北理工在石墨相氮化碳改性及其應(yīng)用于環(huán)境和能源領(lǐng)域取得重要研究進展
發(fā)布日期：2022-03-10 供稿：生命學(xué)院 攝影：生命學(xué)院
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近日,，北京理工大學(xué)生命學(xué)院綠色生物制造課題組在石墨相氮化碳（g-C3N4）改性及其在環(huán)境和能源應(yīng)用方面取得重要研究進展,，相關(guān)成果以“Hollow Polymeric Ionic Liquid Spheres with Hierarchical Electron Distribution: A Novel Composite of g-C3N4 for Visible Light Photocatalytic Water Splitting Enhancement”為題發(fā)表于頂級權(quán)威期刊《Chemical Engineering Journal》（影響因子13.273）,，北京理工大學(xué)生命學(xué)院2019級博士生賀濱與天津大學(xué)化工學(xué)院2018級博士生陳圣新為該工作共同第一作者，通訊作者為孫劍教授,。
圖1 課題組基于石墨相氮化碳所開展的系列工作
作為一種可見光響應(yīng)的非金屬有機半導(dǎo)體,，石墨相氮化碳（g-C3N4）具有合成簡單、物化性質(zhì)穩(wěn)定,、綠色經(jīng)濟,、可見光響應(yīng)、帶隙合適等優(yōu)點,，被廣泛應(yīng)用于污水處理,、CO2還原、光解水制氫等環(huán)境和能源領(lǐng)域,。由于原始的g-C3N4存在比表面積低,、載流子復(fù)合嚴重、可見光利用率低等問題,，需要對其進行結(jié)構(gòu)改性,。為此，課題組前期研究了不同改性策略,，包括構(gòu)筑生物質(zhì)衍生異質(zhì)結(jié),、離子修飾同質(zhì)結(jié)等，以求獲得性能優(yōu)異的g-C3N4基催化劑,，并將其應(yīng)用于水污染治理,，能源轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域（圖1）。例如,，利用自然界中廣泛存在的海洋類生物質(zhì)-甲殼素作為碳前驅(qū)體,，通過一步熱聚合法構(gòu)筑了生物基碳/g-C3N4異質(zhì)結(jié)（CDC/CN）,，提高了對可見光吸收，促進了載流子的分離,，對降解染料的能力有大幅提升（圖2a）（ Appl. Surf. Sci., 2020, 527, 146737 ）,。進而，在綜述文章中系統(tǒng)總結(jié)了現(xiàn)有研究中不同維度碳材料（從零維到三維）與g-C3N4構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)異,，對于g-C3N4 性能的影響機制（圖2b）（ Green Energy Environ., 2021, 6, 823 ）,。為進一步提升異質(zhì)結(jié)的促進效應(yīng)，整合了離子修飾與異質(zhì)結(jié)的雙重優(yōu)勢,，發(fā)展了K+修飾的1D/2D同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),，在處理難降解抗生素污水中表現(xiàn)出良好的潛力（圖2c）（ Appl. Surf. Sci., 2022, 575, 151695 ）。
圖2 (a) 一步熱聚合法構(gòu)筑生物質(zhì)衍生碳/g-C3N4異質(zhì)結(jié)示意圖,；(b) 不同維度碳材料（從零維到三維）構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖,；(c) K+修飾的1D/2D同質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)合成機理。
為了實現(xiàn)改性策略的突破,，課題組基于離子液體微環(huán)境及其過程強化機制方面的長期積累,，提出了以聚合離子液體作為“電子儲體”的概念，發(fā)展了具有層級電子分布的中空聚合離子液體微球 (PIL- x ), 并將其用于修飾的g-C3N4,。利用其陰陽離子可以調(diào)控殼結(jié)構(gòu)中不同電子層厚度,，影響體系的電子傳輸儲備行為，獲得了性能優(yōu)異的產(chǎn)氫催化劑（圖3）（ Chem. Eng. J., 2022, 135625 ）,。該工作拓寬了聚合離子液體的應(yīng)用范圍,，為g-C3N4及其他光催化劑的改性提供了一條新的思路，對于開發(fā)高效的光催化劑具有重要的意義,。
圖3 (a) 構(gòu)筑PIL- x /g-C3N4復(fù)合體系示意圖; (b) 復(fù)合體系產(chǎn)氫性能對比,。
論文詳情：Bin He#, Shengxin Chen#, Yuandong Cui, Xinyan Chen, Yu Lei, Jian Sun*. Hollow Polymeric Ionic Liquid Spheres with Hierarchical Electron Distribution: A Novel Composite of g-C3N4 for Visible Light Photocatalytic Water Splitting Enhancement, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135625.
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722011263
附課題組簡介：
綠色生物制造課題組圍繞國家“雙碳”和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需求，注重化學(xué),、生物,、化工、材料等多學(xué)科交叉融合,，開展功能化離子液體基礎(chǔ)及應(yīng)用研究,，具體方向包括功能化離子液體設(shè)計及微環(huán)境作用，生物基化學(xué)品和材料合成,，光,、電、熱,、生物等過程耦合,，以及仿生功能器件構(gòu)建等。課題組長為孫劍教授，博導(dǎo),，國家高層次青年人才計劃入選者,，中國纖維素行業(yè)協(xié)會技術(shù)委員會副主任，中國化工學(xué)會離子液體專委會委員,，中國膜工業(yè)協(xié)會醫(yī)藥生物用膜技術(shù)委員會委員,。長期從事基于離子液體的綠色過程研究，在 Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Chem. Eng. J. 等國際著名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇,，授權(quán)中國發(fā)明專利21項,、美國專利3項、日本專利1項,；主持和參與國家級高層次青年人才計劃、國家自然科學(xué)基金等項目10余項,；現(xiàn)擔任 Energy Environ. Mater., Chinese J. Chem. Eng., Green Chem. Eng. 等期刊青年編委,。課題組歡迎具有相關(guān)專業(yè)或背景的學(xué)子報考，同時長期招聘博士后和研究人員,。
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