g - C3N4基光热辅助光催化材料的研究进展

研究背景

随着全球工业化进程的加快，一系列影响人类生存的挑战浮出水面，能源资源短缺、环境恶化等问题尤为突出。为了应对能源短缺和环境恶化的紧迫挑战，人们进行了大量的研究工作，特别是在金属空气电池、电催化水分解和光催化水分解领域取得了重大进展，这些研究都旨在促进可再生能源的生产和促进环境的恢复。光催化是一种生态友好的催化方法，利用丰富的太阳能以可持续和环保的方式生产燃料和修复污染物，在环境净化和能量转换领域得到了广泛的应用。自从Honda和Fujishima在20世纪70年代发现TiO 2电极可以在紫外光下将水分解产生氢和氧以来，光催化技术在能量转换和环境净化领域开启了新的篇章。随后，研究人员开始探索各种光催化剂，如金属氧化物、硫化物、氮化物、氮氧化物等，在紫外光下表现出显著的催化活性。然而，这些传统催化剂大多局限于对紫外光的吸收，这在一定程度上限制了它们对太阳能的有效利用。为了扩大光催化剂的光吸收光谱，研究人员已经开始寻求通过复杂的策略来增强这些材料，如元素掺杂，表面改性和异质结构的构建；然而，这些进步虽然意义重大，但往往受到成本不断上升和制备过程复杂性增加的影响。在此背景下，石墨氮化碳(g-C 3N 4)作为一种新型的非金属有机光催化剂，因其独特的电子结构和可见光区的光吸收能力而受到了科学界的广泛关注。g-C 3N 4不仅继承了传统催化剂在光催化过程中化学稳定性、成本低等优点，而且突破了传统催化剂在光吸收范围的局限，在可见光下显示出高效光催化反应的潜力。尽管由于快速的光诱导载流子重组和可见光吸收不足，g-C 3N 4的光催化活性受到固有的限制，但各种增强策略，如复杂的纳米结构设计，创新的掺杂方法，战略热侵蚀结构建和精确的助催化剂负载，已经被探索以显着提高原始g-C3N4的性能。然而，尽管通过这些修饰在提高催化性能方面取得了进展，但经常被忽视的外场可能会对催化反应产生影响，包括磁、声、电、热场等。

在外场影响方面，热场可以影响反应的活化能和反应速率，并通过调节温度和导热路径来提高催化剂的稳定性和活性。化学反应的关键影响取决于热场的形成和调节，因此精确控制温度和热传导路径可以有效地降低活化能，从而加快反应速率。热场的调整不仅可以提高催化剂的性能，而且可以提高催化剂的稳定性，在一定程度上延长其使用寿命。太阳能作为一种清洁可持续的能源，为我们提供了理想的热场能源。光热转换技术是在太阳能中获取热能的关键途径之一。通过将阳光转化为热量，我们可以创造出强大的热场，在许多领域显示出巨大的应用潜力，如环境净化、水蒸馏/海水淡化，以及燃料和化学品的催化生产。同样，在光热催化的过程中，太阳能被光热材料吸收，转化为热能，形成一个热场，这不仅促进光生载流子的有效分离，而且通过提高反应物分子的激活温度，加速化学反应。然而，光热转换效率的提高往往受到太阳光吸收能力和热管理效果的限制。因此，设计合适的材料和系统至关重要，这可以帮助实现更有效的光子吸收，减少不必要的热损失。新型光热辅助光催化结合了光催化和热催化的优点，可以提高太阳能的利用效率，降低反应温度，成为一种很有前途的技术。

