构建共价三嗪框架/氮掺杂碳包覆氧化亚铜S型异质结促进光催化析氢

黄凯辉 陈德俊 张欣 沈荣晨 张鹏 许第发 李鑫

引用本文: 黄凯辉, 陈德俊, 张欣, 沈荣晨, 张鹏, 许第发, 李鑫. 构建共价三嗪框架/氮掺杂碳包覆氧化亚铜S型异质结促进光催化析氢[J]. 物理化学学报, 2024, 40(12): 240702. doi: 10.3866/PKU.WHXB202407020 shu
Citation:  Kaihui Huang, Dejun Chen, Xin Zhang, Rongchen Shen, Peng Zhang, Difa Xu, Xin Li. Constructing Covalent Triazine Frameworks/N-Doped Carbon-Coated Cu2O S-Scheme Heterojunctions for Boosting Photocatalytic Hydrogen Production[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(12): 240702. doi: 10.3866/PKU.WHXB202407020 shu

构建共价三嗪框架/氮掺杂碳包覆氧化亚铜S型异质结促进光催化析氢

    通讯作者: 张欣, xinzhang@hbuas.edu.cn; 沈荣晨, shenrongchenscau@163.com; 张鹏, zhangp@zzu.edu.cn; 李鑫, xinli@scau.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22378148

    国家自然科学基金 21975084

    国家自然科学基金 2230082074

    广东省自然科学基金 2024A1515012433

摘要: 开发用于制氢的高效光催化剂在可持续能源研究中至关重要。本研究设计并制备了一种具有S型异质结结构的共价三嗪框架(CTF)-Cu2O@NC复合材料,旨在提高光催化析氢的效率。由于氮掺杂碳(NC)层和S型异质结的协同效应,复合物的光吸收能力、电子-空穴分离效率和产氢活性显著增强。该系统的结构和光电化学表征表明,S型异质结不仅提高了光生载流子的分离效率,而且还保持了很强的氧化还原能力,从而进一步促进了光催化反应。此外,NC层可以同时减少Cu2O的光腐蚀并促进电子转移。实验结果表明,CTF-7% Cu2O@NC复合材料在可见光照射下表现出优异的制氢性能,达到15645 μmol∙g−1∙h−1,大大超过了纯CTF的光催化活性(2673 μmol∙g−1∙h−1)。这项研究为开发高效、创新的光催化材料提供了一种新方法,有力地支持了可持续氢能源的发展。

English

    1. [1]

      Hisatomi, T.; Domen, K. Nat. Catal. 2019, 2, 387. doi: 10.1038/s41929-019-0242-6

    2. [2]

      Zhang, L. J.; Wu, Y. L.; Li, J. K.; Jin, Z. L.; Li, Y. J.; Tsubaki, N. Mater. Today Phys. 2022, 27, 100767. doi: 10.1016/j.mtphys.2022.100767

    3. [3]

      Liu, H.; Zhang, Y. Y.; Li, D. J.; Li, Y. J.; Jin, Z. L. ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 2474. doi: 10.1021/acsaem.1c03967

    4. [4]

      Meng, C.; Huang, M.; Li, Y. Chem. Res. Chin. Univ. 2023, 39, 697. doi: 10.1007/s40242-023-3124-z

    5. [5]

      Wu, X.; Tan, L.; Chen, G.; Kang, J.; Wang, G. Sci. China. Mater. 2024, 67, 444. doi: 10.1007/s40843-023-2755-2

    6. [6]

      Qian, Y.; Zhang, F.; Kang, D. J.; Pang, H. Energy Environ. Mater. 2023, 6, e12414. doi: 10.1002/eem2.12414

    7. [7]

      Wang, P.; Yang, M.; Tang, S. P.; Li, Y. J.; Lin, X.; Zhang, H. Y.; Zhu, Z.; Chen, F. T. J. Alloy. Compd. 2022, 918, 165607. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.165607

    8. [8]

      Wang, X. P., Li, Y. J., Li, T.; Jin, Z. L. Adv. Sustain. Syst. 2023, 7, 2200139. doi: 10.1002/adsu.202200139

