P-Doped g-C3N4 Nanosheets with Highly Dispersed Co0.2Ni1.6Fe0.2P Cocatalyst for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution

Rongchen Shen Lei Hao Qing Chen Qiaoqing Zheng Peng Zhang Xin Li

Citation:  Rongchen Shen, Lei Hao, Qing Chen, Qiaoqing Zheng, Peng Zhang, Xin Li. P-Doped g-C3N4 Nanosheets with Highly Dispersed Co0.2Ni1.6Fe0.2P Cocatalyst for Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(7): 211001. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014 shu

高分散Co0.2Ni1.6Fe0.2P助催化剂改性P掺杂g-C3N4纳米片高效光催化析氢的研究

    通讯作者: 李鑫, xinli@scau.edu.cn; xinliscau@126.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 21975084

    国家自然科学基金 51672089

    广东省重大科技研发计划 2017B020238005

摘要: 随着化石燃料使用的增加和温室气体排放量持续上升,20世纪以来气温上升得更快。开发环境友好型能源取代传统化石燃料是当务之急。氢能源作为一种清洁、高效的能源,被认为是最有希望取代传统化石燃料的能源。光催化水分解水产氢作为为一种环保型技术被认为是最有前景的氢能生产方法。提高光生电子-空穴对分离效率是构建高效光催化剂的关键。然而,利用高度分散的助催化剂构建高效、稳定的产氢光催化剂仍然是一个挑战。本文首次成功地采用一步原位高温磷化法制备了高度分散的非贵金属三金属过度金属磷化Co0.2Ni1.6Fe0.2P助催化剂(PCNS-CoNiFeP)掺杂P的石墨相氮化碳纳米片(PCNS)。有趣的是,PCNS-CoNiFeP与传统氢氧前驱体磷化法制备的CoNiFeP相比,没有聚集性,分散性高。X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、元素映射图像和高分辨率透射电镜(HRTEM)结果表明,PCNS-CoNiFeP已成功合成。紫外-可见吸收光谱结果表明,PCNS-CoNiFeP在200–800 nm波长范围内较PCNS略有增加。光致发光光谱、电化学阻抗谱(EIS)和光电流分析结果表明,CoNiFeP助催化剂能有效促进光生电子-空穴对的分离,加速载流子的迁移。线性扫描伏安法(LSV)结果还表明,负载CoNiFeP助催化剂可大大降低CNS的过电位。结果表明,以三乙醇胺溶液为牺牲剂的PCNS-CoNiFeP最大产氢速率为1200 μmol·h-1·g-1,是纯CNS-Pt (320 μmol·h-1·g-1)的4倍。在420 nm处的表观量子效率为1.4%。PCNS-CoNiFeP在光催化反应中也表现出良好的稳定性。透射电镜结果表明,6–8 nm的CoNiFeP高度分散在PCNS表面。高度分散的CoNiFeP比聚集的CoNiFeP具有更好的电荷分离能力和更高的电催化析氢活性。由此可见,聚合的CoNiFeP-PCNs (300 μmol·h-1·g-1)的产氢速率远低于PCNS-CoNiFeP。此外,CNS的P掺杂可以改善其电导率和电荷传输。

English

    1. [1]

      Zhao, D.; Zhuang, Z.; Cao, X.; Zhang, C.; Peng, Q.; Chen, C.; Li, Y. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 2215. doi: 10.1039/c9cs00869a

    2. [2]

      李云锋, 张敏, 周亮, 杨思佳, 武占省, 马玉花. 物理化学学报, 2021, 37, 2009030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030Li, Y.; Zhang, M.; Zhou, L; Yang, S.; Wu, Z.; Ma, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2009030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009030

    3. [3]

      姜志民, 陈晴, 郑巧清, 沈荣晨, 张鹏, 李鑫. 物理化学学报, 2021, 37, 2010059. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010059Jiang, Z.; Chen, Q.; Zheng, Q. Shen, R.; Zhang, P.; Li, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010059. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010059

    4. [4]

      Shen, R.; Ren, D.; Ding, Y.; Guang, Y.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Li, X. Sci. China-Mater. 2020, 63, 2153. doi: 10.1007/s40843-020-1456-x

    5. [5]

      Liang, Z.; Shen, R.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Xiang, Q.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 89. doi: 10.1016/j.jmst.2020.04.032

    6. [6]

      Shen, R.; Xie, J.; Xiang, Q.; Chen, X.; Jiang, J.; Li, X. Chin. J. Catal. 2019, 40, 240. doi: 10.1016/s1872-2067(19) 63294-8

    7. [7]

