Increased solar absorption and promoted photocarrier separation in atomically thin 2D carbon nitride sheets for enhanced visible-light photocatalysis

光催化 材料科学 带隙 氮化碳 光化学 可见光谱 氮化物 退火(玻璃) 吸收(声学) 光电子学 载流子 纳米技术 化学 催化作用 有机化学 复合材料 图层(电子)
作者
Yu Zhang,Yong Wang,Wei Xu,Yizhang Wu,Chengxin Zeng,Youqing Wang,Wei Zhong,Rusen Yang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:431: 133219-133219 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.133219
摘要

Atomically thin two-dimensional (2D) carbon nitride (CN) has been widely used in solar energy conversion as a metal-free photocatalyst. However, because of the wide band gap (3.06 eV) and rapid recombination of photogenerated electron-hole pairs, the visible-light photocatalytic efficiency of CN is still low. In this study, successful preparation of sulphur-doped and nitrogen-vacant CN (S-CNV) by annealing CN in S vapour is reported. The photocatalytic hydrogen production rate of S-CNV under visible-light irradiation (>420 nm) reached 5192.2 μmol h−1 g−1, which is much higher than that of previously reported CN. The structural characterisations combined with theoretical calculations show that (i) the formation of C-S-C bonds and introduction of nitrogen vacancies in the edges can narrow the band gap of CN from 3.06 to 2.79 eV, which expands the visible-light absorption band; and (ii) the S-CNV charge distribution has local characteristics, which promotes the separation and transmission of photogenerated carriers. This study provides a new approach to narrow the band gap and promote the photoexcited carrier separation in 2D carbon-nitride-based materials.
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