南京林业大学姚建峰团队CEJ：尺寸可调、高结晶度、硫掺杂氮化碳纳米管用于光催化合成氨- 大数跨境

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南京林业大学姚建峰团队CEJ：尺寸可调、高结晶度、硫掺杂氮化碳纳米管用于光催化合成氨

科学材料站

2021-11-12

导读：本文报道发展了一种高结晶度硫掺杂氮化碳纳米管，该催化剂通过硫脲和三聚氰胺前驱体共聚合反应制备得到

文章信息

尺寸可调、高结晶度、硫掺杂氮化碳纳米管用于光催化合成氨

第一作者：朱玉香，钟翔

通讯作者：姚建峰*

单位：南京林业大学

研究背景

工业化固氮是人类社会历史的转折点，支撑着世界近一半人口的生计，但是工业Haber-Bosch法表现出高能耗、高化石燃料消耗和高二氧化碳排放等缺点。因此，温和条件下高效、低能耗、低有害气体排放的光催化合成氨工艺备受关注。一维氮化碳纳米管(one dimensional carbon nitride nanotubes, CNNTs)不仅具备石墨相氮化碳的电子和光学性能，还具有一维中空纳米管的特性。

但是氮化碳纳米管应用于光催化合成氨也存在些问题：1）结晶度低，导致层间电荷传输受阻，从而限制光催化性能；2）CN框架中表面活性的N原子可能参与反应，从而成为产物氨中氮的来源；3）需创建更多的反应活性位点以促进氮气分子的吸附和活化。

文章简介

鉴于此，近日，南京林业大学姚建峰教授团队报道发展了一种高结晶度硫掺杂氮化碳纳米管(S-CNNTs)，该催化剂通过硫脲和三聚氰胺前驱体共聚合反应制备得到，改变前驱体硫脲的用量，可精确调控生成纳米管的结晶度、纳米管的尺寸和硫的掺杂量，该催化剂表现出较好的光催化还原氮气合成氨性能。

本文要点

要点一： 随着硫脲前驱体用量的逐渐增加，生成纳米管的结晶度逐渐提高，纳米管管径却在减小（从80 nm降低至10 nm），同时管壁伴有介孔生成。

此外，硫掺杂加速N2吸附和裂解，拓宽了可见光捕获范围，提高了光生载流子的转移与分离速率。引入的硫杂质促使导带位置上移，使S-CNNTs具备更高的还原能力。

要点二：在光催化固氮反应中，纯CNNTs表面的氮原子会参与合成氨。在20wt%硫脲最佳添加量下，获得的高结晶度S-CNNTs纳米管管径约为20 nm，管壁上有介孔，该结构最大限度地利用了协同效应，从而提高了光催化活性。

可见光下（>420 nm），其产氨速率为纯CNNTs的2.5倍，且420 nm单色光下产氨量子效率为5.65%。更重要的是，S-CNNTs中增加的结晶度和引入的S−(N)3键可牢固纳米管表面的N原子，使其不参与光催化固氮反应。

文章链接

Yuxiang Zhu,1 Xiang Zhong,1 Xiaoteng Jia, Qiufan Sun, Jianfeng Yao*, Geometry-tunable sulfur-doped carbon nitride nanotubes with high crystallinity for visible light nitrogen fixation

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133412

通讯作者简介

姚建峰教授

南京林业大学化学工程学院教授，博士生导师，2005年博士毕业于南京工业大学化工学院，主要从事金属有机骨架材料、半导体材料、生物基材料以及膜材料的功能化设计和性能研究。

第一作者简介

朱玉香博士

就职于南京林业大学化学工程学院，2019年博士毕业于澳大利亚麦考瑞大学（Macquarie University)，主要从事半导体材料如二氧化钛和氮化碳纳米管的设计与改性，以推动其在光催化降解污染物、制氢、产氨和木质素解聚等领域的应用。

钟翔南京林业大学化学工程学院硕士研究生。