H3PO4 Protonation-modified g-C3N4 and Its Photocatalytic H2O2 Production Properties

doi:10.7503/cjcu20240485

Abstract

Abstract:

In this study， bulk graphite phase carbon nitride g-C₃N₄（BCN） was prepared by using melamine as the precursor， BCN was hydrothermally treated with different concentrations of H₃PO₄， to prepare protonated modified g-C₃N₄（PBCN _x ）， and then PBCN _x was purified by DMSO solvent to obtain the corresponding PBCN_x-D sample. The structural morphology of the sample was characterized by X-ray diffraction（XRD）， Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）， transmission electron microscope（TEM）， and X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）. The results prove that PBCN _x -D not only retains the original structure of g-C₃N₄， but also has a thin layer structure， larger surface area and more amino defects， and these properties enhance its photocatalytic activity. The analysis of transient photocurrent（TPC）， electrochemical impedance（EIS）， photoluminescence spectrum（PL） and UV-visible diffuse reflection spectrum（UV-Vis DRS） show that the electron-hole recombination of PBCN _x -D is significantly reduced. It is worth noting that BCN forms poorly photoresponsive melem molecules during the protonation process. After purification with DMSO solvent， the photoelectrochemical properties of PBCN _x -D are further improved. In the experiment of photocatalytic production of H₂O₂， PBCN₁₀-D shows the best photocatalytic activity， with a H₂O₂ yield of 0.502 mmol/L after 5 h of light irradiation， which is 7.17 times than that of the initial BCN.

Key words: Protonated g-C₃N₄, Melem, Visible light, Photocatalytic production of hydrogen peroxide

CLC Number:

O643.36

TrendMD:

ZHENG Na, NIE Lijun, GAO Yuhang, XUE Kunkun, HAN Xiaobei, MA Yueyu, REN Lirong, SU Wangchao, SHI Jianhui. H₃PO₄ Protonation-modified g-C₃N₄ and Its Photocatalytic H₂O₂ Production Properties[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(4): 20240485.

