Nitrogen‐Rich Carbon Dot‐Mediated n→π* Electronic Transition in Carbon Nitride for Superior Photocatalytic Hydrogen Peroxide Production

材料科学 光催化 纳米片 氮化碳 水热合成 异质结 带隙 制氢 碳纤维 纳米技术 热液循环 化学工程 催化作用 光电子学 有机化学 化学 复合材料 工程类 复合数
作者
Huazhang Guo,Zhou Li,Kai Huang,Yongqiang Li,Weidong Hou,Huange Liao,Cheng Lian,Siwei Yang,Deli Wu,Zhendong Lei,Zheng Liu,Liang Wang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:34 (38) 被引量:38
标识
DOI:10.1002/adfm.202402650
摘要

Abstract Solar‐driven synthesis of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) through photocatalysis stands out as a promising avenue for sustainable energy generation, marked by environmental friendliness and industrial feasibility. However, the inherent limitations of carbon nitride (CN) in photocatalytic H 2 O 2 production significantly impede their performance. Herein, a novel 0D/2D carbon dots‐modified CN nanosheet heterojunction (CDsMCN) is introduced, synthesized through a hydrothermal‐calcination tandem strategy induced by CDs derived from melamine. This innovative technique enhances the n→π* electronic transition in CDsMCN, accelerating the separation efficiency of electron‐hole pairs, boosting oxygen adsorption, and promoting a highly selective 2e − ORR. Comparative to pristine CN, CDs 10 MCN exhibited a remarkable tenfold increase in H 2 O 2 production, reaching an impressive 1.48 mmol L −1 . Furthermore, CDs 10 MCN demonstrates exceptional stability, maintaining its catalytic efficiency at the initial level over four consecutive cycles. The notable achievement of a molar selectivity of H 2 O 2 ≈80% at an onset potential of 0.6 V (vs RHE) underscores its exceptional ability to produce the desired product selectively. Advanced in situ characterization together with DFT calculations revealed that the ultrathin CDs 10 MCN nanosheet heterojunction with enhanced n→π* electronic transition improves its optical properties, reduces bandgap, facilitates fast charge migration, and increases photocatalytic H 2 O 2 performance, thereby serving as a promising candidate for advanced catalytic applications.
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