Graphitic Carbon Nitride with Dopant Induced Charge Localization for Enhanced Photoreduction of CO2 to CH4

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作者
Junwei Fu,Kang Liu,Kexin Jiang,Huangjingwei Li,Pengda An,Wenzhang Li,Ning Zhang,Hongmei Li,Xiaowen Xu,Haiqing Zhou,Dongsheng Tang,Xiaoming Wang,Xiaoqing Qiu,Min Liu
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:6 (18) 被引量:311
标识
DOI:10.1002/advs.201900796
摘要

The photoreduction of CO2 to hydrocarbon products has attracted much attention because it provides an avenue to directly synthesize value-added carbon-based fuels and feedstocks using solar energy. Among various photocatalysts, graphitic carbon nitride (g-C3N4) has emerged as an attractive metal-free visible-light photocatalyst due to its advantages of earth-abundance, nontoxicity, and stability. Unfortunately, its photocatalytic efficiency is seriously limited by charge carriers' ready recombination and their low reaction dynamics. Modifying the local electronic structure of g-C3N4 is predicted to be an efficient way to improve the charge transfer and reaction efficiency. Here, boron (B) is doped into the large cavity between adjacent tri-s-triazine units via coordination with two-coordinated N atoms. Theoretical calculations prove that the new electron excitation from N (2p x , 2p y ) to B (2p x , 2p y ) with the same orbital direction in B-doped g-C3N4 is much easier than N (2p x , 2p y ) to C 2p z in pure g-C3N4, and improves the charge transfer and localization, and thus the reaction dynamics. Moreover, B atoms doping changes the adsorption of CO (intermediate), and can act as active sites for CH4 production. As a result, the optimal sample of 1%B/g-C3N4 exhibits better selectivity for CH4 with ≈32 times higher yield than that of pure g-C3N4.
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