Figures/Tables 15

References 59

1	Zhou W.， Meng X. X.， Gao J. H.， Alshawabkeh A. N.， Chemosphere， 2019， 225， 588—607
2	Balakrishnan A.， Vijaya Suryaa K.， Tripathy H.， Trivedi S.， Kumar A.， Chinthala M.， J. Colloid Interface Sci.， 2024， 663， 1087—1098
3	Ma L.， X.， Gao Y. P.， Wei B. Q.， Huang L.， Zhang N.， Weng Q.， Zhang L.， Liu S. F.， Jiang R. I.， ACS Catal.， 2024， 14（4）， 2775—2786
4	Zeng X. K.， Wang T. Y.， Wang Z. Y.， Tebyetekerwa M.， Liu Y.， Liu Z. Y.， Wang G.， Wibowo A. A.， Pierens G.， Gu Q. F.， Zhang X. W.， ACS Catal.， 2024， 14（13）， 9955—9968
5	Ji R.， Dong Y. M.， Sun X. Y.， Pan C. S.， Yang Y. F.， Zhao H.， Zhu Y. F.， Appl. Catal. B， 2024， 349， 123884
6	Chai S. M.， Chen X. W.， Zhang X. R.， Fang Y. X.， Sprick R. S.， Chen X.， Environ. Sci. Nano， 2022， 9（7）， 2464—2469
7	Yang J.， Jing J. F.， Li W. L.， Zhu Y. F.， Adv. Sci.， 2022， 9（17）， 2201134
8	Xue W. J.， Huang D. L.， Zeng G. M.， Wan J.， Zhang C.， Xu R.， Cheng M.， Deng R.， J. Hazard. Mater.， 2018， 341， 381—389
9	Zhang L. S.， Ding N.， Hashimoto M.， Iwasaki K.， Chikamori N.， Nakata K.， Xu Y. Z.， Shi J. J.， Wu H. J.， Luo Y. H.， Li D. M.， Fujishima A.， Meng Q. B.， Nano Res.， 2018， 11（4）， 2295—2309
10	Zhang J.， Zhang M.， Lin L.， Wang X.， Angew Chem. Int. Ed.， 2015， 54（21）， 6297—6301
11	Zhang Y. J.， Antonietti M.， Chem. J.， 2010， 5（6）， 1307—1311
12	Kumar A.， Kashyap S.， Sharma M.， Krishnan V.， Chemosphere， 2022， 287， 131988
13	Ye M.， Wei W.， Zheng L. H.， Liu Y. Z.， Wu D. W.， Gu X. Y.， Wei A.， J. Hazard. Mater.， 2019， 365， 674—683
14	Wang K. C.， Song S. W.， Zhang Q. F.， Jin Y. H.， Zhang Q. H.， Chem. Commun.， 2019， 55（51）， 7414—7417
15	Ma L. L.， Fan H. Q.， Fu K.， Lei S. H.， Hu Q. Z.， Huang H. T.， He G. P.， ACS Sustainable Chem. Eng.， 2017， 5， 7093—7103
16	Wang J. L.， Chen B. Q.， Zeng F. H.， Lu X. F.， Hou Y. D.， Lin W.， Yang C.， J. Mater. Chem. A， 2024， 12（24）， 14508—14516
17	He F. T.， Lu Y. M.， Wu Y. Z.， Wang S. L.， Zhang Y.， Dong P.， Wang Y. Q.， Zhao C. C.， Wang S. J.， Zhang J. Q.， Wang S. B.， Adv. Mater.， 2023， 36（9）， 2307490
18	Huang Z. J.， Li F. B.， Chen B. F.， Yuan G. Q.， Catal. Sci. Technol.， 2016， 6（9）， 2942—2948
19	Lau V. W. H.， Mesch M. B.， Duppel V.， Blum V.， Senker J.， Lotsch B. V.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（3）， 1064—1072
20	Guo M. Y.， Ma Y. N.， Liu Z. Q.， Wang D. H.， Yang Y. H.， Li X. L.， Liu E. Z.， J. Catal.， 2024， 430， 115332
21	Shi L.， Liang L.， Wang F. X.， Liu M. S.， Sun J. M.， J. Mater. Sci.， 2014， 50（4）， 1718—1727
22	Zuo S. X.， Chen Y.， Liu W. J.， Yao C.， Li Y. R.， Ma J. Q.， Kong Y.， Mao H. H.， Li Z. Y.， Fu Y. S.， J. Coat. Technol. Res.， 2017， 14， 1307—1314
23	Du X. R.， Zou G. J.， Wang Z. H.， Wang X. L.， Nanoscale， 2015， 7（19）， 8701—8706
24	Martha S.， Nashim A.， Parida K. M.， J. Mater. Chem. A， 2013， 1（26）， 7816—7824
25	Yu Q. K.， Jauregui L. A.， Wu W.， Colby R.， Tian J. F.， Su Z. H.， Cao H. L.， Liu Z. H.， Pandey D.， Wei D. G.， Chung T. F.， Peng P.， Guisinger N. P.， Stach E. A.， Bao J. M.， Pei S. S.， Chen Y. P.， Nat. Mater.， 2011， 10（6）， 443—449
26	Wu X. H.， Wang X. F.， Wang F. Z.， Yu H. G.， Appl. Catal. B： Environ.， 2019， 247， 70—77
27	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
28	Wen J. T.， Wang G.， Hao P. C.， Li X.， Liu W. Y.， Chen X. Y.， Zhan H. J.， Li F.， ACS Appl. Nano Mater.， 2022， 5（9）， 13659—13670
29	Zhang G. Q.， Xu Y. S.， He C. X.， Zhang P. X.， Mi H. W.， Appl. Catal. B， 2021， 283， 119636
