Efficient photocatalytic H2O2 production over K+-intercalated crystalline g-C3N4 with regulated oxygen reduction pathway

光催化 化学 石墨氮化碳 结晶度 吸附 氧气 电子转移 选择性 催化作用 光化学 结晶学 有机化学
作者
Qiqi Zhang,Bing Wang,Hui Miao,Jun Qin Fan,Tao Sun,Enzhou Liu
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:482: 148844-148844 被引量:102
标识
DOI:10.1016/j.cej.2024.148844
摘要

Photocatalytic H2O2 production via the oxygen reduction pathway is an ideal sustainable technique, while it faces challenges such as sluggish exciton dissociation and charge transfer, as well as limited oxygen adsorption. Here, we successfully synthesized K+-intercalated porous crystalline carbon nitride nanosheets with cyano group modification (KCN) using a one-step potassium salt-assisted thermal copolymerization strategy. The incorporation of K+, high crystallinity and cyano group result in an enhancement of light absorption, as well as the promotion of carrier separation and bulk charge migration. The facilitated adsorption and transfer of O2 and H+ accelerate surface reaction kinetics. The optimal H2O2 production rate of KCN-1 (11.2 mmol‧g−1‧h−1) is approximately 17 times higher than that of pristine CN (0.616 mmol‧g−1‧h−1). Additionally, KCN-1 demonstrates exceptional stability and high two-electron reduction selectivity. DFT calculations were employed to elucidate the role of K+ in both structural composition and activity improvement. KCN-1 not only can generate more O2− for H2O2 synthesis, but also facilitates the one-step two-electron direct reduction pathway from O2 and a novel formation reaction from 1O2 intermediate to H2O2. This study confirms that effective regulation of molecular structure and optimization of reaction pathways are advantageous for constructing efficient H2O2 synthesis systems.
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