Adv. Funct. Mater.：纳米尺寸的红磷修饰g-C3N4有效降低了电荷复合并应用与光（电）催化

【引言】

由太阳能驱动的光催化产氢是一项具有很大潜力的绿色技术。为了使这项技术可持续发展，人们需要开发低成本和高效的非金属光催化剂。 g-C₃N₄因其合适的带隙，高温和化学稳定性，毒性相对较低等优点已经被认为是一种极具前景的用于许多光催化应用的非金属基光催化剂。然而，原始的g-C₃N₄光催化剂的整体性能仍然受到限制，因为它的表面面积较低(由聚集引起)，可见光吸收差，以及快速的电荷复合。最近，有报道称，由于化学缺陷引起的电荷载体捕获在决定g-C₃N₄光催化活性方面是至关重要的。

为了提高g-C₃N₄的光活性，研究人员采用了三种主要策略，包括形貌改善，金属/非金属掺杂，以及异质结构建。元素磷具有不同的化学相和结构。非晶相，希托夫以及纤维红磷已经被发现，展现出了光催化活性。此外，据报道，纤维红磷在元素光催化剂家族中拥有最高的光催化产氢记录。

【成果简介】

近日，香港中文大学的余济美教授等人在Advanced Functional Materials上发文，题为：“Effective Prevention of Charge Trapping in Graphitic Carbon Nitride with Nanosized Red Phosphorus Modification for Superior Photo(electro)catalysis”。研究人员发现掺杂超小红磷晶体在g-C3N4纳米片上能够减少g-C3N4结构的缺陷，而且通过形成新的化学键来产生更多的有效的电荷分离，提高光催化产氢活性。到目前为止，这一杂化体系中所获得的产氢速率是迄今为止所报告的所有磷掺杂g-C3N4光催化剂中最高的。

【图文导读】

图1. 红磷/g-C₃N₄结构表征

a) 红磷/g-C₃N₄合成工艺；

b) 样品溶液的数码照片以及相应的TEM图：

c) CVD处理后的裸露的剥离的g-C₃N₄；

d) CVD处理后裸露的红磷；

e–h) 不同红磷含量（1, 5, 10, 20 wt%）的红磷/g-C₃N₄复合物；

图2.  红磷/g-C₃N₄形貌分析

SEM和相应的HRTEM图：

a,b) CVD处理后的裸露的剥离的g-C₃N₄；

e,f,i) CVD处理后的裸露的剥离的红磷/g-C₃N₄；

典型的开孔模式AFM图：

c) CVD处理后的裸露的剥离的g-C₃N₄和

g) CVD处理后的裸露的剥离的红磷/g-C₃N₄以及它们相应的截面高度图：

d) 处理后的裸露的剥离的g-C₃N₄；

h) 处理后的裸露的剥离的红磷/g-C₃N₄;

j) STEM；

k–m) 相应的红磷/g-C₃N₄ EDS元素能谱图；

图3. 红磷/g-C₃N₄复合物元素结构表征

红磷的XPS图谱： a) P 2p；   b) C1s；    c) N1s；

红磷/g-C₃N₄复合物：

d) XRD图谱；    e) 紫外吸收光谱；

f) 样品TGA；     g) CVD过程中的红磷/g-C₃N₄复合物原子结构演化；

图4. 性能测试

a) 剥离的g-C₃N₄和红磷在1M Na₂SO₄光照下的线性扫描，插图是剥离的g-C₃N₄和红磷/ g-C₃N₄电极照片；

b) g-C₃N₄和红磷/g-C₃N₄光电流响应；

c) g-C₃N₄和红磷/g-C₃N₄EIS能斯特曲线；

d) Comparison of 裸露的红磷，原始的g-C₃N₄，剥离的g-C₃N_4，红磷/g-C₃N₄以及红磷和g-C₃N₄的光催化产氢活性的比较；

e)红磷/g-C₃N₄.产氢循环测试；

图5. 理论分析

a) g-C₃N₄ (左)，红磷/g-C₃N₄ (右)的电荷俘获模型的示意图；

b) 短时间尺度；

c) 长时间尺度；

d) 纳秒——TA 延迟动力学；

【总结】

研究人员在g-C₃N₄纳米片上采用CVD法一步合成了结晶的红磷纳米粒子。在g-C₃N₄上掺杂磷原子能够修复g-C₃N₄的化学缺陷。这可以抑制g-C₃N₄在深层次的电荷俘获以及减少不活跃的陷阱态。通过优化掺杂的红磷纳米粒子的g-C₃N₄延长了活性电荷的寿命，在可见光范围内得到了优异的稳定了光催化产氢活性。

文献链接：Effective Prevention of Charge Trapping in Graphitic Carbon Nitride with Nanosized Red Phosphorus Modification for Superior Photo(electro)catalysis (Adv. Funct. Mater. 2017., DOI: 10.1002/adfm.201703484)

本文由材料人新能源学术组Z. Chen供稿，材料牛整理编辑。

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