30	Wang S. J.， He F. T.， Zhao X. L.， Zhang J. Q.， Ao Z. M.， Wu H.， Yin Y.， Shi L.， Xu X. Y.， Zhao C. C.， Wang S. B.， Sun H. Q.， Appl. Catal. B， 2019， 257， 117931
31	Xu Y. G.， Xie M.， Huang S. Q.， Xu H.， Ji H. Y.， Xia J. X.， Li Y. P.， Li H. M.， RSC Adv.， 2015， 5（33）， 26281—26290
32	Zhu M. S.， Kim S.， Mao L.， Fujitsuka M.， Zhang J. Y.， Wang X. C.， Majima T.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（37）， 13234—13242
33	Zhou Z. X.， Wang J. H.， Yu J. C.， Shen Y. F.， Li Y.， Liu A. R.， Liu S. Q.， Zhang Y. J.， J. Am. Chem. Soc.， 2015， 137（6）， 2179—2182
34	Wen D.， Su Y. R.， Fang J. Y.， Zheng D.， Xu Y. S.， Zhou S.， Meng A. Y.， Han P. G.， Wong C. P.， Nano Energy， 2023， 117， 108917
35	Mohammadikish M.， Mosleh N.， Appl. Organomet. Chem.， 2023， 37（10）， e7177
36	Liang Q. H.， Li Z.， Huang Z. H.， Kang F. Y.， Yang Q. H.， Adv. Funct. Mater.， 2015， 25（44）， 6885—6892
37	Mo J. M.， Wang N.， Zhang S. H.， Chen X. L.， Fu J.， Chen P. L.， Liang Z.， Su Q. C.， Li X. J.， Res. Chem. Intermed.， 2022， 48（9）， 3835—3849
38	Nikookar M.， Rezaeifard A.， Maasoumeh J.， Grzhegorzhevskii K. V.， Ostroushko A. A.， RSC Adv.， 2021， 11（61）， 38862—38867
39	Hu X. L.， Lu P.， Pan R.， Li Y. X.， Bai J. W.， He Y. Z.， Zhang C. H.， Jia F. Y.， Fu M.， Chem. Engin. J.， 2021， 423， 130278
40	Ming L. F.， Yue H.， Xu L. M.， Chen F.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（45）， 19145—19149
41	Chen Y.， Wang B.， Lin S.， Zhang Y. F.， Wang X. C.， J. Phys. Chem. C， 2014， 118（51）， 29981—29989
42	Shen M.， Zhang L. X.， Wang M.， Tian J. J.， Jin X. X.， Guo L. M.， Wang L. Z.， Shi J. L.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7（4）， 1556—1563
43	Zheng H. B.， Chen W.， Gao H.， Wang Y. Y.， Guo H. Y.， Guo S. Q.， Tang Z. L.， Zhang J. Y.， J. Mater. Chem. C， 2017， 5（41）， 10746—10753
44	Liu H. D.， Zheng P.， Li S. T.， Hu X.， Fang Y. F.， Chen Q. F.， Mole. Catal.， 2024， 553， 113744
45	Chu S.， Wang C. C.， Feng J. Y.， Wang Y.， Zou Z. G.， Int. J. Hydrogen Energy， 2014， 39（25）， 13519—13526
46	Xu J.， Chen Y.， Hong Y.， Zheng H.， Ma D.， Xue B.， Li Y. X.， Appl. Catalysis. A， 2018， 549， 31—39
47	Miao W.， Wang Y.， Liu Y.， Qin H.， Chu C.， Mao S.， Engineering， 2023， 25， 214—221
48	Chen H.， Xing Y.， Liu S.， Liang Y.， Fu J.， Wang L.， Wang W.， Chem. Eng. J.， 2023， 462， 142038
49	Pan Y.， Liu X. J.， Zhang W.， Shao B. B.， Liu Z. F.， Liang Q. H.， Wu T.， He Q. Y.， Huang J.， Peng Z.， Liu Y.， Zhao C. H.， Chem. Eng. J.， 2022， 427， 132032
50	Luo J.， Fan C. Z.， Tang L.， Liu Y.， Gong Z. X.， Wu T. S.， Zhen X. L.， Feng C. Y.， Feng H. P.， Wang L. L.， Xu L.， Yan M.， Appl. Catal. B， 2022， 301， 120757
51	Luo J.， Liu Y.， Fan C. Z.， Tang L.， Yang S. J.， Liu M. L.， Wang M.， Feng C. Y.， Ouyang X. L.， Wang L. L.， Xu L.， Wang J. J.， Yan M.， ACS Catal.， 2021， 11（18）， 11440—11450
52	Chu C. C.， Miao W.， Li Q. J.， Wang D. D.， Liu Y.， Mao S.， Chem. Eng. J.， 2022， 428， 132531
53	Wang Y. B.， Meng D.， Zhao X.， Appl. Catal. B， 2020， 273， 119064
54	Tong J. C.， Zhang L.， Li F.， Wang K.， Han L. F.， Cao S. K.， RSC Adv.， 2015， 5（107）， 88149—88153
55	Liu J. J.， Yin H. Y.， Nie Q. L.， Zou S. H.， Molecules， 2022， 27（20）， 6965
56	Wang X. C.， Maeda K.， Thomas A.， Takanabe K.， Xin G.， Carlsson J. M.， Domen K.， Antonietti M.， Nat. Mater.， 2008， 8（1）， 76—80
57	Liu S. Z.， Sun H. Q.， O’Donnell K.， Ang H. M.， Tade M. O.， Wang S. B.， J. Colloid Interface Sci.， 2016， 464， 10—17
58	Zhou G. L.， Sun H. Q.， Wang S. B.， Ming Ang H.， Tadé M. O.， Sep. Purif. Technol.， 2011， 80（3）， 626—634
59	Yan H. J.， Chen Y.， Xu S. M.， Int. J. Hydrogen Energy， 2012， 37（1）， 125—133

