Enhanced H2O2 Production via Photocatalytic O2 Reduction over Structurally-Modified Poly(heptazine imide)

光催化 材料科学 催化作用 酰亚胺 光化学 碱金属 卤化物 金属 插层(化学) 三嗪 氮化碳 带隙 无机化学 化学 高分子化学 有机化学 光电子学 冶金
作者
Pankaj Sharma,Thomas J. A. Slater,Monika Sharma,Michael Bowker,C. Richard A. Catlow
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:34 (12): 5511-5521 被引量:72
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c00528
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Solar H 2 O 2 produced by O 2 reduction provides a green, efficient, and ecological alternative to the industrial anthraquinone process and H 2 /O 2 direct-synthesis. We report efficient photocatalytic H 2 O 2 production at a rate of 73.4 mM h –1 in the presence of a sacrificial donor on a structurally engineered catalyst, alkali metal-halide modulated poly(heptazine imide) (MX → PHI). The reported H 2 O 2 production is nearly 150 and >4250 times higher than triazine structured pristine carbon nitride under UV–visible and visible light (≥400 nm) irradiation, respectively. Furthermore, the solar H 2 O 2 production rate on MX → PHI is higher than most of the previously reported carbon nitride (triazine, tri-s-triazine), metal oxides, metal sulfides, and other metal–organic photocatalysts. A record high AQY of 96% at 365 nm and 21% at 450 nm was observed. We find that structural modulation by alkali metal-halides results in a highly photoactive MX → PHI catalyst which has a broader light absorption range, enhanced light absorption ability, tailored bandgap, and a tunable band edge position. Moreover, this material has a different polymeric structure, high O 2 trapping ability, interlayer intercalation, as well as surface decoration of alkali metals. The specific C≡N groups and surface defects, generated by intercalated MX, were also considered as potential contributors to the separation of photoinduced electron–hole pairs, leading to enhanced photocatalytic activity. A synergy of all these factors contributes to a higher H 2 O 2 production rate. Spectroscopic data help us to rationalize the exceptional photochemical performance and structural characteristics of MX → PHI.
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