光热辅助光催化是光催化过程和热催化过程的结合，利用光能刺激材料产生电子-空穴对，同时增强反应物分子的活化，通过热能传质，从而提高催化效率。然而，光催化和热催化作为两种独立的催化条件，长期以来一直应用于不同的催化体系。广泛的研究阐明了传统催化方法的固有缺陷，在这些方法中，光催化方法受到有限光源的限制，使得入射光的初始能量不足以触发部分化学反应；相反，热催化过程需要升高温度来催化反应，从而导致大量的能量消耗，并可能损害合成产物的稳定性和选择性。为了解决这些挑战，一种新的方法是结合光催化和热催化来解决传统单催化体系的缺点，从而通过调节催化过程中催化剂的电子结构和催化物质的吸附状态，开辟了一条新的实用路径。这种被称为光热辅助光催化的创新策略，融合了太阳光的光化学和热化学方面，并在催化研究中提供了一个引人注目的前沿领域。光热辅助光催化巧妙地利用了太阳能的广谱，甚至包括低能可见光和红外光子，这些光子通常不能直接激发光催化反应，同时利用催化活性位点的增强温度来促进良性条件下的高效化学转化。光热辅助光催化反应，推动光和热的协同力，使双活性催化剂超越奇异机制的限制，与光激励光催化过程和热点燃热催化，从而赋予一个放大性能超过隔离过程的功效。与传统的光催化和热催化相比，光热辅助光催化具有以下优点：(i)比热催化更有效地降低了能源成本，优化了光催化的太阳能利用率；（ii）光催化和热催化的协同混合明显优于单机理方法；（iii）光热催化规避了催化剂失活问题，同时有效地提高了产品的选择性。

光热协同催化的出现极大地促进了g-C 3N 4在光催化中的应用，并证明了其显著提高催化反应动力学的潜力。本文综述了基于g-C 3N 4的光热辅助光催化的研究轨迹，这是一个发展高性能光催化剂的新兴领域。首先，我们深入分析了光热辅助光催化的潜在机制，阐明了基于g-C 3N 4的催化剂的作用，并阐明了光热效应的基本原理。随后，本文系统地综述了g-C 3N 4基光热辅助光催化在制氢、CO 2还原、环境污染物降解和光催化杀菌等关键领域的最新应用进展(方案1)。通过综合目前的研究现状，本文旨在进一步探索开发更有效的g-C 3N 4基催化剂。从而推进了光催化技术的前沿。

相关成果以“Research progress of g–C3N4–based materials for photothermal-assisted photocatalysis ”为题发表在国际知名期刊《International Journal of Hydrogen Energy》(JCR一区，中科院一区)上。

研究内容

图1：简要概述了g-C3N4基光热辅助光催化上的主要应用。

图2：(a)不同的光热效应机制；(b)等离子体纳米金属、(c)半导体和(d)碳基和有机材料的光热效应；(e)光热辅助光催化机理图。

图3：(a) g-C3N4/ cu -2.92%光催化剂的HRTEM图像；(b) g-C3N4、Cu和g-C3N4/Cu -2.92%复合材料的温度随辐照时间的变化曲线；(c)辐照14s后g-C3N4、Cu和g-C3N4/Cu -2.92%的相应红外图像，(d) g-C3N4、g-C3N4/Cu复合材料和Cu的光催化析氢速率。

图4：(a) CD/TCN-3.5%的HR-TEM图像；(b) CDs/CN-3.5%和CDs/TCN-3.5%开/关条件下的红外热像图；(c)光催化海水裂解过程中CDs/TCN-3.5%全光谱辐照的光热测绘图；(d)水和海水光催化制氢的析氢速率。

图5：(a)制备样品的紫外-可见吸收光谱；(b) CN、OCN、CoPc和CoPc/OCN的红外热像图；(c) CN、OCN、CoPc和CoPc/OCN的光催化析氢速率。

图6：(a)样品的DRS光谱；(b)样品g-C3N4和5BSCN的表面温度；(c)不同条件下5BSCN复合材料的光催化性能及不同光照下样品的CO产率。(d)各种催化条件下的CO2还原；(e)不同催化剂在胺官能团的辅助下光热催化还原CO2。

图7：(a) PCN和BFO在接触前、暗接触后和光接触下的能带排列和电荷转移路径；(b) PCN和PCN/BFO-30粉末光热效应的红外图像；(c) ENR的光催化降解效率(d) PCN/BFO-30的循环实验。

图8：(a)实验过程中Blank、C3N4、C3N4/In2S3、C3N4/Ni3S4和C3N4/NiIn2S4的温度；(b)在一个太阳强度下制备样品的蒸发水质量变化曲线；(c)在一个太阳强度下制备样品的水分蒸发速率；(d)制备的样品在一个太阳光强照射下光催化生成H2O2的情况。

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.09.009

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