Photocatalyst	Condition	Solvent system	H₂O₂ production/（μmol·h^-1·g^-1）	Ref.
PBCN₁₀⁃D	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Ethanol/H₂O（1∶4， volume ratio）	1008	This work
SPCN	300 W white⁃light light， λ＞420 nm， air	Isopropanol/H₂O（1∶9， volume ratio）	323.6	［47］
g⁃C₃N₄/In₂S₃	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Water	92	［48］
KDCN⁃0.2	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Isopropanol/H₂O（1∶9， volume ratio）	278.9	［49］
NB⁃400	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Isopropanol/H₂O（1∶9， volume ratio）	455	［50］
NDCN	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， O₂	Isopropanol/H₂O（1∶9， volume ratio）	476	［51］
SCN5	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Isopropanol/H₂O（1∶10， volume ratio）	703.4	［52］
CNK_0.2	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， O₂	Methanol/H₂O（1∶19， volume ratio）	1010	［53］

Photocatalyst	Condition	Solvent system	H₂O₂ production/（μmol·h^-1·g^-1）	Ref.
PBCN₁₀⁃D	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Ethanol/H₂O（1∶4， volume ratio）	1008	This work
SPCN	300 W white⁃light light， λ＞420 nm， air	Isopropanol/H₂O（1∶9， volume ratio）	323.6	［47］
g⁃C₃N₄/In₂S₃	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Water	92	［48］
KDCN⁃0.2	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Isopropanol/H₂O（1∶9， volume ratio）	278.9	［49］
NB⁃400	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Isopropanol/H₂O（1∶9， volume ratio）	455	［50］
NDCN	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， O₂	Isopropanol/H₂O（1∶9， volume ratio）	476	［51］
SCN5	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， air	Isopropanol/H₂O（1∶10， volume ratio）	703.4	［52］
CNK_0.2	300 W xenon lamp， λ＞420 nm， O₂	Methanol/H₂O（1∶19， volume ratio）	1010	［53］

