Блог

Jun 15, 2023

Синтез вакантного графитового нитрида углерода в атмосфере аргона и его использование для фотокаталитической генерации водорода.

Научные отчеты, том 12,

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13622 (2022) Цитировать эту статью

1096 доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Графитовый нитрид углерода (C3N4) синтезировали из меламина при 550 °С в течение 4 ч в атмосфере аргона, а затем повторно нагревали в течение 1–3 ч при 500 °С в аргоне. Во всех синтезированных материалах наблюдались две запрещенные зоны 2,04 эВ и 2,47 эВ. По результатам элементного и фотолюминесцентного анализов установлено, что уменьшение ширины запрещенной зоны обусловлено образованием вакансий. Удельная поверхность синтезированных материалов составила 15–18 м2/г, что свидетельствует об отсутствии термического расслоения. Фотокаталитическая активность этих материалов была проверена на генерацию водорода. Лучший фотокатализатор показал производительность в 3 раза выше (1547 мкмоль/г), чем объемный C3N4, синтезированный на воздухе (547 мкмоль/г). Столь высокая активность объяснялась наличием углеродных (VC) и азотных (VN) вакансий, сгруппированных в большие комплексы 2VC + 2VN (наблюдаемые методом позитронно-аннигиляционной спектроскопии). Влияние инертного газа на синтез C3N4 было продемонстрировано с использованием закона диффузии аммиака Грэма. Это исследование показало, что синтез C3N4 из богатых азотом предшественников в атмосфере аргона приводит к образованию вакансионных комплексов, полезных для генерации водорода, о чем до сих пор не упоминалось.

Графитовый нитрид углерода — безметалловый полупроводник, который интенсивно изучается с 1989 года, когда Лю и Коэн1 теоретически предсказали новый класс твердых материалов. Хорошо известные свойства, такие как узкая запрещенная зона 2,7 эВ2,3 и выгодное положение валентной зоны и зоны проводимости4, делают этот материал интересным для различных применений в фотокатализе5,6, производстве солнечных элементов7, визуализации, биотерапии и распознавании некоторых соединения8,9,10,11. С другой стороны, есть и недостатки этого материала, такие как низкая удельная поверхность и быстрая рекомбинация фотоиндуцированных электронов и дырок, которые можно преодолеть путем его расслоения12,13,14, легирования15,16,17 и образования гетероструктуры. композиционные материалы10,18. Свойства и методы синтеза были рассмотрены во многих обширных статьях, например19,20,21,22,23,24,25,26,27.

C3N4 в основном синтезировался путем нагревания богатых азотом предшественников в воздухе28 и других атмосферах, но лишь в нескольких работах изучалось влияние атмосферы на его структурные, текстурные, оптические и фотокаталитические свойства. Например, имеются работы, посвященные синтезу в восстановительных атмосферах водорода29,30,31 или инертного азота32,33,34,35 и аргона36,37. Синтез C3N4 в водороде или инертной атмосфере использовался в дефектоскопии28,29,32,34,37 в основном для фотокаталитической генерации водорода. В литературе недавно были также опубликованы комплексные обзоры дефектоскопии38,39,40,41.

Недавно мы изучали синтез C3N4 из меламина на воздухе и азоте33. Целью данной работы было продолжение синтеза C3N4 в аргоне (CN-Ar) и сравнение полученных результатов с предыдущими. Влияние атмосферы аргона на физико-химические свойства материалов CN-Ar изучалось с помощью обычных методов характеризации и позитронно-аннигиляционной спектроскопии (PAS). Изучена также их фотокаталитическая активность в отношении генерации водорода. Обнаружено образование сложных вакансий и построена простая модель диффузии NH3, выделяющегося при синтезе, в инертном газе.

Все использованные химические вещества имели чистоту аналитического реагента. Меламин был получен от Sigma-Aldrich (Дармштадт, Германия). Для приготовления всех растворов и проведения экспериментов использовалась дистиллированная вода.

Используемый для сравнения эталонный C3N4 (обозначенный как CN) синтезировали путем нагревания меламина в атмосфере окружающего воздуха в керамическом тигле с крышкой (диаметр 5 см, объем 30 мл), начиная с температуры окружающей среды со скоростью нагрева 3 °С. мин-1 до 550 °С. Общее время синтеза доводили до 4 часов. Тигель вынимали из муфельной печи и давали остыть до температуры окружающей среды. Материал CN собирали и затем измельчали ​​в агатовой ступке до мелкого порошка.