Facilitating carrier kinetics in ultrathin porous carbon nitride through shear-repair strategy for peroxymonosulfate-assisted water purification

多孔性 动力学 氮化碳 材料科学 石墨氮化碳 氮化物 化学工程 纳米技术 化学 复合材料 催化作用 图层(电子) 光催化 生物化学 物理 量子力学 工程类
作者
Hao Liu,Bin Yang,Guangfu Liao,Baoyu Huang,Jun Li,Raúl D. Rodriguez,Xin Jia
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:16 (1): 5909-5909 被引量:16
标识
DOI:10.1038/s41467-025-61185-3
摘要

Achieving high specific surface area (HSSA) in graphitic carbon nitride (g-C3N4) severely depolymerizes the molecular chain structure, resulting in sluggish carrier kinetic behaviors and thus moderated water purification performance in photocatalytic peroxymonosulfate (PMS) activation system. Herein, we report a versatile shear-repair strategy for fabricating ultrathin porous g-C3N4 nanosheets with a thickness of 1.5 nm, HSSA (138.5 m2 g-1), and highly polymerized molecular chains. This strategy accelerates exciton dissociation and charge carrier separation, with the exciton binding energy decreasing from 65.7 to 47.5 meV. Crucially, the electron-donating pollutant and electron-withdrawing PMS generate a microelectric field at the g-C3N4 surface that activates PMS to generate 1O2 sustainably. Consequently, our catalyst exhibits an exceptional imidacloprid (IMD) removal performance with a rate constant of 0.405 min-1 and remarkable PMS utilization efficiency (90% within 15 min). Moreover, under real conditions of sunlight irradiation, we observe an outstanding pollutants' removal efficiency with a near-100% degradation rate over 20 days of continuous operation. Our work emphasizes the feasibility of synergistic molecular-level structural engineering for refining carrier kinetic behaviors in high-performance photocatalyst design.
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