      Bie, C.; Cheng, B.; Fan, J.; Ho, W.; Yu, J. Energy Chem. 2021, 3, 100051. doi: 10.1016/j.enchem.2021.100051

    8. [8]

      Wang, Z.; Fan, J.; Cheng, B.; Yu, J.; Xu, J. Mater. Today Phys. 2020, 15, 100279. doi: 10.1016/j.mtphys.2020.100279

    9. [9]

      Wang, B.; Ding, Y.; Deng, Z.; Li, Z. Chin. J. Catal. 2019, 40, 335. doi: 10.1016/s1872-2067(18)63159-6

    10. [10]

      Wang, M.; Cheng, J.; Wang, X.; Hong, X.; Fan, J.; Yu, H. Chin. J. Catal. 2021, 42, 37. doi: 10.1016/s1872-2067(20)63633-6

    11. [11]

      Shen, R.; Zhang, L.; Chen, X.; Jaroniec, M.; Li, N.; Li, X. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 266, 118619. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.11861

    12. [12]

      刘阳, 郝旭强, 胡海强, 靳治良. 物理化学学报, 2021, 37, 2008030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008030Liu, Y.; Hao, X.; Hu, H.; Jin, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2008030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008030

    13. [13]

      Shen, R.; Lu, X.; Zheng, Q.; Chen, Q.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Li, X. Solar RRL 2021, 5, 2100177. doi: 10.1002/solr.202100177

    14. [14]

      Lu, X.; Xie, J.; Chen, X.; Li, X. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 252, 250. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.04.012

    15. [15]

      Zhang, S.; Duan, S.; Chen, G.; Meng, S.; Zheng, X.; Fan, Y.; Fu, X.; Chen, S. Chin. J. Catal. 2021, 42, 193. doi: 10.1016/s1872-2067(20)63584-7

    16. [16]

      Ma, S.; Deng, Y.; Xie, J.; He, K.; Liu, W.; Chen, X.; Li, X. Appl. Catal. B-Environ. 2018, 227, 218. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.01.031

    17. [17]

      Shen, R.; He, K.; Zhang, A.; Li, N.; Ng, Y. H.; Zhang, P.; Hu, J.; Li, X. Appl. Catal. B-Environ. 2021, 291, 120104. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120104

    18. [18]

      Liu, Q.; Huang, J.; Tang, H.; Yu, X.; Shen, J. J. Mater. Sci. Technol. 2020, 56, 196. doi: 10.1016/j.jmst.2020.04.026

    19. [19]

      Lin, B.; Li, J.; Xu, B.; Yan, X.; Yang, B.; Wei, J.; Yang, G. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 243, 94. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.10.029

    20. [20]

      Yan, X.; Jin, Z. Chem. Eng. J. 2021, 420, 127681. doi: 10.1016/j.cej.2020.127681

    21. [21]

      Wang, Z.; Li, L.; Liu, M.; Miao, T.; Ye, X.; Meng, S.; Chen, S.; Fu, X. J. Energy Chem. 2020, 48, 241. doi: 10.1016/j.jechem.2020.01.01

    22. [22]

      Zeng, D.; Zhou, T.; Ong, W. J.; Wu, M.; Duan, X.; Xu, W.; Chen, Y.; Zhu, Y. A.; Peng, D. L. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 5651. doi: 10.1021/acsami.8b20958

    23. [23]

      Xu, J.; Qi, Y.; Wang, C.; Wang, L. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 241, 178. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.035

    24. [24]

      Liu, W.; Shen, J.; Liu, Q.; Yang, X.; Tang, H. Appl. Surf. Sci. 2018, 462, 822. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.08.189

    25. [25]

      Yang, F.; Liu, D.; Li, Y.; Ning, S.; Cheng, L.; Ye, J. Chem. Eng. J. 2021, 406, 126838. doi: 10.1016/j.cej.2020.126838

    26. [26]

      Cheng, C.; Zong, S.; Shi, J.; Xue, F.; Zhang, Y.; Guan, X.; Zheng, B.; Deng, J.; Guo, L. Appl. Catal. B-Environ. 2020, 265, 118620. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118620

    27. [27]

      Li, J.; Yan, M.; Zhou, X.; Huang, Z. Q.; Xia, Z.; Chang, C. R.; Ma, Y.; Qu, Y. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 6785. doi: 10.1002/adfm.201601420

    28. [28]

      Yu, J.; Li, Q.; Li, Y.; Xu, C. Y.; Zhen, L.; Dravid, V. P.; Wu, J. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 7644. doi: 10.1002/adfm.201603727

    29. [29]

