石榴状单质铋(Bi)球与g-C3N4复合材料表现出超强可见光氧化NO性能

李宇涵 ,  吕康乐 ,  何咏基 ,  赵再望 ,  黄宇

引用本文: 李宇涵,  吕康乐,  何咏基,  赵再望,  黄宇. 石榴状单质铋(Bi)球与g-C3N4复合材料表现出超强可见光氧化NO性能[J]. 催化学报, 2017, 38(2): 321-329. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62573-1 shu
Citation:  Yuhan Li,  Kangle Lv,  Wingkei Ho,  Zaiwang Zhao,  Yu Huang. Enhanced visible-light photo-oxidation of nitric oxide using bismuth-coupled graphitic carbon nitride composite heterostructures[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(2): 321-329. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62573-1 shu

石榴状单质铋(Bi)球与g-C3N4复合材料表现出超强可见光氧化NO性能

  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展规划(2016YFA0203000),香港特别行政区政府研究资助局杰出青年学者计划(ECS 809813),香港教育大学裘槎中国访问学者计划(2015-2016),国家自然科学基金(51672312和21373275)以及教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET-12-0668).

摘要: 采用一种原位合成工艺制备了具有类石榴结构的金属铋(Bi)单质修饰的g-C3N4复合材料(Bi-CN),并用于可见光氧化NO反应中.金属Bi单质镶嵌在CN层间形成的复合物,由于金属Bi单质显著的表面等离子体共振(SPR)作用可将光吸收范围由紫外光延展至近红外,极大地提高了复合物的光吸收.此外,由于Bi单质存在于复合物界面可产生内建莫特-肖特基效应,从而加快光生载流子的分离与转移.由此,Bi-CN复合物光催化剂展现出超强的光催化去除NO性能.我们提出了类石榴结构的形成以及相应的Bi-CN复合物光催化活性的提高机理.这不仅为高效的金属铋单质改性的g-C3N4基光催化剂提供了一种新的设计方案,也对g-C3N4基光催化的机制理解提出了新的见解.
通过X射线衍射、红外光谱和X射线光电子能谱结果发现Bi是以金属单质的形式存在于Bi-CN复合物中,这得益于我们采用了二水合铋酸钠(NaBiO3·2H2O)作为铋前驱体,从而成功避免了氧化态铋的形成.Bi-CN复合物中金属铋单质的存在有诸多优点.首先,金属铋单质具有显著的表面SPR效应,它的引入可大大提高复合物的光吸收能力和太阳光利用率.有研究表明,直径为150-200 nm的铋球能够在紫外-可见漫反射图谱(UV-vis)在λ=500 nm处呈现出典型的SPR峰,但本样品在λ=200-800 nm区间内并未发现该SPR峰.由于铋单质的共振受限于其尺寸大小、颗粒形状和构造环境.本文中球形铋单质的直径约为1 μm,其可能发生共振效应的峰位置应超过800 nm,因此未发现相应的SPR峰.其次,金属铋单质分散在CN层表面上构建的肖特基垫垒能够高效地阻止光生电子与空穴的复合,促进了光生载流子的分离与转移,从而提高光氧化NO进程.再者,金属铋单质的介入成功构造了Bi-CN异质结,在可见光照射下NO氧化反应中,Bi-CN复合物活性显著高于CN(22.2%)、CN-EG(36.4%)和Bi(14.1%),其中以10% Bi-CN活性最佳,NO去除率到70.4%,远远超过K插层的g-C3N4、Ag掺杂的g-C3N4和氧化石墨烯修饰的g-C3N4.
当复合物中金属铋单质含量超过10%时,其活性明显下降.这是因为大量的金属铋单质积聚在Bi-CN复合物表面上而造成物理堵塞,妨碍了CN吸收可见光,从而降低了其可见光吸收能力;同时导致只会吸收更多的紫外光(λ<280 nm)而不是可见光,因而其可见光催化氧化NO能力下降.

English

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  • 发布日期:  2017-03-02
  • 收稿日期:  2016-08-29
  • 修回日期:  2016-10-05
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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