A π‐Conjugated Van der Waals Heterostructure Between Single‐Atom Ni‐Anchored Salphen‐Based Covalent Organic Framework and Polymeric Carbon Nitride for High‐Efficiency Interfacial Charge Separation

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作者
Liang Zhu,Zhifu Liang,Hao Li,Qiunian Xu,Daochuan Jiang,Haiwei Du,Chuhong Zhu,Huiquan Li,Zhou Lu,Yupeng Yuan
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (33) 被引量:30
标识
DOI:10.1002/smll.202301017
摘要

Semiconductor-based heterostructures have exhibited great promise as a photocatalyst to convert solar energy into sustainable chemical fuels, however, their solar-to-fuel efficiency is largely restricted by insufficient interfacial charge separation and limited catalytically active sites. Here the integration of high-efficiency interfacial charge separation and sufficient single-atom metal active sites in a 2D van der Waals (vdW) heterostructure between ultrathin polymeric carbon nitride (p-CN) and Ni-containing Salphen-based covalent organic framework (Ni-COF) nanosheets is illustrated. The results reveal a NiN2 O2 chemical bonding in NiCOF nanosheets, leading to a highly separated single-atom Ni sites, which will function as the catalytically active sites to boost solar fuel production, as confirmed by X-ray absorption spectra and density functional theory calculations. Using ultrafast femtosecond transient adsorption (fs-TA) spectra, it shows that the vdW p-CN/Ni-COF heterostructure exhibits a faster decay lifetime of the exciton annihilation (τ = 18.3 ps) compared to that of neat p-CN (32.6 ps), illustrating an efficiently accelerated electron transfer across the vdW heterointerface from p-CN to Ni-COF, which thus allows more active electrons available to participate in the subsequent reduction reactions. The photocatalytic results offer a chemical fuel generation rate of 2.29 mmol g-1 h-1 for H2 and 6.2 µmol g-1 h-1 for CO, ≈127 and three times higher than that of neat p-CN, respectively. This work provides new insights into the construction of a π-conjugated vdW heterostructure on promoting interfacial charge separation for high-efficiency photocatalysis.
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