      Wang, P. Y.; Pu, Z. H.; Li, Y. H.; Wu, L.; Tu, Z. K.; Jiang, M.; Kou, Z. K.; Arniinu, I. S.; Mu, S. C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 26001. doi: 10.1021/acsami.7b06305

    30. [30]

      Yang, N.; Tang, C.; Wang, K.; Du, G.; Asiri, A. M.; Sun, X. Nano Res. 2016, 9, 3346. doi: 10.1007/s12274-016-1211-x

    31. [31]

      Tang, C.; Gan, L. F.; Zhang, R.; Lu, W. B.; Jiang, X. E.; Asiri, A. M.; Sun, X. P.; Wang, J.; Chen, L. Nano Lett. 2016, 16, 6617. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b03332

    32. [32]

      Jiao, Y.; Li, Y.; Wang, J.; He, Z.; Li, Z. J. Colloid Interface Sci. 2021, 595, 69. doi: 10.1016/j.jcis.2021.03.134

    33. [33]

      Luo, B.; Song, R.; Geng, J.; Liu, X.; Jing, D.; Wang, M.; Cheng, C. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 256, 117819. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.117819

    34. [34]

      Yi, S. S.; Yan, J. M.; Wulan, B. R.; Li, S. J.; Liu, K. H.; Jiang, Q. Appl. Catal. B-Environ. 2017, 200, 477. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.07.046

    35. [35]

      Sun, X. J.; Yang, D. D.; Dong, H.; Meng, X. B.; Sheng, J. L.; Zhang, X.; Wei, J. Z.; Zhang, F. M. Sustain. Energy Fuel 2018, 2, 1356. doi: 10.1039/c8se00063h

    36. [36]

      Wen, J.; Xie, J.; Chen, X.; Li, X. Appl. Surf. Sci. 2017, 391, 72. doi: 10.1016/j.apsusc.2016.07.030

    37. [37]

      Shen, R.; Xie, J.; Lu, X.; Chen, X.; Li, X. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 4026. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b04403

    38. [38]

      Zhang, J.; Wang, Y.; Jin, J.; Zhang, J.; Lin, Z.; Huang, F.; Yu, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 10317. doi: 10.1021/am403327g

    39. [39]

      Xia, P.; Zhu, B.; Yu, J.; Cao, S.; Jaroniec, M. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 3230. doi: 10.1039/c6ta08310b

    40. [40]

      Ray, C.; Lee, S. C.; Jin, B.; Kundu, A.; Park, J. H.; Jun, S. C. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 6146. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b04808

    41. [41]

      Huang, Z. F.; Song, J.; Wang, X.; Pan, L.; Li, K.; Zhang, X.; Wang, L.; Zou J. J. Nano Energy. 2017, 40, 308. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.08.032

    42. [42]

      靳治良, 李彦兵, 郝旭强. 物理化学学报, 2021, 37, 1912033. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912033Jin, Z.; Li, Y.; Hao, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 1912033. doi: 10.3866/PKU.WHXB201912033

    43. [43]

      李瀚, 李芳, 余家国, 曹少文. 物理化学学报, 2021, 37, 2010073. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010073Li, H.; Li, F.; Yu, J.; Cao, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010073. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010073

    44. [44]

      Jiang, Z.; Wan, W.; Li, H.; Yuan, S.; Zhao, H.; Wong, P. K. Adv. Mater. 2018, 30, 1706108. doi: 10.1002/adma.201706108

    45. [45]

      Ai, C.; Tong, L.; Wang, Z.; Zhang, X.; Wang, G.; Deng, S.; Li, J.; Lin, S. Chin. J. Catal. 2020, 41, 1645. doi: 10.1016/s1872-2067(19)63512-6

    46. [46]

      Chen, Q.; Li, S.; Xu, H.; Wang, G.; Qu, Y.; Zhu, P.; Wang, D. Chin. J. Catal. 2020, 41, 514. doi: 10.1016/s1872-2067(19)63497-2

    47. [47]

      Li, C.; Du, Y.; Wang, D.; Yin, S.; Tu, W.; Chen, Z.; Kraft, M.; Chen, G.; Xu, R. Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1604328. doi: 10.1002/adfm.201604328

    48. [48]

      Liu, W.; Cao, L.; Cheng, W.; Cao, Y.; Liu, X.; Zhang, W.; Mou, X.; Jin, L.; Zheng, X.; Che, W.; et al. Angew. Chem. Int. Edit. 2017, 56, 9312. doi: 10.1002/anie.201704358

    49. [49]

      Zhang, Y.; Mori, T.; Ye, J.; Antonietti, M. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 6294. doi: 10.1021/ja101749y

    50. [50]

