Engineering high-coordinated cerium single-atom sites on carbon nitride nanosheets for efficient photocatalytic amine oxidation and water splitting into hydrogen

光催化 分解水 光催化分解水 材料科学 氢原子 光化学 化学 催化作用 有机化学 生物化学 烷基 冶金
作者
Dan Sun,Yajie Chen,Xinyan Yu,Yuejia Yin,Guohui Tian
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:462: 142084-142084 被引量:47
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.142084
摘要

Developing highly-active rare-earth single atom photocatalysts have attracted extensive attention due to their excellent catalytic properties. Herein, we prepared a single-atom Ce-SA-C3N4 catalyst composed of atomically dispersed rare-earth cerium (Ce) on C3N4 nanosheets by the pyrolysis of cerium-incorporated layered precursor. The atomic distribution and high-coordinated environment of Ce sites were disclosed by aberration-corrected scanning transmission electron microscopy, electron energy-loss spectra, X-ray absorption spectroscopy, and theoretical calculations. In Ce-SA-C3N4, Ce single atoms are coordinated by four N atoms and six O atoms (Ce-N4/O6). The cooperation of single-atom Ce-N4/O6 active sites in C3N4 nanosheets tunes the electronic structure and the surface trap states, resulting in accelerated charge transfer/separation and extended lifetime of photoinduced electrons. Meanwhile, the high-coordinated Ce-N4/O6 active sites could promote the production of superoxide radicals (•O2−) and C = N bond, thus, the optimized single-atom Ce-SA-C3N4 photocatalyst exhibits highly efficient photocatalytic oxidation of amines under visible light irradiation. Furthermore, the fabricated single-atom Ce-SA-C3N4 photocatalysts are applied to split water into hydrogen, producing the maximum hydrogen yield of 33.5 mmol h−1 g−1. The apparent quantum efficiency for hydrogen evolution achieves 32.6% at 420 nm. This study provides a guideline for rationally designing efficient high-coordinated rare-earth single-atom active sites for efficient solar energy conversion and utilization.
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