复合金属氧化物@氮化碳光催化材料：由纯水和氧气光驱动合成过氧化氢- X-MOL资讯

当前位置： X-MOL首页 › 行业资讯 › 复合金属氧化物@氮化碳光催化材料：由纯水和氧气光驱动合成过氧化氢

复合金属氧化物@氮化碳光催化材料：由纯水和氧气光驱动合成过氧化氢

催化

作者：X-MOL 2016-10-22

过氧化氢（H₂O₂）是一种环境友好型氧化剂，在各种工业领域有广泛应用。同时，H₂O₂用于燃料电池仅仅排出水和氧气，是一种无污染、清洁能源。而且其液体存在形式，相比氢气更易于储存和运输。H₂O₂目前的工业生产方法主要是蒽醌法，其反应副产物难以控制，能耗高。因此，研究者正寻求可替代的高效、绿色、经济的H₂O₂合成方法，其中光合成H₂O₂是一种极具发展潜力的途径。

光合成H₂O₂是利用光催化材料吸收光能，产生分离的光生电子和空穴，电子转移到催化剂表面，通过2电子还原途径选择性地将氧气还原为H₂O₂，而氧气的1电子还原与4电子还原是其竞争反应，因此控制还原反应的选择性是关键。目前主要采用的光催化剂是经过表面修饰的半导体TiO₂或负载贵金属Au, Ag的TiO₂以及氮化碳(C₃N₄)基材料，但绝大多数体系都需要外加空穴捕获牺牲试剂（例如：醇），以促进光生电子的分离与转移。所以，在纯水体系中、利用非贵金属催化剂、高选择性光合成H₂O₂具有很大挑战。

近日，北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室项顼教授（点击查看介绍）课题组与加州理工学院C.X. Xiang博士合作，利用LDH前体法制备了复合金属氧化物@氮化碳光催化材料(MMO@C₃N₄)，该材料将具有水氧化能力的NiFe-MMO与具有氧还原能力的C₃N₄耦合，耦合后的MMO@C₃N₄的导带和价带位置相比C₃N₄均发生了正移，价带正移且配合MMO水氧化催化剂，改善了光生空穴的分离与收集，促进在催化剂表面的水氧化，而正移的导带增强了氧气的2电子还原选择性，从而H₂O₂生成。而单独的MMO或C₃N₄均不能光合成H₂O₂。

文8-图1.jpg

MMO@C₃N₄复合材料的主要优势有：(1) 催化剂由非贵金属、地球丰富元素组成，且利用LDH前体法能够在C₃N₄基质上获得高分散的MMO，更好地暴露水氧化催化剂的活性位，促进光生空穴氧化水；(2) 仅以纯水和氧气为原料，在不外加任何牺牲试剂的条件下光合成H₂O₂，是一种真正清洁的H₂O₂生产方式；(3) MMO的金属元素组成、元素比例、及其与C₃N₄的比例均可灵活调变，从而优化催化剂的性能；(4) 该复合材料结构稳定，经多次重复使用，其催化性能无明显下降。因此，通过LDH前体法制备复合金属氧化物@氮化碳双功能催化剂，能够将水氧化和氧选择性还原能力有效耦合，用于纯水体系直接光合成H₂O₂，为高效、绿色、经济合成H₂O₂提供了一条可替代路线。

文8-图2.jpg

(A) The light-driven H₂O₂ generation in O₂-equilibrated conditions over MMO@C₃N₄, Ni@C₃N₄, Fe@C₃N₄, and MMO/C₃N₄-Mix; the semi-hollow circles (blue) represents the repeated use of the MMO@C₃N₄ photocatalyst. (B) Formation rate constant (K_f) and decomposition rate constant (K_d) for H₂O₂ production. (C) Linear sweep voltammetry (LSV) curves of catalyst-loaded electrodes for C₃N₄ and MMO@C₃N₄ toward oxygen-evolving reaction, (D) LSV curves of catalyst-loaded electrodes for C₃N₄ and MMO@C₃N₄ under N₂- or O₂-equilibrated conditions, respectively.