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超薄二維氮化碳納米片用於在中性、可見光條件下的光催化重整纖維素製氫性能研究
發布時間：2023-05-29 瀏覽（lǎn）量：2166
1. 文章信息
標題：Ultrathin 2D g-C3N4 nanosheets for visible-light photocatalytic reforming of cellulose into H2 under neutral conditions
中文標題： 超薄二維（wéi）氮化碳納米片用於在（zài）中性、可見光條（tiáo）件下的光催化重整纖維素製氫（qīng）性能研究
頁碼：1717-1725
DOI： 10.1002/jctb.7041
2. 文（wén）章（zhāng）鏈（liàn）接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jctb.7041
3. 期刊信息（xī）
期（qī）刊名：JOURNAL OF CHEMICAL TECNOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
ISSN： 0268-2575
2022年影響因子： 3.709
分區信息： 中科院三區；JCR分區（Q2）
涉及研究方向： 工程技術，工程：化工（gōng），生物工程與應用微生物（wù），化學：綜（zōng）合（hé）
4. 作者信息：第一作者是 洪遠誌（zhì）（北華大學） 。通（tōng）訊作者（zhě）為 林雪（北華大學），段（duàn）喜鑫（北華大學）。
5. 光催化活性評價係統型號：北京香蕉视频污视频（CEL-SPH2N-D9，Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）；氣相色譜型號：北京香蕉视频污视频（GC7920，Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）。
文章簡介：
本工作利用三（sān）聚（jù）氰胺為前（qián）驅體，經二次熱氧化剝離法（fǎ）成功製得二維納米片（6 nm）。采用一係列的物化表征技術，對（duì）所製備（bèi）材料的晶相結構、化學結構（gòu）、基本形貌、比表麵積大小以及光電化學性質等信息進（jìn）行了係（xì）統表征。然後（hòu）以纖維素作（zuò）為犧牲劑，在可（kě）見光照射下研究了g-C3N4基材料的光催化重整纖維素製氫性能（néng）。結果發現，合（hé）成的g-C3N4納米片由於具（jù）有超薄的納米層、更快的光（guāng）生載流（liú）子分離效率以及更長（zhǎng）的光電荷壽命，展現出最優的光催化重整纖維素（sù）製氫性能，其最佳光催化重整製氫速率可達13.14 μmol/(h·g)。
圖1.（a,b）CN（c,d）CNNs樣品（pǐn）的TEM和（e-f）CNNs樣品的AFM圖
如圖1所示，采用TEM和原（yuán）子力顯微鏡（AFM）表征進一步觀察CN和CNNs樣品的微觀結構信息。圖1（a）是CN樣品的 TEM 圖（tú），可以明顯的看（kàn）出CN樣品是一種典型（xíng）的塊（kuài）體結構。圖1（b）是CN樣品的局部放大圖，可（kě）以觀察到CN樣品凝（níng）聚在一起。圖1（c）是CNNs樣品的TEM圖，CNNs樣品（pǐn）的形貌為2D薄（báo）片卷曲狀結構，與CN樣品的形貌相差很大。圖1（d）是CNNs樣品（pǐn）的局部放（fàng）大（dà）圖，可以明顯的觀（guān）察到CNNs樣品的（de）卷曲的納米片狀結構。同時進一步證明了二次熱氧化剝離處理是製（zhì）備納米片使得其厚（hòu）度（dù）變薄。圖1（e-f）分別是 CNNs納米片的 AFM和厚度（dù）測（cè）試結果圖。其中，CNNs樣品的平均厚度在6 nm左右，展現出納米尺寸的（de）2D薄片結構，也進一步證明了（le）圖1（d）的結（jié）果。
圖2.（a）CN和CNNs樣品的N2吸/脫附曲線（插圖：孔（kǒng）徑分布圖）；（b）CN和CNNs樣品的（de）FTIR圖
如圖2（a）示，采用了（le）N2吸附-脫（tuō）附等溫曲線表征獲得CN和CNNs樣品的比表麵積大（dà）小。由圖可知，所得樣品都出現明顯的H3回（huí）滯環的Ⅳ型吸附等溫曲線表明它（tā）們都（dōu）具有介孔（kǒng）結構。然後，通過計算可以得出CN樣品的比表麵積（jī）為23.2 cm2/g，二次熱氧化剝離處理的CNNs樣品具有更大的比表麵積，其比表麵（miàn）積為（wéi）93.1 cm2/g，約是CN樣品的4.01倍。因此，較大的比表（biǎo）麵積使得CNNs樣品能夠（gòu）在光催化（huà）反應中（zhōng）提供更多的反應活性位點，有利於提高光催化重整製氫性能。圖2中的插圖可知，CN和CNNs樣品的孔徑（jìng）大約在2~11 nm，進一步證明CN和CNNs樣品具有介孔結構。
