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ChemPhotoChem:水溶性碳點促進石墨相氮化碳光催化水分解產氫2023-01-10
光催化水分解產氫是將太陽能轉化為可再生能源存儲起來的重要過程之一,也是緩解當前環境和能源問題的理想途徑之一。在眾多光解水催化劑中,石墨相氮化碳(g-C3N4)由于其具有合適的導/價帶位置、較窄的帶隙和優異的熱穩定性等優點,在光解水產氫體系中展現了一定的應用潛力,已成為一種很有前途的利用可見光催化水分解產氫的光催化劑。然而,由于光激發產生的電子會被束縛在體相g-C3N4中而不能參與析氫反應,從而降低了光生電子的利用率,是導致其目前光解水產氫性能較低的主要原因之一。碳點(CDs)近些年被報道可以用來提高光催化材料的催化性能,但是對其提高光催化性能的機制尚缺少深入的研究。

近日,中國科學院青島生物能源與過程研究所的裴廣賢副研究員與山東大學(青島校區)合作,通過將水溶性CDs引入到Pt/g-C3N4光催化反應體系中,最終使得整個體系對可見光(> 420 nm)催化水分解產氫性能提高了兩倍。而且整個體系具有非常好的循環穩定性,過夜后光解水產氫催化性能沒有降低的趨勢。

可見光范圍內(400、450、500、520和550 nm)的量子產率測試結果顯示,CDs的引入不僅提高了整個體系對原有可見光(400、450和500 nm)下的光解水產氫性能,并且擴大了其對可見光的吸收范圍,引入CDs后的反應體系在520 nm可見光照射下依然具有光解水產氫性能。

 

 

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圖1. (a) 光解水產氫性能對比,?(b) 引入CDs的體系循環穩定性。

采用時間分辨熒光光譜對引入CDs后g-C3N4的光生電荷動力學行為研究顯示,CDs可以起到光敏化劑的作用,將光生電子轉移到Pt/g-C3N4表面,促進析氫反應的發生。光譜擬合結果顯示,CDs的加入有效提高了g-C3N4中光生電子的轉移效率,進而促進了光生電子在體相g-C3N4中的傳輸。

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圖2. 時間分辨熒光光譜測試各體系激發態動力學結果。

該工作中,水溶性CDs受光激發后產生電子并轉移到Pt/g-C3N4表面,促進光生電子在Pt/g-C3N4表面的消耗,即促進產氫反應的發生,從而使得更多的電荷從體相g-C3N4轉移到其表面,緩解了光生電子在體相g-C3N4中的束縛作用。而這種促進光生電子轉移的過程同時會促使g-C3N4發生能帶彎曲,進一步促進光生電荷的傳輸,并抑制光生電荷的復合。

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圖3.?(a)引入CDs后促進光生電荷傳遞機理,(b)促進光生電子傳遞引起的g-C3N4能帶彎曲。

將太陽能轉化為氫能儲存起來的過程,被認為是解決能源危機和環境污染問題的理想途徑之一,并受到人們的廣泛關注。從根本上研究光催化反應機理、理解光催化反應過程、理性構建高效光催化劑對設計高效且經濟的光催化體系具有重要的指導意義。該工作中以引入水溶性CDs促進g-C3N4光解水產氫性能作為研究對象,研究中發現的電荷轉移行為與其對應的光催化活性之間的關系,將為碳基光催化材料的光生電荷分離動力學行為和活性提升提供新的認識。

文信息

Solar Hydrogen Generation over Carbon Nitride Photocatalyst Promoted by Water-Soluble Carbon Dots

Zhongyi Wang, Dr. Guang Xian Pei, Dr. Haifeng Qi, Shengxin Zhang, Dr. Chengcheng Liu, Dr. Zhen Li, Prof. Keli Han

文章第一作者為山東大學博士生王忠義

ChemPhotoChem

DOI:10.1002/cptc.202200176

 

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