Harmonizing the cyano-group and Na to enhance selective photocatalytic O 2 activation on carbon nitride for refractory pollutant degradation

激进的 光降解 氮化碳 光化学 光催化 离解(化学) 激子 载流子 石墨氮化碳 化学 材料科学 催化作用 有机化学 光电子学 量子力学 物理
作者
Mingkai Xu,Ruizhao Wang,Haoyang Fu,Yanbiao Shi,Lan Ling
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (12) 被引量:13
标识
DOI:10.1073/pnas.2318787121
摘要

Manipulating exciton dissociation and charge-carrier transfer processes to selectively generate free radicals of more robust photocatalytic oxidation capacity for mineralizing refractory pollutants remains challenging. Herein, we propose a strategy by simultaneously introducing the cyano-group and Na into graphitic carbon nitride (CN) to obtain CN-Cy-Na, which makes the charge-carrier transfer pathways the dominant process and consequently achieves the selective generation of free radicals. Briefly, the cyano-group intensifies the local charge density of CN, offering a potential well to attract the hole of exciton, which accelerates the exciton dissociation. Meanwhile, the separated electron transfers efficiently under the robust built-in electric field induced by the cyano-group and Na, and eventually accumulates in the heptazine ring of CN for the following O 2 reduction due to the reinforced electron sink effect caused by Na. As a result, CN-Cy-Na exhibits 4.42 mmol L −1 h −1 productivity with 97.6% selectivity for free radicals and achieves 82.1% total organic carbon removal efficiency in the tetracycline photodegradation within 6 h. Additionally, CN-Cy-Na also shows outstanding photodegradation efficiency of refractory pollutants, including antibiotics, pesticide plastic additives, and dyes. This work presents an innovative approach to manipulating the exciton effect and enhancing charge-carrier mobility within two-dimensional photocatalysts, opening an avenue for precise control of free radical generation.
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