Die Ausweitung der Lichtabsorption vom ultravioletten (UV) auf den nahen Infrarotbereich (NIR) und die Verbesserung der Phototräger-Trenneffizienz von Photokatalysatoren sind von entscheidender Bedeutung für die solargetriebene H2-Entwicklung.
Kürzlich berichtete die Forschungsgruppe von Prof. Gouxiu Wang von der University of Technology Sydney gemeinsam mit Prof. Dan Wang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Institut für Verfahrenstechnik) über einen neuartigen grenzflächenregulierten Breitband-Photokatalysator, der aus defektem g-C3N4 (DCN) und NaYF4: Yb3+ besteht , Tm3+ (NYF)-Nanokristalle in National Science Open.
Dr. Xiaochun Gao (University of Technology Sydney; Ludong University) und Prof. Nailiang Yang (Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences) sind die Co-Erstautoren.
Die Autoren realisierten zunächst eine präzise Defektkontrolle auf g-C3N4, indem sie die S-Dotierstoffe und C-Leerstellen in die 3-D-DCN-Sechskantprismen einführten. Anschließend wurden die NYF-Nanokristalle erfolgreich auf die DCN-Matrix geladen, wodurch der breitbandige NYF@DCN-Photokatalysator gebildet wurde.
Präzise Grenzflächensteuerung auf DCN mit optimierten Fehlerzuständen
Die Autoren fanden heraus, dass die Verwendung von Ethylenglycol und geschmolzenem Schwefel entscheidend ist, um die Defektzustände in DCN über die Erzeugung von S-Dotierungsmitteln und C-Leerstellen zu regulieren.
Die Defektzustände können nicht nur die Sonnenabsorptionsfähigkeit von DCN erweitern, sondern auch die angeregten Elektronen aus dem Valenzband und migrierte Elektronen aus dem leitfähigen Band über eine moderate Elektroneneinfangfähigkeit aufnehmen, wodurch die Ladungstrennungseffizienz an der Grenzfläche zwischen DCN und Lösung weiter verbessert wird.
Erweiterte Solarernte von NYF@DCN
Im Vergleich zu Bulk-g-C3N4 (BCN) und DCN zeigte das Breitband-NYF@DCN eine verbesserte Fähigkeit zur Gewinnung von Sonnenlicht, was hauptsächlich auf Folgendes zurückzuführen war:
1) Die Bildung von Defektzuständen in DCN, die die Anregungsenergie senkt und den sichtbaren Absorptionsbereich auf 590 nm erweitert, was einen hohen Photostrom von 12,55 μA cm-2 unter 550 nm ergibt;
2) Die sekundäre Anregung von DCN durch das aufwärtskonvertierte UV-Licht von NYF-Kristallen, wie durch die Aufwärtskonvertierungs-Photolumineszenzspektren widergespiegelt, die NYF@DCN mit einem geförderten Photostrom von 8,01 μA cm-2 ergaben.
Es wird gefolgert, dass die oben erwähnte verstärkte Sonnenabsorption die solargetriebene H2-Entwicklung ankurbelt.
Beschleunigte Grenzflächenladungsübertragung von NYF@DCN
Die CP-MAS-13N-NMR-Spektren und theoretische Berechnungen zeigten, dass im Vergleich zu BCN eine stärkere Grenzflächenladungspolarisation über die YN-Bindung zwischen DCN und NYF bestehen könnte, was für den Energietransfer von NYF zu DCN sowohl über den Phototransfer als auch günstig ist (PT)-Weg und Energietransferweg im angeregten Zustand (ET).
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die verbesserte solare Erntefähigkeit und der Ladungstransfer an der Grenzfläche gemeinsam das Breitband-NYF@DCN mit einer überlegenen solargetriebenen H2-Entwicklungsrate von 2799 μmol h-1 g-1 ankurbeln und damit die Spitze unter den g-C3N4-basierten Photokatalysatoren und Upconversion-Partikeln bilden -basierte Photokatalysatoren.
Mehr Informationen:
Xiaochun Gao et al, Defekt- und Grenzflächenkontrolle bei Graphitkohlenstoffnitriden/Upconversion-Nanokristallen für eine verbesserte Solarwasserstoffproduktion, National Science Open (2022). DOI: 10.1360/nso/20220037