Carbon Nitride–Aromatic Diimide–Graphene Nanohybrids: Metal-Free Photocatalysts for Solar-to-Hydrogen Peroxide Energy Conversion with 0.2% Efficiency

化学 氮化碳 石墨烯 光催化 光化学 二亚胺 分解水 材料科学 化学工程 催化作用 无机化学 碳纤维 纳米技术 有机化学 分子 复合材料 工程类 复合数
作者
Yusuke Kofuji,Y. Isobe,Yasuhiro Shiraishi,Hirokatsu Sakamoto,Shunsuke Tanaka,Satoshi Ichikawa,Takayuki Hirai
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (31): 10019-10025 被引量:550
标识
DOI:10.1021/jacs.6b05806
摘要

Solar-to-chemical energy conversion is a challenging subject for renewable energy storage. In the past 40 years, overall water splitting into H2 and O2 by semiconductor photocatalysis has been studied extensively; however, they need noble metals and extreme care to avoid explosion of the mixed gases. Here we report that generating hydrogen peroxide (H2O2) from water and O2 by organic semiconductor photocatalysts could provide a new basis for clean energy storage without metal and explosion risk. We found that carbon nitride-aromatic diimide-graphene nanohybrids prepared by simple hydrothermal-calcination procedure produce H2O2 from pure water and O2 under visible light (λ > 420 nm). Photoexcitation of the semiconducting carbon nitride-aromatic diimide moiety transfers their conduction band electrons to graphene and enhances charge separation. The valence band holes on the semiconducting moiety oxidize water, while the electrons on the graphene moiety promote selective two-electron reduction of O2. This metal-free system produces H2O2 with solar-to-chemical energy conversion efficiency 0.20%, comparable to the highest levels achieved by powdered water-splitting photocatalysts.
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