0D/2D Carbon Nitride Quantum Dots (CNQDs)/BiOBr S-Scheme Heterojunction for Robust Photocatalytic Degradation and H2O2 Production

Zhongqi Zan Xibao Li Xiaoming Gao Juntong Huang Yidan Luo Lu Han

Citation:  Zhongqi Zan, Xibao Li, Xiaoming Gao, Juntong Huang, Yidan Luo, Lu Han. 0D/2D Carbon Nitride Quantum Dots (CNQDs)/BiOBr S-Scheme Heterojunction for Robust Photocatalytic Degradation and H2O2 Production[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2023, 39(6): 220901. doi: 10.3866/PKU.WHXB202209016 shu

0D/2D碳氮量子点(CNQDs)/BiOBr复合的S型异质结高效光催化降解和产H2O2

    通讯作者: 李喜宝, lixibao@nchu.edu.cn
    黄军同, huangjt@nchu.edu.cn
    韩露, hanlu@ustl.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51962023

    国家自然科学基金 22262024

    国家自然科学基金 51862024

    江西省自然科学基金 20212BAB204045

    江西省持久性污染物控制与资源循环重点实验室(南昌航空大学)开放基金 ES202002077

摘要: 光生载流子的快速复合制约着BiOBr的光催化性能,通过构建界面紧密结合的异质结可以有效地解决这个问题。在本研究中,通过采用简单的高温高压水热法,首次在二维(2D)BiOBr表面上成功复合了零维(0D)的g-C3N4量子点(CNQDs),并形成了具有紧密接触界面的0D/2D CNQDs/BiOBr S型异质结,主要原因是CNQDs杂环中的π电子与BiOBr产生了相互作用。CNQDs/BiOBr-1.50%复合材料在光照下降解四环素(TC)、环丙沙星(CIP)和产H2O2的表观反应速率常数k值分别是BiOBr的2.02、2.91和1.54倍。在循环测试中,CNQDs/BiOBr-1.50%显示出相对较高的光催化活性和结构稳定性。通过X射线光电子能谱(XPS)分析,明确CNQDs中的π电子与BiOBr具有相互作用,确认了异质结中光生电子的转移方向。CNQDs/BiOBr S型异质结的成功构建使其具有非凡的光催化稳定性和活性。更多活性物质的产生和稳定的催化活性归因于电子和空穴的独特转移机制。CNQDs/BiOBr S型异质结的特殊的电子-空穴转移机理实现了载流子在空间的有效分离和转移,且在光照条件下,催化剂上产生了更多的活性自由基,CNQDs/BiOBr复合材料的光催化活性和产H2O2的能力显著增强。这项工作将为构建用于降解有机污染物和原位产H2O2的0D/2D S型异质结提供借鉴与参考。

English

    1. [1]

      Dong, S. Y.; Zhao, Y. L.; Yang, J. Y.; Liu, X. D.; Li, W.; Zhang, L. Y.; Wu, Y. H.; Sun, J. H.; Feng, J. L.; Zhu, Y. F. Appl. Catal. B 2021, 291, 120127. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120127

    2. [2]

      Li, X. B.; Wang, W. W.; Dong, F.; Zhang, Z. Q.; Han, L.; Luo, X. D.; Huang, J. T.; Feng, Z. J.; Chen, Z.; Jia, G. H.; et al. ACS Catal. 2021, 11, 4739. doi: 10.1021/acscatal.0c05354

    3. [3]

      Huo, J. R.; Fu, L.; Zhao, C. X.; He, C. Z. Chin. Chem. Lett. 2021, 32, 2269. doi: 10.1016/j.cclet.2020.12.059

    4. [4]

      Jiang, Y. J.; Wei, X. D.; He, H. P.; She, J. Y.; Liu, J.; Fang, F.; Zhang, W. H.; Liu, Y. Y.; Wang, J.; Xiao, T. F.; et al. J. Hazard. Mater. 2021, 423, 126997. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126997

    5. [5]

      Yin, M. L.; Zhou, Y. T.; Tsang, D. C. W.; Beiyuan, J. Z.; Song, L.; She, J. Y.; Wang, J.; Zhu, L.; Fang, F.; Wang, L. L.; et al. J. Hazard. Mater. 2020, 407, 124402. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.124402

    6. [6]

