北京工业大学郑坤教授团队ACB：CN 量子点形成C3N4同质结构应用于清洁能源：过氧化氢的高效光催化- 大数跨境

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北京工业大学郑坤教授团队ACB：CN 量子点形成C3N4同质结构应用于清洁能源：过氧化氢的高效光催化

科学材料站

2021-10-19

导读：本文开发了一种简单的方法，将CN量子点(QDs)锚定到g-C3N4纳米片上，形成同质结结构(HJ-C3N4)，可以在不引入金属元素的情况下大幅提高光催化性能。

文章信息

CN量子点锚定的g-C3N4 (0D/2D)结构通过能带适配的同质结材料增强光催化过氧化氢的性能

第一作者：马培杰

通讯作者：王聪*，邓积光*，郑坤*

单位：北京工业大学

研究背景

过氧化氢（H2O2）在能源、生物、医学和化学等领域应用广泛，是一种一种清洁、有价值、多功能的产品。传统工业生产方式相对能耗高，为了实现更好的生产这一可持续的、环境友好的能源，采用清洁能源太阳能进行光催化生产H2O2。氮化碳(g-C3N4)是光催化中被广泛使用的催化材料。

更重要的是，g-C3N4的活性位点适合于双电子反应氧还原反应(ORR)中的O2活化。然而，其自身具有效率不足等的特点，为了得到更好的催化效果，针对其不足之处进行改进，主要从光能利用和载流子行为两个方面进行优化。

针对材料特点，本文开发了一种简单的方法，将CN量子点(QDs)锚定到g-C3N4纳米片上，形成同质结结构(HJ-C3N4)，可以在不引入金属元素的情况下大幅提高光催化性能。其优越的效率是由于同质结构提供了良好的电子-空穴分离，并且量子点的含氧官能团带来的能级缺陷抑制载流子复合。

同时，量子点的优秀光响应特性拓宽了光谱吸收，特别是近红外波段，增加了吸收强度。在可见光下，HJ-C3N4在纯水中的H2O2产率达到115 μmolL−1·h−1，比g-C3N4纳米片的产率提高了8.6倍。0D/2D同质结的材料设计可推广到具有特定能带排列的其他材料。

文章简介

在这里，北京工业大学郑坤教授团队在环境催化领域Applied Catalysis B: Environmental 上发表了题为：“Band alignment of homojunction by anchoring CN quantum dots on g-C3N4 (0D/2D) enhance photocatalytic hydrogen peroxide evolution”的研究论文（DOI: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120736）。氮化碳(g-C3N4)材料合成简单、成本低、无金属、活性位点分布广泛，并且具有环境友好、可见光响应能力强等优点，被广泛应用在光催化中。

然而，光吸收不足、电子空穴分离效率不足，量子产率低等限制了其发展。为了得到更好的催化效果，从构效关系的角度出发，针对其结构特点进行优化。引入贵金属元素往往能更好的提升性能。

然而本着绿色生产、环境友好的目的，对光催化生产过氧化氢(H2O2)的研究，将无金属的CN量子点与g-C3N4纳米片复合，使用简便、安全、无污染的合成方式构建type-Ⅰ型同质结，从而拓宽光谱吸收和电子空穴分离能力的增强，极大地改善性能，催化效果提升8.6倍。该工作保持了催化剂的低成本等特点，利用量子点含氧官能团产生的能级缺陷，解决了对于Ⅰ型结构载流子易复合的缺点。

催化剂结构及反应机理示意图

文章要点

1.通过0D/2D构型的同质结构表现出良好的e--h+分离能力。

2.Ⅰ型结构在CN系统中促进了宽光谱吸收的充分利用，将吸收边扩展到近600 nm。

3.在纯净水中通过可见光(λ>400 nm)时，H2O2 产率提高了8.6倍，达到115μmol·L−1·h−1，并且使用的合成方法及催化过程，均是简便安全的。

4.CN量子点由于含氧官能团产生缺陷能级，对载流子的复合具有抑制作用。

图文导读

1.同质结的结构表征

XRD等谱学及TEM表征显示了我们成功合成了C3N4的同质结构，并且氧元素以含氧官能团的形式在量子点中存在，CN量子点（4nm左右）稳定锚定在二维的g-C3N4纳米片表面，利用二维材料的比表面优势形成性能更好的0D/2D结构。

