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A new understanding of the photocatalytic mechanism of the direct Z-scheme g-C3N4/TiO2heterostructure

异质结 光催化 带偏移量 材料科学 电子 电场 载流子 单层 光电子学 价带 纳米技术 化学 带隙 物理 催化作用 量子力学 生物化学
作者
Jianjun Liu,Bei Cheng,Jiaguo Yu
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:18 (45): 31175-31183 被引量:494
标识
DOI:10.1039/c6cp06147h
摘要

Constructing a TiO2 based heterostructure is a very effective strategy for enhancing photocatalytic performance. The details of the electronic structure, interfacial interaction, and photogenerated carrier separation are important for explaining the photocatalytic properties of a heterostructure. Herein, the density of states, charge distribution, and the band offset of the monolayer g-C3N4/TiO2 heterojunction are systematically investigated through the hybrid DFT method. Results indicated that the valence band offset and the conduction band offset of the g-C3N4/TiO2 heterostructure were 0.40 and 0.18 eV, respectively. Interfacial interaction made the TiO2 surface with negative charge, whereas the g-C3N4 surface with positive charge, which led to the formation of a built-in electric field at the interface. Under illumination, the built-in electric field accelerates the transfer of photoexcited electrons in the CB of TiO2 into the VB of g-C3N4, thus resulting in the photoexcited electrons and holes naturally accumulating in the CB of g-C3N4 and the VB of TiO2, respectively. The photoexcited electrons and holes gathering in different surface regions efficiently prolonged the lifetime of photogenerated carriers. Meanwhile, electrons in the CB of g-C3N4 and holes in the VB of TiO2 had a stronger redox ability. Therefore, g-C3N4/TiO2 is a direct Z-scheme photocatalyst, and the Z-scheme heterostructure mechanism can well explain the improved photocatalytic activity of the g-C3N4/TiO2 heterostructure.
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