    9. [9]

      Fan, K.; Sun, Y.; Xu, P.; Guo, J.; Li, Z.; Shao, M. Chem. Res. Chin. Univ. 2022, 38, 1185. doi: 10.1007/s40242-022-2254-z

    10. [10]

      Cai, M.; Wei, Y.; Li, Y.; Li, X.; Wang, S.; Shao, G.; Zhang, P. EcoEnergy 2023, 1, 248. doi: 10.1002/ece2.16

    11. [11]

      Shen, R.; Liang, G.; Hao, L.; Zhang, P.; Li, X. Adv. Mater. 2023, 35, 2303649. doi: 10.1002/adma.202303649

    12. [12]

      Zheng, C. Y., Jiang, G. P., Li, Y. J.; Jin, Z. L. J. Alloy. Compd. 2022, 904, 164041. doi: 10.1016/j.jallcom.2022.164041.

    13. [13]

      Wang, J.; Wang, Z.; Dai, K.; Zhang, J. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 165, 187. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.067

    14. [14]

      Xu, Q.; Zhang, L.; Cheng, B.; Fan, J.; Yu, J. Chem 2020, 6, 1543. doi: 10.1016/j.chempr.2020.06.010

    15. [15]

      Wu, X.; Chen, G.; Wang, J.; Li, J.; Wang, G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2023, 39, 2212016. doi: 10.3866/pku.Whxb202212016

    16. [16]

      Cheng, C.; Zhang, J.; Zhu, B.; Liang, G.; Zhang, L.; Yu, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202218688. doi: 10.1002/anie.202218688

    17. [17]

      Cai, J.; Liu, B.; Zhang, S.; Wang, L.; Wu, Z.; Zhang, J.; Cheng, B. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 197, 183. doi: 10.1016/j.jmst.2024.02.012

    18. [18]

      Fan, Z. B.; Guo, X.; Liu, F. J.; Li, Y. J.; Zhang, L. J.; Jin, Z. L. Appl. Mater. Today 2022, 29, 101637. doi: 10.1016/j.apmt.2022.101637.

    19. [19]

      Hua, J.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K.; Shao, C.; Fan, K. J. Mater. Sci. Technol. 2023, 156, 64. doi: 10.1016/j.jmst.2023.03.003

    20. [20]

      He, H.; Wang, Z.; Dai, K.; Li, S.; Zhang, J. Chin. J. Catal. 2023, 48, 267. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64420-1

    21. [21]

      Zhu, Z.; Zhang, H. Y.; Teng, Y.; Lin, X.; Li, M.; Li, Y. J. Surf. Interfaces 2023, 41, 103160. doi: 10.1016/j.surfin.2023.103160

    22. [22]

      Dong, Y.; Ji, P.; Xu, X.; Li, R.; Wang, Y.; Homewood, K. P.; Xia, X.; Gao, Y.; Chen, X. Energy Environ. Mater. 2024, 7, e12643. doi: 10.1002/eem2.12643

    23. [23]

      Liu, M.; Huang, Q.; Wang, S.; Li, Z.; Li, B.; Jin, S.; Tan, B. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 11968. doi: 10.1002/anie.201806664

    24. [24]

      He, J.; Wang, X. D.; Jin, S. B.; Liu, Z. Q.; Zhu, M. S. Chin. J. Catal. 2022, 43, 1306. doi: 10.1016/s1872-2067(21)63936-0.

    25. [25]

      Zhang, G.; Li, X.; Chen, D.; Li, N.; Xu, Q.; Li, H.; Lu, J. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2308553. doi: 10.1002/adfm.202308553.

    26. [26]

      Ding, H.; Shen, R.; Huang, K.; Huang, C.; Liang, G.; Zhang, P.; Li, X. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2400065. doi: 10.1002/adfm.202400065.

    27. [27]

      Gao, Z.; Jian, Y.; Yang, S.; Xie, Q. J.; McFadzean, C. J. R.; Wei, B. S.; Tang, J. T.; Yuan, J. Y.; Pan, C. Y.; Yu, G. P. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 135, e202304173. doi: 10.1002/anie.202304173.

