Иммобилизация фотогенерированных электронов из графитового нитрида углерода для улучшения видимого изображения.

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 22808 (2016) Цитировать эту статью

3507 Доступов

21 цитат

Подробности о метриках

Уменьшение вероятности рекомбинации фотогенерированных электронов и дырок имеет решающее значение для повышения фотокаталитической способности графитового нитрида углерода (g-C3N4). Ускорение ухода фотогенерированных электронов является наиболее часто используемым методом достижения этой цели. Насколько нам известно, нет сообщений о подавлении рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар путем иммобилизации электронов сложноэфирными функциональными группами. Здесь впервые мезопористый g-C3N4 (mpg-C3N4) был объединен с полиметилметакрилатом, полимером, богатым эфирными группами, который показал фотокаталитическую активность, неожиданно более высокую, чем у исходного mpg-C3N4, при облучении видимым светом. Экспериментальные наблюдения, а также теоретические расчеты показали, что впечатляющая фотокаталитическая способность модифицированного mpg-C3N4 в основном обусловлена ​​иммобилизацией фотогенерированных электронов посредством эффекта захвата электронов, создаваемого сложноэфирными группами в полиметилметакрилате. Эта новая стратегия также может быть применена для улучшения фотокаталитических характеристик других полупроводников.

В последнее время графитовый нитрид углерода (g-C3N4), безметалловый полупроводник, привлек большое внимание и быстро становится восходящей звездой в качестве катализатора во многих областях1,2,3,4. g-C3N4 состоит из углерода и азота и имеет уникальную структуру три-s-триазина, связанную третичными аминами, что делает его многообещающим фотокатализатором со средней шириной запрещенной зоны, превосходной химической и термической стабильностью и привлекательными фотоэлектрическими свойствами3. Несмотря на эти преимущества, фотокаталитическая активность g-C3N4 по-прежнему неконкурентоспособна, в основном из-за низкой эффективности разделения фотогенерированных электронно-дырочных пар и ограниченного использования видимого света5,6. Таким образом, модификация g-C3N4 может усилить его фотокаталитическую активность в видимом свете и обеспечить доступ к присущим ему преимуществам.

До сих пор были приняты многочисленные протоколы для улучшения фотокаталитических характеристик g-C3N4 при освещении видимым светом, и один из основных методов заключается в уменьшении вероятности рекомбинации фотогенерированных электронов и дырок за счет их более эффективного разделения. Соответственно, ускорение ухода фотогенерированных электронов является наиболее часто используемым подходом7,8,9,10,11,12. Напротив, если бы рекомбинацию фотогенерированных электронов и дырок можно было подавить путем иммобилизации электронов, а не их изгнания, фотокаталитическая способность g-C3N4 под воздействием видимого света также была бы улучшена. Насколько нам известно, предлагаемая стратегия не была документирована в литературе. Иммобилизация фотогенерированных электронов из g-C3N4 может быть достигнута посредством эффекта захвата электронов. Эфирные группы в химических соединениях обладают способностью захватывать электроны13. Когда фотогенерированные электроны иммобилизуются сложноэфирными группами, фотокаталитическая эффективность g-C3N4 должна улучшиться.

Полиметилметакрилат (ПММА) широко используется во многих областях благодаря своей исключительной химической стабильности, прозрачности и биосовместимости14. Углеродный скелет ПММА состоит из насыщенной основной цепи C–C со свободными эфирными группами (рис. S1)15. Тем не менее, из-за обилия сложноэфирных групп и их эффекта захвата электронов, ПММА можно легко химически модифицировать и установить хорошее сродство к некоторым полимерам, что делает его превосходным полимерным субстратом15,16,17,18. До сих пор, насколько нам известно, не было сообщений об улучшении эффективности разделения фотогенерированных электронно-дырочных пар из полупроводника g-C3N4 в видимом свете за счет иммобилизации фотогенерированных электронов сложноэфирными группами в ПММА.

В этой работе мезопористый g-C3N4 (mpg-C3N4, для простоты обозначен как MCN) был модифицирован ПММА, обогащенным сложноэфирными группами, для достижения лучшей фотокаталитической способности при облучении видимым светом. Полученный композит MCN/PMMA (обозначенный как PMCN) продемонстрировал гораздо лучшие фотокаталитические характеристики во время разложения органического красителя, чем MCN. Экспериментальные наблюдения наряду с теоретическими расчетами показали, что это увеличение фотокаталитической способности происходит главным образом из-за иммобилизации фотогенерированных электронов сложноэфирными группами, что приводит к более низкой вероятности рекомбинации фотогенерированных электронно-дырочных пар и лучшему использованию видимого света, вызванному более узким запрещенная зона.