Circumventing bottlenecks in H2O2 photosynthesis over carbon nitride with iodine redox chemistry and electric field effects

光催化 氮化碳 氧化还原 光合作用 人工光合作用 电子转移 化学 催化作用 电化学 石墨氮化碳 纳米技术 光化学 材料科学 无机化学 电极 物理化学 有机化学 生物化学
作者
Chang-Wei Bai,Lianlian Liu,Jie‐Jie Chen,Fei Chen,Zhiquan Zhang,Yi-Jiao Sun,Xin‐Jia Chen,Qi Yang,Han‐Qing Yu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1) 被引量:47
标识
DOI:10.1038/s41467-024-49046-x
摘要

Abstract Artificial photosynthesis using carbon nitride (g-C 3 N 4 ) holds a great promise for sustainable and cost-effective H 2 O 2 production, but the high carrier recombination rate impedes its efficiency. To tackle this challenge, we propose an innovative method involving multispecies iodine mediators (I − /I 3 − ) intercalation through a pre-photo-oxidation process using potassium iodide (suspected deteriorated “KI”) within the g-C 3 N 4 framework. Moreover, we introduce an external electric field by incorporating cationic methyl viologen ions to establish an auxiliary electron transfer channel. Such a unique design drastically improves the separation of photo-generated carriers, achieving an impressive H 2 O 2 production rate of 46.40 mmol g −1 h −1 under visible light irradiation, surpassing the most visible-light H 2 O 2 -producing systems. Combining various advanced characterization techniques elucidates the inner photocatalytic mechanism, and the application potential of this photocatalytic system is validated with various simulation scenarios. This work presents a significative strategy for preparing and applying highly efficient g-C 3 N 4 -based catalysts in photochemical H 2 O 2 production.
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