王亮ACS Nano：酰胺共價鍵工程：顯著增強(qiáng)光催化CO2還原活性
2023-10-19 14:31 作者:電化學(xué)與電催化 | 我要投稿
光催化CO2轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品是緩解能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效手段之一。然而，目前大多數(shù)光催化劑低效的電荷分離效率和緩慢的界面反應(yīng)動態(tài)學(xué)嚴(yán)重阻礙了光催化還原CO2的效率。根據(jù)文獻(xiàn)報道，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)光催化劑通過建立合適的能帶結(jié)構(gòu)和調(diào)控電子傳輸途徑，有效地促進(jìn)了電荷分離，從而提高了光催化性能。
因此，將合適的助催化劑整合到CN中以形成異質(zhì)結(jié)光催化劑提供了一種有效的方法來增強(qiáng)催化劑表面上的光生電荷轉(zhuǎn)移。近年來，量子點具有優(yōu)異的光學(xué)和電子性質(zhì)，包括優(yōu)異的太陽光吸收性能和可調(diào)諧的熒光性能，其在光催化領(lǐng)域受到人們廣泛關(guān)注。尤其是，CQDs在與CN形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)時具有明顯的優(yōu)勢，如可調(diào)的帶隙、豐富的表面位置和高效的電子遷移。異質(zhì)結(jié)的連接方式?jīng)Q定了材料界面的電荷轉(zhuǎn)移速率，是影響光催化性能的關(guān)鍵速率控制步驟。以前的研究主要集中在非共價相互作用，而共價連接的CQDs-CN異質(zhì)結(jié)的精確制備仍然是一個未被探索的領(lǐng)域，需要開發(fā)有效的策略來精確控制共價鍵的形成。
近日，上海大學(xué)王亮課題組采用簡單的EDC/NHS輔助連接策略合成了酰胺鍵合的g-C3N4-dr-CQDs (CN-CQD)異質(zhì)結(jié)光催化劑。與非共價π-π共軛的CN@CQD相比，通過酰胺鍵策略制備的CN-CQD顯示出更好的界面性質(zhì)，促進(jìn)了載流子的有效遷移，從而提高了光量子利用率，并提供了更高的表面活性以產(chǎn)生更多的活性位點。實驗結(jié)果表明，CN-CQD表現(xiàn)出優(yōu)異的光催化活性，CO和CH4的析出速率分別為79.2和2.7 μmol g-1 h-1；重要的是，CN-CQD光催化劑還表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，即使連續(xù)測試12小時，依舊能保持優(yōu)異的活性。
根據(jù)實驗結(jié)果，研究人員提出了CN-CQD光催化CO2還原為CO和CH4的合理反應(yīng)機(jī)理：CN和dr-CQDs在可見光輻照下都能產(chǎn)生光生電子和空穴，dr-CQDs的CB中的光生電子和CN的VB中的空穴分別轉(zhuǎn)移到CN的CB和dr-CQDs的VB中，提高了電荷分離的效率。同時，酰胺鍵的引入使得CN和dr-CQD之間的界面形成了“歐姆接觸”，從而產(chǎn)生了一個高速的電荷轉(zhuǎn)移通道，這允許光生電荷在界面處自由移動，進(jìn)一步加速了光生載流子的空間分離并有效地抑制重組。總之，II型電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制和酰胺鍵通道的耦合促進(jìn)了光生載流子的有效遷移和分離，從而提高了CN-CQD的光催化性能。
Amide Covalent Bonding Engineering in Heterojunction for Efficient Solar-Driven CO2 Reduction. ACS Nano, 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c07411
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