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超薄二維氮化碳納米片用於在中性（xìng）、可見光條件下（xià）的光催化重整纖維素製氫性能研究
發布時間：2023-05-29 瀏覽量：2164
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： 超薄二維氮化碳納米（mǐ）片用於（yú）在（zài）中性、可見光條件下的光催化重整纖維素製氫性能研究
頁碼：1717-1725
DOI： 10.1002/jctb.7041
2. 文章鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jctb.7041
3. 期刊信息
期刊名：JOURNAL OF CHEMICAL TECNOLOGY AND BIOTECHNOLOGY
ISSN： 0268-2575
2022年影響因子： 3.709
分區信息： 中科（kē）院（yuàn）三區（qū）；JCR分（fèn）區（Q2）
涉及研究方向： 工程技術（shù），工程：化工，生物工程與應用微生物（wù），化學：綜（zōng）合
4. 作者信息：第（dì）一作者是 洪遠誌（北（běi）華大學） 。通訊作者為 林雪（北華（huá）大學），段喜鑫（北華（huá）大學（xué））。
5. 光（guāng）催化活（huó）性評價係（xì）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： 本工作利用三聚氰胺為前驅體，經二次（cì）熱氧化（huà）剝離法成功製得二維納米片（6 nm）。采（cǎi）用一係列的物化（huà）表征技術，對（duì）所製備材料的晶相結構、化學結構（gòu）、基本形貌（mào）、比表麵（miàn）積大小以及光電化學性質等信息進（jìn）行了係統表征。然後以纖維素作為犧牲劑，在可見光照射下（xià）研究了g-C3N4基材料的光催化重整纖維素製氫性能。結果發現，合成（chéng）的g-C3N4納米片由於具有超薄的納米層、更快的光生（shēng）載流子分離效率以及（jí）更長的光電荷壽命，展現出最優的光催化（huà）重整纖維素製氫性能，其最佳光催化重整製氫速率可達（dá）13.14 μmol/(h·g)。
圖1.（a,b）CN（c,d）CNNs樣品的TEM和（hé）（e-f）CNNs樣品的AFM圖
如圖1所示，采用TEM和原子力顯微鏡（AFM）表征進（jìn）一步觀察CN和CNNs樣（yàng）品的微觀結構信息。圖1（a）是CN樣品（pǐn）的 TEM 圖，可以明顯的（de）看出CN樣品是一種典型的塊體結（jié）構。圖1（b）是CN樣品的局部放大圖，可以（yǐ）觀察到CN樣品凝聚在一起。圖1（c）是CNNs樣品的TEM圖，CNNs樣品的形貌為2D薄片卷曲狀結構，與CN樣品的形貌相差很大。圖1（d）是CNNs樣品的局（jú）部放大圖，可以明顯的觀察到CNNs樣品的卷曲的納米片狀結構。同時進一步證明了二次（cì）熱氧化剝離處理（lǐ）是製備納米片使得其厚度變薄。圖1（e-f）分別是（shì） CNNs納米片的 AFM和厚度測試結果圖。其中，CNNs樣（yàng）品的平均厚度（dù）在6 nm左右，展現出（chū）納米（mǐ）尺寸的2D薄片結構，也進一步證明了圖1（d）的結果（guǒ）。
圖2.（a）CN和CNNs樣品的N2吸/脫附曲線（插圖：孔徑分布圖）；（b）CN和CNNs樣品的FTIR圖
如圖2（a）示，采用（yòng）了N2吸附-脫（tuō）附等溫（wēn）曲線表征獲得CN和CNNs樣品的比表麵積大小（xiǎo）。由圖可知，所得（dé）樣品都出現明（míng）顯的H3回滯環的Ⅳ型吸附等溫曲線表明（míng）它們都具有介孔結構。然後，通（tōng）過計算可以（yǐ）得出CN樣品的比表麵積為23.2 cm2/g，二次熱氧化剝離處理的CNNs樣品具有更大的比表（biǎo）麵積（jī），其比表麵積為93.1 cm2/g，約是CN樣品（pǐn）的4.01倍。因此，較大的比表麵積使得CNNs樣品能夠在光催化反應（yīng）中（zhōng）提供更多的反應活性位點，有利於提高光催（cuī）化重整製（zhì）氫性能。圖2中的插圖可（kě）知，CN和CNNs樣品的孔徑大約在2~11 nm，進一步證（zhèng）明CN和（hé）CNNs樣品具有介孔結構。
