Nano Energy : CN直接生長于多孔h-BN納米片的異質結構在無金屬光催化中的應用

【引言】

由于獨特的結構和電學性質，石墨烯和其他二維(2D)材料在催化領域受到研究人員青睞。在催化中，不同的電子屬性可能具有不同的化學反應，產生意想不到的效果。六方氮化硼(h-BN)，即所謂的“白色石墨烯”是具有較強的共價作用2D晶體的代表，其帶隙較寬，并具有良好的化學穩定性、熱穩定性和導電性。另一方面，由三-s-三嗪基團組成的聚合物CN可以與其他二維材料(如石墨烯及其衍生物)復合提高其催化性能。上述兩種材料在光催化領域具有廣泛的應用，包括制氫、有機污染物降解、固氮、CO₂和NO_x還原以及選擇性氧化脫氫等。

【成果簡介】

近日，韓國浦項科技大學Wonyong Choi教授、福州大學王心晨教授(共同通訊作者)等使用低成本的前驅體(尿素和硼酸)制備了一種由CN和h-BN組成的新型二維復合光催化劑(CBN-x)，并在Nano Energy上發表了題為“Formation of Heterostructures via Direct Growth CN on h-BN Porous Nanosheets for Metal-free Photocatalysis”的研究論文。作者系統地研究了負載CN對催化劑結構、表面化學以及光催化活性的影響。對CBN-x樣品的光催化制氫和H₂O₂活性進行了測試，在未負載貴金屬助催化劑下活性明顯增強。然而，CBN-x的光催化降解有機化合物活性并未優于h-BN。h-BN負載CN后，CN的C 2p和N 2p軌道引入了新的導價帶邊緣，逐漸縮小了帶隙并增強了復合催化劑的光吸收效率。在這種非金屬的體系中，CN生成的電子向h-BN轉移，而h-BN光生空穴向CN轉移，通過異質結界面(CN/BN)提升了電荷分離。因此，增加CN負載量提高了光催化整體效率，直到CN的過度負載覆蓋了h-BN活性位點。

【圖文導讀】

圖1 CN/BN異質結材料的結構及光學性能表征

a) BN、CN和CBN-x樣品的XRD譜線；

b) BN、CN和CBN-x 樣品的DRS譜線及相應的帶隙估算；

c) 部分樣品的氮氣吸附等溫線及相應的孔徑分布。

圖2 CN/BN異質結材料形貌表征

a-d) h-BN樣品的HRTEM圖像和EELS分布數據；

e-h) CBN-6樣品的HRTEM圖像和EELS分布數據。

圖3 CN/BN異質結材料的XPS譜圖

a) h-BN和CBN-x樣品的XPS總譜；

b-d) h-BN和CBN-x樣品的C 1s、B 1s和N 1s XPS譜圖。

圖4 CN/BN異質結材料的光催化制氫活性

a) BN、CN 和CBN-x 樣品的光催化制氫活性比較；

b) BN、Pt-BN 和CBN-6樣品的光催化制氫循環實驗；

c) BN、Pt-BN 和CBN-6樣品的AQY隨波長的變化。

圖5 CN/BN異質結材料的光催化制H₂O₂活性

a) BN、CN 和CBN-x 樣品的光催化制H₂O₂活性比較；

b) 在氧氣平衡下，BN、CN 和CBN-x 樣品的光催化分解H₂O₂比較；

c) BN、CN 和CBN-x 樣品的H₂O₂形成速率常數(k_f，黑色實心符號)和分解速率常數(k_d，藍色空心符號)。

圖6 CN/BN異質結材料的光電性能

a) 不同光催化劑分散液在紫外光下(λ> 305 nm)的光電流；

b) BN、CN 和CBN-x 樣品的Mott–Schottky曲線；

c) BN、CN 和CBN-x 樣品的開路光電勢。

圖7 CN/BN異質結材料的密度泛函計算

a-d) h-BN、CN、C摻雜h-BN和CN/BN的平面波DFT 電子結構計算以及相應的導價帶電荷分布(綠色小球代表硼元素，藍色小球代表氮元素，灰色小球代表氧元素)

圖8 CN/BN異質結材料的DOS計算

a-d) h-BN、CN、C摻雜h-BN和CN/BN的能帶結構及相應的全/離子電子DOS計算。

圖9 CN/BN異質結材料的能帶結構示意圖

CN/BN異質結材料的能帶結構示意圖

【小結】

研究人員將CN負載于h-BN納米片制備了一種新型的二維異質結。最優的CBN-6復合材料的光催化制氫活性優于Pt-BN，而純CN僅表現出非常低的制氫活性。相比h-BN，CBN-x樣品的光催化產生H₂O₂活性也有提升。CN/BN復合光催化劑作為具有可調光(電)化學性質新型二維異質結構體系的代表之一，有望成為新型太陽能轉換基材。

文獻鏈接： Formation of Heterostructures via Direct Growth CN on h-BN Porous Nanosheets for Metal-free Photocatalysis (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/ j.nanoen.2017.10.043)

本文由材料人編輯部新能源小組abc940504編譯整理，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065953”。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。