      Zhang, F.; Zhang, J.; Li, J.; Jin, X.; Li, Y.; Wu, M.; Kang, X.; Hu, T.; Wang, X.; Ren, W.; Zhang, G. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 6939. doi: 10.1039/c9ta00765b

    51. [51]

      Wang, X. J.; Tian, X.; Sun, Y. J.; Zhu, J. Y.; Li, F. T.; Mu, H. Y.; Zhao, J. Nanoscale 2018, 10, 12315. doi: 10.1039/c8nr03846e

    52. [52]

      Zhao, H.; Jiang, P.; Cai, W. Chem-Asian J. 2017, 12, 361. doi: 10.1002/asia.201601543

    53. [53]

      Shen, R. C.; Xie, J.; Zhang, H. D. Zhang, A. P.; Chen, X. B.; Li, X. ACS Sustain. Chem. Eng. 2018, 6, 816. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b03169

    54. [54]

      Shen, R.; Liu, W.; Ren, D.; Xie, J.; Li, X. Appl. Surf. Sci. 2019, 466, 393. doi: 10.1016/j.apsusc.2018.10.033

    55. [55]

      Xu, J.; Qi, Y.; Wang, L. Appl. Catal. B-Environ. 2019, 246, 72. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.01.045

    56. [56]

      Zhang, Y.; Wang, G.; Jin, Z. Int. J. Hydrog. Energy 2019, 44, 10316. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.03.006

    57. [57]

      Ge, J.; Jiang, D.; Zhang, L.; Du, P. Catal. Lett. 2018, 148, 3741. doi: 10.1007/s10562-018-2562-6

    58. [58]

      Liu, E.; Jin, C.; Xu, C.; Fan, J.; Hu, X. Int. J. Hydrog. Energy 2018, 43, 21355. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.09.195

    59. [59]

      Zeng, D.; Xu, W.; Ong, W. J; Xu, J.; Ren, H.; Chen, Y.; Zheng, H.; Peng, D. L. Appl. Catal. B-Environ. 2018, 221, 47. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.08.041

    60. [60]

      Wen, J.; Xie, J.; Shen, R.; Li, X.; Luo, X.; Zhang, H.; Zhang, A.; Bi, G. Dalton Trans. 2017, 46, 1794. doi: 10.1039/c6dt04575h

    61. [61]

      Sun, Z.; Zhu, M.; Fujitsuka, M.; Wang, A.; Shi, C.; Majima, T. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30583. doi: 10.1021/acsami.7b06386

    62. [62]

      Li, X.; Yu, J.; Low, J.; Fang, Y.; Xiao, J.; Chen, X. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 2485. doi: 10.1039/c4ta04461d

    63. [63]

      贾晓庆, 白晓宇, 吉喆喆, 李轶, 孙妍, 秘雪岳, 展思辉. 物理化学学报, 2021, 37, 2010042. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010042Jia, X.; Bai, X.; Ji, Z.; Li, Y.; Sun, Y.; Mi, X.; Zhan, S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010042. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010042

    64. [64]

      李喜宝, 刘积有, 黄军同, 何朝政, 冯志军, 陈智, 万里鹰, 邓芳. 物理化学学报, 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030Li, X.; Liu, J.; Huang, J.; He, C.; Feng, Z.; Chen, Z.; Wan, L.; Deng, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030

    65. [65]

      王薇, 黄宇, 王震宇. 物理化学学报, 2021, 37, 2011073. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011073Wang, W.; Huang, Y.; Wang, Z. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2011073. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011073

    66. [66]

      Chen, X.; Chen, Y.; Liu, X.; Wang, Q.; Li, L.; Du, L.; Tian, G. Sci. China-Mater. 2021, doi: 10.1007/s40843-021-1744-5

    67. [67]

      Han, C.; Li, J.; Ma, Z.; Xie, H.; Waterhouse, G. I. N.; Ye, L.; Zhang, T. Sci. China-Mater. 2018, 61, 1159. doi: 10.1007/s40843-018-9245-y

    68. [68]

      Ma, B.; Zhao, J.; Ge, Z.; Chen, Y.; Yuan, Z. Sci. China-Mater. 2020, 63, 258. doi: 10.1007/s40843-019-1181-y

    69. [69]

      Ran, J.; Ma, T. Y.; Gao, G.; Du, X. W.; Qiao, S. Z. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 3708. doi: 10.1039/C5EE02650D

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  32
  • 文章访问数:  923
  • HTML全文浏览量:  215
文章相关
  • 发布日期:  2022-07-15
  • 收稿日期:  2021-10-12
  • 接受日期:  2021-11-03
  • 修回日期:  2021-11-03
  • 网络出版日期:  2021-11-08
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章