Adv. Energy Mater. : 可见光低含量牺牲试剂下Au/TiO2-g-C3N4 光催化制氢性能增强

【引言】

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)由于其廉价、易得的优点，广泛应用于光催化领域，但由于其光生载流子易于复合，限制了其光催化活性进一步提升。研究人员已提出部分策略以期提升其光催化活性，如与其他半导体形成进行异质结，即以g-C₃N₄对其进行敏化获得可见光吸收或提升载流子分离性能。此外，在g-C₃N₄上负载各种金属也是可行策略之一，可诱发积极的肖特基势垒效应，有效地捕获光生电子，从而提高载流子分离。光催化制氢过程中通常需要使用牺牲试剂捕获空穴，以提升载流子分离。然而，理想状态下应不使用或使用含量非常低的牺牲试剂，以降低成本和过程中的碳排放。

【成果简介】

近日，法国斯特拉斯堡大学Valérie Keller研究员(通讯作者)等设计优化了三组分Au/TiO₂-g-C₃N₄纳米复合材料光催化剂，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Au/TiO₂-g-C₃N₄ Nanocomposites for Enhanced Photocatalytic H₂ Production from Water under Visible Light Irradiation with Very Low Quantities of Sacrificial Agents”的研究论文。上述三组分光催化剂能够在可见光照射以及使用含量非常低的牺牲试剂条件下有效地从水中制氢。相比Au/TiO₂和Au/g-C₃N₄材料，三组分材料光催化性能增强应归因于三组分之间高效的组装和界面的协同作用。在可见光照射以及使用含量非常低的牺牲试剂(≤1 vol%)条件下，复合光催化剂的制氢速率可达到350 μmol·h^-1·g_catalyst^-1，其活性远远高于目前文献报道的值。

【图文简介】

图1 三组分光催化剂的形貌表征

a-d) 0.5 wt% Au/(TiO₂-g-C₃N₄) (95/5)的TEM图像，其中图c为g-C₃N₄的TEM 图像；

e) Au NPs尺寸分布直方图；

f) 0.5 wt% Au/(TiO₂-g-C₃N₄) (95/5)的HRTEM图像。

图2 三组分光催化剂的表面元素分析

a) 纯TiO₂和0.5 wt% Au/(TiO₂-g-C₃N₄)的Ti 2p XPS光谱；

b) 纯g-C₃N₄和0.5 wt% Au/(TiO₂-g-C₃N₄) (95/5)的N 1s XPS光谱；

c) 纯g-C₃N₄和0.5 wt% Au/(TiO₂-g-C₃N₄) (95/5)的C 1s XPS光谱；

d) TiO₂-g-C₃N₄复合材料的能带结构。

图3 三组分光催化剂的电子迁移能力表征

a,b,c) 不同催化剂在360 nm、450 nm和550 nm的TRMC信号；

d) 0.5 wt% Au/TiO₂-g-C₃N₄ (95/5)在360 nm、450 nm、530 nm、550 nm和570 nm处的信号比较。

图4 三组分光催化剂的光催化制氢性能(1)

a,b) 太阳光/可见光下，催化剂制氢速率随甲醇加入量的变化；

c) 太阳光/可见光下，催化剂以10 mL TEOA (1 vol%)为牺牲试剂的制氢速率。

图5 三组分光催化剂的光催化制氢性能(2)

a,b) 太阳光/可见光下，以1 vol%甲醇为牺牲试剂的制氢积累量；

c,d) 太阳光/可见光下，以1 vol% TEOA为牺牲试剂的制氢积累量。

图6 三组分光催化剂的光催化制氢性能(3)

a,b) 太阳光/可见光下，0.5 wt% Au/(TiO₂-g-C₃N₄) (95/5)以1 vol%甲醇为牺牲试剂的循环实验；

c) 太阳光下，0.5 wt% Au/(TiO₂-g-C₃N₄) (95/5)以10 mL TEOA为牺牲试剂的循环实验。

图7 三组分光催化剂的光催化制氢机理图

三组分光催化剂的光催化制氢机理图。

【小结】

研究人员对TiO₂、g-C₃N₄和Au NPs进行优化组合形成了Au/(TiO₂-g-C₃N₄)复合材料，上述三组分光催化剂能够在可见光照射以及使用含量非常低的牺牲试剂条件下有效地从水中制氢，充分利用了三组分各自特性的优势。三组分之间高效的组装和界面的协同作用使得复合材料的可见光吸收提升，光生载流子复合几率降低。基于上述协同作用，已实现可见光照射下高效水中光催化制氢。

文献链接：Au/TiO₂-g-C₃N₄ Nanocomposites for Enhanced Photocatalytic H₂ Production from Water under Visible Light Irradiation with Very Low Quantities of Sacrificial Agents (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702142)

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