1. 文章信息

標(biāo)題：Ultrathin 2D g-C3N4 nanosheets for visible-light photocatalytic reforming of cellulose into H2 under neutral conditions

中文標(biāo)題： 超薄二維氮化碳納米片用于在中性、可見光條件下的光催化重整纖維素制氫性能研究  

頁碼：1717-1725  

DOI：  10.1002/jctb.7041                

2. 文章鏈接

 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jctb.7041  

3. 期刊信息

期刊名：JOURNAL OF CHEMICAL TECHNOLOGY AND BIOTECHNOLOGY

ISSN：  0268-2575   

2022年影響因子：  3.709  

分區(qū)信息： 中科院三區(qū)；JCR分區(qū)（Q2） 

涉及研究方向： 工程技術(shù)，工程：化工，生物工程與應(yīng)用微生物，化學(xué)：綜合  

4. 作者信息：第 一作者是  洪遠(yuǎn)志（北華大學(xué)） 。通訊作者為  林雪（北華大學(xué)），段喜鑫（北華大學(xué)）。

5. 光催化活性評價系統(tǒng)型號：北京中教金源（CEL-SPH2N-D9，Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）；氣相色譜型號：北京中教金源（GC7920，Beijing China Education Au-Light Co., Ltd.）。

文章簡介：

本工作利用三聚氰胺為前驅(qū)體，經(jīng)二次熱氧化剝離法成功制得二維納米片（6 nm）。采用一系列的物化表征技術(shù)，對所制備材料的晶相結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)、基本形貌、比表面積大小以及光電化學(xué)性質(zhì)等信息進行了系統(tǒng)表征。然后以纖維素作為犧牲劑，在可見光照射下研究了g-C3N4基材料的光催化重整纖維素制氫性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合成的g-C3N4納米片由于具有超薄的納米層、更快的光生載流子分離效率以及更長的光電荷壽命，展現(xiàn)出Z 優(yōu)的光催化重整纖維素制氫性能，其Z 佳光催化重整制氫速率可達(dá)13.14 μmol/(h·g)。

圖1.（a,b）CN（c,d）CNNs樣品的TEM和（e-f）CNNs樣品的AFM圖

如圖1所示，采用TEM和原子力顯微鏡（AFM）表征進一步觀察CN和CNNs樣品的微觀結(jié)構(gòu)信息。圖1（a）是CN樣品的 TEM 圖，可以明顯的看出CN樣品是一種典型的塊體結(jié)構(gòu)。圖1（b）是CN樣品的局部放大圖，可以觀察到CN樣品凝聚在一起。圖1（c）是CNNs樣品的TEM圖，CNNs樣品的形貌為2D薄片卷曲狀結(jié)構(gòu)，與CN樣品的形貌相差很大。圖1（d）是CNNs樣品的局部放大圖，可以明顯的觀察到CNNs樣品的卷曲的納米片狀結(jié)構(gòu)。同時進一步證明了二次熱氧化剝離處理是制備納米片使得其厚度變薄。圖1（e-f）分別是 CNNs納米片的 AFM和厚度測試結(jié)果圖。其中，CNNs樣品的平均厚度在6 nm左右，展現(xiàn)出納米尺寸的2D薄片結(jié)構(gòu)，也進一步證明了圖1（d）的結(jié)果。

圖2.（a）CN和CNNs樣品的N2吸/脫附曲線（插圖：孔徑分布圖）；（b）CN和CNNs樣品的FTIR圖

如圖2（a）示，采用了N2吸附-脫附等溫曲線表征獲得CN和CNNs樣品的比表面積大小。由圖可知，所得樣品都出現(xiàn)明顯的H3回滯環(huán)的Ⅳ型吸附等溫曲線表明它們都具有介孔結(jié)構(gòu)。然后，通過計算可以得出CN樣品的比表面積為23.2 cm2/g，二次熱氧化剝離處理的CNNs樣品具有更大的比表面積，其比表面積為93.1 cm2/g，約是CN樣品的4.01倍。因此，較大的比表面積使得CNNs樣品能夠在光催化反應(yīng)中提供更多的反應(yīng)活性位點，有利于提高光催化重整制氫性能。圖2中的插圖可知，CN和CNNs樣品的孔徑大約在2~11 nm，進一步證明CN和CNNs樣品具有介孔結(jié)構(gòu)。

