Solar RRL:强强联合:g-C3N4/ZnNCN@ZIF‐8三相复合光催化剂原位构建

光催化CO2转化为太阳燃料的人工光合成技术,是CO2转化利用最有前途的方法之一。g-C3N4是先进光催化剂开发的研究热点。但是,针对光催化CO2转化,g-C3N4的光催化CO2还原性能受限于较差的电荷分离能力和有限的CO2吸附能力。针对上述问题,中山大学环境科学与工程学院刘升卫、李传浩教授联合香港中文大学王保强教授,采用分步原位界面反应方法,成功合成了具有强界面化学相互作用的新型g-C3N4/ZnNCN@ZIF‐8三元复合光催化剂,并对复合体系的表界面特性和光催化机理进行了深入的阐述。

首先,以g-C3N4为前驱体,通过简单高温固相界面反应,在g-C3N4纳米片表面首次实现原位表面生长碳二亚胺锌(ZnNCN),制备 了具有宽光谱光吸收能力的g-C3N4/ZnNCN二元复合材料。并且,基于X-射线光电子能谱与电化学分析发现,g-C3N4/ZnNCN界面形成Z-型异质结,促进了电荷空间分离,提高了电荷分离效率。然而,g-C3N4/ZnNCN二元复合材料仍然具有较小的比表面积和有限的CO2捕集能力。因此,在g-C3N4/ZnNCN二元复合材料基础上,以ZnNCN为前驱体,通过进一步原位界面反应,原位生长沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)纳米团簇,制备了g-C3N4/ZnNCN@ZIF‐8三元复合光催化剂。由于ZIF‐8多孔结构及表面特性,大大促进了CO2吸附能力。并且,ZIF‐8在紫外-可见光区域透明,不损失光吸收能力。在复合材料制备过程中,ZnNCN是从g-C3N4原位转化,而ZIF-8又由ZnNCN原位反应形成,并且在界面处均具有相似的Zn-N连接,因此复合材料体系三相界面具有强的界面相互作用。在g-C3N4/ZnNCN@ZIF‐8三相界面的协同作用下,该复合体系的光催化CO2还原转化活性相比于纯g-C3N4提高了近104.6%。

总之,基于三相复合光催化材料的原位界面合成,结合“电荷传递”与“吸附活化”两大关键过程调控,集成了多元协同效应,促进了光催化CO2还原转化活性。该研究为开发高效、稳定的g-C3N4基复合光催化剂提供了新思路。该论文在线发表在Solar RRL (DOI: 10.1002/ solr.201900440)上。