​港大EES：原位质子化磷间隙掺杂多孔C3-xN4光催化剂实现高效产氢

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​港大EES：原位质子化磷间隙掺杂多孔C3-xN4光催化剂实现高效产氢
光催化水分解是一种非常理想的零碳净排放的绿色氢气生产方法。许多研究都集中在开发具有合适能带结构的半导电材料，这些材料可以加速载流子迁移并增强光吸收。通过空位辅助电子结构调控、相变和单原子掺杂等方法，单组分光催化剂的工程最近被重新点燃。另一方面，双组分光催化剂（如TiO2/MoS2, WO3/BiVO4和MoS2/WS2）通过快速的界面载体转移来提高效率也受到了广泛的考虑。不幸的是，与大多数Type-Ⅱ和Z型异质结光催化系统一样，当两个耦合的催化剂出现交错的带边时，动态效率的提高是以氧化还原电势的降低为代价的。开发一种能动态有效地将太阳能转化为氢气且具有高氧化还原能力和稳定性的催化剂是非常具有挑战性的。
因此，香港大学郭正晓和Phillips David Lee（共同通讯）等人展示了孔隙率、空位和浅层电荷捕获工程策略的协同策略，以通过热化学处理和磷间隙掺杂来丰富催化位点并延长活性电子的寿命。
​港大EES：原位质子化磷间隙掺杂多孔C3-xN4光催化剂实现高效产氢
可见光驱动(λ>400 nm)，以TEOA（10 vol%）作为空穴牺牲剂，Pt（助催化剂，3 wt%）作为电子受体，测试了制备的催化剂的产氢特性。通过光还原法将Pt纳米团簇锚定在Pi-Ho@C3-xN4表面，与BCN (790 μmol h-1 g-1)、FCN (1014 μmol h-1 g-1)和UCN (2187 μmol h-1 g-1)相比，Ho@C3-xN4表现出最高的光催化产氢活性(2746 μmol h-1 g-1)，性能的提升是因为表面积的增加，催化位点密度和氧化还原能力的提高。通过对P掺杂水平的优化，在Pi-Ho@C3-xN4光催化剂上，光催化产氢率达到了6323 μmol h-1 g-1的最大值，比BCN样品高8倍。
然而，过量的P掺杂剂可能形成电子-空穴对的潜在复合中心，因此，当磷前驱体增加到250 mg时，产氢速率降低到4249 μmol h-1 g-1。热掺杂温度的控制实验表明，最佳温度为450 ℃。模拟日光（AM 1.5）和可见光照射下（λ >400 nm）的光催化产氢特性，H2的产生速率从Pi-Ho@C3-xN4>Ho@C3-xN4>BCN依次降低。
​港大EES：原位质子化磷间隙掺杂多孔C3-xN4光催化剂实现高效产氢
本文设计并合成了一种高效的g-C3-xN4基光催化剂，该催化剂结合了介孔和磷间隙掺杂的强协同作用。此外，原位的质子辅助磷间隙桥增强了g-C3-xN4孔中的浅层电荷捕获。由此产生的Pi-Ho@C3-xN4光催化剂大大增强了可见光驱动的产氢过程的光动力学。富孔的g-C3N4直接提高了光催化氧化还原能力，暴露了更多的催化位点和碳空位。重要的是，磷的间隙掺杂提供了一个新的电荷转移通道(-N-p=N-)，具有强大的驱动力以保证电荷载流子和长寿命活性中间体的高效空间分离。
理论模拟和原位瞬态吸收光谱清楚地显示了氢端催化剂中浅层捕获电荷的寿命加倍以及高效动力学。这项工作为改善载流子动力学和光催化性能提供了一种新机制，有利于电子参与光催化产氢的高迁移率。这项工作为改善载流子动力学和光催化性能提供了一种新机制。
​港大EES：原位质子化磷间隙掺杂多孔C3-xN4光催化剂实现高效产氢
In-situ protonated-phosphorus interstitial doping induces long-lived shallow charge trapping in porous C3-xN4 photocatalyst for highly efficient H2 generation, Energy & Environmental Science, 2022, DOI: 10.1039/d2ee02680e.
https://doi.org/10.1039/D2EE02680E.

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