Nano Energy：碳摻雜TiO2改性g-C3N4的合理設計及其優異制氫穩定性

【引言】

由於其較強的可見光吸收能力和較窄的帶隙（2.7 eV），g-C3N4擁有良好的分解水制氫催化活性。此外，不同於金屬催化劑，g-C3N4具有熱穩定性高、無毒環保、製備成本低等優越的性能，有望在能源和環境領域得到實際應用。但在g-C3N4光催化反應過程中，光生電子-空穴對的快速複合阻礙了催化活性的進一步提升。因此到目前為止，已有大量工作致力於解決該問題。例如，將g-C3N4與其他半導體材料複合形成異質結，可有效提高光吸收以及阻止電子-空穴對複合，進而提升其光催化活性。

【成果簡介】

近日，燕山大學劉日平教授、張新宇教授和泰國朱拉隆功大學秦家千研究員（共同通訊作者）等報道了一種具有較窄帶隙以及較長載流子壽命的微量碳摻雜TiO2改性g-C3N4（C-TiO2/g-C3N4） ，並在Nano Energy上發表了題為「Rational design of carbon-doped TiO2modified g-C3N4via in-situ heat treatment for drastically improved photocatalytic hydrogen with excellent photostability」的研究論文。上述異質結光催化劑可通過簡單的熱處理法合成。光生載流子分離增強以及較窄的帶隙使得光催化活性有所提升，在三乙醇胺溶液中5 h和64h內氫氣產生量分別為5.728 mmol/g和52.395 mmol/g。420 nm處C-TiO2/g-C3N4的表觀量子效率約為6.2%，是原始g-C3N4（2.6%）的2.4倍。由於其優越的光催化性能和較強的光穩定性，該光催化劑有望在光能轉換和環境修復等領域得到實際應用。

【圖文簡介】

圖1 C-TiO2/g-C3N4異質結的製備及形貌表徵

a) C-TiO2/g-C3N4異質結的製備示意圖；

b-d) C-TiO2/g-C3N4異質結的（HR）TEM圖。

圖2 異質結材料的晶相結構表徵

a) CN和C-TiO2/g-C3N4異質結光催化劑的XRD譜圖；

b) 2θ=24°~30°處XRD譜線放大圖。

圖3 異質結材料的XPS譜圖比較

a) CN和CC3樣品的C1s高分辨XPS譜圖；

b) CN和CC3樣品的N1s XPS譜圖；

c) TO樣品的C1s XPS譜圖。

圖4 異質結材料的光吸收和載流子分離能力表徵

a) 異質結體系的DRS譜圖；

b) DRS譜圖相應的hν對（αhν）1/2圖；

c) 異質結體系的PL譜圖；

d) 異質結體系的瞬態熒光譜圖。

圖5 CN 和CC1~CC5樣品的光電性能測試

a,b) 在黑暗/可見光下線性掃描伏安法曲線；

c) EIS測試；

d) Mott-schottky曲線；

e,f) CN and CC3在可見光照射下的瞬態光電流。

圖6 異質結材料的光催化制氫活性

a) 材料體系的光催化制氫活性比較；

b) CN 和CC3在連續20 h照射下的光催化制氫循環穩定性；

c) CN、CC3、TC和PC光催化制氫活性比較；

d) CC3和CN可見光下64 h光催化制氫長效穩定性；

e) CN和CC3在420 nm單色光下10 h的光催化制氫活性。

圖7 異質結體系活性增強的機理解釋

a) C-TiO2/g-C3N4異質結光催化劑的反應機理；

b) C-TiO2/g-C3N4異質結HSE06複合泛函DOS計算；

c) C-TiO2/g-C3N4異質結電荷密度差異以及相應的平面平均電荷密度差異。

【小結】

通過熱處理均勻混合的TiC和尿素，研究人員製備了C-TiO2/g-C3N4異質結光催化劑。相比原始的CN和TiC前體，C-TiO2/g-C3N4具有優越的光催化活性，在15 h的光穩定性循環試驗表現良好。420 nm處C-TiO2/g-C3N4的表觀量子效率約為6.2%，是原始g-C3N4（2.6%）的2.4倍。C-TiO2/g-C3N4光催化活性的提升歸因於光生電子空穴對的複合幾率降低以及窄帶隙所致的光吸收能力增強。由於其優越的光催化性能和較強的光穩定性，該光催化劑有望在光能轉換和環境修復等領域得到實際應用。

文獻鏈接：Yang C, Qin J, Xue Z, et al. Rational design of carbon-doped TiO2 modified gC3N4 via in-situ heat treatment for drastically improved photocatalytic hydrogen with excellent photostability[J]. Nano Energy, 2017.

本文由材料人編輯部肖傑編譯，周夢青審核，點我加入材料人編輯部。

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