      Zhang, L.; Hu, Z. H.; Huang, J. T.; Chen, Z.; Li, X. B.; Feng, Z. J.; Yang, H. Y.; Huang, S. F.; Luo, R. Y. J. Adv. Ceram. 2022, 11, 1294. doi: 10.1007/s40145-022-0610-6

    7. [7]

      Xia, B. H.; Deng, F.; Zhang, S. Q.; Hua, L.; Luo, X. B.; Ao, M. Y. J. Hazard. Mater. 2020, 392, 122345. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.122345

    8. [8]

      Dong, S. Y.; Cui, L. F.; Tian, Y. I.; Xia, L. J.; Wu, Y. H.; Yu, J. J.; Bagley, D. M.; Sun, J. H.; Fan, M. H. J. Hazard. Mater. 2020, 399, 123017. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.123017

    9. [9]

      Guo, L. X.; Chen, Y. D.; Ren, Z. Q.; Li, X.; Zhang, Q. W.; Wu, J. Z.; Li, Y. Q.; Liu, W. L.; Li, P.; Fu, Y. M.; et al. Ultrason. Sonochem. 2021, 81, 105849. doi: 10.1016/j.ultsonch.2021.105849

    10. [10]

      Guo, R. B.; Zeng, D. D.; Xie, Y.; Ling, Y.; Zhou, D.; Jiang, L. S.; Jiao, W. Y.; Zhao, J. S.; Li, S. Q. Int. J. Hydrog. Energy 2020, 45, 22534. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.06.096

    11. [11]

      Wang, F. L.; Chen, P.; Feng, Y. P.; Xie, Z. J.; Liu, Y.; Su, Y. H.; Zhang, Q. X.; Wang, Y. F.; Yao, K.; Lv, W. Y.; et al. Appl. Catal. B 2017, 207, 103. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.02.024

    12. [12]

      An, R. S.; Zhao, Y.; Bai, H. C.; Wang, L.; Li, C. H. J. Solid State Chem. 2022, 306, 122722. doi: 10.1016/j.jssc.2021.122722

    13. [13]

      Li, H.; Deng, F.; Zheng, Y.; Hua, L.; Qu, C. H.; Luo, X. B. Environ. Sci. : Nano 2019, 6, 3670. doi: 10.1039/C9EN00957D

    14. [14]

      Dong, S. Y.; Xia, L. J.; Chen, X. Y.; Cui, L. F.; Zhu, W.; Lu, Z. S.; Sun, J. H.; Fan, M. H. Compos. Part B 2021, 215, 108765. doi: 10.1016/j.compositesb.2021.108765

    15. [15]

      Fu, Y. M.; Ren, Z. Q.; Wu, J. Z.; Li, Y. Q.; Liu, W. L.; Li, P.; Xing, L. L.; Ma, J.; Wang, H.; Xue, X. Y. Appl. Catal. B 2021, 285, 119785. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119785

    16. [16]

      Guo, J. Q.; Liao, X.; Lee, M. H.; Hyett, G.; Huang, C. C.; Hewak, D. W.; Mailis, S.; Zhou, W.; Jiang, Z. Appl. Catal. B 2019, 243, 502. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.089

    17. [17]

      Miao, Z. R.; Wang, Q. L.; Zhang, Y. F.; Meng, L. P.; Wang, X. X. Appl. Catal. B 2022, 301, 120802. doi: 10.1016/j.apcatb.2021.120802

    18. [18]

      Li, L. L.; Ma, D. K.; Xu, Q. L.; Huang, S. M. Chem. Eng. J. 2022, 437, 135153. doi: 10.1016/j.cej.2022.135153

    19. [19]

      Wu, Y. Y.; Ji, H. D.; Liu, Q. M.; Sun, Z. Y.; Li, P. S.; Ding, P. R.; Guo, M.; Yi, X. H.; Xu, W. L.; Wang, C. C.; et al. J. Hazard. Mater. 2022, 424, 127563. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.127563

    20. [20]

      Li, N.; Han, L.; Zhang, H. N.; Huang, J. T.; Luo, X. D.; Li, X. B.; Wang, Y. H.; Qian, W. Q.; Yang, Y. Nano Res. 2022, 15, 8836. doi: 10.1007/s12274-022-4588-8

    21. [21]

      Li, X. B.; Liu, Q.; Deng, F.; Huang, J. T.; Han, L.; He, C. Z.; Chen, Z.; Luo, Y. D.; Zhu, Y. F. Appl. Catal. B 2022, 314, 121502. doi: 10.1016/j.apcatb.2022.121502