如圖2（b）所示，采用FTIR表征得到CN和CNNs樣品的官能團結(jié)構(gòu)信息。CN和CNNs樣品的紅外吸收峰十分相似，表明它們具有相似的官能團結(jié)構(gòu)。其中，在805 cm-1附近峰屬于三均三嗪結(jié)構(gòu)的環(huán)外振動峰。在1150 cm-1~1650 cm-1附近的幾個峰屬于C=N鍵和C-N雜環(huán)的伸縮振動峰。而在3100 cm-1~3550 cm-1附近的峰屬于-NH2的伸縮振動峰。這與XRD分析結(jié)果相一致，證明成功制備出CN和CNNs樣品。

圖3. CN和CNNs樣品的（a）EIS和（b）PC圖

如圖3所示，采用電化學(xué)阻抗（EIS）和瞬態(tài)光電流響應(yīng)（PC）確定所制備樣品的電荷的分離效率、遷移效率的情況。因此，由圖3（a）可知，CN樣品顯示出Z 大的EIS半徑，從而揭示出其Z 大的電荷轉(zhuǎn)移電阻。與CN相比，CNNs樣品的半徑明顯減小，表明界面電荷傳輸電阻顯著降低，并且光生電子-空穴對的間距逐漸增大，表明其電荷轉(zhuǎn)移能力越強，有效的捕獲電子、促進電子的轉(zhuǎn)移和降低電子與空穴復(fù)合，這也是提高光催化重整制氫性能的原因之一。

如圖3（b）所示，以三聚氰胺為前驅(qū)體制備的CN和二次熱氧化剝離處理的CNNs樣品的PC譜圖。在通斷模式下，CN和CNNs樣品的光電流密度成規(guī)律性變化，可見CNNs樣品的光電流密度增大，而CN樣品的光電流密度明顯降低。一般認(rèn)為，光電流密度與電荷分離效率有關(guān)，即光電流密度越強，電荷的分離效率越好。相比于CNNs樣品，CN樣品的光電流密度明顯減弱，表明CN樣品的電荷分離效率較高。因此，EIS和PC的分析結(jié)果共同揭示了所制備的催化劑CNNs具有更快的電荷分離效率，有利于增強光催化重整制氫性能。

圖4.（a）CNNs樣品在不同Pt負(fù)載量條件下光催化重整纖維素制氫的平均速率；（b）CNNs樣品在在不同纖維素濃度條件下光催化重整纖維素制氫的平均速率

如圖4（a）所示，通過控制變量法，探究以三聚氰胺為前驅(qū)體制備CN和CNNs樣品的光催化重整纖維素制氫性能。由圖可知，在中性條件下，當(dāng)金屬Pt負(fù)載量從1 wt%到4 wt%時，纖維素的濃度為0.50 g/L時，CNNs催化劑的平均制氫速率分別為5.82 μmol/(h·g)、13.14 μmol/(h·g)、10.40 μmol/(h·g)和7.43 μmol/(h·g)。為了證明CNNs光催化能夠提升光催化重整制氫性能還對CN催化劑進行了制氫速率的對比，可明顯的觀察到CN的光催化重整制氫速率為3.34 μmol/(h·g)，明顯降低。由此可見，當(dāng)金屬Pt負(fù)載量為2 wt%時，二次熱氧化剝離處理的CNNs樣品的可見光光催化重整制氫速率達(dá)到13.14 μmol/(h·g)，是相同條件下CN催化劑的3.9倍。

由圖4（b）可知，通過控制變量法，探究以CNNs樣品的光催化重整纖維素制氫性能。在中性條件下，當(dāng)金屬Pt負(fù)載量為2 wt%，纖維素濃度由0 增加到1.0 g/L下的平均制氫速率分別為0、6.25 μmol/(h·g)、13.14 μmol/(h·g)、9.25 μmol/(h·g)和7.38 μmol/(h·g)。隨著纖維素濃度的增加，光催化重整制氫速率也逐漸增加，當(dāng)纖維素的濃度超過0.50 g/L時，隨后纖維素的濃度增加制氫速率明顯降低。這一結(jié)果表明，當(dāng)添加適量的纖維素時可提高光催化重整制氫性能，過量的纖維素濃度則適得其反。因此，當(dāng)金屬Pt負(fù)載量為2 wt%，纖維素的濃度為0.50 g/L時達(dá)到了理想化的Z 大值，這可能是由于CNNs樣品具有更大的比表面積和較高的光生載流子分離效率等優(yōu)勢。

