Chem. Eng. J.：黑色磁性 Cu-g-C3N4 纳米片用于高效光催化产氢和 CO2/苯转化

第一作者：Xiao Zhang

通讯作者：Ping Yang，San Ping Jiang

通讯单位：科廷大学

研究内容：

通过两步热聚合工艺将铜（Cu）簇结合到石墨氮化碳（g-C₃N₄）中，形成基于黑色g-C₃N₄纳米片的优质铜簇复合材料 (Cu-g-C₃N₄) 具有高效的电荷转移特性和增强的光催化活性。Cu-N键是通过铜原子（使用Cu（II）乙酰丙酮化物作为Cu源）通过机械化学反应插入双氰胺基超分子前体形成的，Cu原子和N原子以两种方式键合在一起：在一个Cu原子和四个配位的N原子（来自相邻的氮化碳层）之间，以及一个中心Cu原子和来自相同氮化碳层的三个N原子之间，形成一个平面内系统。黑色Cu-g-C₃N₄的增强铁磁性纳米片的首次发现，为加深对该材料在新的未发现应用中的理解开辟了道路，并为Cu掺入g-C₃N₄复合材料的铁磁性的基本知识开辟了道路。这种黑色Cu-g-C₃N₄纳米片复合材料显示出增强的可见光响应光催化氢生成（526 μmolg^-1h^-1）以及优异的CO（5.0 μmolg^-1h^-1）和CH₄生成（2.4 μmolg^-1h^-1）效率。此外，在可见光驱动的苯氧化应用中获得了出色的转化率（90.4 %）和对苯酚的高选择性（99.1 %）。

要点一：

采用机械力化学预反应辅助热聚合法（720℃）将Cu团簇引入g-C₃N₄纳米片中。黑色Cu-g-C₃N₄复合样品（Cu团簇均匀分布在g-C₃N₄基体中）具有铁磁特性，样品CCN-2的饱和磁化强度（Ms）为0.37 emug^-1。Cu-g-C₃N₄复合材料的光催化析氢活性明显提高，约为纯g-C₃N₄纳米片样品的2倍。

要点二：

光催化性能的提高可以归因于Cu团簇与超薄的g-C₃N₄碱之间的协同效应。Cu-g-C₃N₄复合材料还能够促进苯对苯酚的选择性光氧化（通过过氧化氢活化生成高活性自由基，并实现苯对苯酚的高效转化）。此外，优化条件下制备的样品CNN-2在50℃下观察苯酚12h，苯酚转化率显著（90.4%），对苯酚（99.1%）具有较高的选择性。

图1 将一定数量的铜（II）乙酰酸加入到2g二氰胺中，使样品CCN-1、CCN-2、CCN-3和CCN-4的Cu(acac)₂与C₂H₄N₄的比例分别为2.5、5.0、7.5和7.5wt%。样品CCN-2和CCN-3的TEM和HADDF-STEM图像，（c）和（e）圈出铜粒子。（a~c）样品CCN-2的TEM图像。（d~f）样品CCN-3的TEM图像。（g~i），样品CCN-2中C、N和Cu的元素映射。（j）样本CCN-2的HADDF-STEM图像。

图2 样品CCN-2的TEM图像。（a）具有较低放大率的图像。（b~f）具有较高放大倍数的图像（（c）中圈出的Cu单原子）。在（b）、（d）、（e）和（f）中的晶格间距为0.21nm，对应于Cu的（111）截面。

图3 （a）样品CCN-4的TEM图像。（b）样品CCN-1、CCN-2和原始g-C₃N₄样品的XRD模式。（c）样品CCN-3和CCN-4的XRD模式（d）XRD谱图在10 ~ 25度范围内面积增大。

图4 （a）样品CCN-2和CCN-3的迟滞循环。（a）中的插图显示了从−800到800 Oe的扩大区域。（b）CNN-2样品经过10次循环测试后的TEM图像。

图5 （a）氙灯照射（全谱）条件下CN和CCN样品的H₂生成活性比较。（b）样品的平均CO和甲烷演化速率（每小时）。

参考文献:

Xiao Zhang, Xiao Ran Zhang,Ping Yang,Hsueh-Shih Chen,San Ping Jiang. Black magnetic Cu-g-C₃N₄ nanosheets towards efficient photocatalytic H₂ generation and CO₂/benzene conversion.2022.doi: 10.1016/j.cej.2022.138030.