    22. [22]

      Li, X. B.; Luo, Q. N.; Han, L.; Deng, F.; Yang, Y.; Dong, F. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 114, 222. doi: 10.1016/j.jmst.2021.10.030

    23. [23]

      Zhao, G. Q.; Hu, J.; Zou, J.; Long, X.; Jiao, F. P. J. Environ. Chem. Eng. 2022, 10, 107226. doi: 10.1016/j.jece.2022.107226

    24. [24]

      Li, S. J.; Cai, M. J.; Liu, Y. P.; Wang, C. C.; Lv, K. L.; Chen, X. B. Chin. J. Catal. 2022, 43, 2652. doi: 10.1016/S1872-2067(22)64106-8

    25. [25]

      Guo, Y. C.; Yan, B. G.; Deng, F.; Shao, P. H.; Zou, J. P.; Luo, X. B.; Zhang, S. Q.; Li, X. B. Chin. Chem. Lett. 2022, doi: 10.1016/j.cclet.2022.04.066

    26. [26]

      Deng, J.; Lei, W. Y.; Fu, J. W.; Jin, H. L.; Xu, Q. L.; Wang, S. Sol. RRL 2022, 6, 202200279. doi: 10.1002/solr.202200279

    27. [27]

      王文亮, 张灏纯, 陈义钢, 史海峰. 物理化学学报, 2022, 38 (7), 2201008. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201008Wang, W. L.; Zhang, H. C.; Chen, Y. G.; Shi, H. F. Acta Phys. - Chim. Sin. 2022, 38 (7), 2201008. doi: 10.3866/PKU.WHXB202201008

    28. [28]

      Li, S. J.; Cai, M. J.; Wang, C. C.; Liu, Y. P.; Li, N.; Zhang, P.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 123, 177. doi: 10.1016/j.jmst.2022.02.012

    29. [29]

      Li, S. J.; Cai, M. J.; Liu, Y. P.; Wang, C. C.; Yan, R. Y.; Chen, X. B. Adv. Powder Mater. 2023, 2, 100073. doi: 10.1016/j.apmate.2022.100073

    30. [30]

      Li, S. J.; Wang, C. C.; Cai, M. J.; Yang, F.; Liu, Y. P.; Chen, J. L.; Zhang, P.; Li, X.; Chem. Eng. J. 2022, 428, 131158. doi: 10.1016/j.cej.2021.131158

    31. [31]

      Li, S. J.; Wang, C. C.; Cai, M. J.; Liu, Y. P.; Dong, K. X.; Zhang, J. L. J. Colloid Interface Sci. 2022, 624, 219. doi: 10.1016/j.jcis.2022.05.151

    32. [32]

      Liu, T. T.; Wang, Y. W. Inorg. Chem. Commun. 2020, 114, 107846. doi: 10.1016/j.inoche.2020.107846

    33. [33]

      韩高伟, 徐飞燕, 程蓓, 李佑稷, 余家国, 张留洋. 物理化学学报, 2022, 38 (7), 2112037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037Han, G. W.; Xu, F. Y.; Cheng, B.; Li, Y. J.; Yu, J. G.; Zhang, L. Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38 (7), 2112037. doi: 10.3866/PKU.WHXB202112037

    34. [34]

      Liu, B. W.; Bie, C. B.; Zhang, Y.; Wang, L. X.; Li, Y. J.; Yu, J. G. Langmuir 2021, 37, 14114. doi: 10.1021/acs.langmuir.1c02360

    35. [35]

      Vinoth, S.; Pandikumar, A. Renew. Energy 2021, 173, 507. doi: 10.1016/j.renene.2021.03.121

    36. [36]

      Liu, D. N.; Chen, D. Y.; Li, N. J.; Xu, Q. F.; Li, H.; He, J. H.; Lu, J. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4519. doi: 10.1002/anie.201914949

    37. [37]

      Wang, Z. L.; Cheng, B.; Zhang, L. Y.; Yu, J. G.; Tan, H. Y. Sol. RRL 2022, 6, 2100587. doi: 10.1002/solr.202100587

    38. [38]

      Zhang, L. Y.; Zhang, J. J.; Yu, H. G.; Yu, J. G. Adv. Mater. 2022, 34, 2107668. doi: 10.1002/adma.202107668