產(chǎn)品推薦（一）：CEL-PAEM-D8Plus光催化活性評價系統(tǒng)

 CEL-PAEM-D8Plus光催化活性評價系統(tǒng)(專業(yè)全自動二氧化碳還原CO2+全解水H2O)是評價光催化劑的重大升級， 主要用于專業(yè)全自動二氧化碳還原密閉體系分析，兼容光解水、全解水。系統(tǒng)Z 大的優(yōu)勢是全新的外觀設(shè)計，更加方便的使用，系統(tǒng)所有管路全部采用控溫，實現(xiàn)樣品采集與樣品的分析無縫連接。D8Plus將玻璃系統(tǒng)集成于封閉遮光的箱體內(nèi)，易于移動，不易損壞。在催化劑的成本較昂貴的實驗中，更有利用光催化CO2的應(yīng)用。實現(xiàn)在線全自動無人值守測試分析；可選擇手動、半自動、全自動取樣方式；配置軟件USB反控；測試范圍廣，氫、氧、CO2、甲烷、CO、烴類、甲醛、甲醇、甲酸等微量氣體。

功能特點及應(yīng)用：

1)  催化劑二氧化碳還原的性能全自動分析

2)  半導(dǎo)體材料（TiO2、C3N4、CdS等）催化劑的活性評價

3)  催化劑產(chǎn)氫、產(chǎn)氧、全解水的性能分析

4)  微量反應(yīng)系統(tǒng)，極低的催化劑用量；

5)  可配置光電反應(yīng)、氣固反應(yīng)、膜催化等特殊實驗要求；

6)  封閉一體設(shè)計，面板采用半透明有機玻璃板，所有封閉板均可隨時取出便于維護；

7)  在線全自動無人值守測試分析；

8)  可選擇手動、全自動取樣方式（控溫200℃）；

9)  安裝方便快捷，可兼容任意廠家氣相色譜儀；

10)  測試范圍廣，氫、氧、CO2、甲烷、CO、甲醛等微量氣體；

產(chǎn)品推薦（二）：GC7920 全自動系統(tǒng)氣相色譜

優(yōu)勢特點：

1.該儀器采用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，可輕松組成局域網(wǎng)；互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程診斷、程序可進行自動升級。2.全微機化按鍵操作，5.7寸大屏幕13行液晶中文顯示，人機對話方式，操作方便。
3.全新集成數(shù)字電子電路，控制精度高，性能穩(wěn)定可靠，溫控精度可達(dá)0.1。
4.獨特的進樣口設(shè)計解決進樣歧視；雙柱補償功能不僅解決程序升溫帶來的基線漂移，而且減去背景噪音的影響，可以得到更低的Z 小的檢測限。
5.大柱箱體積：300*280*180 可同時容納兩根80m毛細(xì)管色譜柱。
6.絕熱效果更好：柱箱、汽化、檢測均為300度時，外箱及頂蓋Z 熱點只有40度，提高實驗速率，保障使用人安全。
7.獨特汽化室設(shè)計，死體積更小；配件更換：進樣墊、襯管、極化極、收集極、噴嘴均可單手即可更換；主體更換：填充柱、毛細(xì)管進樣器、TCD、FID檢測器只需要一個扳手即可完全拆卸，維護非常便捷。
8.智能后開門系統(tǒng)無級可變進出風(fēng)量，縮短了程序升／降溫后系統(tǒng)穩(wěn)定平衡時間。
9.可同時安裝兩種進樣系統(tǒng):填充柱、毛細(xì)管分流/不分流進樣系統(tǒng)（具有隔膜清掃功能）；可同時安裝兩種相同或不同的檢測器：具有FID、TCD、ECD、FPD檢測器?？蛇x配自動／手動氣體六通進樣閥進樣器、頂空進樣器、熱解析進樣器、裂解爐進樣器、甲烷轉(zhuǎn)化爐。
10.具有強大完善的開機自診斷功能、直觀顯示故障信息、停電儲存保護功能、鍵盤鎖定功能及具有抗電源突變干擾功能。