注册 English

两步焙烧法制备大比表面积和结晶性增强超薄g-C3N4纳米片及其高效光催化产H2O2

陈恒 ,  聂龙辉 ,  徐凯 ,  杨毅琼 ,  方彩红

downloadPDF
引用本文: 陈恒, 聂龙辉, 徐凯, 杨毅琼, 方彩红. 两步焙烧法制备大比表面积和结晶性增强超薄g-C3N4纳米片及其高效光催化产H2O2[J]. 物理化学学报, 2024, 40(11): 240601. doi: 10.3866/PKU.WHXB202406019 shu
Citation:  Heng Chen, Longhui Nie, Kai Xu, Yiqiong Yang, Caihong Fang. Remarkable Photocatalytic H2O2 Production Efficiency over Ultrathin g-C3N4 Nanosheet with Large Surface Area and Enhanced Crystallinity by Two-Step Calcination[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(11): 240601. doi: 10.3866/PKU.WHXB202406019 shu

两步焙烧法制备大比表面积和结晶性增强超薄g-C3N4纳米片及其高效光催化产H2O2

  • 湖北工业大学材料与化学工程学院, 武汉 430068

    • 通讯作者: 聂龙辉, nielonghui@mail.hbut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51572074

    毒品分析及禁毒技术公安部重点实验室开放课题 YNPL-B2021002

摘要: 以水和氧气为原料，光催化产过氧化氢(H2O2)具有绿色、清洁的特点而受到广泛关注。针对氮化碳(g-C3N4)本征光催化活性低的问题，本文采用两步热聚合法制备了具有大比表面积和结晶性增强的超薄g-C3N4纳米片光催化剂。煅烧条件对g-C3N4的结构属性和催化性能有显著影响。两步焙烧和1 ℃·min-1最佳升温速率制备的样品(CN-T-1)表现出显著提高的光催化产H2O2效率(3177.0 µmol·g-1·h-1)，为一步焙烧和1 ℃·min-1升温速率制备的样品(CN-O-1)(858.6 µmol·g-1·h-1)的3.7倍，高于文献报导的纯g-C3N4产H2O2效率。CN-T-1在5次循环使用中H2O2产率先略有下降，后基本保持不变，表现出良好的稳定性。相较于CN-O-1，CN-T-1增强的催化性能归因于更大的比表面积、增强的结晶性、更高氧吸附能力和光生载流子分离效率、更长的载流子寿命，以及超薄片层使其具有更大的带隙(3.07 eV, 比CN-O-1大+0.26 eV)和更正的价带位置。•O2-自由基被证实为主要的活性物种。CN-T-1光催化产H2O2被证实为两步单电子ORR路径(O2 + e- → •O2- → H2O2)。

English

    1. [1]

      You, Q.; Zhang, C.; Cao, M.; Wang, B.; Huang, J.; Wang, Y.; Deng, S.; Yu, G. Appl. Catal. B 2023, 321, 121941. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121941

    2. [2]

      Xie, K.; Zhuang, X.; Luo, X.; Jing, Z.; Song, X.; Hou, A.; Gao, A. Green Chem. 2023, 25, 4438. doi: 10.1039/d3gc00963g

    3. [3]

      Li, X.; Li, P.; Li, Y.; Liu, H.; Yang, Z.; Chen, Y.; Liao, X. J. Environ. Chem. Eng. 2023, 11, 110594. doi: 10.1016/j.jece.2023.110594

    4. [4]

      Yuan, J.; Chen, Q.; Xiao, Y.; Li, D.; Jiang, X.; Wu, P. Appl. Surf. Sci. 2023, 630, 157463. doi: 10.1016/j.apsusc.2023.157463

    5. [5]

      Du, R.; Xiao, K.; Li, B.; Han, X.; Zhang, C.; Wang, X.; Zuo, Y.; Guardia, P.; Li, J.; Chen, J.; et al. Chem. Eng. J. 2022, 441, 135999doi: 10.1016/j.cej.2022.135999

    6. [6]

      Wang, Y.; Yang, Z.; Zhang, C.; Feng, Y.; Shao, H.; Chen, J.; Hu, J.; Zhang, L. Ultrason. Sonochem. 2023, 99, 106582. doi: 10.1016/j.ultsonch.2023.106582

