Doping and defects in carbon nitride cause efficient in situ H2O2 synthesis to allow efficient photocatalytic sterilization

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作者
Xinyu Li,Hui Wang,Shun‐Lin Li,Ye Xu,Zhaoyong Bian
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:926: 172109-172109 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2024.172109
摘要

In situ photocatalytic synthesis of H2O2 for disinfection has attracted widespread attention because it is a clean and environmentally friendly sterilization method. Graphitic carbon nitride has been used as a very selective photocatalyst for H2O2 generation but has some limitations (e.g., insufficient light absorption, rapid electron-hole recombination, and slow direct two-electron reduction processes) that prevent efficient H2O2 production. In this study, potassium-doped graphite carbon nitride with nitrogen vacancies (NDKCN) was prepared using a simple method involving a thermal fusion salt and N2 calcination, which possessed an ultrathin nanosheet structure (1.265 nm) providing abundant active sites. Synergistic effects caused by nitrogen vacancies and K+ and I− doping in the NDKCN photocatalyst gave the NDKCN a good ability to absorb light, undergo fast charge transfer, and give a high photoelectric current response. The optimized photocatalytic H2O2 yield of the NDKCN was 780.1 μM·g−1·min−1, which was 10 times the yield of the pristine g-C3N4. Tests involving quenching reactive species, electron spin resonance, and rotating disk electrodes indicated that one-step two-electron direct reduction on the NDKCN caused excellent H2O2 generation performance. The ability to efficiently generate H2O2 in situ gave NDKCN an excellent bactericidal performance, and 7.3 log10 (colony-forming units·mL−1) of Escherichia coli were completely eliminated within 80 min. Scanning electron microscopy images before and after sterilization indicated the changes in bacteria caused by the catalytic activity. The new g-C3N4-based photocatalyst and similar rationally designed photocatalysts with doping and defects offer efficient and simple in situ H2O2 sterilization.
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