Structural design of thiadiazole-based donor–acceptor COF/Fe-doped N vacancy g-C3N nanosheets for photocatalytic nitrogen fixation under visible light

光催化 空位缺陷 可见光谱 石墨氮化碳 材料科学 光化学 结晶度 电子受体 无机化学 化学工程 化学 光电子学 结晶学 有机化学 催化作用 复合材料 工程类
作者
Hui Wang,Yuhan Xiong,Liang Wang,Yi He,Meihui Chen,Jie Ding,Nanqi Ren
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier BV]
卷期号:662: 357-366 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.02.034
摘要

The rational design of efficient photocatalysts to achieve artificial nitrogen fixation is an urgent challenge. Herein, we combined donor–acceptor covalent organic framework with iron-doped nitrogen vacancy graphitized carbon nitride (D-A COF/Fe-g-C3Nx) for photocatalytic nitrogen fixation. The photocatalyst exhibited good crystallinity, high porosity, and a large specific surface area. Without a sacrificial agent, the optimal 40 % D-A COF/Fe-g-C3Nx exhibited an excellent rate of ammonia production (646 μmol h−1 g−1) at 420 nm, and durable stability after successive cycling. Exhaustive experimental research and theory calculations verified that the D-A unit and Fe doping redistributed the distribution of the charge, which enhanced the visible light utilization and provided chemisorption sites for further polarization. Besides N-vacancies can serve as electron-trapping active sites to promote the directional migration of carriers. The reaction mechanism demonstrated that superoxide radical and hydrogen peroxide were formed by electron and hole, respectively, which promote the reduction of nitrogen to ammonia. This work provides a new idea for the rationalizing design of efficient catalysts for photocatalytic nitrogen fixation under mild conditions.
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