Selective Photocatalytic CO2 Reduction to CH4 on Tri-s-triazine-Based Carbon Nitride via Defects and Crystal Regulation: Synergistic Effect of Thermodynamics and Kinetics

材料科学 结晶度 光催化 选择性 氮化碳 动力学 化学工程 碳纤维 电子转移 氮化物 化学物理 纳米技术 光化学 催化作用 化学 有机化学 复合材料 复合数 物理 工程类 量子力学 图层(电子)
作者
Zhiguo Liu,Shiqun Wu,Mingyang Li,Jinlong Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (22): 25417-25426 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.2c03913
摘要

Realizing the high selectivity of CH4 from the photocatalytic CO2 reduction reaction (CO2 RR) remains a great challenge owing to the lower efficiency of multi-electron transfer and the similar thermodynamic properties of CH4 and CO. Herein, nitrogen-deficient carbon nitride two-dimensional (2D) nanosheets were prepared via the high-temperature crystalline phase transformation process. Optimizing crystallinity enhances the in-plane polarization along the a-axis. Owing to the increased electron density of the N defect, the kinetic possibilities of CH4 production have increased. Furthermore, the potential energy of the mid-gap states introduced by the N defect favors the thermodynamics of CH4 production. The selectivity values of CH4 based on yield and electrons are 87.1 and 96.4%. This work unravels the mechanism to selectively produce CH4 from CO2 photoreduction through the crystalline phase and defect regulation and provides significant guidance for the rational design of CO2 reduction photocatalysts for selective CH4 production.
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