    28. [28]

      Liu, R.; Zhao, L.; Liu, B.; Yu, J.; Wang, Y.; Yu, W.; Xin, D.; Fang, C.; Jiang, X.; Hu, R.; et al. Chin. J. Struc. Chem. 2024, 43, 100332. doi: 10.1016/j.cjsc.2024.100332

    29. [29]

      Zhang, Z. Q.; Wang, H. B.; Li, Y. X.; Xie, M. G.; Li, C. G.; Lu, H. Y.; Peng, Y.; Shi, Z. Chem. Res. Chin. Univ. 2022, 38, 750. doi: 10.1007/s40242-022-1504-4

    30. [30]

      Huang, K.; Feng, B.; Wen, X.; Hao, L.; Xu, D.; Liang, G.; Shen, R.; Li, X. Chin. J. Struc. Chem. 2023, 42, 100204. doi: 10.1016/j.cjsc.2023.100204

    31. [31]

      Wan, L.; Zhou, Q.; Wang, X.; Wood, T. E.; Wang, L.; Duchesne, P. N.; Guo, J.; Yan, X.; Xia, M.; Li, Y. F.; et al. Nat. Catal. 2019, 2, 889. doi: 10.1038/s41929-019-0338-z

    32. [32]

      Han, X.; He, X.; Sun, L.; Han, X.; Zhan, W.; Xu, J.; Wang, X.; Chen, J. ACS Catal. 2018, 8, 3348. doi: 10.1021/acscatal.7b04219

    33. [33]

      Liu, L.; Yang, W.; Li, Q.; Gao, S.; Shang, J. K. ACS Appl. Mater. Inter. 2014, 6, 5629. doi: 10.1021/am500131b

    34. [34]

      Wang, K.; Yang, L.; Wang, X.; Guo, L.; Cheng, G.; Zhang, C.; Jin, S.; Tan, B.; Cooper, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14149. doi: 10.1002/anie.201708548

    35. [35]

      Hao, L.; Ning, J.; Luo, B.; Wang, B.; Zhang, Y.; Tang, Z.; Yang, J.; Thomas, A.; Zhi, L. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 219. doi: 10.1021/ja508693y

    36. [36]

      Wang, J.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K. Chin. J. Struc. Chem. 2023, 42, 100202. doi: 10.1016/j.cjsc.2023.100202

    37. [37]

      Shen, R.; Li, N.; Qin, C.; Li, X.; Zhang, P.; Li, X.; Tang, J. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2301463. doi: 10.1002/adfm.202301463

    38. [38]

      Zhang, M.; Chen, Z.; Wang, Y.; Zhang, J.; Zheng, X.; Rao, D.; Han, X.; Zhong, C.; Hu, W.; Deng, Y. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 246, 202. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.01.042

    39. [39]

      Hao, L.; Shen, R.; Huang, C.; Liang, Z.; Li, N.; Zhang, P.; Li, X.; Qin, C.; Li, X. Appl. Catal. B-Environ. 2023, 330, 122581. doi: 10.1016/j.apcatb.2023.122581

    40. [40]

      Waqas, M. Chem. Res. Chin. Univ. 2024, 40, 529. doi: 10.1007/s40242-024-4055-z

    41. [41]

      Shen, R.; He, K.; Zhang, A.; Li, N.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Hu, J.; Li, X. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 291, 120104. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120104

    42. [42]

      Guo, L.; Gao, J.; Li, M.; Xie, Y.; Chen, H.; Wang, S.; Li, Z.; Wang, X.; Zhou, W. EcoEnergy 2023, 1, 437. doi: 10.1002/ece2.20

    43. [43]

      Xu, N.; Liu, Y.; Yang, W.; Tang, J.; Cai, B.; Li, Q.; Sun, J.; Wang, K.; Xu, B.; Zhang, Q. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 11939. doi: 10.1021/acsaem.0c02102

    44. [44]