    7. [7]

      Ding, Y.; Maitra, S.; Esteban, D.; Bals, S.; Vrielinck, H.; Barakat, T.; Roy, S.; Tendeloo, G.; Liu, J.; Li, Y.; et al. Cell Rep. Phys. Sci. 2022, 3, 100874. doi: 10.1016/j.xcrp.2022.100874

    8. [8]

      Gan, W; Guo, J.; Fu, X.; Jin, J.; Zhang, M.; Chen, R.; Ding, C.; Lu, Y.; Li, J.; Sun, Z. Sep. Purif. Technol. 2023, 317, 123791. doi: 10.1016/j.seppur.2023.123791

    9. [9]

      Yang, Y.; Liu, J.; Gu, M.; Cheng, B.; Wang, L.; Yu, J. Appl. Catal. B 2023, 333, 122780. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122780

    10. [10]

      Zhao, Y.; Zhang, S.; Wu, Z.; Zhu, B.; Sun, G.; Zhang, J. Chin. J. Catal. 2024, 60, 219. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64645-5

    11. [11]

      Han, G.; Xu, F.; Cheng, B.; Li, Y.; Yu, J.; Zhang, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2112037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037

    12. [12]

      Yin, X.; Shi, H.; Wang, Y.; Wang, X.; Wang, P.; Yu, H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40, 2312007. doi: 10.3866/PKU.WHXB202312007

    13. [13]

      Zhu, Z.; Bao, L.; Pestov, D.; Xu, P.; Wang, W. Chem. Eng. J. 2023, 453, 139956. doi: 10.1016/j.cej.2022.139956

    14. [14]

      Shi, H.; Li, Y.; Wang, X.; Yu, H.; Yu, J. Appl. Catal. B 2021, 297, 120414. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120414

    15. [15]

      Zhao, Y.; Wang, L.; Malpass-Evans, R.; McKeown, N.; Carta, M.; Lowe, J.; Lyall, C.; Castaing, R.; Fletcher, P.; Kociok-Köhn, G.; et al. ACS Appl. Mater. Interf. 2022, 14, 19938. doi: 10.1021/acsami.1c23960

    16. [16]

      Yin, F.; Qin, P.; Xu, J.; Cao, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2212062. doi: 10.3866/PKU.WHXB202212062

    17. [17]

      Chu, C.; Miao, W.; Li, Q.; Wang, D.; Liu, Y.; Mao, S. Chem. Eng. J. 2022, 428, 132531. doi: 10.1016/j.cej.2021.132531

    18. [18]

      Khamesan, A.; Esfahani, M.; Ghasemi, J.; Farzin, F.; Parsaei-Khomami, A.; Mousavi, M. Adv. Powder Technol. 2022, 33, 103777. doi: 10.1016/j.apt.2022.103777

    19. [19]

      Jian, L.; Dong, Y.; Zhao, H.; Pan, C.; Wang, G.; Zhu, Y. Appl. Catal. B 2024, 342, 123340. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.123340

    20. [20]

      Zan, Z.; Li, X.; Gao, X.; Huang, J.; Luo, Y.; Han, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2209016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202209016

    21. [21]

      Deng, J.; Zhu, S.; Zheng, J.; Nie, L. J. Colloid Interface Sci. 2020, 569, 320. doi: 10.1016/j.jcis.2020.02.100

    22. [22]

      Hu, H.; Hu, Y.; Kong, W.; Tao, Y.; Jiang, Q.; Wang, J.; Li, C.; Xie, H.; Shi, Y.; Li, Y.; et al. J. Environ. Chem. Eng. 2023, 11, 111108. doi: 10.1016/j.jece.2023.111108

    23. [23]

      Zhang, H.; Cheng, L.; Hu, M.; Li, M.; Zheng, J.; Xin, S.; Fang, C.; Chen, H.; Yang, Y.; Nie, L. Chin. J. Inorg. Chem. 2023, 39, 2121. doi: 10.11862/CJIC.2023.175

    24. [24]

      Ding, C.; Lu, X.; Tao, B.; Yang, L.; Xu, X.; Tang, L.; Chi, H.; Yang, Y.; Meira, D.; Wang, L.; et al. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2302824. doi: 10.1002/adfm.202302824

