武汉理工大学余家国教授和曹少文研究员：二维/二维FeNi-LDH/g-C3N4复合光催化剂增强CO2光还原性能

第一作者：李瀚

通讯作者：曹少文

通讯单位：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室

注：此论文是“二维光催化材料”专刊邀请稿，客座编辑：电子科技大学董帆教授

引用信息

李瀚, 李芳, 余家国, 曹少文. 二维/二维FeNi-LDH/g-C₃N₄复合光催化剂用于促进CO₂光还原反应. 物理化学学报, 2021, 37 (8), 2010073.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202010073

Han Li, Fang Li, Jiaguo Yu, Shaowen Cao. 2D/2D FeNi-LDH/g-C₃N₄ Hybrid Photocatalyst for Enhanced CO₂ Photoreduction. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (8), 2010073.

doi: 10.3866/PKU.WHXB202010073

主要亮点

本研究通过简单的水热法将FeNi层状双氢氧化物(FeNi-LDH)助催化剂负载到g-C₃N₄（CN）纳米片上，制备了一种二维/二维复合光催化剂，获得了良好的光催化二氧化碳还原能力。所制备的二维/二维FeNi-LDH/g-C₃N₄复合光催化剂不仅具有增强的光吸收和二氧化碳吸附能力，而且具有良好的光生载流子分离能力。

研究背景：意义、现状

工业化进程的加快和化石燃料的消耗，不仅造成了能源短缺，更加剧了温室效应。光催化二氧化碳还原是减弱温室效应的有效途径，并且可以将太阳能转化为易于储存的化学能。在各种光催化剂中，石墨相氮化碳得到了越来越多的关注，因为其具有无毒、成本低、稳定性好、能带结构合适，易于合成等优点。然而，由于常规制备的氮化碳存在比表面积较小和载流子易复合等缺点，限制了它在光催化能源转换中的实际应用。为了改善石墨相氮化碳的光催化活性，常用的方法包括纳米结构设计、掺杂和半导体复合等。另一方面，双金属氢氧化物具有碱金属位点，可以增强对二氧化碳的吸附，且稳定性好，易于制备。因此，将氮化碳纳米片和双金属氢氧化物复合是增强光催化二氧化碳还原性能的有效策略。

核心内容

1.    FeNi-LDH/g-C₃N₄复合光催化剂的形貌

从图1可以看出，两步煅烧的g-C₃N₄主要由边缘卷曲的纳米片组成，这种薄片结构进一步通过透射电镜照片得到确认，具有近乎透明的衬度。这种薄的纳米片状结构有利于缩短载流子的迁移距离和暴露更多的活性位点。负载FeNi-LDH后， g-C₃N₄纳米片的形貌并没有发生明显的变化。FeNi-LDH/g-C₃N₄复合光催化剂的透射电镜照片和元素面分布照片证明了FeNi-LDH和g-C₃N₄的成功复合。

图1  (a) 块体CN、(b) CN 纳米片、(c) FeNi-LDH和 (d) CN/LDH4 的扫描电镜照片，(e) CN纳米片和 (f) CN/LDH8 的透射电镜照片，（g）CN/LDH8 的元素面分布照片

2.    FeNi-LDH/g-C₃N₄的二氧化碳吸附性能

图2展示了各个样品对二氧化碳的吸附能力。LDH表现出优异的二氧化碳吸附能力，主要由于其比较大的比表面积和碱金属特性。这也使得复合样品FeNi-LDH/g-C₃N₄表现出纯的CN更好的二氧化碳吸附能力。

图2  块体CN、CN纳米片、CN/LDH4 和LDH的CO₂吸附曲线

3.    FeNi-LDH/g-C₃N₄ 复合光催化剂的光化学和光电化学性质

紫外可见漫反射光谱表明FeNi-LDH/g-C₃N₄ 复合光催化剂的光吸收得到了增强，从而可以提高光的利用率（图3）。在稳态荧光图谱中，FeNi-LDH/g-C₃N₄复合光催化剂的荧光峰最弱，表明其更好的电荷分离效率，证明负载FeNi-LDH可以抑制电子空穴的复合（图4）。在电化学阻抗图谱中，FeNi-LDH/g-C₃N₄的阻抗曲线的弧半径最小（图5），表明其阻抗最小。图6也显示FeNi-LDH/g-C₃N₄具有更大的光电流。这些结果表明，将FeNi-LDH与g-C₃N₄复合可以提高其载流子迁移能力，从而可以增强其光催化性能。

图3  CN、CN/LDH2、CN/LDH4、CN/LDH8和LDH的紫外可见漫反射光谱图4  CN、CN/LDH2、CN/LDH4和CN/LDH8的稳态荧光光谱图5  CN、CN/LDH4 和FeNi-LDH的电化学阻抗图谱

图6  CN和CN/LDH4的光电流曲线

4.    FeNi-LDH/g-C₃N₄ 复合光催化剂的二氧化碳还原性能

用300 W氙灯光源对FeNi-LDH/g-C₃N₄ 复合光催化剂的光催化二氧化碳还原性能进行了表征。如图7所示，在双金属氢氧化物负载量为4 wt%时，FeNi-LDH/g-C₃N₄表现出了最好的光催化性能。

图7  CN、CN/LDH2、CN/LDH4、CN/LDH8和LDH的光催化二氧化碳还原性能

结论与展望

本工作首先通过简单的两步煅烧方法得到具有较大比表面积的CN纳米片（97 m²·g^‒1），然后通过水热法构建了二维/二维FeNi-LDH/CN异质结材料。FeNi-LDH/CN复合光催化剂表现出大幅改善的光催化二氧化碳还原性能。当FeNi-LDH助催化剂的负载量为4 wt％，甲醇产生量达到最佳，约为原始块体CN的6倍。一系列表征分析表明，FeNi-LDH的引入可以增强光吸收和二氧化碳的吸附能力，并有效地促进光生载流子的分离。这项研究为提高石墨相氮化碳的光催化二氧化碳还原性能提供了一种新的策略，并且可以拓展到其他二维光催化材料。

☎作者介绍

 曹 少 文 

1984年出生，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室研究员，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者。2010年于中国科学院上海硅酸盐研究所取得博士学位。主要从事能源光催化材料的研究。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202010073