[1]	ZHAO Ziwang, CONG Shurui, WANG Chunyu, ZHOU Shuyuan, PENG Meng, WANG Lei, XU Jiayu. Study of Ozone Elimination via Chlorine Radical Chain Reaction Under Visible Light [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(9): 20240187.
[2]	LIU Suyu, DING Fei, LI Qian, FAN Chunhai, FENG Jing. Azobenzene-integrated DNA Nanomachine [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220122.
[3]	ZHANG Zhen, DENG Yu, ZHANG Qinfang, YU Dagang. Visible Light-driven Carboxylation with CO₂ [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220255.
[4]	ZHANG Xiaofei, LIU Jiaxin. Visible Light Induced Cyclization of O-Alkenylcarboxanilide to 2-Quinolinone [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220274.
[5]	LI Lun, ZHANG Jingyan, LUO Jing, LIU Ren, ZHU Yi. Synthesis and Properties of UV/Vis-LED Excitable Photoinitiators Based on Coumarin Pyridinium Salt [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(10): 20220178.
[6]	GUI Chen, WANG Haolin, SHAO Baixuan, YANG Yujing, XU Guangqing. Molten-salt-assistance Synthesis and Photocatalytic Hydrogen Evolution Performances of g-C₃N₄Nanostructures [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(3): 827.
[7]	ZHU Min, ZHANG Xiao, YOU Shuli. Visible-light-promoted Dearomatization of Benzene and Derivatives^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(7): 1407.
[8]	ZHAO Mengxin, MENG Zhe, LI Heping, MA Zongqin, ZHAN Haijuan, LIU Wanyi. Photodegradation of Antibiotic in Environmental Water by Graphene Oxide Modulation Bismuth Molybdate Under Visible Light Irradiation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(11): 2479.
[9]	JIANG Xue,FU Yao,HUANG Dan,GUO Yupeng. Colour Change of Red Iron Oxide by One-step Method Using Oxidant^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(12): 2734.
[10]	LIANG Haiou, BAI Jie, YU Dandan, ZHANG Qingyu, LI Chunping. Preparation of One-dimensional CNFs Supported AgX/TiO₂(X=Br, I) Ternary Composite and Their Visible Light Photocatalytic Activity [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(6): 947.
[11]	ZHANG Chunlei, HUANG Danya, SUN Minghui, OUYANG Yiting, WANG Chao, LI Xiaoyun, CHEN Lihua, SU Baolian. Promoting Effect of Nonmetal Ion Doping and Hierarchically 3D Dendrimeric Architecture for Visible-light-active Mesoporous TiO₂ Photocatalyst^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(3): 471.
[12]	LI Yuejun, CAO Tieping, MEI Zemin, XI Xiaotian, WANG Xia. Preparation and Photocatalytic Properties of Pr-doped Bi₂MoO₆/TiO₂Composite Nanofibers Under Visible Light Irradiation^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(12): 2313.
[13]	ZHANG Qian, HU Shaozheng, LI Fayun, FAN Zhiping, WANG Qiong, WANG Fei, LI Wei, LIU Daosheng. Preparation of Zn_0.11Sn_0.12Cd_0.84S_1.12/g-C₃N₄ Heterojunctions and Their Photocatalytic Performance Under Visible Light^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(3): 521.
[14]	LIANG Ruiyu, XU Dongdong, ZHA Wenying, QI Jizhen, HUANG Langhuan. Preparation of Ce-Doped Graphitic Carbon Nitride with Enhanced Visible-light Photocatalytic Activity^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(11): 1953.
[15]	DONG Deming, SUN Jiaqian, ZHAO Tianyu, LI Ming, HUA Xiuyi, LIANG Dapeng, GUO Zhiyong. Investigation on the Factors Affecting Hydrogen Peroxide Concentrations in Natural Biofilm Systems^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(7): 1337.

H₃PO₄ Protonation-modified g-C₃N₄ and Its Photocatalytic H₂O₂ Production Properties

RichHTML

PDF (PC)

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 15

References 59

Related Articles 15

Recommended Articles

Metrics

Comments