2.结构-性能分析

首先是光能吸收方面。UV-vis显示催化剂对吸光谱线延伸到了近红外波段，从强度和广度上提高了对光能的利用，这里主要是量子点的特性决定的。结合莫特-肖特基测试，确定了催化剂的能带结构。Ⅰ型同质结构保证了量子点的光能特性。

另一个方面，是该同质结对电子空穴的分离能力的增强。通常认为type-Ⅱ型结构更有利于电子空穴的分离，因为分离后的电子与空穴富集到不同材料上，Ⅰ型则富集到同一材料，因此电子空穴容易复合，然而量子点中含氧基团引起的能级缺陷抑制了电子-空穴复合。图4的测试显示了电子空穴的分离增强，复合减弱。

其次，对于一般的半导体异质结而言，两种材料引起的晶格和能带的不匹配仍然会导致电荷分离和输运受阻，对于0D/2D同质结载流子输运优势得益于同一材料的相容性。基于以上两点，HJ-C3N4的载流子寿命得到了提高，HJ-C3N4表现出良好的e--h+分离能力。

3.性能表征

通过对性能的表征，HJ-C3N4的催化效果相比二维g-C3N4纳米片提高了8.6倍，达到115μmol·L−1·h−1，抑制分解能力也有所提高，并且双电子的选择性表现良好，经过四次的稳定性测试，效率仍能达到95%以上。

小结

通过一种简单便捷的方法成功地制备了C3N4同质结材料，在可将和纯水体系中提高了产过氧化氢的催化效率。效率的提高归因于Ⅰ型同质结，该结构具有良好的电子空穴分离能力和复合抑制能力，还充分利用了CN量子点锚定在太阳光谱中的宽波长吸收。

此外，量子点的催化稳定性也大大提高，并保证了催化剂有足够多的活性位点。值得注意的是，这种0D/2D type-Ⅰ型同质结构的材料设计策略为高效和选择性的光催化剂提供了一个新的思路。

文章链接

Band alignment of homojunction by anchoring CN quantum dots on g-C3N4 (0D/2D) enhance photocatalytic hydrogen peroxide evolution

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120736

通讯作者简介

王聪北京工业大学副研究员。

北京市级人才获得者，北京市特聘专家。自2005年至2012年，北京科技大学本科、硕士。2012年至2015年，香港科技大学博士，2015年至2016年，香港科技大学访问学者。2016年至今北京工业大学。在研究领域发展了单位点结构与光响应性能制备技术与应用（单金属原子的氧配位结构）。近年在国内外重要学术期刊发表论文40余篇，其中包括Adv. Mater. 2篇、Adv. Energy Mater.、Angew. Chem.、Sensors Actuat. B-Chem. 2篇、J. Mater. Chem. B、C等多篇。

邓积光北京工业大学环境与生命学部研究员，主要从事环境催化和挥发性有机物(VOCs)污染控制方面的研究。

兼职担任中国环境科学学会环境化学分会委员、挥发性有机物污染防治专委会常委、臭氧污染控制专委会委员，中国环保产业协会废气净化委员会技术专家、中国能源学会能源与环境专委会委员、中国化工学会稀土催化与过程专委会委员等。曾获2012年全国优秀博士学位论文、2016年国基金优秀青年科学基金资助、2017年中国催化新秀奖、2019年中国环境科学学会VOCs污染防治专委会青年学术创新奖等。

郑坤北京工业大学材料与制造学部教授、博士生导师，学部副主任，全国材料与器件网理事会常务理事。

主要基于电子显微学从事材料结构及结构演化与其性能变化相关联的研究，在原子层次上理解材料缺陷形态、界面结构，以及它们在外场（热、力、电等）作用下的结构-物性对应关系。在Nature Energy, Nature Communications，Nano Letter，Advanced Materials，Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials等国际重要SCI学术期刊100余篇；授权美国/日本/中国发明专利9项；在研及完成国家重点研发计划、国家自然科学基金重点/面上/青年、北京市自然基金、教育部、北京市科委等科研项目。部分成果获全国高等院校十大科技进展（2007），北京市科学技术一等奖（2016）,国家自然科学二等奖（2020）；曾经荣获全国百篇优秀博士学位论文（2011），北京市科技新星（2012），北京市高层次人才支持计划青年拔尖人才（2015）；北京市长城学者（2018）。