通过氧掺杂调控石墨碳氮化物的活性物种生成

《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》：Tuning Reactive Species Production of Graphitic Carbon Nitride via Oxygen Doping

氧掺杂调控石墨相氮化碳活性物种生成，光催化效率提升近10倍，带隙缩小35%，孔隙增大2.40倍，C=O占比提升驱动可见光响应增强。

　　

在这项研究中，我们展示了通过氧掺杂来调控石墨碳氮化物（g-C₃N₄）中活性物种（RS）生成的能力。g-C₃N₄是一种用于光催化应用的催化剂，其通过光照激活产生的活性物种在从氢气生产到微生物消毒等多种领域具有广泛的应用价值。选择氧作为掺杂剂是因为氧具有孤对p轨道电子，这有助于在g-C₃N₄框架内实现高效的电子交换。氧掺杂程度的系统变化会调节g-C₃N₄的光学、结构和化学性质。我们发现，当g-C₃N₄暴露在不含紫外光（390 ± 10–800 nm）的光谱下时，掺杂3.59%的氧后活性物种的生成量比未掺杂的g-C₃N₄增加了近10倍。无需依赖高能耗的紫外光即可产生高水平的活性物种，进一步推动了g-C₃N₄在资源高效利用方面的应用。对掺氧g-C₃N₄的全面表征揭示了影响活性物种增强效果的相关性质。具体来说，我们发现羰基（C═O）含量的增加和醚类（C–O）含量的减少与活性物种生成的增强有关。此外，随着可见光区域吸收的增加（通过Kubelka–Munk吸收光谱下的面积来量化），其光学带隙缩小了35%（从2.81埃降至1.82埃），可见光区域的吸收范围为624.06埃至814.19埃。最后，随着氧掺杂程度的提高，g-C₃N₄框架中的孔径也增大；掺氧程度最高的样品的平均孔径是未掺杂g-C₃N₄的2.40倍。总体而言，我们的发现为氧掺杂g-C₃N₄的性质和化学机制提供了宝贵的见解，展现了其作为高效且可持续的可见光光催化剂的潜力。