化学学报 ›› 2026, Vol. 84 ›› Issue (7): 1140-1152.DOI: 10.6023/A26040135 上一篇 下一篇
研究论文
冯丹宁a, 封波a, 万坤a, 谢颂海a, 裴燕a, 乔明华a,*(
), 宗保宁b,*(
)
投稿日期:2026-04-24
发布日期:2026-06-24
基金资助:
Danning Fenga, Bo Fenga, Kun Wana, Songhai Xiea, Yan Peia, Minghua Qiaoa,*(
), Baoning Zongb,*(
)
Received:2026-04-24
Published:2026-06-24
Contact:
* E-mail: mhqiao@fudan.edu.cn;
zongbn.ripp@sinopec.com; Tel.: 021-31244679
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基于石墨相氮化碳(g-C3N4)光催化氧气(O2)还原合成过氧化氢(H2O2)具有重要的基础研究价值和实际应用价值. 针对g-C3N4电子结构对称性高、光生载流子复合严重、O2活化能力弱及光催化合成H2O2效率低的核心瓶颈, 本工作提出了一种多元素共掺杂协同缺陷工程调控电子结构的改性策略, 通过两步煅烧结合离子热处理, 成功制备了S/B/K三元共掺杂的g-C3N4催化剂(KBSCN). 该策略同步实现了富电子S、缺电子B和K在g-C3N4骨架内的均匀掺杂, 以及氰基(−C≡N)和氮空位(Nv)的原位引入. 系统开展了结构表征、光电性能测试与光催化性能评价, 并结合密度泛函理论(DFT)计算, 揭示了多元素掺杂对g-C3N4电子结构与反应动力学的协同调控机制. 研究结果表明, S/B/K三元共掺杂可有效打破g-C3N4的对称结构, 拓宽可见光响应范围. 光催化O2还原合成H2O2性能评价结果表明, 在可见光照射下, KBSCN催化剂上的H2O2生成速率高达8132 μmol•g−1•h−1, 为未改性g-C3N4(CN)生成速率的185倍. 机理研究表明, S/B/K三元共掺杂通过诱导最高占据分子轨道(HOMO)与最低未占据分子轨道(LUMO)的空间分离, 极大促进了光生载流子的分离与迁移. 此外, 结合自由基捕获实验、原位电子顺磁共振(EPR)、原位漫反射傅里叶变换红外(in situ DRIFT)表征与Bader电荷电子转移分析, S/B/K三元共掺杂可促进光催化O2还原反应(ORR)采取以超氧自由基(•O2−)为中间体的间接两电子还原路径, 从动力学上显著提升2e−-ORR的反应速率. 本工作通过对g-C3N4的电子结构与表面反应动力学的调控实现了可见光驱动下高效合成H2O2, 为低成本、高性能光催化合成H2O2催化剂的设计提供了新的思路.
冯丹宁, 封波, 万坤, 谢颂海, 裴燕, 乔明华, 宗保宁. S/B/K共掺杂调控氮化碳电子结构用于高效光催化合成H2O2[J]. 化学学报, 2026, 84(7): 1140-1152.
Danning Feng, Bo Feng, Kun Wan, Songhai Xie, Yan Pei, Minghua Qiao, Baoning Zong. Electronic Structure Engineering of g-C3N4 via S/B/K Co-Doping for Efficient Photocatalytic H2O2 Synthesis[J]. Acta Chimica Sinica, 2026, 84(7): 1140-1152.
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