Improvement of photocatalytic activity of g-C3N4 by five-membered heterocyclic small molecule modifications: A theoretical prediction

光催化 吡咯 过电位 石墨氮化碳 噻吩 密度泛函理论 光化学 分子 材料科学 可见光谱 分解水 催化作用 氧化还原 化学 计算化学 物理化学 无机化学 光电子学 电化学 有机化学 电极
作者
Yongli Zhang,Chunjin Ren,Yongfan Zhang,Wei Lin,Kaining Ding
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:478: 119-127 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2019.01.128
摘要

Graphitic carbon nitride (g-C3N4), as an attractive photocatalyst, has been extensively modified for enhancing its photocatalytic activity. In the present work, the electronic structure, carrier separation efficiency, band edges position, and optical property of g-C3N4 catalyst modified by five-membered heterocyclic small molecules as a ligand (thiophene, furan, pyrrole, or pyrryl) have been investigated by means of the Density Functional Theory (DFT) calculations. The results show that the carrier migration and separation efficiency as well as the utilization of visible light were enhanced after all four types of modifications. However, considering the relationship of overpotential of water redox reaction over g-C3N4 and band edge positions with respect to the water redox potentials, only adsorbing pyrrole can meet the requirements of the over-potential of the photoelectrochemical (PEC) splitting of water to generate H2 and O2. Due to the more activating n–π* electrons transitions in the distorted configurations, the optical absorption curves of the surface modified g-C3N4 systems are all red-shifted, while only the pyrrole modified system has two impurity energy levels, which indicates the rapid electron transit. Based on the above analysis, we propose that pyrrole should be an excellent ligand for the modification of g-C3N4 to improve the photocatalytic activity under visible light irradiation.
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