian Z. L.， Fan W. B.， Chen X. L.， Wang S. K.， Chen W.， Zhang D. Q.， Adv. Funct. Mater.， 2023， 34（4）， 2309426
30	Zhang J. L.， Li Z.， Liu B.， Chen M. S.， Zhou Y. T.， Zhu M. S.， Appl. Catal. B， 2023， 328， 122522
31	Li X. M.， Dong Q. B.， Li F.， Zhu Q. H.， Tian Q. Y.， Tian L.， Zhu Y. Y.， Pan B.， Padervand M.， Wang C. Y.， Appl. Catal. B， 2024， 340， 123238
32	Wu H. Z.， Yuan C. W.， Chen R. M.， Wang J. D.， Dong F.， Li J. Y.， Sun Y. J.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（39）， 43741—43749
33	Gao T.， Zhang K.， Zhu Q. H.， Tian Q. Y.， Wang H.， Zhang W.， Liang J. Y. S.， Lin J. Q.， Allam A. A.， Ajarem J. S.， Robertson P. K. J.， Wang C. Y.， Catalysts， 2022， 12（11）， 1455
34	Shang H.， Jia H. B.， Zhang W. B.， Li S. J.， Wang Q.， Yang Q. Y.， Zhang C.， Shi Y. X.， Wang Y. J.， Li P. P.， He Y. C.， Xiao S. N.， Wang D.， Zhang D. Q.， Environ. Sci. Technol.， 2023， 57（48）， 20400—20409
35	Li Y. H.， Gu M. L.， Zhang M.， Zhang X. M.， Lv K. L.， Liu Y. Q.， Ho W. K.， Dong F.， Chem. Eng. J.， 2020， 389， 124421
1	Gao T.， Lin J. Q.， Zhang K.， Padervand M.， Zhang Y. F.， Zhang W.， Shi M. L.， Wang C. Y.， Processes， 2023， 11（1）， 115
2	Nguyen V. H.， Nguyen B. S.， Huang C. W.， Le T. T.， Nguyen C. C.， Nhi Le T. T.， Heo D.， Ly Q. V.， Trinh Q. T.， Shokouhimehr M.， Xia C. L.， Lam S. S.， Vo D. V. N.， Kim S. Y.， Le Q. V.， J. Cleaner Prod.， 2020， 270， 121912
3	Todorova N.， Giannakopoulou T.， Pomoni K.， Yu J. G.， Vaimakis T.， Trapalis C.， Catal. Today， 2015， 252， 41—46
4	Ballari M. M.， Hunger M.， Hüsken G.， Brouwers H. J. H.， Appl. Catal. B， 2010， 95（3/4）， 245—254
5	Ai Z.， Zhang K.， Chang B.， Shao Y. L.， Zhang L.， Wu Y. Z.， Hao X. P.， Chem. Eng. J.， 2020， 383， 123130
6	Feng C.， Chen Z. Y.， Jing J. P.， Sun M. M.， Tian J.， Lu G. Y.， Ma L.， Li X. B.， Hou J.， J. Mater. Sci. Technol.， 2021， 80， 75—83
7	Sun B. T.， Qiu P. Y.， Liang Z. Q.， Xue Y. J.， Zhang X. L.， Yang L.， Cui H. Z.， Tian J.， Chem. Eng. J.， 2021， 406， 127177
8	Tao J. N.， Wang M. Y.， Liu G. W.， Liu Q. Q.， Lu L.， Wan N.， Tang H.， Qiao G. J.， J. Adv. Ceram.， 2022， 11（7）， 1117—1130
9	Zhang K.， Wei Y. J.， Xie L. H.， Kang S.， Li F.， Wang C. Y.， Chin. Chem. Lett.， 2025， 36（3）， 110086
10	Saeed A.， Chen W.， Shah A. H.， Zhang Y. Y.， Mehmood I.， Liu Y. L.， J. CO2 Util.， 2021， 47， 101501
11	Yu K.， Huang H. B.， Zeng X. Y.， Xu J. Y.， Yu X. T.， Liu H. X.， Cao H. L.， Lü J.， Cao R.， Chem. Commun.， 2020， 56（56）， 7765—7768
12	Huang H. B.， Fang Z. B.， Yu K.， Lü J.， Cao R.， J. Mater. Chem. A， 2020， 8（7）， 3882—3891
13	Jo W. K.， Selvam N. C. S.， Chem. Eng. J.， 2017， 317， 913—924
14	Zeng G. C.， Cao Y.， Wu Y. X.， Yuan H. G.， Zhang B. J.， Wang Y. L.， Zeng H. P.， Huang S. B.， Appl. Mater. Today， 2021， 22， 100926
15	Chen X.， Huang X. J.， Kong L. T.， Guo Z.， Fu X. C.， Li M. Q.， Liu J. H.， J. Mater. Chem.， 2010， 20（2）， 352—359
16	Ma X. M.， Jiang Q. T.， Guo W. M.， Zheng M.， Xu W. C.， Ma F. B.， Hou B. R.， RSC Adv.， 2016， 6（34）， 28263—28269
17	Wang B. H.， Qiao H.， Guan P. L.， Yang B. S.， Liu B.， Compos. Interfaces， 2022， 30（2）， 147—161
18	Guo M. J.， Zhao T. Y.， Xing Z. P.， Qiu Y. L.， Pan K.， Li Z. Z.， Yang S. L.， Zhou W.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2020， 12（36）， 40328—40338
19	Cao J. R.， Zhou S. Y.， Cai J. H.， Han J. H.， Liu J. H.， Li R. P.， Huang M. J.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2023， 25（37）， 25734—25745
20	Li Q. S.， Lu H.， Wang X. L.， Hong Z. Q.， Fu Z.， Liu X. X.， Zhou J. T.， Chem. Eng. J.， 2022， 443， 136473
21	Ananpattarachai J.， Kajitvichyanukul P.， Seraphin S.， J. Hazard. Mater.， 2009， 168（1）， 253—261
22	Mane G. P.， Talapaneni S. N.， Lakhi K. S.， Ilbeygi H.， Ravon U.， Al‐Bahily K.， Mori T.， Park D. H.， Vinu A.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 56（29）， 8481—8485
23	Ng B. J.， Putri L. K.， Kong X. Y.， Shak K. P. Y.， Pasbakhsh P.， Chai S. P.， Mohamed A. R.， Appl. Catal. B， 2018， 224， 360—367

