【背景介绍】
太阳能驱动的光催化裂解水制氢是同时解决能源危机和环境污染问题的重要途径。在已报道的光催化材料中,氮化碳(C3N4)是一种很有前途的光催化裂解水制氢的半导体材料。铂(Pt)是光催化制氢的优秀候选者,因为它对氢的吸附吉布斯自由能接近于零,并且可以为电荷转移提供额外的活性位点。目前,Pt团簇负载的方法主要是煅烧法和还原法,但这些传统的方法可能会对材料的衬底造成损伤,导致活性位点分布不均匀。焦耳热处理可以在超短的时间内达到目标温度,快速的温度变化率不仅可以防止金属的团聚和不稳定分散,而且可以在催化剂表面形成大量的空位,从而形成具有空位和团簇的双活性位点的催化剂。因此,采用快速焦耳加热法设计含空位的纳米尺寸Pt基光催化剂可以增强反应动力学,协同提高光催化制氢的活性。
【内容简介】
日前,中国海洋大学化学化工学院海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室的孟祥超教授课题组在Separation and Purification Technology上发表了题为“Rapid Joule heating synthesis of Pt clusters on C3N4 with abundant nitrogen vacancies for highly-efficiently photocatalytic H2 production”的研究文章,作者通过快速焦耳热法制备了富氮空位的Pt/C3N4光催化剂(Pt/NV-CN)。与传统的管式炉加热方法不同,快速焦耳热法可以实现一步法同时构建氮空位和Pt团簇。实验和理论计算表明,金属(Pt)和底物(C3N4)之间存在快速的电荷转移,双活性位点(即氮空位和Pt簇)会降低氢吸附能。因此,制备的Pt/NV-CN具有良好的产氢活性,产氢率高达323.90 μmol/h/g,大大高于传统管式炉制得的Pt/CN-d-VN (97.08 μmol/h/g)。本研究提供了一种同时构建氮空位并负载Pt团簇在C3N4上以实现高效光催化制氢的新方法。
【图文速览】
图1 (a) Pt/NV-CN的合成示意图,(b) BCN,(c) NV-CN,(d) Pt/NV-CN的SEM图像,(e) NV-CN,(f, g) Pt/NV-CN在不同放大倍数下的TEM图像,(h) Pt/NV-CN,(i) Pt/CN-d-VN上Pt的分布。
图2 (a) XRD谱图,(b) XPS全谱图,(c) C 1s谱图,(d) N 1s谱图,(e) EPR谱图,(f) Pt 4f谱图。
图3 (a) BCN、NV-CN、Pt/CN-d-VN和Pt/NV-CN的光催化产氢性能图,(b)不同Pt负载量的产氢性能图,(c)不同负载金属的产氢性能图,(d)不同煅烧温度下得到的Pt/NV-CN的产氢性能图,(e) Pt/NV-CN循环试验,(f) Pt/NV-CN的AQE,(g, h)Pt/NV-CN循环试验前后的XPS光谱。
图4 (a) PL光谱,(b)瞬态PL光谱,(c)光电流响应,(d) EIS谱图。
图5 (a) DRS光谱,(b) Tacu图,(c) XPS价带谱,(d)能带结构示意图。
图6 (a) BCN、(d) NV-CN、(g) Pt/NV-CN的能带结构图,(b) BCN、(e) NV-CN、(h) Pt/NV-CN的态密度以及(c) BCN、(f) NV-CN、(i) Pt/NV-CN的结构模型。
图7 Pt/NV-CN的原位(a) C 1 s,(b) N 1 s和(C) Pt 4f谱图,(d) BCN、NV-CN和Pt的功函数。
图8 (a)氢吸附能图,(b) Pt/NV-CN的差分电荷密度图。
图9 Pt/NV-CN在光催化制氢中的反应机理。