    25. [25]

      Li, H.; Li, F.; Yu, J.; Cao, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010073. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010073

    26. [26]

      Balakrishnan, A.; Kunnel, E.; Sasidharan, R.; Chinthala, M.; Kumar, A. Chem. Eng. J. 2023, 475, 146163. doi: 10.1016/j.cej.2023.146163

    27. [27]

      Gea, T.; Jin, X.; Cao, J.; Chen, Z.; Xu, Y.; Xie, H.; Su, F.; Li, X.; Lan, Q.; Ye, L. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2021, 129, 104. doi: 10.1016/j.jtice.2021.09.036

    28. [28]

      Liu, W.; Song, C.; Kou, M.; Wang, Y.; Deng, Y.; Shimada, T.; Ye, L. Chem. Eng. J. 2021, 425, 130615. doi: 10.1016/j.cej.2021.130615

    29. [29]

      Zhang, Z.; Zheng, Y.; Xie, H.; Zhao, J.; Guo, X.; Zhang, W.; Fu, Q.; Wang, S.; Xu, Q.; Huang, Y. J. Alloy. Compd. 2022, 904, 164028. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.164028

    30. [30]

      Shi, J.; Luo, Y.; Yang, T.; Wang, H.; Ju, C.; Pu, K.; Shi, J.; Zhao, T.; Xue, J.; Li, Y.; et al. J. Colloid Interface Sci. 2022, 628, 259. doi: 10.1016/j.jcis.2022.07.137

    31. [31]

      Zhang, Y.; Liang, C.; Feng, H.; Liu, W. Chem. Eng. J. 2022, 446, 137379. doi: 10.1016/j.cej.2022.137379

    32. [32]

      Nie, L.; Chen, H.; Wang, J.; Yang, Y.; Fang, C. Inorg. Chem. 2024, 63, 4770. doi: 10.1021/acs.inorgchem.4c00075

    33. [33]

      Xia, Y.; Zhu, B.; Qin, X.; Ho, W.; Yu, J. Chem. Eng. J. 2023, 467, 143528. doi: 10.1016/j.cej.2023.143528

    34. [34]

      Zheng, J.; Xu, Z.; Xin, S.; Zhu, B.; Nie, L. Dalton Trans. 2022, 51, 12883. doi: 10.1039/d2dt01748b

    35. [35]

      Zheng, J.; Xu, Z.; Xin, S.; Nie, L. Mat. Lett. 2022, 325, 132912. doi: 10.1016/j.matlet.2022.132912

    36. [36]

      Cong, Y.; Zhang, S.; Zheng, Q.; Li, X.; Zhang, Y.; Lv, S. J. Colloid Interface Sci. 2023, 650, 1013. doi: 10.1016/j.jcis.2023.07.075

    37. [37]

      Liu, B.; Bie, C.; Zhang, Y.; Wang, L.; Li, Y.; Yu, J. Langmuir 2021, 37, 14114. doi: 10.1021/acs.langmuir.1c02360

    38. [38]

      Yuan, J.; Tian, N.; Zhu, Z.; Yu, W.; Li, M.; Zhang, Y.; Huang, H. Chem. Eng. J. 2023, 467, 143379. doi: 10.1016/j.cej.2023.143379

    39. [39]

      Luo, H.; Shan, T.; Zhou, J.; Huang, L.; Chen, L.; Sa, R.; Yamauchi, Y.; You, J.; Asakura, Y.; Yuan, Z.; et al. Appl. Catal. B 2023, 337, 122933. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122933

    40. [40]

      Chen, J.; Yan, Z.; Chen, Y.; Yao, K.; Xu, Z. Appl. Surf. Sci. 2023, 634, 157637. doi: 10.1016/j.apsusc.2023.157637

    41. [41]

      Wang, W.; Zhang, W.; Cai, Y.; Wang, Q.; Deng, J.; Chen, J.; Jiang, Z.; Zhang, Y.; Yu, C. Nano Res. 2023, 16, 2177. doi: 10.1007/s12274-022-4976-0

    42. [42]

      Xie, H.; Zheng, Y.; Guo, X.; Liu, Y.; Zhang, Z.; Zhao, J.; Zhang, W.; Wang, Y.; Huang, Y. ACS Sustain. Chem. Eng. 2021, 9, 6788. doi: 10.1021/acssuschemeng.1c01012

