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江蘇科技大學郭峰/施偉龍 ASS:無模板自組裝合成囊泡狀多孔聚合物氮化碳 - 提高光催化產氫性能
2022-09-24  來源:高分子科技

  利用半導體光催化水解制氫被認為是一種有前景的太陽能轉化手段。近年來,石墨相聚合物氮化碳(g-C3N4)材料由于其可見光反應、無毒、高化學穩定性和低成本,以及其豐富的地球碳和氮元素,已成為光催化材料的研究熱點之一,被認為是一種極有前途的產氫的光催化劑。然而,因g-C3N4的低表面積,光利用率不足,電子傳輸路徑長,以及光生載體的快速重組,其光催化活性受到限制。類囊泡狀g-C3N4被用來優化純相g-C3N4的以上幾個缺點,但其目前的合成方法復雜且對環境不友好,仍需進一步優化。


  近日,江蘇科技大學郭峰/施偉龍課題組在《Applied Surface Science 》期刊上發表了題為Template-free self-assembly of three-dimensional porous graphitic carbon nitride nanovesicles with size-dependent photocatalytic activity for hydrogen evolution的文章。報告了一種簡便的無模板自組裝方法來合成三維多孔聚合物g-C3N4囊泡結構PCNNVs)以實現高效和持久的光催化產氫。 



  氮化碳囊泡結構的形成,包括超分子自組裝和熱聚合兩個過程。 



  聚合物氮化碳囊泡結構通過SEMTEM等手段得到了表征。調節前驅體的質量比可以在氣體影響下產生不同尺寸的囊泡結構。隨著囊泡直徑大小的變化,分散在表面的孔隙數量也相應變化。 



  通過測量水滴的接觸角,來確定樣品的表面特性,大尺寸聚合物氮化碳囊泡具有較低的接觸角,意味著更親水的表面,更容易實現與H2O分子的接觸發生析氫反應。 



  測量UV-vis確定催化劑的光學性能,提供了在光照射下囊泡結構聚合物氮化碳的光散射模型,該結構有效地提高了可見光的吸收,這歸因于接觸面積的增加,傳播路徑的強度和可見光的散射。結合帶隙和CB的位置,計算VB,得到制備的光催化劑的帶結構。 



  對催化劑進行產氫性能測試、性能對比及穩定性測試。所合成的多孔聚合物氮化碳囊泡展現出更加優異的光催化析氫活性。 



  測試催化劑的比表面積(BET)和孔徑分布,判定比表面積和孔徑分布情況。從側面反映了囊泡結構結構大大增加了g-C3N4材料的比表面積。提供光電流和阻抗(EIS)檢測所制備材料的光生電子傳遞速率快慢,結果表明大尺寸的囊泡結構具有良好的分離效率光誘導的e--h+。熒光光譜(PL)和時間分辨瞬時PL的分析結果表明,囊泡結構確實降低了電子和空穴的重組概率,促進了光生載流子的產生。 



  通過無模板自組裝合成的PCNNVs具有豐富的結構缺陷的多孔結構,使其能夠吸附質子,大大提高了光催化制氫的活性。此外,與BCN相比,PCNNVs具有更高的比表面積,增加了活性位點,加快了光催化制氫反應的前進步伐。此外,PCNNVs的超薄殼結構為光誘導電子提供了可利用的通道,并為電子從體積向表面遷移提供了更短的擴散通道。PCNNVs-L具有最小的接觸角和最好的親水性,這加速了電子傳輸并導致光誘導電荷載體的快速分離。


  文章第一作者為江蘇科技大學能源與動力學院在讀研究生孫鑫海,通訊作者為郭峰副教授與施偉龍副教授


  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154841


作者簡介


  郭峰,2018年博士畢業于長安大學市政工程,現任江蘇科技大學副教授,碩士生導師,中國感光學會光催化專業委員會會員,江蘇省環境科學學會會員, 新加坡維澤專家庫(VE)材料科學專家委員會會員。長安大學市政工程專業博士畢業,獲工學博士學位。主要從事g-C3N4基復合光催化材料的設計、構筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持國家自然科學基金項目,江蘇省青年基金項目,江蘇省“青藍工程”優秀骨干教師人才項目,校級深藍杰出人才項目等10余項。近年來,共計以第一作者或通訊作者發表75篇SCI收錄論文,其中一區SCI論文36篇(影響因子≥10的 11篇),二區論文14篇,ESI高被引論文19篇,ESI熱點論文5篇,1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文,榮獲國際學術獎“最佳研究者”獎,H-index 43,國家授權發明專利3項。榮獲鎮江市“出彩教育人”、校“優秀教師”、本創“優秀指導教師”、省級競賽“優秀指導教師”等稱號,相關工作發表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平雜志。此外,擔任《Frontiers in Chemistry》客座主編以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際期刊審稿人。


  施偉龍,華中科技大學博士,鄭州大學博士后,現任江蘇科技大學副教授,碩士生導師,中國感光學會光催化專業委員會會員,江蘇省復合材料學會會員,江蘇省環境科學學會會員,江蘇省材料學會會員。主要從事碳基(碳點、氮化碳)復合光催化材料的設計、構筑以及光催化性能(降解、分解水制氫及防腐)等方面的研究工作。相關工作發表在Appl. Catal. B: Environ., J. Mater. Chem. A, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Inter., J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., J. Mater. Chem. B., Appl. Surf. Sci., J. Alloy Compd.等高水平雜志。截止目前,共計以第一作者或通訊作者發表76篇SCI收錄論文,其中一區SCI論文36篇(影響因子≥10的13篇),二區論文22篇,ESI高被引論文22篇,ESI熱點論文12篇,1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文,H-index 41。榮獲國際復合材料“最佳研究者”獎,受理發明專利2項。現主持國家自然科學基金青年項目1項、入選江蘇省“雙創博士”、“科技副總”人才項目、河南省博士后科研項目啟動資助1項、河北省水資源可持續利用與開發實驗室開發基金1項。此外,擔任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》客座主編以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際Top期刊審稿人。

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