如圖2（b）所示，采用FTIR表征得到（dào）CN和CNNs樣品的官能團結構信（xìn）息。CN和CNNs樣品的紅外吸收峰十分相（xiàng）似，表明它們具有相似（sì）的官能團結構。其中，在（zài）805 cm-1附近峰屬於三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雜環的伸縮振動峰。而在3100 cm-1~3550 cm-1附近（jìn）的峰屬於-NH2的伸縮振動峰。這與XRD分析（xī）結果相一致，證明成功製備出CN和CNNs樣品。
圖3. CN和CNNs樣品的（a）EIS和（b）PC圖
如圖3所示（shì），采用電化學阻抗（EIS）和瞬態光電流響應（PC）確定所製備樣品（pǐn）的（de）電荷的分離效率、遷移效率（lǜ）的情況。因此，由圖3（a）可知，CN樣品（pǐn）顯示出最大的EIS半（bàn）徑，從而揭示出（chū）其最大的電（diàn）荷轉（zhuǎn）移電阻。與CN相比，CNNs樣品的半徑明顯減小，表明界麵電荷傳輸電阻顯著降低，並且光生電子-空穴對的間距逐漸增大，表明其電荷轉移能力越強，有效的捕獲電子、促（cù）進電子的轉移和降（jiàng）低電子與空穴複合，這也是提高光催化重整製氫（qīng）性能的原因之一。
如圖3（b）所示，以三聚氰（qíng）胺為前驅體製備的CN和二次熱氧化剝離處理的CNNs樣（yàng）品的PC譜圖。在通斷模式下，CN和CNNs樣品的（de）光電流密度成規律性變化，可見CNNs樣品的光電流密（mì）度增大，而CN樣品的光電流密度明顯降低。一般認為，光電流密度與電荷分離效率有關，即光電（diàn）流密度越強，電荷的分離效率越好。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高。因此，EIS和PC的分析結果共同揭（jiē）示了所製（zhì）備的催（cuī）化（huà）劑CNNs具有更快的（de）電荷分離效率，有利於增強（qiáng）光催化重整製氫性（xìng）能。
圖（tú）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樣品在在不同纖維素濃度條件下（xià）光催化重整纖維（wéi）素製氫的平均速（sù）率
如（rú）圖4（a）所示，通過（guò）控製變量法，探究以三聚（jù）氰胺為前驅體製備（bèi）CN和CNNs樣品的光催化（huà）重（chóng）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（liàng）從1 wt%到4 wt%時，纖維素的濃度為0.50 g/L時，CNNs催化劑（jì）的平均製氫速率分別為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（guāng）催化（huà）能夠提升（shēng）光（guāng）催化重整製氫性能（néng）還對CN催化劑進行了（le）製氫（qīng）速率的對比，可明顯（xiǎn）的觀察到CN的（de）光（guāng）催化（huà）重整（zhěng）製氫速率為3.34 μmol/(h·g)，明顯降低。由此可見，當金（jīn）屬Pt負載量為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（kě）知，通過控製變量法，探（tàn）究以CNNs樣品的（de）光催（cuī）化重整（zhěng）纖維素製氫性能。在中性條件下，當金屬Pt負載量為2 wt%，纖維素濃度由0 增（zēng）加到1.0 g/L下的平均製氫速率分（fèn）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（sù）濃度的（de）增加，光催化重整製氫速（sù）率也逐漸增加，當纖維素的濃度超過0.50 g/L時，隨後纖維素的濃度增加製氫速率明顯（xiǎn）降低。這一結果表明，當添（tiān）加適量的纖維素時可提（tí）高（gāo）光催化重整製氫性能，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（xiān）維素（sù）的濃度為0.50 g/L時達到了理想化的最大值，這可（kě）能是（shì）由於（yú）CNNs樣品具有更大的比表麵積和較（jiào）高的（de）光（guāng）生載流子分離效率等（děng）優勢。
