Designing of covalent organic framework/2D g-C3N4 heterostructure using a simple method for enhanced photocatalytic hydrogen production

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作者
Ahmed E. Hassan,Ahmed M. Elewa,Mai S. A. Hussien,Ahmed F. M. EL‐Mahdy,Islam M. A. Mekhemer,I.S. Yahia,Tarek A. Mohamed,Ho‐Hsiu Chou,Zhenhai Wen
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:653 (Pt B): 1650-1661 被引量:67
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.10.010
摘要

Designing heterostructure photocatalysts is a promising approach for developing highly efficient photocatalysts for hydrogen energy production. In this work, we synthesized a series of a covalent organic framework (COF)/g-C3N4 (CN) heterojunction photocatalysts, denoted as x % COF/CN (in which x indicates the weight % of COF and x = 5, 10, 20, 30, 40, 50, 90, 95, 100), for hydrogen production. The COF, which is a key component of the photocatalyst, was prepared by assembling benzothiadiazole (BT) and pyrene (Py) derivatives as building blocks. Integrating COF rods into the two-dimensional (2D) layered g-C3N4 structure significantly improved photocatalytic H2 production. The hybrid system (30 % COF/CN) displayed an outstanding hydrogen evolution rate (HER) of 27540 ± 805 μmol g-1h-1, outperforming most known COFs and g-C3N4-based photocatalysts, besides exhibiting stable photocatalytic performance. Moreover, the apparent quantum yield (AQY) was 15.5 ± 0.8 % at 420 nm. Experimental techniques and density functional theory (DFT) calculations demonstrated that the 30 % COF/CN heterostructure has broad visible-light absorption, adequate band energy levels, and the best chemical reactivity descriptors compared to the individual components, resulting in effective carrier separation and excellent performance. Our findings offer a valuable strategy for developing highly efficient and stable heterojunction photocatalysts for visible-light-driven H2 evolution.
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