Photothermal Enhanced Photocatalytic Hydrogenation Performance of Au/RGO/Na2Ti3O7

doi:10.7503/cjcu20210655

Abstract

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

CLC Number:

O643

TrendMD:

MENG Xiangyu, ZHAN Qi, WU Yanan, MA Xiaoshuang, JIANG Jingyi, SUN Yueming, DAI Yunqian. Photothermal Enhanced Photocatalytic Hydrogenation Performance of Au/RGO/Na₂Ti₃O₇[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(3): 20210655.

Figures/Tables 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)

References 43

44	Buscema M.， Groenendijk D. J.， Blanter S. I.， Steele G. A.， van der Zant H. S. J.， Castellanos⁃Gomez A.， Nano Lett.， 2014， 14， 3347—3352
45	Jacob M.， Arvin G.， Microelectronics， McGraw⁃Hill， New York， 1987
46	Chen S.， Fu H.， Zhang L.， Wan Y.， Appl. Catal. B， 2019， 248， 22—30
47	Zhou W.， Zhou Y.， Liang Y.， Feng X.， Zhou H.， RSC Adv.， 2015， 5， 50505—50511
48	Yang Y.， Luo S.， Guo S.， Chao Y.， Yang H.， Li Y.， Int. J. Hydrog. Energy， 2017， 42， 29236—29243
49	Chen Y. C.， Hsu Y. K.， Popescu R.， Gerthsen D.， Lin Y. G.， Feldmann C.， Nat. Commun.， 2018， 9， 232
50	Tagliabue G.， DuChene J. S.， Abdellah M.， Habib A.， Gosztola D. J.， Hattori Y.， Cheng W. H.， Zheng K.， Canton S. E.， Sundararaman R.， Nat. Mater.， 2020， 19， 1312—1318
51	Kwon S. J.， Han T. H.， Ko T. Y.， Li N.， Kim Y.， Kim D. J.， Bae S. H.， Yang Y.， Hong B. H.， Kim K. S.， Nat. Commun.， 2018， 9， 2037
52	Moon J. Y.， Kim M.， Kim S. I.， Xu S.， Choi J. H.， Whang D.， Watanabe K.， Taniguchi T.， Park D. S.， Seo J.， Sci. Adv.， 2020， 6， eabc6601
53	Meng X. Y.， Yang J. H.， Ramakrishna S.， Sun Y. M.， Dai Y. Q.， J. Mater. Chem. A， 2020， 8， 16570—16581
54	Lang Q.， Chen Y.， Huang T.， Yang L.， Zhong S.， Wu L.， Chen J.， Bai S.， Appl. Catal. B， 2018， 220， 182—190
55	Han B.， Zhang Y.， Chen Q.， Sun H.， Adv. Funct. Mater.， 2018， 28， 1802235
56	Zhu M. Y.， Dai Y. Q.， Fu W. L.， Wu Y. N.， Zou X. X.， You T. Y.， Sun Y. M.， Nanotechnology， 2018， 29， 165707
57	Ashter S. A.， Mechanics of Materials， William Andrew Publishing， New York， 2014
58	Iben Ayad A.， Luart D.， Ould Dris A.， Guénin E.， Nanomaterials， 2020， 10， 1169
59	Sahiner N.， Demirci S.， Asia⁃Pac J. Chem. Eng.， 2019， 14， e2305
60	Naseem K.， Begum R.， Wu W.， Irfan A.， Nisar J.， Azam M.， Farooqi Z.， Int. J. Environ. Sci. Tech.， 2021， 18， 1809—1820
61	Verma A.， Pal S.， Kuntail J.， Kamal N.， Mandal R. K.， Sinha I.， J. Environ. Chem. Eng.， 2021， 9， 105655
62	Farrag M.， Microporous Mesoporous Mater.， 2016， 232， 248—255
63	Li C.， Wang P.， Tian Y.， Xu X.， Hou H.， Wang M.， Qi G.， Jin Y.， ACS Catal.， 2017， 7， 5391—5398
