Sulfur promoted n-π* electron transitions in thiophene-doped g-C3N4
for enhanced photocatalytic activity
噻吩硫摻雜氮化碳促進n-π*電子躍遷增強光催化活性
葛飛躍, 黃樹全, 顏佳, 景立權, 陳烽, 謝萌, 徐遠國*, 許暉, 李華明*
光催化技術是一種綠色的化學技術,
它可以利用取之不盡的太陽能來降解有毒污染物或者分解水產生氫氣等.
毋庸置疑,
這項技術的核心是半導體光催化劑,
在太陽光的照射下,
半導體產生電子-空穴對,
分別遷移至表面參與氧化還原反應.
然而,
半導體光催化劑中電子和空穴易快速復合以及其對太陽能中占主導的可見光利用率較低阻礙了其實際應用.
因此,
解決這些問題,
實現光催化技術的產業化應用,
成為更多研究者關注的焦點.
石墨相碳氮化物(g-C3N4)作為一種新型的聚合物半導體,
因其來源豐富、合成簡便、化學和物理性質穩定以及能帶結構可調而吸引了研究人員的興趣,
但是它仍然存在上述問題.
目前,
提高g-C3N4光催化性能的方法大致有以下三種:
改變形貌或進行元素摻雜以調節能帶結構,
與其他半導體復合構建異質結構來加速光生載流子的遷移,
拓展可見光吸收范圍.
g-C3N4的光催化活性主要受自身骨架結構中的π電子傳輸影響,
但π電子只能在波長<420
nm的高能量光下才能被激發.
研究可知,
設計N原子上孤對電子暴露于平面外部的氮化碳結構,
在可見光激發下即可產生n-π*電子躍遷,
獲得顯著增強的光吸收能力,
從而提升光催化活性.
然而,
這些研究僅關注了g-C3N4中N原子上孤對電子形成的n-π*躍遷,
并未研究外來材料雜原子上的孤對電子是否具有相似的作用.
因此,
利用合適的、含孤對電子的材料來修飾g-C3N4,
也有可能獲得類似的n-π*電子躍遷.
本工作以含芳香環結構的噻吩基丙二酸(ThA)與尿素作為前驅體,
通過熱聚合方法合成了具有高效n-π*電子躍遷的CN-ThAx材料,
并在可見光條件下,
通過降解雙酚A以及分解水實驗測試其光催化性能.
采用漫反射光譜(DRS)、光致發光光譜(PL)、理論計算、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和X射線光電子能譜(XPS)等表征手段分析了催化劑的光學性質、微觀形貌和結構特征.
通過DRS、PL和理論計算分析可知,
n-π*電子躍遷可提升CN-ThAx在450–550
nm區域的光學吸收,
增強材料對可見光利用效率.
SEM和TEM結果顯示,
ThA修飾并未改變g-C3N4的形貌,
結合XPS結果可知,
n-π*電子躍遷不是由g-C3N4中N原子的孤對電子引起的,
而是由ThA中S元素的孤對電子引起的.
光催化性能測試結果也表明,
ThA修飾后的CN-ThAx在可見光下具有更優的光催化性能.
因此,
本研究為設計具有較高可見光利用率的氮化碳材料提供了新思路.