【背景介紹】

      太陽能驅(qū)動的光催化裂解水制氫是同時解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的重要途徑。在已報道的光催化材料中，氮化碳(C3N4)是一種很有前途的光催化裂解水制氫的半導(dǎo)體材料。鉑(Pt)是光催化制氫的優(yōu)秀候選者，因?yàn)樗鼘涞奈郊妓棺杂赡芙咏诹?，并且可以為電荷轉(zhuǎn)移提供額外的活性位點(diǎn)。目前，Pt團(tuán)簇負(fù)載的方法主要是煅燒法和還原法，但這些傳統(tǒng)的方法可能會對材料的襯底造成損傷，導(dǎo)致活性位點(diǎn)分布不均勻。焦耳熱處理可以在超短的時間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度，快速的溫度變化率不僅可以防止金屬的團(tuán)聚和不穩(wěn)定分散，而且可以在催化劑表面形成大量的空位，從而形成具有空位和團(tuán)簇的雙活性位點(diǎn)的催化劑。因此，采用快速焦耳加熱法設(shè)計(jì)含空位的納米尺寸Pt基光催化劑可以增強(qiáng)反應(yīng)動力學(xué)，協(xié)同提高光催化制氫的活性。

【內(nèi)容簡介】

        日前，中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的孟祥超教授課題組在Separation and Purification Technology上發(fā)表了題為“Rapid Joule heating synthesis of Pt clusters on C3N4 with abundant nitrogen vacancies for highly-efficiently photocatalytic H2 production”的研究文章，作者通過快速焦耳熱法制備了富氮空位的Pt/C3N4光催化劑(Pt/NV-CN)。與傳統(tǒng)的管式爐加熱方法不同，快速焦耳熱法可以實(shí)現(xiàn)一步法同時構(gòu)建氮空位和Pt團(tuán)簇。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，金屬(Pt)和底物(C3N4)之間存在快速的電荷轉(zhuǎn)移，雙活性位點(diǎn)(即氮空位和Pt簇)會降低氫吸附能。因此，制備的Pt/NV-CN具有良好的產(chǎn)氫活性，產(chǎn)氫率高達(dá)323.90 μmol/h/g，大大高于傳統(tǒng)管式爐制得的Pt/CN-d-VN (97.08 μmol/h/g)。本研究提供了一種同時構(gòu)建氮空位并負(fù)載Pt團(tuán)簇在C3N4上以實(shí)現(xiàn)高效光催化制氫的新方法。

【圖文速覽】

圖1 (a) Pt/NV-CN的合成示意圖，(b) BCN，(c) NV-CN，(d) Pt/NV-CN的SEM圖像，(e) NV-CN，(f, g) Pt/NV-CN在不同放大倍數(shù)下的TEM圖像，(h) Pt/NV-CN，(i) Pt/CN-d-VN上Pt的分布。

圖2 (a) XRD譜圖，(b) XPS全譜圖，(c) C 1s譜圖，(d) N 1s譜圖，(e) EPR譜圖，(f) Pt 4f譜圖。

圖3 (a) BCN、NV-CN、Pt/CN-d-VN和Pt/NV-CN的光催化產(chǎn)氫性能圖，(b)不同Pt負(fù)載量的產(chǎn)氫性能圖，(c)不同負(fù)載金屬的產(chǎn)氫性能圖，(d)不同煅燒溫度下得到的Pt/NV-CN的產(chǎn)氫性能圖，(e) Pt/NV-CN循環(huán)試驗(yàn)，(f) Pt/NV-CN的AQE，(g, h)Pt/NV-CN循環(huán)試驗(yàn)前后的XPS光譜。

圖4 (a) PL光譜，(b)瞬態(tài)PL光譜，(c)光電流響應(yīng)，(d) EIS譜圖。

圖5 (a) DRS光譜，(b) Tacu圖，(c) XPS價帶譜，(d)能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 (a) BCN、(d) NV-CN、(g) Pt/NV-CN的能帶結(jié)構(gòu)圖，(b) BCN、(e) NV-CN、(h) Pt/NV-CN的態(tài)密度以及(c) BCN、(f) NV-CN、(i) Pt/NV-CN的結(jié)構(gòu)模型。

圖7 Pt/NV-CN的原位(a) C 1 s，(b) N 1 s和(C) Pt 4f譜圖，(d) BCN、NV-CN和Pt的功函數(shù)。

圖8 (a)氫吸附能圖，(b) Pt/NV-CN的差分電荷密度圖。

圖9 Pt/NV-CN在光催化制氫中的反應(yīng)機(jī)理。