Unique Electronic Structure Induced High Photoreactivity of Sulfur-Doped Graphitic C3N4

化学 兴奋剂 电子结构 氧化还原 价(化学) 光化学 载流子 半导体 吸光度 光催化 化学物理 硫黄 无机化学 光电子学 计算化学 催化作用 有机化学 材料科学 色谱法
作者
Gang Liu,Ping Niu,Chenghua Sun,Sean C. Smith,Zhigang Chen,Gao Qing Lu,Hui‐Ming Cheng
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:132 (33): 11642-11648 被引量:1795
标识
DOI:10.1021/ja103798k
摘要

Electronic structure intrinsically controls the light absorbance, redox potential, charge-carrier mobility, and consequently, photoreactivity of semiconductor photocatalysts. The conventional approach of modifying the electronic structure of a semiconductor photocatalyst for a wider absorption range by anion doping operates at the cost of reduced redox potentials and/or charge-carrier mobility, so that its photoreactivity is usually limited and some important reactions may not occur at all. Here, we report sulfur-doped graphitic C3N4 (C3N4−xSx) with a unique electronic structure that displays an increased valence bandwidth in combination with an elevated conduction band minimum and a slightly reduced absorbance. The C3N4−xSx shows a photoreactivity of H2 evolution 7.2 and 8.0 times higher than C3N4 under λ > 300 and 420 nm, respectively. More strikingly, the complete oxidation process of phenol under λ > 400 nm can occur for sulfur-doped C3N4, which is impossible for C3N4 even under λ > 300 nm. The homogeneous substitution of sulfur for lattice nitrogen and a concomitant quantum confinement effect are identified as the cause of this unique electronic structure and, consequently, the excellent photoreactivity of C3N4−xSx. The results acquired may shed light on general doping strategies for designing potentially efficient photocatalysts.
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