    43. [43]

      Li, T.; Zhang, X.; Hu, C.; Li, X.; Zhang, P.; Chen, Z. J. Environ. Chem. Eng. 2022, 10, 107116. doi: 10.1016/j.jece.2021.107116

    44. [44]

      Wang, T.; Chang, L.; Wu, H.; Yang, W.; Cao, J.; Fan, H.; Wang, J.; Liu, H.; Hou, Y.; Jiang, Y.; et al. J. Colloid Interface Sci. 2022, 612, 434. doi: 10.1016/j.jcis.2021.12.120

    45. [45]

      Wang, K.; Shu, Z.; Zhou, J.; Zhao, Z.; Wen, Y.; Sun, S. J. Colloid Interface Sci. 2023, 648, 242. doi: 10.1016/j.jcis.2023.05.204

    46. [46]

      Zheng, J.; Li, L.; Dai, Z.; Tian, Y.; Fang, T.; Xin, S.; Zhu, B.; Liu, Z.; Nie, L. Appl. Surf. Sci. 2022, 571, 151305. doi: 10.1016/j.apsusc.2021.151305

    47. [47]

      Hu, Q.; Dong, Y.; Ma, K.; Meng, X.; Ding, Y. J. Catal. 2022, 413, 321. doi: 10.1016/j.jcat.2022.06.042

    48. [48]

      Zhou, C.; Song, Y.; Wang, Z.; Liu, J.; Sun, P.; Mo, Z.; Yi, J.; Zhai, L. J. Environ. Chem. Eng. 2023, 11, 110138. doi: 10.1016/j.jece.2023.110138

    49. [49]

      Tan, L.; Chen, Y.; Li, D.; Wang, S.; Ao, Z. Nanomaterials 2022, 12, 3089. doi: 10.3390/nano12183089

    50. [50]

      Chu, Y.; Zheng, X.; Fan, J. Chem. Eng. J. 2022, 431, 134020. doi: 10.1016/j.cej.2021.134020

    51. [51]

      Tang, R.; Zhou, Y.; Xiong, S.; Deng, Y.; Li, L.; Zhou, Z.; Zeng, H.; Wang, J.; Zhao, J.; Gong, D. J. Colloid Interface Sci. 2023, 630, 127. doi: 10.1016/j.jcis.2022.09.131

    52. [52]

      Zhang, H.; Bai, X. J. Colloid Interface Sci. 2022, 627, 541. doi: 10.1016/j.jcis.2022.07.077

    53. [53]

      Li, D.; Wen, C.; Huang, J.; Zhong, J.; Chen, P.; Liu, H.; Wang, Z.; Liu, Y.; Lv, W.; Liu, G. Appl. Catal. B 2022, 307, 121099. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121099

    54. [54]

      Zhang, P.; Zhang, J.; Wang, D.; Zhang, F.; Zhao, Y.; Yan, M.; Zheng, C.; Wang, Q.; Long, M.; Chen, C. Appl. Catal. B 2022, 318, 121749. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121749

    55. [55]

      Salehian, S.; Heydari, H.; Khansanami, M.; Vatanpour, V.; Mousavi, S. Sep. Purif. Technol. 2022, 285, 120291. doi: 10.1016/j.seppur.2021.120291

    56. [56]

      Shan, Y.; Guo, Y.; Wang, Y.; Du, X.; Yu, J.; Luo, H.; Wu, H.; Boury, B.; Xiao, H.; Huang, L.; et al. J. Colloid Interface Sci. 2021, 599, 507. doi: 10.1016/j.jcis.2021.04.111

    57. [57]

      Chen, J.; Gao, W.; Lu, Y.; Ye, F.; Huang, S.; Peng, Y.; Yang, X.; Cai, Y.; Qu, J.; Hu, J. ACS Appl. Nano Mater. 2023, 6, 3927. doi: 10.1021/acsanm.3c00092

    58. [58]

      Deng, L.; Sun, J.; Sun, J.; Wang, X.; Shen, T.; Zhao, R.; Zhang, Y.; Wang, B. Appl. Surf. Sci. 2022, 597, 153586. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.153586

    59. [59]

