Fotokatalytische watersplitsing met behulp van halfgeleiders wordt beschouwd als een veelbelovende techniek voor de productie van waterstof als brandstof uit zonne-energie. De halfreactie van de zuurstofontwikkeling is het knelpunt gebleken voor de fotokatalytische algehele watersplitsing vanwege de hoge energiebarrière en de trage kinetiek. Het is een grote uitdaging om efficiënte fotokatalysatoren te ontwikkelen voor de bevordering van wateroxidatie.

Net als grafeenkoolstofnitride hebben π-gestapelde covalente triazineraamwerken (CTF's) de afgelopen jaren veel aandacht gekregen bij de fotokatalytische watersplitsing. De volledig geconjugeerde structuur met de reguliere kanalen in het kristallijne netwerk zal gedefinieerde paden bieden voor efficiënt ladingsdragertransport en de recombinatie van ladingsdragers remmen.

Het rijke stikstofgehalte resulteert op natuurlijke wijze in het buitengewone heteroatomaire effect (HAE), dat de elektronenverdeling binnen de structuur kan beïnvloeden. Bovendien omvatten de duidelijke voordelen van CTF's hun fysisch-chemische eigenschappen, zoals de bandafstandpositie en fotoactiviteit, de mogelijkheid om systematisch te worden afgestemd door selectie van monomeren, de synthesestrategieën en de introductie van co-katalysatoren.

Er zijn verschillende strategieën voorgesteld om de efficiëntie van de fotokatalytische zuurstofontwikkeling te bevorderen, waaronder het afstemmen van elektronendonerende fenyleenheden, het verhogen van de kristalliniteit van het skelet en het exfoliëren van de bulkmaterialen tot ultradunne nanosheets. De meeste inspanningen zijn echter gericht op het structurele ontwerp van CTF's of het verbeteren van de efficiëntie van de overdracht van ladingdragers, terwijl cokatalysatoren grotendeels over het hoofd worden gezien.

Opgemerkt moet worden dat de op metaal gebaseerde cokatalysatoren gemakkelijk aggregeren om nanodeeltjes te vormen vanwege hun hoge oppervlakte-energieën, en slechts een klein deel van de atomen op het oppervlak van deze nanodeeltjes kan worden beschouwd als actieve plaatsen, wat de fotokatalytische efficiëntie aanzienlijk vermindert. Geïnspireerd door de enkele atomaire katalysator is de ontwikkeling van zeer kristallijne CTF's met de juiste energiebandstructuur in combinatie met de co-katalysator met enkele locatie daarom een ​​effectieve aanpak om fotokatalytische OER met hoge prestaties te bereiken.

Onlangs hebben professor Bien Tan, Xiaoyan Wang en collega's van de Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie, China, een effectieve strategie voorgesteld voor het verankeren van afzonderlijke kobaltlocaties in een op bipyridine gebaseerd covalent triazineraamwerk (CTF-Bpy) om de fotokatalytische zuurstofevolutie te verbeteren. . Het artikel is gepubliceerd in het Chinese Journal of Catalysis .

De nieuw ontwikkelde CTF-Bpy-Co-katalysator heeft opmerkelijke verbeteringen laten zien in de fotokatalytische zuurstofontwikkelingsprestaties, met een zuurstofontwikkelingssnelheid van maximaal 3.359 μmol g ^–1 h ^–1 in de eerste 1 uur en een gemiddelde zuurstofontwikkelingssnelheid van maximaal 1.503 μmol g ^–1 h ^–1 gedurende 5 uur (λ ≥ 420 nm), meer dan de meeste gerapporteerde poreuze organische polymeren.

Deze innovatieve aanpak kan waardevolle inzichten bieden voor het bereiken van superieure prestaties bij de fotokatalytische totale watersplitsing zonder de noodzaak van opofferingsmiddelen.

Meer informatie: Ruixue Sun et al, Verankering van enkele Co-sites op op bipyridine gebaseerd covalent triazine-raamwerk voor efficiënte fotokatalytische zuurstofevolutie, Chinese Journal of Catalysis (2023). DOI:10.1016/S1872-2067(23)64552-8

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen