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Rational design of carbon nitride for remarkable photocatalytic H2O2 production

过电位 石墨氮化碳 光催化 氮化碳 分解 化学 碳纤维 材料科学 析氧 氮化物 氮气 化学工程 催化作用 光化学 无机化学 纳米技术 有机化学 物理化学 电化学 电极 复合材料 图层(电子) 复合数 工程类
作者
Heng Zhao,Jin Qiu,Mohd Adnan Khan,Steve Larter,Samira Siahrostami,Md Golam Kibria,Jinguang Hu
出处
期刊:Chem catalysis [Elsevier]
卷期号:2 (7): 1720-1733 被引量:77
标识
DOI:10.1016/j.checat.2022.04.015
摘要

Photocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) on graphitic carbon nitride offers a sustainable route to produce H2O2. However, the current solar-to-H2O2 conversion efficiency is still limited by the high overpotential of 2e-ORR process and in situ H2O2 decomposition. Here, we aim to overcome these challenges by introducing the heteroatomic oxygen and cyano group. Density functional theory (DFT) study reveals that oxygen doping at the pristine position of graphitic nitrogen significantly contributes to reducing the overpotential for H2O2 formation. The introduced cyano group coupled with amino nitrogen at the edge of crystalline nanosheets synergistically interacts with doped oxygen to further boost H2O2 production and also efficiently inhibits H2O2 decomposition. As a result, visible light-driven H2O2 production at 5.57 mM/h is achieved along with selective counterpart oxidation of isopropanol to acetone at 100% selectivity. A rigorous process model combined with a techno-economic analysis (TEA) provides guidance for the development of an economically feasible photocatalytic H2O2 production process.
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