【COF纳米片光催化】混合维2D/3D异质结纳米催化剂中增强界面相互作用赋予的快速激子解离和电荷转移，用于高效光催化

首页 > 行业动态 > 【COF纳米片光催化】混合维2D/3D异质结纳米催化剂中增强界面相互作用赋予的快速激子解离和电荷转移，用于高效光催化

摘要：
1) 南京林业大学邢伟男、吴光瑜老师等报道的本篇文章（ACS Appl. Nano Mater. 2024）中研究了一种新型的二维/三维(2D/3D)异质结复合光催化剂，该催化剂由二维共价有机框架(COF)纳米片和带有磷酸基团的三维多孔管状石墨碳氮化物(CNP)组成。
2) 这种复合光催化剂针对激子解离进行了调控。实验和表征结果表明，CNP中的磷酸基团可以增强CNP和COF之间的界面相互作用，并调整能带结构以形成Z型机制。得益于2D/3D异质结界面上有效的激子解离和加速的电荷传输，最佳光催化产氢速率达到了3700 μmol h−1 g−1，远高于先前报道的三维CN、异质结CN和其他基于CN的光催化剂。
3) 此外，该材料还展示了出色的过氧单硫酸盐辅助四环素(TC)降解能力，COF/CNP5样品的TC降解速率常数是COF和CNP的5.61倍和1.40倍。本研究为构建无金属二维/三维异质结光催化剂提供了一个出色的实例，并为激子调控提供了新的见解。

研究背景：
1) 半导体光催化技术被认为是解决能源消耗巨大问题的新途径。然而，光催化剂的稳定性、高效率和低成本是实现其广泛应用的关键难题。
2) 已有研究设计了多种光催化剂，如金属氧化物(硫化物、氮化物)、金属-有机框架材料和Bi基光催化剂等，但它们在光吸收、电荷复合和活性位点方面存在限制。
3) 作者通过构建2D COF纳米片和3D磷酸基改性的多孔管状CNP的异质结，利用磷酸基团作为桥接配体，形成了Z型机制，有效促进了激子解离和电荷传输。

实验部分：
1. COF的合成
- 原料：对甲基苯磺酸单水合物525.0 mg，对苯二胺48.6 mg，1,3,5-三甲醛苯酚63 mg。
1) 对甲基苯磺酸单水合物和对苯二胺在研钵中充分研磨5分钟。
2) 加入1,3,5-三甲醛苯酚继续研磨10分钟得到黄色产物。
3) 加入100 μL去离子水，研磨5分钟后在170 °C下保持1分钟。
4) 用N,N-二甲基乙酰胺、去离子水和丙酮洗涤，60 °C下干燥备用。
2. CNP的合成
- 原料：三聚氰胺1.0 g，苯基磷酸80 mg。
1) 三聚氰胺溶解在75 mL去离子水中，油浴加热至85 °C。
2) 加入苯基磷酸，搅拌60分钟后转移到聚四氟乙烯衬里的高压釜中，180 °C反应10小时。
3) 冷却至室温，收集白色沉淀物，60 °C下干燥。
4) 520 °C煅烧2小时（升温速率2 °C/min）。
3. 2D/3D COF/CNPx的合成
- 原料：不同质量比的CNP和COF。
1) CNP和COF在甲醇中超声分散30分钟。
2) 搅拌12小时，加热至甲醇完全挥发。
3) 质量比为100:10, 100:5, 和 100:3 mg的样品分别命名为COF/CNP10, COF/CNP5, 和 COF/CNP3。

分析测试：
1. X射线衍射(XRD)：COF的特征衍射峰位于8.7°和12.7°，CNP的特征衍射峰位于13.2°和27.0°。
2. 傅里叶变换红外光谱(FTIR)：CNP的特征吸收峰位于1200-1600 cm−1，COF的特征吸收峰位于1242, 1431, 和 3454 cm−1。
3. X射线光电子能谱(XPS)：
- COF和CNP的C 1s峰分别位于284.6, 286.3, 和 288.0 eV。
- N 1s峰位于398.6, 400.0, 401.0, 和 404.2 eV。
- O 1s峰位于531.8 和 533.2 eV，P 2p峰表明磷酸基团的存在。
4. 氮气吸附-脱附等温线：CNP和COF/CNP5的比表面积分别为28.58 m2 g−1和24.12 m2 g−1。
5. 紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)：CNP的吸光边位于460 nm，COF覆盖整个可见光区。
6. 光致发光(PL)和时间分辨PL衰减测量：COF/CNP5的PL强度显著降低，表明激子解离效率提高。
7. 瞬态光电流响应和电化学阻抗谱(EIS)：COF/CNP5展现出最高的光电流密度和最小的EIS弧半径，表明其具有最佳的电荷传输性能。
8. 光催化活性测试：COF/CNP5的光催化产氢速率达到3700 μmol h−1 g−1。在过氧单硫酸盐辅助下，COF/CNP5对四环素的降解速率常数是18.05 × 10−3 min−1。

总结：
本文成功合成了一种新型的无金属2D/3D Z型COF/CNP异质结纳米催化剂，具有增强的光催化活性，用于H2进化和PMS辅助的TC降解。优化的2D/3D COF/CNP5异质结纳米催化剂展示了最高的TC速率常数和H2进化速率，可与代表性的基于CN的光催化剂相媲美。研究结果揭示了其优异性能归功于2D/3D混合纳米结构和控制Z型机制的能带结构。此外，2D COF的修饰扩大了3D CNP的可见光吸收范围，提高了可见光的利用率。磷酸基团增强的3D CNP和2D COF之间的界面相互作用促进了激子解离和电荷传输。

展望：
本研究不仅为构建Z型光催化系统提供了一种简便、绿色的方法，而且为光催化中激子行为提供了全面的理解。未来的工作可以集中在以下几个方面：
1. 优化异质结结构：进一步研究不同比例的2D/3D异质结对光催化性能的影响，以找到最佳的比例。
2. 扩展应用范围：探索该异质结催化剂在其他类型的光催化反应中的应用，如CO2还原、污染物降解等。
3. 机理深入研究：深入研究激子解离和电荷传输的具体机制，以及不同组分之间的相互作用。
4. 实际应用测试：在实际环境条件下测试该异质结催化剂的光催化性能，评估其在实际应用中的可行性和稳定性。

Rapid Exciton Dissociation and Charge Transfer Endowed by Reinforced Interfacial Interaction in a Mixed-Dimensional 2D/3D Heterojunction Nanocatalyst for High-Efficiency Photocatalysis
文章作者：Weinan Xing*, Xusheng Xu, Chaoke Liu, Yun Wang, Zetong Wan, Jiangang Han, Guangyu Wu*, and Yudong Huang
DOI：10.1021/acsanm.4c02796
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.4c02796

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。