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浙江师范大学吴西林课题组AFM:岛状单原子钴催化剂调制电荷捕获以增强类光芬顿反应

时间:2023-01-14 来源: 浏览:

浙江师范大学吴西林课题组AFM:岛状单原子钴催化剂调制电荷捕获以增强类光芬顿反应

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第一作者:Mengying Qian
通讯作者: 吴西林、 段晓光
通讯单位:浙江师范大学地理与环境科学学院、阿德莱德大学化学工程与先进材料学院
论文DOI: 10.1002/adfm.202208688
图文摘要

成果简介

基于复合材料的光催化依赖于金属助催化剂和光敏剂(半导体)之间的界面电子转移来实现电荷载流子的空间分离。 近日,浙江师范大学地理与环境科学学院吴西林老师联合 阿德莱德大学(澳大利亚)段晓光 研究员在 国际知名期刊 Advanced Functional Materials 发表了题为“ Modulation of Charge Trapping by Island-like Single-Atom Cobalt Catalyst for Enhanced Photo-Fenton-Like reaction ”的研究性论文。 在此,作者 构建了 Co-CN单原子催化剂 (SAC) 和g-C 3 N 4 之间的巧妙异质结,用于异相类光芬顿反应。在跨异质结的内置电场的驱动下,光生电荷载流子的分离和迁移得到促进,导致电子从g-C 3 N 4 快速转移到Co-CN SAC。理论计算和瞬态吸收光谱揭示了SA-Co-CN/g-C 3 N 4 中的调制电荷转移和俘获异质结构,导致在光照射下通过过氧单硫酸盐活化显着增强活性氧的产生。这种巧妙的 SA-Co-CN/g-C 3 N 4 /PMS/vis体系可有效氧化降解各种抗生素,具有高去除效率 (>98%)、宽操作pH范围(pH 3–11) 和长期操作中具有良好的稳定性。这项研究为合理设计基于SAC的异质结以桥接光催化和多相催化提供了一种新策略,通过界面耦合获得优异的光氧化还原活性。

图文导读
A、密度泛函理论计算

a) TDOS of g-C 3 N 4  and b) SA-Co-CN/g-C 3 N 4 . c) Bader charge of SA-Co-CN/g-C 3 N 4  and SA-Co-CN/g-C 3 N 4  upon excitation by one extra e . d) Schematic illustration of the charge transfer between the heterojunction of SA-Co-CN and g-C 3 N 4 .
B、 催化剂的合成和表征

a) TEM image, b) HR-TEM image, c) HAADF-STEM image, and d–g) TEM image and the corresponding EDX mapping of SA-Co-CN/g-C 3 N 4 . h) XRD patterns of g-C 3 N 4  and SA-Co-CN/g-C 3 N 4 . i) High-resolution N 1s XPS spectra and j) Co 2p XPS spectra of the samples. k) Co K-edge XANES and l) Fourier-transformed EXAFS of Co foil, CoPC, and SA-Co-CN/g-C 3 N 4 . m) The corresponding EXAFS fitting of SA-Co-CN/g-C 3 N 4  at R space. n) Wavelet transform for the EXAFS signals.

a) UV-vis DRS, b) transient photocurrent responses, and c) Zeta potential of g-C 3 N 4 , SA-Co-g-C 3 N 4,  and SA-Co-CN/g-C 3 N 4 . d) Surface potentials of the SA-Co-CN/g-C 3 N 4  heterojunction measured by KPFM.

C、催化性能评估

a) NOR degradation efficiency and b) the corresponding kinetic rate constants in the various systems. c) Cyclic degradation of NOR and d) the degradation of various antibiotics in the SA-Co-CN/g-C 3 N 4 /PMS/Vis system. (Reaction condition: [Pollutants] = 20 mg L −1 , [PMS] = 0.4 g L −1 , [catalyst] = 0.2 g L −1  and pH = 6.0).

D、ROS的产生

▲a–c) EPR spectra, d) the yield of ROS, and e) in situ Raman spectra of the various system. f) OCP of the g-C 3 N 4 /PMS and SA-Co-CN/g-C 3 N 4 /PMS systems under dark or light irradiation. g) Amperometric  i-t  curves of the g-C 3 N 4 /PMS and SA-Co-CN/g-C 3 N 4 /PMS systems under light irradiation.

E、电子转移过程

fs-TA spectra of a) g-C 3 N 4  and b) SA-Co-CN/g-C 3 N 4 . The corresponding TA kinetics for c) g-C 3 N 4  and d) SA-Co-CN/g-C 3 N 4 .g-C 3 N 4 . Schematic representation of proposed charge trapping model in e) g-C 3 N 4 , and f) SA-Co-CN/g-C 3 N 4 .

小结
综上所述,作者成功地设计和制造了Co-CN SACs和g-C 3 N 4 的异质结。光电化学和fs-TA分析证明了异质结构中电荷载体的有效分离和快速运输。岛状Co SACs的调控电荷捕获行为明显改善了SA-Co-CN/g-C 3 N 4 在光芬顿反应中的催化性能。猝灭实验、EPR和定量分析表明,在SA-Co-CN/g-C 3 N 4 /PMS/vis体系中产生了大量的ROS,有助于增强水溶液中各种抗生素的氧化降解。这项概念验证工作为合理设计基于SACs的异质结进行光催化和环境修复提供了一个有前景的策略。
文献信息
Mengying Qian , et al. Modulation of Charge Trapping by Island-like Single-Atom Cobalt Catalyst for Enhanced Photo-Fenton-Like reaction, Advanced Functional Materials, 2023
论文DOI: 
https://doi.org/10.1002/adfm.202208688
备注:  Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2023, Wiley Online Library.

编辑: Aopsfrontier

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