研究背景
Cu 納米顆粒（NPs）由于具有相對較低的帶間躍遷閾值（Cu 為 2.1eV，Au 為 2.4eV，Ag 為 3.8eV）和更寬波長的局部表面等離子體共振（LSPR）吸收而在光催化領域得到廣泛應用。然而，銅基復合材料輕微暴露在空氣中會導致快速氧化，性能急劇下降。類石墨烯材料由于具有高電荷傳導性故可用作保護層。聚丙烯腈（PAN）作為一種廉價的高分子材料，在溫度達到 650℃ 時會“石墨化”形成共軛結構，石墨化的 PAN（g-PAN）則會顯示出類似于石墨的網絡結構。重要的是，g-PAN 中石墨氮原子的存在，可以有效增加 Cu NPs 的自由能。摻雜被廣泛用作改變分子電子態的有效方法，石墨烯表面中間體的自由能可以進一步調整以提高催化性能。基于上述考慮，昆明理工大學低維納米材料真空實驗室報道了一種 PANI 摻雜改性 Cu@g-PAN 水熱方法，以提高 Cu NPs 的穩定性，進一步提高其光催化制氫效率。
文章簡介
譚紅琳教授等人通過在 Ar/H2 氣氛中的兩步 MOF 熱解過程成功地制備了在 SrTiO3 上負載的 g-PAN/PANI 包裹的銅納米顆粒(表示為 Cu@CI/STO)。得益于 Cu NPs 和 PANI 摻雜 g-PAN 層優異的 LSPR 效應，超薄 Cu@CI/STO-1nm 在可見光照射下的光催化析氫速率為 371μmol g-1 h-1。PANI 摻雜的 g-PAN 不僅可以作為封裝劑防止 Cu 氧化，而且還可以提高電子-空穴分離的效率。4-硝基苯酚的催化反應表明，制備的催化劑具有優異的光熱效應，其催化效果是 Cu/STO 的 4 倍。陽光下 4-NP 的高效降解證明了其實用價值。團隊的研究結果確保了 Cu@CI/STO 可以進一步用于光催化和熱催化，為光催化領域利用產量豐富、價格低廉的 Cu 提供了一條新的思路。相關成果以題目“Ultrathin g-PAN/PANI encapsulated Cu nanoparticles decorated on SrTiO3 with high stability and as an efficient photocatalyticH2 evolution and degradation of 4-nitrophenol under visible-light irradiation.”發表在 Catalysis Science & Technology 上，昆明理工大學孫楠與張永為共同第一作者，譚紅琳教授為通訊作者。
圖文解析
▲ | 圖 1. Cu@CI/STO 合成示意圖。 |
▲ | 圖 2. (a) Cu@CI/STO 結構的 TEM 圖像；(b,c) Cu@CI/STO 結構的 HRTEM 圖像；(d)碳層厚度、表面碳含量與溶液添加量的關系；(e) XRD 圖譜；(f) 拉曼光譜。 |
▲ | 圖 3. (a)Cu 2p 在空氣中 1 個月后的 XPS 光譜(Cu@CI/STO 和 Cu/STO)；(b)Cu@CI/STO 中 N 1s 的 XPS 光譜。 |
▲ | 圖 4. (a) Cu@CI/STO、Cu@g-PAN/STO 和 Cu/STO 的光催化析氫速率；(b) Cu@CI/STO-4ml,10ml,60ml 的光催化析氫速率；(c) Cu@CI/STO 的循環測量。 |
▲ | 圖 5. (a) (Cu@CI/STO)光催化反應后 Cu 2p 的 XPS 光譜和相應的俄歇電子能譜; (b) 紫外-可見吸收光譜；(c)光致發光(PL)發射光譜。(d)EIS奈奎斯特圖。 |
▲ | 圖 6. (a) STO、Cu@g-PAN/STO、Cu@CI/STO 的 Mott-Schottky 圖；(b) Cu@CI/SrTiO3 復合納米結構電子轉移和光催化析氫示意圖。 |
論文信息
Ultrathin g-PAN/PANI-encapsulated Cu nanoparticles decorated on SrTiO3 with high stability and as an efficient photocatalytic H2 evolution and degradation of 4-nitrophenol under visible-light irradiation.
Nan Sun, ? Yong Zhang,? Xinru Li, Yuhan Jing, Zhengdong Zhang, Yu Gao, Jianqi Liu, Honglin Tan*(譚紅琳，昆明理工大學) , Xiaoming Cai and Jinming Cai
Catal. Sci. Technol.,2022,12, 2482-2489http://doi.org/10.1039/D2CY00259K
昆明理工大學主要作者
昆明理工大學博士、教授，主持完成了多項國家、省自然科學基金和橫向課題并結題。先后發表文章 60 余篇，其中 40 多篇第一作者或者通訊，申報 15 項專利，國家自然科學基金通訊評委，擔任多個 SCI 期刊審稿人。在催化材料、計算材料、功能材料、半導體材料以及拉曼光譜分析等領域有一定知名度。
昆明理工大學
博士，教授，博士生導師，國家高層次人才，云南省百名海外高層次人才，云南省中青年學術帶頭人預備人才，云南省委聯系人才，?！扒嗨{計劃”人才。以第一作者發表在世界頂級學術期刊 Nature、Nature Nanotechnology 上的文章，總引用超過 5150 次?？蒲谐晒脒x英國 Nature 出版社評選的“image of the year, 2010”，并獲得瑞士 2011 年度 EMPA 研究獎，2016 年《科學中國人》杰出青年科學獎。他還是中國材料學會青年工作委員會理事，中國化學快報青年編委，國家自然科學基金通訊評委，擔任多個 SCI 期刊審稿人，以及中國石墨烯產業聯盟理事，廣東省石墨烯標準委員會委員。同時他還兼任九三學社云南省新社委主任委員及青工委副主任委員。
昆明理工大學
碩士三年級在讀研究生，研究方向為光催化材料與表面增強拉曼散射。
昆明理工大學
碩博三年級在讀研究生，研究方向為低維納米材料的制備與本征物性研究，勵志在超高真空掃描隧道顯微鏡領域有所建樹。
