文献速递 | 朱永法Applied Catalysis B: Environmental:超薄纳米片增强电荷分离来提升光催化性能
The following article is from Environmental Advances Author 朱永法教授团队
第一作者：盛毓强 李文璐（清华大学）
通讯作者：朱永法 教授（清华大学）、张莉莉 教授（淮阴师范学院）
DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120585
图文摘要
成果简介
近日，清华大学朱永法、淮阴师范学院张莉莉老师等合作在Applied Catalysis B: Environmental上发表了题为“Ultrathin Perylene Imide Nanosheet with Fast Charge Transfer Enhances Photocatalytic Performance”的研究论文（DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120585），设计合成了具有超薄纳米片结构的苝酰亚胺（PDI），并探究其在模拟太阳光下有机污染物降解以及光催化产氢的性能及机理。研究人员基于侧链空间位阻效应和氢键作用，采用氨基邻苯二甲酸作为PDI酰胺位侧链，成功合成了厚度约为0.8 nm的PDI超薄纳米片。该材料不仅具有1.1mmol·g−1·h−1的高效光催化产氢效率，而且具有高效的光催化降解苯酚性能，是自组装商业PDI和体相g-C3N4的3.0倍和29.0倍。进一步地，采用材料表征、自由基鉴定、污染物降解动力学等手段证实，超薄纳米片可以缩短电荷传输距离，从而促进光生载流子的分离，并提出了PDI超薄纳米片的光催化机理。
全文速览
本研究基于侧链空间位阻和氢键作用，成功合成了厚度为0.8 nm的PDI超薄纳米片。PDI纳米片不仅具有优异的光催化产氢性能（1.1 mmol·g−1·h−1），而且可实现有机污染的高效去除，降解速率是自组装商业PDI和体相g-C3N4的3.0倍和29.0倍。超薄纳米片可以缩短电荷传输距离，从而促进光生载流子的分离。本工作基于侧链空间效应和氢键成功合成了PDI超薄纳米片，为有机光催化剂的设计提供了新思路。
引言
PDI系列光催化材料具有光生载流子易复合、形貌结构难调控等不足，因而其光催化产氢、污染物降解效率比较低。本工作选择以氨基邻苯二甲酸为PDI侧链，合成了厚度为0.8 nm的PDI超薄纳米片，具有显著提高的光催化产氢、污染物降解性能。
图文导读
形貌表征
Fig. 1. The morphology characterization. SEM images of PDI-phthalic (a), PDI-isophthalic (b) and PDI-terephthalic (c); AFM images of PDI-phthalic (d), PDI-isophthalic (e) and PDI-terephthalic (f). Copyright 2021, Elsevier Inc.
性能测试
Fig. 3. The efficient photocatalytic performance of ultrathin PDI nanosheet. The hydrogen evolution comparison of PDIs (a); the cyclic stability of PDI-phthalic (b); the degradation rate comparison of PDIs (c) and common photocatalysts (d). Copyright 2021, Elsevier Inc.
PDI超薄纳米片具有优异的光催化性能。在光催化产氢方面，如图a所示，PDI纳米片产氢速率为1.10 mmol·g−1·h−1，是PDI-isophthalic的9.2倍，PDI-terephthalic的4.8倍。同时，PDI纳米片具有良好的循环稳定性，如图b所示。在光催化降解污染物方面，PDI纳米片在可见光下降解苯酚的速率是自组装商业PDI的3.0倍，体相g-C3N4的29.0倍。
光催化机理
Fig. 4. The efficient charge transfer of ultrathin PDI nanosheet. The steady PL spectra (a); the EIS and photocurrent (b); overlayer of simulated Rd in EIS and hydrogen evolution rate (c); the EPR signals of PDI·- (d); the photo-induced carrier trapping experiment performed by EPR (e); overlayer of wavelength dependent photocatalytic hydrogen evolution and SPV signal (f). Copyright 2021, Elsevier Inc.
超薄纳米片可以缩短载流子迁移距离，促进电荷分离，从而增强光催化性能。图a是稳态荧光，PDI纳米片具有最弱的荧光信号，说明其载流子复合被抑制。图b是交流阻抗和光电流的电化学表征，PDI纳米片具有最小的交流阻抗和最强的光电流，说明超薄纳米片有助于减小电荷迁移阻力，进而促进载流子分离。图c展示了光催化产氢性能与模拟交流阻抗之间的相关关系。图d展示了光激发的PDI阴离子自由基的信号。图e是降解反应活性物种的ESR捕获实验。图f是表面光电压与波长依赖的产氢性能之间的关系。
小结
这项工作报道了一种具有超薄纳米片结构的PDI光催化材料，具有优异的光催化产氢、污染物降解性能。侧链空间位阻以及增强的氢键作用有助于PDI超薄纳米片的构筑。进一步的机理研究表明，超薄纳米片结构可以缩短光生载流子的迁移距离，进而促进电荷分离。该工作为设计新型有机光催化材料提供了可参照的思路。
作者介绍
朱永法：清华大学化学系教授，获得教育部跨世纪优秀人才及国家自然科学基金委杰青年基金的资助。获得国家自然科学奖二等奖1项, 教育部自然科学奖一等奖2项、二等奖1项，教育部科技进步奖二等奖和三等奖各1次。长期从事薄膜材料、纳米材料、环境催化以及能源光催化的研究。已在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Energy, Appl. Catal. B-Environ.等国内外学术刊物上发表论文300余篇，热点论文2篇，ESI高被引论文34篇；论文总引25200余次，篇均引用68.59次，H因子为87。2014-2018年入选Elsevier高被引学者（化学），2016年入选Elsevier发布的“全球材料科学与工程学科高被引学者”，2018-2019年入选科睿唯安“高被引科学家”名单（化学）。
张莉莉：淮阴师范学院教授，1996.6毕业于南京师范大学化学系，1996年8月到淮阴师范学院工作。2000.9至2006.1在南京理工大学攻读硕博连读，2006年1月，获应用化学博士学位。2012年1月至2012年8月赴美国华盛顿大学做访问学者；2018年11月至2019年5月在香港科技大学访问学者。目前以第一作者和通讯作者在 Journal of Hazard Materials、Applied Clay Science、 Applied Surface Science、Applied Catalysis B: Environmental, Nanoscale 等国际期刊上发表SCI 论文 40 余篇。曾获得中国石油化工协会科技进步一等奖、二等奖和江苏省高校自然科学成果二等奖。
备注:
Permissions for reuse of all Figures have been obtained from the original publisher. Copyright 2021, Elsevier Inc.
参考文献：
Sheng, Y., Li, W., Zhu, Y., & Zhang, L. (2021). Ultrathin Perylene Imide Nanosheet with Fast Charge Transfer Enhances Photocatalytic Performance. Applied Catalysis B: Environmental, 120585.
北京泊菲莱科技有限公司作为国内光催化科研仪器的创领者，致力于多场景、跨领域的仪器应用、开发。公司近年来在深耕光催化研究领域的同时，在多场催化、多种复合能量场方面取得了一系列成果。公司近期推出的多功能光化学反应仪、光化学工作站、光热催化反应系统等设备，进一步拓宽产品在光、电、热、压等多种复合能量场方面的应用。