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钽酸铋量子点修饰洋葱圈结构的石墨相氮化碳的S型异质结构的光催化析氢性能
发布时间:2023-05-30    浏览量:873

1. 文章信息

标题:Onion-ring-like g-C3N4 modified with Bi3TaO7 quantum dots: A novel 0D/3D S-scheme heterojunction for enhanced photocatalytic hydrogen production under visible light irradiation

中文标题: 钽酸铋量子点修饰洋葱圈结构的石墨相氮化碳的S型异质结构的光催化析氢性能  

页码:958-968  

DOI:  10.1016/j.renene.2021.11.030                

2. 文章链接

 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960148121015998?via%3Dihub  

3. 期刊信息

期刊名:Renewable Energy

ISSN:  0960-1481   

2022年影响因子:  8.634  

分区信息: 中科院一区;JCR分区(Q1) 

涉及研究方向: 工程技术,能源与燃料,绿色可持续发展技术  

4. 作者信息:第一作者是  施伟龙(江苏科技大学)、孙苇(北华大学)(共同一作)。通讯作者为  林雪(北华大学),郭峰(江苏科技大学),洪远志(北华大学)。

5. 光催化活性评价系统型号:北京中教金源(CEL-PAEM-D8,Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.);气相色谱型号:北京中教金源(GC7920,Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.)。

本工作利用SiO2微米球为硬模板和三聚氰胺为前驱体,通过空气化学气相沉积 (CVD)方法合成洋葱圈状结构的g-C3N4(OR-CN),且基于溶剂热法与0D Bi3TaO7量子点(BTO QDs)复合,形成0D BTO QDs/3D OR-CN S型异质结复合物光催化剂,在λ > 420 nm的可见光驱动下,讨论了不同质量比的BTO/OR-CN化合物催化剂在2小时内的析氢性能。其中,0.3wt% BTO/OR-CN样品赋予了最佳的光催化析氢速率为4891 μmol g-1,且在420 nm处的表观量子产率(AQY)为4.1%,约是相同条件下的OR-CN的3倍。其增强的光催化活性归因于0D BTO量子点与OR-CN之间形成了S型异质结,有助于促进光生电荷载流子的分散,且增强了可见光吸收强度,此外,通过4次循环实验,发现0D BTO QDs/3D OR-CN S型异质结复合物光催化剂具有优异的稳定性,有应用前景。

1. 制备BTO/OR-CN化合物的实验过程


如图1所示,BTO/OR-CN的制备是通过加入0.2 g的OR-CN在BTO的合成过程中,合成的样品命名为xBTO/OR-CN,其中x代表BTO在化合物中的质量比,分别为0.1%,0.3%,0.5%,1.0%。此外,为了比较,合成了块体g-C3N4(B-CN)和0.3%BTO/B-CN复合物,B-CN的合成是通过一步煅烧3 g三聚氰胺,550 °C加热4小时,升温速率为2.3 °C/min,从而得到黄色的产物。0.3% BTO/B-CN复合物的合成类似于0.3% BTO/OR-CN复合物的合成过程,仅仅用B-CN代替OR-CN。


2. BTOOR-CN和不同复合物的XRD

如图2示,OR-CN、BTO以及不同质量比的BTO/OR-CN化合物(0.1%、0.3%、0.5%和1.0%)的XRD图表征晶体结构和结晶度。对于BTO样品,2θ在28.2°、32.7°、46.9°和58.4°属于Bi3TaO7的(111)、(200)、(220)和(222)面(JCPDS:44-0202)。OR-CN拥有两个衍射峰在13.1°(100)和27.4°(002),分别归因于芳香单元的层内结构堆积基序和层间堆积基序。至于BTO/OR-CN化合物,引入BTO没有影响OR-CN的相结构,当负载0.1%、0.3%、0.5%和1.0%的BTO在OR-CN上,很难发现额外的BTO特征峰,这很可能是因为少量的BTO QDs。

3. OR-CNSEM图(a0.3% BTO/OR-CN复合材料的SEM图(bTEM图(cHRTEM图(d)和EDX图(e


如图3所示,通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析制备的样品的结构和形貌。OR-CN样品呈现了洋葱圈形状,尺寸大约在150-200 nm。负载BTO QDs在OR-CN的表面上形成BTO/OR-CN复合物之后,OR-CN的洋葱圈结构没有改变,但表面变得更粗糙。为了进一步清晰地观察BTO/OR-CN化合物,0.3%BTO/OR-CN的TEM图展现了BTO QDs均匀地分布在OR-CN表面上且与OR-CN底物亲密的接触,这有助于电荷的分散和转移。同时,化合物的高分辨透射图(HRTEM)反映了BTO和OR-CN之间有好的界面接触,其中,晶格间距为0.27 nm与Bi3TaO7晶格面(200)相匹配。展现了成功地构造了0D/3D BTO/OR-CN异质结催化剂。0.3%BTO/OR-CN的EDX图揭示了C,N,Bi,Ta,O元素的存在,进一步证实BTO QDs锚定在OR-CN的表面上。