64	Zhou Y.， Zhu Y.， Yang X.， Huang J.， Chen W.， Lv X.， Li C.， Li C.， RSC Adv.， 2015， 5， 50454—50461
65	Bhogeswararao S.， Pavan Kumar V.， Chary K.， Srinivas D.， Catal. Lett.， 2013， 143， 1266—1276
66	Wang G.， Xin H.， Wang Q.， Wu P.， Li X.， J. Catal.， 2020， 382， 1—12
67	Huang X.， Zhang L.， Li C.， Tan L.， Wei Z.， ACS Catal.， 2019， 9， 11307—11316
68	Hao C. H.， Guo X. N.， Pan Y. T.， Chen S.， Jiao Z. F.， Yang H.， Guo X. Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138， 9361—9364
1	Zhao Y. F.， Li Z. H.， Li M. Z.， Liu J. J.， Liu X. W.， Waterhouse G. I. N.， Wang Y. S.， Zhao J. Q.， Gao W.， Zhang Z. S.， Long R.， Zhang Q. H.， Gu L.， Liu X.， Wen X. D.， Ma D.， Wu L. Z.， Tung C. H.， Zhang T. R.， Adv. Mater.， 2018， 30， 1803127
2	Chen G. B.， Gao R.， Zhao Y. F.， Li Z. H.， Waterhouse G. I. N.， Shi R.， Zhao J. Q.， Zhang M. T.， Shang L.， Sheng G. Y.， Zhang X. P.， Wen X. D.， Wu L. Z.， Tung C. H.， Zhang T. R.， Adv. Mater.， 2018， 30， 1704663
3	Shi R.， Cao Y. H.， Bao Y. J.， Zhao Y. F.， Waterhouse G. I. N.， Fang Z. Y.， Wu L. Z.， Tung C. H.， Yin Y. D.， Zhang T. R.， Adv. Mater.， 2017， 29， 1700803
4	Wu X.， Gao T.， Han C. H.， Xu J. S.， Owens G.， Xu H. L.， Sci. Bull.， 2019， 64， 1625—1633
5	Cai M.， Wu Z.， Li Z.， Wang L.， Sun W.， Tountas A.， Li C.， Wang S.， Feng K.， Xu A.， Tang S.， Tavasoli A.， Peng M.， Liu W.， Helmy A.， He L.， Ozin G.， Zhang X.， Nat. Energy， 2021， 6， 807—814
6	Xin Y.， Yu K.， Zhang L.， Yang Y.， Yuan H.， Li H.， Wang L.， Zeng J.， Adv. Mater.， 2021， 33， 2008145
7	Mateo D.， Cerrillo J. L.， Durini S.， Gascon J.， Chem. Soc. Rev.， 2021， 50， 2173—2210
8	Li Y.， Hao J.， Song H.， Zhang F.， Bai X.， Meng X.， Zhang H.， Wang S.， Hu Y.， Ye J.， Nat. Comm.， 2019， 10， 2359
9	Yin D.， Zhang J.， Li W.， Fu Y.， Catal. Lett.， 2021， 151， 1902—1910
10	Zhang N.， Yang M. Q.， Liu S.， Sun Y.， Xu Y. J.， Chem. Rev.， 2015， 115， 10307—10377
11	Meng X. Y.， Yang J. H.， Liu W.， Ramakrishna S.， Sun Y. M.， Dai Y. Q.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2021， 13， 26561—26572
12	Gan Z.， Wu X.， Meng M.， Zhu X.， Yang L.， Chu P. K.， ACS Nano， 2014， 8， 9304—9310
13	Zedan A. F.， Moussa S.， Terner J.， Atkinson G.， El⁃Shall M. S. J. A. N.， ACS Nano， 2013， 7， 627—636
14	Wu F. R.， Liu Y. J.， Lu X. M.， Zhu B. S.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（3）， 465—472 （邬丰任，刘永佳，陆学民，朱邦尚. 高等学校化学学报， 2020， 41（3）， 465—472）
15	Inagaki T.， Kagami K.， Arakawa E. T.， Phys. Rev. B， 1981， 24， 3644—3646
16	Wang S.， Zeng B.， Li C.， Chinese J. Catal.， 2018， 39， 1219—1227
17	Zhang Q.， Fan X.， Wang H.， Chen S.， Quan X.， RSC Adv.， 2016， 6， 41114—41121
