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江蘇科技大學(xué)郭峰/施偉龍 ASS:無(wú)模板自組裝合成囊泡狀多孔聚合物氮化碳 - 提高光催化產(chǎn)氫性能
2022-09-24  來(lái)源:高分子科技

  利用半導(dǎo)體光催化水解制氫被認(rèn)為是一種有前景的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化手段。近年來(lái),石墨相聚合物氮化碳(g-C3N4)材料由于其可見(jiàn)光反應(yīng)、無(wú)毒、高化學(xué)穩(wěn)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(diǎn)之一,被認(rèn)為是一種極有前途的產(chǎn)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(zhǎng),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(lái)優(yōu)化純相g-C3N4的以上幾個(gè)缺點(diǎn),但其目前的合成方法復(fù)雜且對(duì)環(huán)境不友好,仍需進(jìn)一步優(yōu)化。


  近日,江蘇科技大學(xué)郭峰/施偉龍課題組在《Applied Surface Science 》期刊上發(fā)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(bào)告了一種簡(jiǎn)便的無(wú)模板自組裝方法來(lái)合成三維多孔聚合物g-C3N4囊泡結(jié)構(gòu)PCNNVs)以實(shí)現(xiàn)高效和持久的光催化產(chǎn)氫。 



  氮化碳囊泡結(jié)構(gòu)的形成,包括超分子自組裝和熱聚合兩個(gè)過(guò)程。 



  聚合物氮化碳囊泡結(jié)構(gòu)通過(guò)SEMTEM等手段得到了表征。調(diào)節(jié)前驅(qū)體的質(zhì)量比可以在氣體影響下產(chǎn)生不同尺寸的囊泡結(jié)構(gòu)。隨著囊泡直徑大小的變化,分散在表面的孔隙數(shù)量也相應(yīng)變化。 



  通過(guò)測(cè)量水滴的接觸角,來(lái)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(shí)現(xiàn)與H2O分子的接觸發(fā)生析氫反應(yīng)。 



  測(cè)量UV-vis確定催化劑的光學(xué)性能,提供了在光照射下囊泡結(jié)構(gòu)聚合物氮化碳的光散射模型,該結(jié)構(gòu)有效地提高了可見(jiàn)光的吸收,這歸因于接觸面積的增加,傳播路徑的強(qiáng)度和可見(jiàn)光的散射。結(jié)合帶隙和CB的位置,計(jì)算VB,得到制備的光催化劑的帶結(jié)構(gòu)。 



  對(duì)催化劑進(jìn)行產(chǎn)氫性能測(cè)試、性能對(duì)比及穩(wěn)定性測(cè)試。所合成的多孔聚合物氮化碳囊泡展現(xiàn)出更加優(yōu)異的光催化析氫活性。 



  測(cè)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(cè)面反映了囊泡結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(cè)所制備材料的光生電子傳遞速率快慢,結(jié)果表明大尺寸的囊泡結(jié)構(gòu)具有良好的分離效率光誘導(dǎo)的e--h+。熒光光譜(PL)和時(shí)間分辨瞬時(shí)PL的分析結(jié)果表明,囊泡結(jié)構(gòu)確實(shí)降低了電子和空穴的重組概率,促進(jìn)了光生載流子的產(chǎn)生。 



  通過(guò)無(wú)模板自組裝合成的PCNNVs具有豐富的結(jié)構(gòu)缺陷的多孔結(jié)構(gòu),使其能夠吸附質(zhì)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(diǎn),加快了光催化制氫反應(yīng)的前進(jìn)步伐。此外,PCNNVs的超薄殼結(jié)構(gòu)為光誘導(dǎo)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(kuò)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(dǎo)致光誘導(dǎo)電荷載體的快速分離。


  文章第一作者為江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)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(jiǎn)介


  郭峰,2018年博士畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)市政工程,現(xiàn)任江蘇科技大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,中國(guó)感光學(xué)會(huì)光催化專業(yè)委員會(huì)會(huì)員,江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員, 新加坡維澤專家?guī)欤╒E)材料科學(xué)專家委員會(huì)會(huì)員。長(zhǎng)安大學(xué)市政工程專業(yè)博士畢業(yè),獲工學(xué)博士學(xué)位。主要從事g-C3N4基復(fù)合光催化材料的設(shè)計(jì)、構(gòu)筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,江蘇省青年基金項(xiàng)目,江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀骨干教師人才項(xiàng)目,校級(jí)深藍(lán)杰出人才項(xiàng)目等10余項(xiàng)。近年來(lái),共計(jì)以第一作者或通訊作者發(fā)表75篇SCI收錄論文,其中一區(qū)SCI論文36篇(影響因子≥10的 11篇),二區(qū)論文14篇,ESI高被引論文19篇,ESI熱點(diǎn)論文5篇,1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文,榮獲國(guó)際學(xué)術(shù)獎(jiǎng)“最佳研究者”獎(jiǎng),H-index 43,國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)。榮獲鎮(zhèn)江市“出彩教育人”、校“優(yōu)秀教師”、本創(chuàng)“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”、省級(jí)競(jìng)賽“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”等稱號(hào),相關(guān)工作發(fā)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(dān)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(gè)國(guó)際期刊審稿人。


  施偉龍,華中科技大學(xué)博士,鄭州大學(xué)博士后,現(xiàn)任江蘇科技大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師,中國(guó)感光學(xué)會(huì)光催化專業(yè)委員會(huì)會(huì)員,江蘇省復(fù)合材料學(xué)會(huì)會(huì)員,江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員,江蘇省材料學(xué)會(huì)會(huì)員。主要從事碳基(碳點(diǎn)、氮化碳)復(fù)合光催化材料的設(shè)計(jì)、構(gòu)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(guān)工作發(fā)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(jì)以第一作者或通訊作者發(fā)表76篇SCI收錄論文,其中一區(qū)SCI論文36篇(影響因子≥10的13篇),二區(qū)論文22篇,ESI高被引論文22篇,ESI熱點(diǎn)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(guó)際復(fù)合材料“最佳研究者”獎(jiǎng),受理發(fā)明專利2項(xiàng)。現(xiàn)主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)、入選江蘇省“雙創(chuàng)博士”、“科技副總”人才項(xiàng)目、河南省博士后科研項(xiàng)目啟動(dòng)資助1項(xiàng)、河北省水資源可持續(xù)利用與開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)基金1項(xiàng)。此外,擔(dān)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(gè)國(guó)際Top期刊審稿人。

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