4. 光催化产氢(a)析氢速率(bB-CNOR-CN、及其0.3%化合物光催化产氢(c)析氢速率(d)循环实验(e)循环实验前后的XRD图(f


如图4所示,以300 W的氙灯作为光源(λ > 420 nm),研究了制备的样品的光催化析氢活性。结果表明制备的BTO样品几乎不产氢,而OR-CN在2小时辐照过程中产生了相对较低的氢气,约为1736 μmol g-1,这是由于BTO对可见光的吸收较低和电子-空穴的快速重组所致。当耦合OR-CN和BTO之后,光催化析氢活性显著的增强,其中,最佳的0.3% BTO/OR-CN复合材料展现了析氢量大约是4891 μmol g-1,是单组分OR-CN样品的3倍左右。同时,0.3% BTO/OR-CN异质结光催化剂在420 nm波长表现出较高的表观量子产率(AQY)为4.11%。当BTO QDs的加入量从0.1%增加到1.0%时,光催化析氢性能呈现出先增后减的趋势,其中,最优的0.3% BTO/OR-CN样品的光催化性能优于其他复合样品,这是因为构建了S型异质结,加速了光生电荷的传输和分布。此外,在OR-CN上引入BTO QDs可以增加比表面积、提供更多的活性位点、增强光响应强度和延长光诱导电荷寿命。随着进一步增加BTO QDs的量,光催化产氢速率减小,这是因为过量的BTO QDs负载在OR-CN表面可能会影响BTO QDs的分散,且由于屏蔽效应阻碍OR-CN的光吸收效率。因此,负载合适量的BTO QDs有利于光催化产氢。此外,最优样0.3% BTO/OR-CN的产氢速率为2445.5 μmol g-1。为了比较,还合成了0.3%BTO/OR-CN复合物,制备的样品的析氢量和析氢速率的排序:0.3%BTO/OR-CN>OR-CN>0.3%BTO/B-CN>B-CN,这表明CN的洋葱圈结构和化合物的异质结界面有利于提高光催化活性。经过四次循环实验,可以清晰地发现光催化析氢有轻微的降低。同时,XRD图也用于评价样品的稳定性,循环前后的XRD图没有发生改变。这些结果展现了制备的 BTO/OR-CN样品拥有优异的稳定性和光催化析氢活性。


5. MS图(abS型异质结机理(cBTO/OR-CN复合物光催化析氢中光生电荷分离转移机理(d


利用Mott-Schottky(MS)图确定OR-CN和BTO的能带结构。OR-CN和BTO样品的质谱图在1000、2000和3000 Hz处呈现正斜率,说明OR-CN和BTO具有典型的n型半导体特征。OR-CN和BTO在接触前的带位置存在偏差,OR-CN是一种费米能级较高的还原型光催化剂,而BTO是一种费米能级较低的氧化型光催化剂。此外,通过紫外光电子能谱(UPS)计算了OR-CN 和BTO的功函数,分析了界面电荷转移过程。确定OR-CN和BTO样品的二次电子截止边的结合能(Ecut-off)分别为16.921 eV和16.054 eV。然后,BTO和OR-CN在黑暗中密切接触后,OR-CN的CB上的电子自发地流向BTO,直到二者的费米能级达到相同水平。因此,OR-CN组分失去电子并携带正电荷,导致OR-CN的CB边缘向上弯曲,同时,BTO组分得到电子,电子在其CB上积聚,BTO带负电荷,导致CB边缘向下弯曲,从而,OR-CN和BTO界面形成内部电场。在可见光的照射下,电子在内部电场和库伦相互作用的驱动下由BTO的CB转移到OR-CN的VB上与空穴复合,此外,保留在OR-CN的CB上的电子和BTO的VB上的空穴将分别参与光催化氧化还原反应。基于以上的分析,提出了BTO/OR-CN光催化反应的可能的S型机理,在可见光的照射下,BTO和OR-CN中价带(VB)上的电子跃迁到导带(CB)上,价带上形成空穴,BTO导带上的电子可以转移到OR-CN的价带上并与空穴结合。由于OR-CN导带的电势比H+/H2(0 eV vs. NHE)更负,所以,H2O分子可以与电子反应生成H2。用三乙醇胺(TEOA)猝灭BTO价带上积累的空穴。









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