成果简介
制备比表面积大、易于回收利用、催化活性位点丰富的三维可压缩孔状结构，以提高其在可见光下的光催化性能，一直受到广泛关注。本文，齐鲁工业大学刘刻峰、天津科技大学徐婷 副教授、Kefeng Liu等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Highly compressible ultra-light 3D cellulose/graphene/carbon nitride aerogel for enhanced photocatalytic activity”的论文，研究通过简便的双向冻干和热还原工艺制备了三维可压缩CNF/rGO/g-C3N4气凝胶。rGO不仅可以作为支撑层，还可以作为电子传输通道，加速电子-空穴对的分离和传输。此外，分散的 CNFs 也起到了支撑作用，因此可以增强 rGO/g-C3N4 气凝胶的机械强度。
通过调节g-C3N4的质量比，估算了CNF/rGO/g-C3N4气凝胶对罗丹明 B（RhB）的光催化降解性能和H2的产生量。在带420nm截止滤光片的 300 W Xe 灯可见光下，RhB 的降解率达到87.3%。所制备的气凝胶可以方便地重复使用，并在循环测试中保持了相当高的稳定性和优异的循环活性。此外，CNFs/rGO/g-C3N4的最佳H2产率高达417.5μmol‧h-1‧g-1，是块状 g-C3N4 产率（244.5 μmol‧h-1‧g-1）的1.7倍。此外，这些气凝胶还具有良好的机械性能，CNF/rGO/g-C3N4气凝胶在应变为40%的条件下压缩100次后，其高度保持率仍超过89%。通过EPR实验研究了可能的光催化机理、活性基团和降解途径。反应物 h、自由基dotO+2- 和自由基 dotOH显示出很强的氧化能力，从而导致有机污染物的氧化。这项工作展示了一种构建三维可压缩CNF/rGO/g-C3N4气凝胶的实用策略，该气凝胶具有优异的机械性能和出色的光催化性能，可用于有机废水和能源生产。
图文导读
图1：CNF/rGO/g-C3N4 气凝胶的合成过程 CNF/rGO/g-C3N4气凝胶的合成过程。
图1. SEM images of (a) holey-g-C3N4. (b) disordered CNF/rGO/g-C3N4-5′ aerogel, and (c,d) CNF/rGO/g-C3N4-5 aerogel.
图2、CNF/rGO/g-C3N4, rGO/g-C3N4, and CNF/g-C3N4 aerogels by bidirectional and conventional freeze-casting methods.
图3. (a, b) TEM images of CNF/rGO/g-C3N4-5 aerogel; and (c) the corresponding elemental mapping images.
图4. (a) XRD patterns of the CNF/rGO/g-C3N4 aerogels with different g-C3N4 contents. (b) FTIR spectra of the rGO/g-C3N4, CNF/g-C3N4, and CNF/rGO/g-C3N4 aerogels. The high-resolution of CNF/rGO/g-C3N4-7 aerogel: c) N 1 s, d) C 1 s.
图5、(a) Photocatalytic average H2 production rate of bulk g-C3N4 and the CNF/rGO/g-C3N4 aerogels with different g-C3N4 contents. (b) Time courses of H2 production of bulk g-C3N4 and the CNF/rGO/g-C3N4 aerogels. (c) Recycling tests of CNF/rGO/g-C3N4-7 aerogel. (d) Time evolution of RhB photocatalytic degradation g-C3N4 aerogels under illumination. (e) ln(Ct/C0) versus time curves of RhB. (f) degradation rate after four cyclic experiments of CNF/rGO/g-C3N4-7 aerogel.
图6、RhB降解过程中电荷转移和活性物质形成的可能机制。
小结
本研究制备了一种新型三维可压缩CNF/rGO/g-C3N4气凝胶，该气凝胶具有优异的机械性能、光催化性能和可回收性，可用于降解水中的有机染料和光催化制氢。以氧化石墨烯和多孔g-C3N4为原料，以CNF为支撑和增强剂，通过双向冷冻干燥和热还原技术组装了CNF/rGO/g-C3N4气凝胶。通过扫描电子显微镜观察，气凝胶呈分层多孔结构，层间间距约为19μm。此外，气凝胶还具有良好的机械性能，在100次压缩循环后，高度保持率高达96.1%，应力保持率为 92.7%。在 300W Xe 灯的可见光下，RhB 的光催化降解率可达87.3%。同时，气凝胶还具有优异的回收性能，4次循环后的降解率约为67%。
此外，制氢实验表明，CNFs/rGO/g-C3N4的H2产率高达417.5 μmol‧h-1‧g-1，比块状g-C3N4提高了1.7倍，证明了气凝胶优异的光催化性能。独特的分层结构扩大了气凝胶的比表面积，使其更容易回收，并增加了催化活性位点。在 rGO 的协同作用下，载流子重组的减少促进了 h、自由基 dotO+2- 和自由基 dotOH 等活性物种的产生。总之，这项工作为构建具有优异机械性能和出色光催化性能的三维可压缩 CNF/rGO/g-C3N4 气凝胶提供了有效策略，促进了其在实际环境净化和能源转换领域的应用，同时也为开发高效、稳定、易回收的光催化剂提供了新的前景。
文献:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158564
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