2D氮化碳:通过调节非金属硼掺杂C3N5阐明宽酸性及碱性pH范围的光催化析氢的反应机理

作者：Sue-Faye Ng; 陈星竹; Joel Jie Foo; 熊墨; Wee-Jun Ong

来源：催化学报, 2023, 47(4): 150-160.

• 氮化碳
• 同素异形体
• 析氢反应
• 密度泛函理论
• 酸性介质
• 碱性介质
• 光催化

太阳能驱动水裂解产氢是一种绿色能源技术,用于制备可再生和零碳排放燃料以实现可持续能源生产.近期,氮化碳(g-C3N4)同素异形体C3N5的出现克服了g-C3N4的固有缺点,如光生载流子快速复合和可见光吸收差,而导致极低的光催化效率.本文将硼掺杂剂通过原子替换或间隙掺杂的方式引入到C3N5体系中,并利用密度泛函理论对纯C3N5和硼掺杂C3N5体系进行计算,考察了硼原子对C3N5电子和光学性能的影响以及其催化析氢反应(HER)机理.热力学计算结果表明,硼原子掺杂在C3N5体系中是可行且有利的.在N3位氮原子被硼原子取代(BN3-C3N5)后,带隙(0.6 eV)变窄.与纯C3N5相比,硼掺杂剂通过Volmer Tafel和Volmer Heyrovsky机制降低了酸性和碱性介质中HER反应中决定步骤的反应能垒.BN3-C3N5表面的氢吸附吉布斯自由能(0.11 eV)与Pt/C催化剂(–0.09 eV)相当.综上,非金属掺杂碳可提高氮化物的催化性能,对未来该方向研究提供一定借鉴.

• 单位
  固体表面物理化学国家重点实验室; 厦门大学; 厦门大学深圳研究院; 化学化工学院; 西安交通大学; 物理学院