【背景介紹】

      太陽能驅動的光催化裂解水制氫是同時解決能源危機和環境污染問題的重要途徑。在已報道的光催化材料中，氮化碳(C3N4)是一種很有前途的光催化裂解水制氫的半導體材料。鉑(Pt)是光催化制氫的優秀候選者，因為它對氫的吸附吉布斯自由能接近于零，并且可以為電荷轉移提供額外的活性位點。目前，Pt團簇負載的方法主要是煅燒法和還原法，但這些傳統的方法可能會對材料的襯底造成損傷，導致活性位點分布不均勻。焦耳熱處理可以在超短的時間內達到目標溫度，快速的溫度變化率不僅可以防止金屬的團聚和不穩定分散，而且可以在催化劑表面形成大量的空位，從而形成具有空位和團簇的雙活性位點的催化劑。因此，采用快速焦耳加熱法設計含空位的納米尺寸Pt基光催化劑可以增強反應動力學，協同提高光催化制氫的活性。

【內容簡介】

        日前，中國海洋大學化學化工學院海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室的孟祥超教授課題組在Separation and Purification Technology上發表了題為“Rapid Joule heating synthesis of Pt clusters on C3N4 with abundant nitrogen vacancies for highly-efficiently photocatalytic H2 production”的研究文章，作者通過快速焦耳熱法制備了富氮空位的Pt/C3N4光催化劑(Pt/NV-CN)。與傳統的管式爐加熱方法不同，快速焦耳熱法可以實現一步法同時構建氮空位和Pt團簇。實驗和理論計算表明，金屬(Pt)和底物(C3N4)之間存在快速的電荷轉移，雙活性位點(即氮空位和Pt簇)會降低氫吸附能。因此，制備的Pt/NV-CN具有良好的產氫活性，產氫率高達323.90 μmol/h/g，大大高于傳統管式爐制得的Pt/CN-d-VN (97.08 μmol/h/g)。本研究提供了一種同時構建氮空位并負載Pt團簇在C3N4上以實現高效光催化制氫的新方法。

【圖文速覽】

圖1 (a) Pt/NV-CN的合成示意圖，(b) BCN，(c) NV-CN，(d) Pt/NV-CN的SEM圖像，(e) NV-CN，(f, g) Pt/NV-CN在不同放大倍數下的TEM圖像，(h) Pt/NV-CN，(i) Pt/CN-d-VN上Pt的分布。

圖2 (a) XRD譜圖，(b) XPS全譜圖，(c) C 1s譜圖，(d) N 1s譜圖，(e) EPR譜圖，(f) Pt 4f譜圖。

圖3 (a) BCN、NV-CN、Pt/CN-d-VN和Pt/NV-CN的光催化產氫性能圖，(b)不同Pt負載量的產氫性能圖，(c)不同負載金屬的產氫性能圖，(d)不同煅燒溫度下得到的Pt/NV-CN的產氫性能圖，(e) Pt/NV-CN循環試驗，(f) Pt/NV-CN的AQE，(g, h)Pt/NV-CN循環試驗前后的XPS光譜。

圖4 (a) PL光譜，(b)瞬態PL光譜，(c)光電流響應，(d) EIS譜圖。

圖5 (a) DRS光譜，(b) Tacu圖，(c) XPS價帶譜，(d)能帶結構示意圖。

圖6 (a) BCN、(d) NV-CN、(g) Pt/NV-CN的能帶結構圖，(b) BCN、(e) NV-CN、(h) Pt/NV-CN的態密度以及(c) BCN、(f) NV-CN、(i) Pt/NV-CN的結構模型。

圖7 Pt/NV-CN的原位(a) C 1 s，(b) N 1 s和(C) Pt 4f譜圖，(d) BCN、NV-CN和Pt的功函數。

圖8 (a)氫吸附能圖，(b) Pt/NV-CN的差分電荷密度圖。

圖9 Pt/NV-CN在光催化制氫中的反應機理。