大连大学课题组在稀土材料光催化降解污染物方面取得重要进展-大连大学

近日，大连大学环境与化学工程学院徐振和教授团队在国际期刊《RSC Advances》上发表题目为“The construction of a heterostructured RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH composite with enhanced visible light photocatalytic activity for MO degradation”的研究论文。该工作以大连大学为第一通讯单位，徐振和教授为通讯作者，硕士研究生顾登为该论文的第一作者。

LaCO₃OH是一种具有优异发光性能的稀土羟基碳酸盐，在光催化降解污染物和析氢方面具有很大的潜力。此外，LaCO₃OH具有相对较宽的带隙（4.0eV），可以有效抑制光生载流子的重组。然而，过宽的带隙导致LaCO₃OH只能吸收太阳光谱中的紫外光，这极大的限制了LaCO₃OH在光催化上的应用。近年来，一些工作表明，通过与具有可见光响应的g-C₃N₄耦合构建异质结是解决其低可见光吸收能力的重要途径。此外，引入助催化剂，如氧化石墨烯（RGO）可以有效促进电荷分离，提高光催化活性。徐振和教授团队提出将LaCO₃OH与g-C₃N₄耦合构建异质结，并使用RGO作为助催化剂，充分利用各组件的协同来降解污染物。光催化降解甲基橙（MO）结果表明，所制备的三元复合物具有显著提高的光催化活性。

通过TEM测试对产物的形貌和结构进行表征。从图1（A）可以看出，合成的g-C₃N₄由表面光滑均匀的二维纳米片组成。图1（B）显示，直径为20-50 nm的LaCO₃OH纳米颗粒均匀地分散在g-C₃N₄上。然后进一步引入RGO作为助催化剂，得到三元RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH光催化剂（图1 C）。在高分辨率TEM图像中，可以清晰地观察到LaCO₃OH的（300）面与g-C₃N₄的（002）面之间的异质结构界面（图1 D），表明g-C₃N₄/LaCO₃OH异质结的成功构建。HAADF-STEM图像、对应元素映射图和EDS能谱图（图1E-G）验证了RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH由La、C、O和N元素组成，La主要分布在纳米颗粒中。

Fig.1

图 1 （A） g-C₃N₄、（B） g-C₃N₄/LaCO₃OH和（C） RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH的TEM图；（D） RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH的HRTEM图像（E） RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH的HAADF-STEM图像；（F）相应的元素映射图和（G） EDS能谱图；（H） LaCO₃OH、g-C₃N₄、 g-C₃N₄/LaCO₃OH和RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH的XRD谱图。

评估了催化剂的光降解MO性能。从图2中可以看出，RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH具有良好的光降解MO性能（RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH的光降解MO为0.0326 min⁻¹），与单一的LaCO₃OH（0.0003 min⁻¹）和g-C₃N₄（0.0083 min⁻¹）相比，光催化性能显著提高，并且具有催化稳定性，确保其可以作为光催化降解污染物催化剂稳定、高效的进行催化反应。

fig.4

图 2 （A）不同g-C₃N₄配比的RGO、g-C₃N₄、LaCO₃OH和g-C₃N₄/LaCO₃OH作为催化剂50 min的MO光降解活性及（B）相应的光降解速率常数；（C）不同RGO配比的RGO和g-C₃N₄/LaCO₃OH在50min内对MO的光降解活性及（D）相应的光降解速率常数；（E）循环稳定图；（F）三种清除剂存在下MO光降解活性试验。

图3（A）表明，构筑异质结和引入助催化剂RGO使得光生电荷的传输阻抗大大降低，这有利于光生电子-空穴对的迁移。同时，瞬态光电流图谱有类似的结果，RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH的瞬态光电流大于单独组分的催化剂，这是RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH光催化剂催化活性提高的原因。图3（D）显示，与g-C₃N₄和g-C₃N₄/LaCO₃OH相比，RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH的PL强度要低得多，这证明异质结的构建和助催化剂RGO的引入，对于光生载流子的重组起到抑制作用。

Fig.5

图 3 （A） RGO、g-C₃N₄、LaCO₃OH和RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH在106 Hz ~ 0.1 Hz频率范围内的Nyquist图；（B）瞬态光电流响应和（C）PL光谱。

本工作通过水热反应将RGO与异质结构g-C₃N₄/LaCO₃OH偶联，构建了三元RGO/g-C₃N₄/LaCO₃OH复合材料，并作为可见光下光降解MO的有效催化剂。与纯g-C₃N₄相比，构建g-C₃N₄/LaCO₃OH异质结可将MO的光降解率从0.0083 min⁻¹提高到0.0150 min⁻¹，引入RGO作为助催化剂可将MO的光降解率提高到0.0326 min⁻¹，是纯g-C₃N₄的3.93倍。这种显著的性能改善是由于g-C₃N₄/LaCO₃OH异质结构与RGO的结合提高了光催化活性，加速了光生载流子的转移并限制了它们的重组，延长了它们的寿命。本研究实现了在可见光区具有宽禁带的LaCO₃OH作为一种很有前途的MO降解光催化剂的利用，并为进一步开发基于半导体的宽禁带光催化剂提出了新的策略。

原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ra/d3ra02415f