V族二维材料/碳氮纳米片的构筑及其可见光催化还原性能研究

Two-dimensional (2D) materials of group-V elements/carbon-nitrogen nanosheets composite photocatalysts will be employed for photocatalytic hydrogen evolution and nitrogen fixation in this project. The formation mechanisms of 2D group-V elements/ carbon-nitrogen nanosheets, such as phosphorene, arsenene, antimonene, will be investigated. The formation mechanisms of new bonds and the alteration of the interaction will be explored via altering interaction between 2D group-V elements and carbon-nitrogen nanosheets. The morphology, chemical structure, band structure and charge mobility will be studied through the characterization of physical, chemical and photoelectric properties. In addition, the correlation between the properties of photocatalysts and photocatalytic reduction efficiency will be investigated. The reaction pathways and mechanisms of photocatalytic hydrogen evolution and nitrogen fixation on 2D group-V elements/ carbon-nitrogen nanosheets will be illustrated. In summary, this project will not only provide a useful guidance for the design of 2D group-V elements with high visible light photocatalytic efficiency, but also have positive meaning on broadening the application of photocatalytic technology and offer a novel method to solve the energy problem by exploring photocatalytic hydrogen evolution and nitrogen fixation.

本课题拟构筑V族二维材料/碳氮纳米片体系，并将其用于可见光催化产氢和固氮。研究磷烯、砷烯和锑烯等V族二维材料与碳氮纳米片的构筑机理；通过调变V族二维材料与碳氮纳米片间的相互作用力，探讨复合材料构筑过程中的作用力变化和新键形成机理；对V族二维材料/碳氮纳米片进行物化特性及光电特性表征，研究其结构形貌、能带结构和电荷迁移率等性质；揭示V族二维材料/碳氮纳米片特性与光催化还原效率间的构效关系；阐明V族二维材料/碳氮纳米片光催化产氢和固氮的反应路径和反应机理。本研究不仅为开发高效的新型V族二维可见光催化材料提供有益指导，而且通过探索其可见光催化产氢和固氮性能，可拓宽光催化技术的研究与应用范畴，同时也为解决当前面临的能源短缺问题提供了一个新的解决思路。

本项目针对V族二维材料的设计和应用，分别制备出石墨烯修饰红磷（xrGORP）、黑磷/氮化碳纳米片、锑纳米片、2D/2D锑纳米片/氮化碳纳米片异质结等催化剂，并将所得催化剂用于可见光催化和电催化固氮。研究结果表明，石墨烯的引入使得rGORP的可见光吸收能力和光生载流子分离效率得以提升，rGORP的可见光催化固氮效率由此得到提升。在此基础上，进一步通过热固化法使黑磷与石墨相氮化碳纳米片以C-P键复合，这一策略提高了黑磷/氮化碳纳米片的光吸收能力，且石墨相氮化碳的π共轭体系被C-P键破坏，使得价带电子更易被激发，使得该催化剂的固氮速率达到了347.5 μmol L−1 h−1。针对另一种V族元素Sb，通过酸剥离法制得锑纳米片，硫酸可使锑层剥离，且其强氧化性使Sb层边缘被氧化；此外，剥离过程形成的孔道结构为N2吸附提供了通道，将Sb片用于电催化固氮时，NH3产率为2.08 μg h-1cm-2，相应的法拉第效率为14.25%。此外，利用一步化学剥离法制备锑纳米片/氮化碳纳米片复合催化剂，并研究了该催化剂对大肠杆菌的光催化灭菌性能及机理。结果表明，光生空穴可直接参与反应，使大肠杆菌的膜通透性被破坏，并快速释放出总糖、蛋白质、K+、Na+等物质，4.55 log10(cfu·mL-1)的大肠杆菌在2h后即可被彻底清除。本项目获得的一系列V族二维材料/石墨相氮化碳纳米片复合材料可为二维材料的设计制备提供借鉴，该类催化剂在光催化/电催化固氮中的应用结果可为催化固氮技术的发展提供技术支持。