    39. [39]

      Xu, Q. L.; Zhang, L. Y.; Cheng, B.; Fan, J. J.; Yu, J. G. Chem. 2020, 6, 1543. doi: 10.1016/j.chempr.2020.06.010

    40. [40]

      Xu, Q. L.; Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Li, X. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 124, 171. doi: 10.1016/j.jmst.2022.02.016

    41. [41]

      Wageh, S.; Al-Ghamdi, A. A.; Jafer, R.; Xin, L.; Peng, Z. Chin. J. Catal. 2021, 42, 667. doi: 10.1016/s1872-2067(20)63705-6

    42. [42]

      Li, X. B.; Xiong, J.; Gao, X. M.; Ma, J.; Chen, Z.; Kang, B. B.; Liu, J. Y.; Li, H.; Feng, Z. J.; Huang, J. T. J. Hazard. Mater. 2020, 387, 121690. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121690

    43. [43]

      Wang, L.; Chen, D. L.; Miao, S. Q.; Chen, F.; Guo, C. F.; Ye, P. C.; Ning, J. Q.; Zhong, Y. J.; Hu, Y. Chem. Eng. J. 2022, 434, 133867. doi: 10.1016/j.cej.2021.133867

    44. [44]

      Li, X. B.; Kang, B. B.; Dong, F.; Zhang, Z. Q.; Luo, X. D.; Han, L.; Huang, J. T.; Feng, Z. J.; Chen, Z.; Xu, J. L.; et al. Nano Energy 2021, 81, 105671. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105671

    45. [45]

      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. Q.; Hu, H. Q.; Jin, Z. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2008030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008030

    46. [46]

      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. B.; Liu, J. Y.; Huang, J. T.; He, C. Z.; Feng, Z. J.; Chen, Z.; Wan, L. Y.; Deng, F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010030. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010030

    47. [47]

      Lian, X. Y.; Chen, S. H.; He, F. Y.; Dong, S.; Liu, E. Z.; Li, H.; Xu, K. Z. Sep. Purif. Technol. 2022, 286, 120449. doi: 10.1016/j.seppur.2022.120449

    48. [48]

      Li, X. B.; Xiong, J.; Gao, X. M.; Huang, J. T.; Feng, Z. J.; Chen, Z.; Zhu, Y. F. J. Alloy. Compd. 2019, 802, 196. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.06.185

    49. [49]

      Hu, Y.; Li, X. B.; Wang, W. W.; Deng, F.; Han, L.; Gao, X. M.; Feng, Z. J.; Chen, Z.; Huang, J. T.; Zeng, F. Y.; et al. Chin. J. Struct. Chem. 2022, 41 (6), 2206069. doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2022-0103

    50. [50]

      沈荣晨, 郝磊, 陈晴, 郑巧清, 张鹏, 李鑫. 物理化学学报. 2022, 38, 2110014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014Shen, R. C.; Hao, L.; Chen, Q.; Zheng, Q. Q.; Zhang, P.; Li, X. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2110014. doi: 10.3866/PKU.WHXB202110014

    51. [51]

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

    52. [52]

      Zou, J.; Liao, G. D.; Jiang, J. Z.; Xiong, Z. G.; Bai, S. S.; Wang, H. T.; Wu, P. X.; Zhang, P.; Li, X. Chin. J. Struct. Chem. 2022, 41, 25. doi: 10.14102/j.cnki.0254-5861.2021-0039

    53. [53]

      Liu, J. J.; Fu, W.; Liao, Y. L.; Fan, J. J.; Xiang, Q. J. J. Mater. Sci. Technol. 2021, 91, 224. doi: 10.1016/j.jmst.2021.03.017

    54. [54]

      Cao, S.; Low, J.; Yu, J.; Jaroniec, M. Adv Mater. 2015, 27. doi: 10.1002/adma.201500033

    55. [55]

      Wang, Y.; Yu, H. T.; Wang, D. B.; Xing, M. M.; Zhang, Y. N.; Song, C. X. Chem. Eng. J. 2022, 437, 135321. doi: 10.1016/j.cej.2022.135321

    56. [56]

      Lee, J. S.; Kumar, A.; Yang, T.; Liu, X. H.; Jadhav, A. R.; Park, G. H.; Hwang, Y.; Yu, J. M.; Nguyen, T. K. C.; Liu, Y.; et al. Energy Environ. Sci. 2020, 13, 5152. doi: 10.1039/d0ee03183f