[1]	郑娜, 聂丽君, 高宇航, 薛坤坤, 韩晓蓓, 马跃宇, 任丽蓉, 苏王潮, 石建惠. H₃PO₄质子化改性的g-C₃N₄及其光催化产H₂O₂性能[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(4): 20240485.
[2]	姜艳丽, 徐云松, 王建康, 李伟豪, 宋英, 汪新智, 姚忠平. Ti₃C₂-MXene/CuS/PVDF复合光热膜的制备及太阳能驱动界面水蒸发性能[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(4): 20240469.
[3]	王斓懿, 王世伟, 陈心宇, 于迪, 张春雷, 范晓强, 于学华, 赵震. MO _δ /3DOM ZSM-5催化剂的制备及同时消除炭烟和NO_x的催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(2): 20240455.
[4]	温俊青, 王嘉辉, 张建民. 掺杂和点缺陷调控MoS₂/ZnO异质结光解水性能的第一性原理研究[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(2): 20240380.
[5]	张晓斐, 田鹏程, 常晶晶. 非金属光催化体系下N-环丙基苯胺的[3+2]环化加成反应[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(9): 20240253.
[6]	赵子旺, 丛树睿, 王春宇, 周术元, 彭猛, 王磊, 许嘉钰. 基于氯自由基链式反应的臭氧可见光消除研究[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(9): 20240187.
[7]	徐小花, 王莉, 林鹏程, 马天锋, 石琳, 王欢, 芦永昌. NPCl -CDs/Fe ³⁺荧光探针的制备及对 L-Cys的传感检测[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(9): 20240251.
[8]	张慧莲, 杨新杰, 李军, 李泉, 张福娟, 张艳丽, 王红斌, 杨文荣, 庞鹏飞. 基于N掺杂Ti₃C₂ MXene量子点的荧光探针用于Hg²⁺和S^2-的传感检测[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(5): 20230504.
[9]	马然松, 毕吉利, 胡雨来. 三氟甲基取代1,1-二芳基烷烃衍生物的合成: 光诱导CF₃Br 参与的碳碳双键三氟甲基/芳基化反应#br#[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(5): 20240048.
[10]	赵玉彤, 王仕凯, 赵福萍, 陈志合, 赵丽杰, 张大凤, 葛博, 蒲锡鹏. 绣球花状ZnIn₂S₄/CoWO₄ S型异质结的构建及可见光催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(5): 20240055.
[11]	田振华, 高盼盼, 于若泓, 赵文杰. 基于含铬革屑制备吸附-降解型胶原/ZnO复合材料[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(3): 20230416.
[12]	牟迪, 吴海洋, 张楠琦, 安兆坤, 何漩, 张富青, 赵雷, 陈辉, 方伟, 杜星, 王大珩, 李薇馨. EI/P25/Zr-MOFs异质结的构筑及催化产氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(3): 20230468.
[13]	曹铁平, 李跃军, 孙大伟. 双S型YVO₄/TiO₂/BiVO₄异质结的构筑及光催化CO₂还原性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(12): 20240298.
[14]	王鑫, 祁金阳, 杨瑞杰, 宋志国, 王敏. 基于苯磺酸配体构筑的Cu(II)配合物的合成、表征及催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(10): 20240297.
[15]	曹圣哲, 黄欣, 杨志红. 直接Z型In₂SSe/Sb范德华异质结光催化水分解的第一性原理研究[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230145.

N缺陷g-C₃N₅/CdS/Ti₃C₂异质结光催化剂的制备及高效去除NO性能

In⁃situ Construction of N-defective g-C₃N₅/CdS/Ti₃C₂ Schottky Junction for High-efficiency Photocatalytic NO Removal

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 23

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价