18	Zhou Y.， Zhu Y. H.， Yang X. L.， Huang J. F.， Chen W.， Lv X. M.， Li C. Y.， Li C. Z.， RSC Adv.， 2015， 5， 50454—50461
19	Dai Y. Q.， Lu P.， Cao Z. M.， Campbell C. T.， Xia Y. N.， Chem. Soc. Rev.， 2018， 47， 4314—4331
20	Bavykin D. V.， Friedrich J. M.，Walsh F. C.， Adv. Mater.， 2006， 18， 2807—2824
21	Kong D.， Wang Y.， Huang S.， Lim Y. V.， Zhang J.， Sun L.， Liu B.， Chen T.， Valdivia Y.， Alvarado P.， Yang H. Y.， J. Mater. Chem. A， 2019， 7， 12751—12762
22	Yang J.， Mou C. Y.， Appl. Catal. B， 2018， 231， 283—291
23	Wang X. T.， Zhu M. Y.， Sun Y. M.， Fu W. L.， Gu Q.， Zhang C.， Zhang Y. J.， Dai Y. Q.， Sun Y. M.， Part. Part. Syst. Charact.， 2016， 33， 140—149
24	Wang X. M.， Tao L. Q.， Yuan M.， Wang Z. P.， Yu J.， Xie D.， Luo F.， Chen X.， Wong C.， Nat. Commun.， 2021， 12，1776
25	Zhong X.， Sun Y.， Chen X.， Zhuang G.， Li X.， Wang J. G.， Adv. Funct. Mater.， 2016， 26， 5778—5786
26	Dai Y. Q.， Jing Y.， Zeng J.， Qi Q.， Wang C. L.， Goldfeld D.， Xu C. H.， Zheng Y. P.， Sun Y. M.， J. Mater. Chem.， 2011， 21， 18174—18179
27	Xu L.， Yang L.， Bai X.， Du X.， Wang Y.， Jin P.， Chem. Eng. J.， 2019， 373， 238—250
28	Liu J.， Ke J.， Li D.， Sun H.， Liang P.， Duan X.， Tian W.， Tade M. O.， Liu S.， Wang S.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9， 11678—11688
29	Lv N.， Li Y.， Huang Z.， Li T.， Ye S.， Dionysiou D. D.， Song X.， Appl. Catal. B， 2019， 246， 303—311
30	Wu Y. N.， Sun Y. B.， Fu W. L.， Meng X. Y.， Zhu M. Y.， Ramakrishna S.， Dai Y. Q.， ACS Appl.Nano Mater.， 2020， 3， 2713—2722
31	Yu H.， Peng Y.， Yang Y.， Li Z. Y.， npj Comput. Mater.， 2019， 5，45
32	Tang J.， Yan X.， Huang W.， Engelbrekt C.， Duus J.， Ulstrup J.， Xiao X.， Zhang J.， Biosens. Bioelectron.， 2020， 167， 112500
33	Moon I. K.， Lee J.， Ruoff R. S.， Lee H.， Nat. Commun.， 2010， 1， 73
34	Kong X. K.， Sun Z. Y.， Chen M.， Chen C. L.， Chen Q. W.， Energy Environ. Sci.， 2013， 6， 3260—3266
35	Ruan M.， Song P.， Liu J.， Li E.， Xu W.， J. Phys. Chem. C， 2017， 121， 25882—25887
36	Zhang P.， Shao C.， Zhang Z.， Zhang M.， Mu J.， Guo Z.， Liu Y.， Nanoscale， 2011， 3， 3357—3363
37	Strachan J.， Barnett C.， Masters A. F.， Maschmeyer T.， ACS Catal.， 2020， 10， 5516—5521
38	Li C.， Wang P.， Tian Y.， Xu X.， Hou H.， Wang M.， Qi G.， Jin Y.， ACS Catal.， 2017， 7， 5391—5398
39	Gao L.， Li R.， Sui X.， Li R.， Chen C.， Chen Q.， Environ. Sci. Technol.， 2014， 48， 10191
40	Liu Y.， Xu H.， Yu H.， Yang H.， Chen T.， Sci. Rep.， 2020， 10， 20075
41	Najafi M.， Azizian S.， Appl. Nanosci.， 2020， 10，3827—3837
42	Jakhar R.， Yap J. E.， Joshi R.， Carbon， 2020， 170， 277—293
43	Cheng R.， Yin L.， Hu R.， Liu H.， Wen Y.， Liu C.， He J.， Adv. Mater.， 2021， 33， 2008329