      Sun, T.; Liang, Y.; Xu, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202116875. doi: 10.1002/anie.202116875

    45. [45]

      Gao, S.; Zhang, P.; Huang, G.; Chen, Q.; Bi, J.; Wu, L. ChemSusChem 2021, 14, 3850. doi: 10.1002/cssc.202101308

    46. [46]

      Xu, Z.; Cui, Y.; Guo, B.; Li, H. -Y.; Li, H. -X. ChemCatChem 2021, 13, 958. doi: 10.1002/cctc.202001631

    47. [47]

      Feng, T.; Wang, J.; Gao, S.; Feng, C.; Shang, N.; Wang, C.; Li, X. Appl. Surf. Sci. 2019, 469, 431. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.11.036

    48. [48]

      Yu, J.; Sun, X.; Xu, X.; Zhang, C.; He, X. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 257, 117935. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.117935

    49. [49]

      Guo, L.; Niu, Y.; Xu, H.; Li, Q.; Razzaque, S.; Huang, Q.; Jin, S.; Tan, B. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 19775. doi: 10.1039/C8TA07391K

    50. [50]

      Chen, C.; Xiong, Y.; Zhong, X.; Lan, P.; Wei, Z.; Pan, H.; Su, P.; Song, Y.; Chen, Y. F.; Nafady, A.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202114071. doi: 10.1002/anie.202114071

    51. [51]

      Kuecken, S.; Acharjya, A.; Zhi, L.; Schwarze, M.; Schomäcker, R.; Thomas, A. Chem. Commun. 2017, 53, 5854. doi: 10.1039/C7CC01827D

    52. [52]

      Liu, C.; Wang, Y. C.; Yang, Q.; Li, X. Y.; Yi, F.; Liu, K. W.; Cao, H. M.; Wang, C. J.; Yan, H. J. Chem. -A Eur. J. 2021, 27, 13059. doi: 10.1002/chem.202101956

    53. [53]

      Lan, Z.; Chi, X.; Wu, M.; Zhang, X.; Chen, X.; Zhang, G.; Wang, X. Small 2022, 18, 2200129. doi: 10.1002/smll.202200129

    54. [54]

      Huang, W.; He, Q.; Hu, Y.; Li, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 131, 8768. doi: 10.1002/ange.201900046

    55. [55]

      Jiang, Q.; Sun, L.; Bi, J.; Liang, S.; Li, L.; Yu, Y.; Wu, L. ChemSusChem 2018, 11, 1108. doi: 10.1002/cssc.201702220

    56. [56]

      Xu, N.; Cai, B.; Li, Q.; Liu, Y.; Tang, J.; Wang, K.; Xu, B.; Fan, Y. J. Alloy. Compd. 2021, 871, 159565. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.159565

    57. [57]

      Liu, M.; Yang, K.; Li, Z.; Fan, E.; Fu, H.; Zhang, L.; Zhang, Y.; Zheng, Z. Chem. Commun. 2022, 58, 92. doi: 10.1039/d1cc05619k

    58. [58]

      Liu, M.; Wang, X.; Liu, J.; Wang, K.; Jin, S.; Tan, B. ACS Appl. Mater. Inter. 2020, 12, 12774. doi: 10.1021/acsami.9b21903

    59. [59]

      Zhang, S.; Cheng, G.; Guo, L.; Wang, N.; Tan, B.; Jin, S. Angew. Chem. Int. Edit. 2020, 59, 6007. doi: 10.1002/anie.201914424

    60. [60]

      Meier, C. B.; Clowes, R.; Berardo, E.; Jelfs, K. E.; Zwijnenburg, M. A.; Sprick, R. S.; Cooper, A. I. Chem. Mater. 2019, 31, 8830. doi: 10.1021/acs.chemmater.9b02825

    61. [61]

      Li, Y.; Tang, Y.; Li, J.; Chang, Y.; Huang, H.; Zhong, C. J. Mater. Sci. 2021, 56, 5772. doi: 10.1007/s10853-020-05637-9

    62. [62]

