硫摻雜石墨相氮化碳的光催化固氮性能中氮空穴對氮氣分子活化的提升作用

編號：CPJS06932

篇名：硫摻雜石墨相氮化碳的光催化固氮性能中氮空穴對氮氣分子活化的提升作用

作者：李政 顧貴洲 胡紹爭 鄒熊 武光

關鍵詞： 石墨相氮化碳 氮氣光固定 共摻雜 光催化作用 等離子體處理

機構： 遼寧石油化工大學化學化工與環(huán)境學部 黑龍江大學化學化工與材料學院 大連理工大學化工學院

摘要： 地球上的氮元素十分豐富并主要以氮氣形式存在.然而,由于氮的化學及生物惰性,大多數(shù)生物體不能直接吸收氮.因此,人工固氮過程被稱為繼光合作用之后的第二大化學反應.目前工業(yè)上常用的固氮技術為Haber-Bosch法,該方法能耗高且使用的原料氫氣十分危險.因此,尋找更加節(jié)能、綠色、安全的固氮技術迫在眉睫.石墨相氮化碳作為一種非金屬半導體光催化劑近年來受到研究者青睞.氮化碳化學性質穩(wěn)定,能帶寬度適中,且耐酸堿腐蝕.然而,氮化碳的反應活性位較少,量子效率較低,而且由于光能的能量密度較低,反應物N2分子難以活化,因此光催化固氮性能并不理想.有研究報道稱晶格缺陷能作為反應活性位活化氮氣分子,提高光催化固氮性能.本文采用介質阻擋放電等離子體法制備了硫和氮空穴共摻雜的石墨相氮化碳催化劑,考察了硫的引入對催化劑光催化固氮性能的影響. XRD, UV-Vis和氮氣吸附結果表明,摻雜未改變催化劑的比表面積,但使得氮化碳催化劑晶格發(fā)生了細微扭曲,且改變了催化劑的電子結構,降低了能帶寬度.通過XPS結果推測了硫元素與氮空穴的相對位置,并確定硫元素取代了氮元素,以S–C鍵的形式摻入到催化劑晶格中.采用N2-TPD法分析了催化劑對氮氣分子的吸附能力,發(fā)現(xiàn)氮空穴是氮氣分子的化學吸附位.硫的引入能促進氮空穴對氮氣分子的吸附與活化能力. PL光譜結果證實硫和氮空穴摻雜均對電子空穴對的分離有促進作用.不同氣氛下的PL光譜結果表明,光電子能通過氮空穴從催化劑轉移至吸附的氮氣分子上. DFT計算結果顯示,氮氣分子吸附在氮空穴上,吸附后的N≡N鍵長為1.331 A,小于非吸附狀態(tài)的N≡N鍵長(1.157 A).而引入硫以后,氮氣分子同樣吸附在氮空穴上,N≡N鍵長進一步增大到1.415 A,且氮氣分子的吸附能也顯著降低.這些結果都說明硫的引入提高了