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高选择性H_(2)O_(2)光合成:ba原子注入面内高度有序结晶结构的g-C_(3)N_(4)纳米棒

Chinese Journal of Catalysis 2024年第5期60卷 231-241页

作者：孟爱云马辛源温达钟威周双苏耀荣深圳技术大学新材料与新能源学院广东深圳518118

过氧化氢(H_(2)O_(2))是一种重要的绿色氧化剂,在医疗、军工、食品和绿色化学合成等领域有着广泛应用.然而,传统蒽醌法合成H_(2)O_(2)存在能耗高、污染严重等问题.光催化合成H_(2)O_(2)技术,利用来源丰富的太阳能实现氧气的两电子还原,... 详细信息

过氧化氢(H_(2)O_(2))是一种重要的绿色氧化剂,在医疗、军工、食品和绿色化学合成等领域有着广泛应用.然而,传统蒽醌法合成H_(2)O_(2)存在能耗高、污染严重等问题.光催化合成H_(2)O_(2)技术,利用来源丰富的太阳能实现氧气的两电子还原,被认为是替代蒽醌工艺的理想方案.石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))因具有成本低、化学性质稳定和电子结构易调等优点,在光催化合成H_(2)O_(2)方面展现出很大潜力.但传统g-C_(3)N_(4)的面内结晶度低,且对两电子氧还原反应的选择性差,这极大地限制了其光合成H_(2)O_(2)效率.为解决这一难题,本文合理设计了一种新策略:将钡(ba)原子注入面内高度有序结晶结构的g-C_(3)N_(4)纳米棒(BI-CN),在增强g-C_(3)N_(4)的面内结晶度的同时,进一步提高其对两电子氧还原反应的选择性.本文采用baCl2诱导的面内聚合策略,实现了ba原子注入的面内高度有序结晶结构g-C_(3)N_(4)纳米棒的可控合成.在合成过程中,三聚氰胺分子选择性地吸附在baCl2的(200)晶面,并与暴露在baCl2表面的ba原子形成ba-N键.这种强相互作用诱导了三嗪结构单元的定向富集和聚合,从而形成面内有序结晶结构的g-C_(3)N_(4)结构.同时,ba原子通过ba-N键稳定地锚定在g-C_(3)N_(4)结构中,构建了ba原子注入的面内高度有序结晶结构的g-C_(3)N_(4)纳米棒.实验和理论计算结果表明,由于ba原子和N原子的电负性差异,电子从ba原子迁移到N原子,形成缺电子的ba活性位点.注入的ba原子起到正电荷中心的作用,氧气分子以Pauling构型稳定地吸附在ba原子上,该吸附构型使得O-O键不易断裂并增强了*OOH中间体的稳定性,从而抑制了四电子氧还原生成水的反应,有效地提高了两电子氧还原的选择性,最终实现高效的光催化H_(2)O_(2)合成.其中,最优的BI-CN3(三聚氰胺和baCl2质量比为9:2)光催化生成H_(2)O_(2)的速率达到353μmol L^(-1) h^(-1),是原始g-C_(3)N_(4)的6.1倍,且表现出良好的光催化循环使用性能.同时,BI-CN3光催化剂表现出更强的表面光电压信号、光电流信号以及更低的荧光强度,表明其具有更强的光生电荷分离和迁移效率.综上,本文不仅为构建具有面内高结晶度和原子级活性位点的g-C_(3)N_(4)光催化剂提供了一种新策略,还为提高两电子氧还原反应的选择性提供了新思路,可为光催化H_(2)O_(2)的高效、绿色合成提供了参考.

关键词： H_(2)O_(2)光合成石墨相氮化碳 ba原子注入高选择性两电子氧还原面内高结晶度

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