Mesoporous Carbon Nitride with π-Electron-Rich Domains and Polarizable Hydroxyls Fabricated via Solution Thermal Shock for Visible-Light Photocatalysis

氮化碳 材料科学 光催化 化学物理 光化学 激子 介孔材料 离域电子 半导体 纳米技术 化学工程 光电子学 化学 有机化学 凝聚态物理 催化作用 物理 工程类
作者
Zhimin Zhai,Huihui Zhang,Fushuang Niu,Peiying Liu,Jiajia Zhang,Hongbin Lu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 21002-21012 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c08643
摘要

Carbon nitride semiconductors are competitive candidates for visible-light-responsive photocatalysts, but encounter weakened exciton dissociation arising from the elevated Coulomb force of singlet Frenkel excitons with narrowing bandgaps. We overcome this contradiction by co-infusing π-electron-rich domains and polarizable hydroxyl units into mesoporous carbon nitride, realized by solution thermal shock. The embedded delocalized π-conjugated aromatic domains derived from nonconjugated macromolecules downshift the conduction band edge and contribute to spatial separation of photogenerated electrons in the lowest unoccupied molecular orbital and holes in the highest occupied molecular orbital. Meanwhile, polarizable hydroxyls induce distinct electron flow from heptazine-based skeletons to periphery sites and enhance water adsorption as well as proton reduction capacity. Consequently, the polymeric carbon nitride delivers an enhanced hydrogen evolution rate that is 17.5 times larger than thermally treated counterparts derived from urea fabricated via conventional strategies. These results show that our strategy can infuse different functional motifs into carbon nitride and thus improve photocatalytic activity.
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