如圖2（b）所示，采用FTIR表征得到CN和CNNs樣品的官能團（tuán）結構信息。CN和CNNs樣品的（de）紅外吸收峰十分相似，表明（míng）它們具有相似的官能團結構。其中，在805 cm-1附近峰屬於三（sān）均三嗪結構的環外振動峰。在1150 cm-1~1650 cm-1附近的幾個峰屬於C=N鍵和C-N雜環的（de）伸縮振（zhèn）動峰（fēng）。而在3100 cm-1~3550 cm-1附近的峰（fēng）屬於-NH2的伸縮振動峰。這與XRD分（fèn）析結果相一致，證明成功製備出CN和CNNs樣品。
圖3. CN和CNNs樣品（pǐn）的（a）EIS和（b）PC圖
如圖3所示，采用電化學阻（zǔ）抗（EIS）和瞬態光電流響應（PC）確定所製備樣品的電荷的分離（lí）效率、遷移效率的情況。因此，由圖3（a）可知，CN樣品顯示出最大的EIS半徑，從而揭示出其最大的（de）電荷轉移（yí）電阻（zǔ）。與CN相比（bǐ），CNNs樣品的半徑明顯減小，表明界麵（miàn）電荷傳輸電阻顯著降低，並且光生電子-空（kōng）穴對的間距逐漸（jiàn）增大，表明（míng）其電荷轉移能力越強，有（yǒu）效的捕獲電子、促（cù）進電子的轉移和降低電子與空穴複合，這（zhè）也是提高光（guāng）催化重整製氫性能的原（yuán）因之（zhī）一（yī）。
如圖3（b）所示，以三聚（jù）氰胺為前驅（qū）體製備的CN和二次熱氧化剝離處理的CNNs樣品的PC譜圖。在通斷模式下，CN和CNNs樣品的光（guāng）電流密度成規律性變化，可見（jiàn）CNNs樣品的光電流密度增大，而CN樣品的光電流密度明顯降低。一般認為，光電（diàn）流密度與電（diàn）荷分離效率有關，即光電流密度越強，電荷的分離效率越好（hǎo）。相比於CNNs樣品，CN樣品的光電流（liú）密度明顯減弱，表明CN樣品的電荷分離效率較（jiào）高。因（yīn）此，EIS和PC的分析結果共同揭示了所製備的催化劑CNNs具有更快的電（diàn）荷分離效率，有利於（yú）增強（qiáng）光催化重整製氫性能。
圖4.（a）CNNs樣品在不同Pt負載量條件下光催化重整纖維素製氫的平均速率；（b）CNNs樣品在在不同纖維（wéi）素（sù）濃度條件下光催化重整纖維素製氫的平均速率
如圖4（a）所示，通過控製變（biàn）量法，探究以三聚氰（qíng）胺（àn）為前驅體製備CN和CNNs樣品的光催化重整（zhěng）纖維素製氫性能。由圖可知，在中性條件下，當金屬Pt負載量從1 wt%到4 wt%時，纖維素的濃度（dù）為0.50 g/L時，CNNs催化劑（jì）的平（píng）均製氫速率分別為5.82 μmol/(h·g)、13.14 μmol/(h·g)、10.40 μmol/(h·g)和7.43 μmol/(h·g)。為了證明CNNs光催化能夠提升（shēng）光催化重整製氫性能還對CN催化劑進（jìn）行了製氫速率的對比，可（kě）明顯的觀察到CN的（de）光催化重整製（zhì）氫（qīng）速率為3.34 μmol/(h·g)，明顯降低。由此（cǐ）可見，當金（jīn）屬Pt負載（zǎi）量為2 wt%時，二次熱氧化剝離處理的CNNs樣品的可見光光催化重整製氫速率（lǜ）達到13.14 μmol/(h·g)，是相同條件下CN催化劑的3.9倍。
由圖（tú）4（b）可知，通過控製變量法，探究以CNNs樣品的（de）光催化重（chóng）整纖維素製（zhì）氫性能。在中性條件下，當金屬Pt負載量為2 wt%，纖維素（sù）濃度由0 增加到1.0 g/L下的平（píng）均製氫速率分別為0、6.25 μmol/(h·g)、13.14 μmol/(h·g)、9.25 μmol/(h·g)和7.38 μmol/(h·g)。隨著纖維素濃度的增加，光催化重整製氫速率也逐漸增加，當纖維素的濃度超過（guò）0.50 g/L時，隨後纖維素的濃度增加製（zhì）氫速率明顯降低。這一結果（guǒ）表（biǎo）明（míng），當添加適量的纖維素時可提高光催化重整製氫性（xìng）能，過量的纖維素濃度則適得其反。因此，當金屬Pt負載量為2 wt%，纖維素的濃度為0.50 g/L時達到了理想化的最大值，這可能是由於CNNs樣品具有更大的（de）比（bǐ）表麵（miàn）積和較高的光生載流子分離效率等（děng）優勢。