    57. [57]

      Zhou, J.; Yang, Y.; Zhang, C. Y. Chem. Commun. 2013, 49, 8605. doi: 10.1039/c3cc42266f

    58. [58]

      Lin, X.; Liu, C.; Wang, J. B.; Yang, S.; Shi, J. Y.; Hong, Y. Z. Sep. Purif. Technol. 2019, 226, 117. doi: 10.1016/j.seppur.2019.05.093

    59. [59]

      Moon, G. H.; Kim, W.; Bokare, A. D.; Sung, N. E.; Choi, W. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 4023. doi: 10.1039/C4EE02757D

    60. [60]

      Ong, W. J.; Putri, L. K.; Tan, Y. C.; Tan, L. L.; Li, N.; Ng, Y. H.; Wen, X.; Chai, S. Nano Res. 2017, 10, 1673. doi: 10.1007/s12274-016-1391-4

    61. [61]

      Xiong, J.; Li, X. B.; Huang, J. T.; Gao, X. M.; Chen, Z.; Liu, J. Y.; Li, H.; Kang, B. B.; Yao, W. Q.; Zhu, Y. F. Appl. Catal. B 2020, 266, 118602. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.118602

    62. [62]

      Chen, G. H.; Wang, Y.; Shen, Q. Y.; Xiong, X. Q.; Ren, S. B.; Dai, G. L.; Wu, C. C. Ceram. Int. 2020, 46, 21304. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.05.224

    63. [63]

      Liu, X.; Wang, P.; Liang, X.; Zhang, Q.; Wang, Z.; Liu, Y.; Zheng, Z.; Dai, Y.; Huang, B. Today Energy 2020, 18, 100524. doi: 10.1016/j.mtener.2020.100524

    64. [64]

      Chen, J. Y.; Xiao, X. Y.; Wang, Y.; Lu, M. L.; Zeng, X. Y. J. Alloy. Compd. 2019, 800, 88. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.06.004

    65. [65]

      Li, Y. B.; Zhang, H. M.; Liu, P. R.; Wang, D.; Li, Y.; Zhao, H. J. Small 2013, 9, 3336. doi: 10.1002/smll.201203135

    66. [66]

      Wang, W. W.; Li, X. B.; Deng, F.; Liu, J. Y.; Gao, X. M.; Huang, J. T.; Xu, J. L.; Feng, Z. J.; Chen, Z.; Han, L. Chin. Chem. Lett. 2022, 33, 5200. doi: 10.1016/j.cclet.2022.01.058

    67. [67]

      Xu, Q. L.; Ma, D. K.; Yang, S. B.; Tian, Z. F.; Cheng, B.; Fan, J. J. Appl. Surf. Sci. 2019, 495, 143555. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.143555

    68. [68]

      Xian, T.; Li, H. Q.; Gao, Y. S.; Sun, X. F.; Di, L. J.; Yang, H. Opt. Mater. 2022, 123, 111842. doi: 10.1016/j.optmat.2021.111842

    69. [69]

      Li, H. P.; Hu, T. X.; Du, N.; Zhang, R. J.; Liu, J. Q.; Hou, W. G. Appl. Catal. B 2016, 187, 342. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.01.053

    70. [70]

      Mei, F. F.; Dai, K.; Zhang, J. F.; Li, W. Y.; Liang, C. H. Appl. Surf. Sci. 2019, 488, 151. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.05.257

    71. [71]

      Wang, Y.; Liu, Q.; Wong, N. H.; Sunarso, J.; Huang, J. T.; Dai, G. L.; Hou, X. F.; Li, X. B. Ceram. Int. 2022, 48, 2459. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.10.027

    72. [72]

      Dang, L. Y.; Liu, M. Q.; Wang, G. G.; Zhao, D. Q.; Han, J. C.; Zhu, J. Q.; Liu, Z. Adv. Funct. Mater. 2022, 32. 2201020 doi: 10.1002/adfm.202201020

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  22
  • 文章访问数:  1014
  • HTML全文浏览量:  63
文章相关
  • 发布日期:  2023-06-15
  • 收稿日期:  2022-09-12
  • 接受日期:  2022-11-24
  • 修回日期:  2022-11-01
  • 网络出版日期:  2022-11-29
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