Doping-induced metal–N active sites and bandgap engineering in graphitic carbon nitride for enhancing photocatalytic H2 evolution performance

光催化 兴奋剂 材料科学 石墨氮化碳 金属 氮化碳 碳纤维 催化作用 带隙 化学工程 纳米技术 氮化物 光电子学 化学 复合数 复合材料 冶金 图层(电子) 生物化学 工程类
作者
Xiaohui Yu,Haiwei Su,Jian‐Ping Zou,Qinqin Liu,Lele Wang,Hua Tang
出处
期刊:Chinese Journal of Catalysis [China Science Publishing & Media Ltd.]
卷期号:43 (2): 421-432 被引量:126
标识
DOI:10.1016/s1872-2067(21)63849-4
摘要

Durable and inexpensive graphitic carbon nitride (g-C3N4) demonstrates great potential for achieving efficient photocatalytic hydrogen evolution reduction (HER). To further improve its activity, g-C3N4 was subjected to atomic-level structural engineering by doping with transition metals (M = Fe, Co, or Ni), which simultaneously induced the formation of metal–N active sites in the g-C3N4 framework and modulated the bandgap of g-C3N4. Experiments and density functional theory calculations further verified that the as-formed metal–N bonds in M-doped g-C3N4 acted as an “electron transfer bridge”, where the migration of photo-generated electrons along the bridge enhanced the efficiency of separation of the photogenerated charges, and the optimized bandgap of g-C3N4 afforded stronger reduction ability and wider light absorption. As a result, doping with either Fe, Co, or Ni had a positive effect on the HER activity, where Co-doped g-C3N4 exhibited the highest performance. The findings illustrate that this atomic-level structural engineering could efficiently improve the HER activity and inspire the design of powerful photocatalysts.
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