[1]	QIN Yongji, LUO Jun. Applications of Single-atom Catalysts in CO₂ Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220300.
[2]	LIN Zhi, PENG Zhiming, HE Weiqing, SHEN Shaohua. Single-atom and Cluster Photocatalysis： Competition and Cooperation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220312.
[3]	TENG Zhenyuan, ZHANG Qitao, SU Chenliang. Charge Separation and Surface Reaction Mechanisms for Polymeric Single-atom Photocatalysts [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220325.
[4]	XIA Wu, REN Yingyi, LIU Jing, WANG Feng. Chitosan Encapsulated CdSe QDs Assemblies for Visible Light-induced CO₂ Reduction in an Aqueous Solution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220192.
[5]	ZHAO Yingzhe, ZHANG Jianling. Applications of Metal-organic Framework-based Material in Carbon Dioxide Photocatalytic Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220223.
[6]	QIU Liqi, YAO Xiangyang, HE Liangnian. Visible-light-driven Selective Reduction of Carbon Dioxide Catalyzed by Earth-abundant Metalloporphyrin Complexes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220064.
[7]	YU Pengdong, GUAN Xinghua, WANG Dongdong, XIN Zhirong, SHI Qiang, YIN Jinghua. Preparation and Properties of Novel Optical and Thermal Dual Response Shape Memory Polymers [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220085.
[8]	WANG Guangqi, BI Yiyang, WANG Jiabo, SHI Hongfei, LIU Qun, ZHANG Yu. Heterostructure Construction of Noble-metal-free Ternary Composite Ni（PO₃）₂-Ni₂P/CdS NPs and Its Visible Light Efficient Catalytic Hydrogen Production [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220050.
[9]	TAO Yu, OU Honghui, LEI Yongpeng, XIONG Yu. Research Progress of Single-atom Catalysts in Photocatalytic Reduction of Carbon Dioxide [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(5): 20220143.
[10]	FENG Li, SHAO Lanxing, LI Sijun, QUAN Wenxuan, ZHUANG Jinliang. Synthesis of Ultrathin Sm-MOF Nanosheets and Their Visible-light Induced Photodegradation of Mustard Simulant [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(4): 20210867.
[11]	GUO Biao, ZHAO Chencan, LIU Xinxin, YU Zhou, ZHOU Lijing, YUAN Hongming, ZHAO Zhen. Effects of Surface Hydrothermal Carbon Layer on the Photocatalytic Activity of Magnetic NiFe₂O₄ Octahedron [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220472.
[12]	LI Chenchen, NA Yong. g-C₃N₄/CdS/Ni Composite as a Bifunctional Photocatalyst for H₂ Generation and 5-Hydroxymethylfurfural Oxidation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2896.
[13]	WANG Peng, YANG Min, TANG Sengpei, CHEN Feitai, LI Youji. Preparation of Cellular C₃N₄/CoSe₂/GA Composite Photocatalyst and Its CO₂ Reduction Activity [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1924.
[14]	YANG Sixian, ZHONG Wenyu, LI Chaoxian, SU Qiuyao, XU Bingjia, HE Guping, SUN Fengqiang. Photochemical Fabrication and Performance of Polyaniline Nanowire/SnO₂ Composite Photocatalyst [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1942.
[15]	ZHAO Xue, ZHANG Ange, TIAN Hongrui, WANG Henan, HUO Haiyan, LIU Shuxia. Synthesis and Photocatalytic Degradation Activity of Two Inorganic-organic Hybrids Based on Keggin-type Heteropolyacids [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1723.

Photothermal Enhanced Photocatalytic Hydrogenation Performance of Au/RGO/Na₂Ti₃O₇

RichHTML

PDF (PC)

Supplement

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 11

References 43

Related Articles 15

Recommended Articles

Metrics

Comments