General Method to Introduce π-Electrons into Oxygen-Doped Porous Carbon Nitride for Photocatalytic Hydrogen Evolution and Toluene Oxidation

光催化 材料科学 石墨氮化碳 氮化碳 碳纤维 化学工程 甲苯 光化学 制氢 化学 催化作用 有机化学 复合材料 复合数 工程类
作者
Zongzhao Sun,Yueyang Tan,Xinkai Shi,Bingwen Li,Xinfang Wang,Jiangwei Wen,Limin Huang,Woon‐Ming Lau
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (2): 1051-1061 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c06962
摘要

π-Electrons have been successfully connected to an oxygen-doped porous carbon nitride by one-pot pyrolysis of the mixture of urea, ethanol, and 4-iodobenzaldehyde (IBD) in the atmosphere. The resulting COCN20 exhibits superior photocatalytic hydrogen production up to 6.88 mmol h–1 gcat–1 with a relatively high apparent quantum efficiency (20.6% at 325 nm) as well as toluene oxidation with an outstanding conversion rate of 3.75 mmol h–1 gcat–1 under 460 nm irradiation. Other π-electrons from aromatic heterocycles could also be grafted to the network for the general synthesis, demonstrating higher hydrogen evolution rates (e.g., 9.32 mmol h–1 gcat–1 with the thiophene-π-electrons coupling). The enhanced n → π* electron transition and activated midgap states are found to extend the light-responsive region and improve the capture of effective electrons, while the novel porous architecture encourages the efficient mass-transfer rate and improves light harvesting. This work showcases a straightforward and scalable approach to fabricate immensely proficient photocatalysts composed of porous carbon nitride. Furthermore, it opens up a novel pathway for the methodical development and production of sophisticated photocatalysts that harness the powerful synergistic effects achieved by simultaneously adjusting and refining the electronic, surface, and molecular structures.
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