      Chen, A.; Li, C.; Liu, C.; Sun, W. Appl. Surf. Sci. 2023, 628, 157359. doi: 10.1016/j.apsusc.2023.157359

    60. [60]

      Hu, S.; Qu, X.; Li, P.; Wang, F.; Li, Q.; Song, L.; Zhao, Y.; Kang, X. Chem. Eng. J. 2018, 334, 410. doi: 10.1016/j.cej.2017.10.016

    61. [61]

      Lu, N.; Liu, N.; Hui, Y.; Shang, K.; Jiang, N.; Li, J.; Wu, Y. Chemosphere 2020, 241, 124927. doi: 10.1016/j.chemosphere.2019.124927

    62. [62]

      Liu, W.; Xu, R.; Wang, Y.; Huang, N.; Shimada, T.; Ye, L. Int. J. Hydrog. Energy 2022, 47, 16005. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.03.106

    63. [63]

      Hu, J.; Chen, C.; Yang, H.; Yang, F.; Qu, J.; Yang, X.; Sun, W.; Dai, L.; Li, C. Appl. Catal. B 2022, 317, 121723. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121723

    64. [64]

      Chen, F.; Wang, H.; Hu, H.; Gan, J.; Su, M.; Xu, H.; Wei, C. Colloids Surf. A 2021, 631, 127710. doi: 10.1016/j.colsurfa.2021.127710

    65. [65]

      Niu, P.; Zhang, L.; Liu, G.; Cheng, H. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 4763. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.06.134

    66. [66]

      Chen, B.; Xu, J.; Dai, G.; Sun, X.; Situ, Y.; Huang, H. Sep. Purif. Technol. 2022, 299, 121688. doi: 10.1016/j.seppur.2022.121688

    67. [67]

      Xue, Y.; Ma, C.; Yang, Q.; Wang, X.; An, S.; Zhang, X.; Tian, J. Chem. Eng. J. 2023, 457, 141146. doi: 10.1016/j.cej.2022.141146

    68. [68]

      Lu, K.; Wei, Q.; Bao, X.; Xiao, Z.; Cheng, X.; Liu, X.; Wang, Z.; Li, H.; Huang, B. Appl. Surf. Sci. 2023, 609, 155242. doi: 10.1016/j.apsusc.2022.155242

    69. [69]

      Feng, S.; Zhang, Y.; Xu, H.; Gong, X.; Hua, J. J. Alloy. Compd. 2023, 938, 168500. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.168500

    70. [70]

      Ni, L.; Xiao, Y.; Zhou, X.; Jiang, Y.; Liu, Y.; Zhang, W.; Zhang, J.; Liu, Z. Inorg. Chem. 2022, 61, 19552. doi: 10.1021/acs.inorgchem.2c03491

    71. [71]

      Meng, Z.; Zhang, J.; Jiang, C.; Trapalis, C.; Zhang, L.; Yu, J. Small 2023, 20, 2308952. doi: 10.1002/smll.202308952

    72. [72]

      Qiu, J.; Meng, K.; Zhang, Y.; Cheng, B.; Zhang, J.; Wang, L.; Yu, J. Adv. Mater. 2024, 36, 2400288. doi: 10.1002/adma.202400288

    73. [73]

      Cheng, C.; Yu, J.; Xu, D.; Wang, L.; Liang, G.; Zhang, L.; Jaroniec, M. Nat. Commun. 2024, 15, 1313. doi: 10.1038/s41467-024-45604-5

    74. [74]

      Zhang, X.; Gao, D.; Zhu, B.; Cheng, B.; Yu, J.; Yu, H. Nat. Commun. 2024, 15, 3212. doi: 10.1038/s41467-024-47624-7

    75. [75]

      Yang, Y.; Zeng, G.; Huang, D.; Zhang, C.; He, D.; Zhou, C.; Wang, W.; Xiong, W.; Li, X.; Li, B.; et al. Appl. Catal. B 2020, 272, 118970. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118970

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  423
  • HTML全文浏览量:  67
文章相关
  • 发布日期:  2024-11-15
  • 收稿日期:  2024-06-17
  • 接受日期:  2024-07-18
  • 修回日期:  2024-07-18
  • 网络出版日期:  2024-08-05
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net