      Zheng, L.; Wang, D.; Wu, S.; Jiang, X.; Zhang, J.; Xing, Q.; Zou, J.; Luo, S. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 25425. doi: 10.1039/D0TA10165F

    63. [63]

      Chen, Y.; Huang, G.; Gao, Y.; Chen, Q.; Bi, J. Int. J. Hydrog. Energy 2022, 47, 8739. doi: 10.1016/j.ijhydene.2021.12.220

    64. [64]

      Liu, J.; Li, X.; Han, C.; Liu, M.; Li, X.; Sun, J.; Shao, C. Energy Environ. Mater. 2023, 6, e12404. doi: 10.1002/eem2.12404

    65. [65]

      Fu, C.; Li, D.; Zhang, J.; Guo, W.; Yang, H.; Zhao, B.; Chen, Z.; Fu, X.; Liang, Z.; Jiang, L. Chem. Res. Chin. Univ. 2023, 39, 891. doi: 10.1007/s40242-023-3182-2

    66. [66]

      Zhang, Z.; Xiang, K.; Wang, H.; Li, X.; Zou, J.; Liang, G.; Jiang, J. SusMat 2024, e229. doi: 10.1002/sus2.229

    67. [67]

      Li, Y.; Li, Y.; Yang, C.; Gan, L. J. Phys. Chem. C 2023, 127, 17732. doi: 10.1021/acs.jpcc.3c04031

    68. [68]

      Wu, Y.; Lv, H.; Wu, X. Chin. J. Struc. Chem. 2024, 100375. doi: 10.1016/j.cjsc.2024.100375

    69. [69]

      Yu, K.; He, P.; He, N.; Li, X.; Dong, C.; Jiang, B.; Zou, Y.; Pei, X.; Li, Y.; Ma, L. Sci. China. Mater. 2023, 66, 4680. doi: 10.1007/s40843-023-2599-9

    70. [70]

      Xu, X.; Shao, C.; Zhang, J.; Wang, Z.; Dai, K. Acta Phys. -Chim. Sin. 2024, 40, 2309031. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309031

    71. [71]

      He, H.; Wang, Z.; Zhang, J.; Shao, C.; Dai, K.; Fan, K. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2315426. doi: 10.1002/adfm.202315426

    72. [72]

      Zhang, H.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K. Chin. J. Catal. 2023, 49, 42. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64444-4

    73. [73]

      Yang, T.; Wang, J.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K. Chin. J. Catal. 2024, 58, 157. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64607-8

    74. [74]

      Zhang, H.; Shao, C.; Wang, Z.; Zhang, J.; Dai, K. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 195, 146. doi: 10.1016/j.jmst.2023.11.081

    75. [75]

      Xu, Z.; Wu, Y.; Tao, R.; Jin, Z.; Fang, X. Chem. Res. Chin. Univ. 2023, 39, 928. doi: 10.1007/s40242-022-2274-8

    76. [76]

      Song, P.; Du, J.; Ma, X.; Shi, Y.; Fang, X.; Liu, D.; Wei, S.; Liu, Z.; Cao, Y.; Lin, B.; et al. EcoEnergy 2023, 1, 197. doi: 10.1002/ece2.8

    77. [77]

      Zhan, H.; Zhou, R.; Liu, K.; Ma, Z.; Wang, P.; Zhan, S.; Zhou, Q. Sci. China. Mater. 2024, 67, 1740. doi: 10.1007/s40843-024-2900-5

    78. [78]

      Zhang, P.; Li, Y.; Zhang, Y.; Hou, R.; Zhang, X.; Xue, C.; Wang, S.; Zhu, B.; Li, N.; Shao, G. Small Methods 2020, 4, 2000214. doi: 10.1002/smtd.202000214

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  10
  • 文章访问数:  1171
  • HTML全文浏览量:  94
文章相关
  • 发布日期:  2024-12-15
  • 收稿日期:  2024-07-21
  • 接受日期:  2024-09-19
  • 修回日期:  2024-09-18
  • 网络出版日期:  2024-10-10
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