Dendritischer Tip-on-Polytriazine-basierter Kohlenstoff-Nitrid-Photokatalysator mit hoher Wasserstoffentwicklungsaktivität

Die Entwicklung stabiler, ubiquitärer und effizienter Photokatalysator-Materialien zur Wasserspaltung, die eine umfassende Absorption im sichtbaren Lichtbereich aufweisen, ist für ein nachhaltiges solarbetriebenes Energieumwandlungsgerät wünschenswert. Wir berichten hier von einem auf Triazinen basierenden Kohlenstoff-Nitrid (CN)-Material mit unterschiedlichen C/N-Verhältnissen, die durch Variierung des Monomerzusammensetzungsverhältnisses zwischen Melamin (Mel) und 2,4,6-Triaminopyrimidin (TAP) erreicht wurden. Das CN-Material mit einem anderen C/N-Verhältnis wurde durch ein zweistufiges Syntheseprotokoll erhalten: beginnend mit der Dispersion der Monomeren im Lösungszustand über Wasserstoffbrückenbindung in supramolekularen Aggregaten, gefolgt von einer Salzmelt-Hochtemperatur-Polymerisation. Dieses Protokoll gewährleistet die Herstellung einer hochkristallinen Polytriazine-Imidstruktur (PTI), die aus einem copolymerisierten Mel-TAP-Netzwerk besteht. Die beobachtete Bandlückenverengung mit zunehmendem TAP/Mel-Verhältnis wird gut durch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) simuliert, was eine negative Verschiebung des Valenzbandes bei der Substitution von N durch CH in den aromatischen Ringen zeigt. Eine Erhöhung der TAP-Menge konnte die kristalline PTI-Struktur nicht aufrechterhalten, was mit den DFT-Berechnungen übereinstimmt, die die Abstoßung aufgrund zusätzlicher C–H-Bindungen in den aromatischen Ringen zeigen. Aufgrund der hohen Exzitonenbindungenergie, die von DFT für das erhaltene CN berechnet wurde, muss der Katalysator nahe an jedem Teil des Materials sein, um die Trennung der angeregten Ladungsträger zur Verbesserung der photokatalytischen Leistung zu unterstützen. Die photokatalytische Aktivität wurde verbessert, indem eine dendritische Tip-on-ähnliche Form auf porösen faserigen Silica KCC-1-Kugeln gewachsen wurde, und hochdisperse Pt-Nanopartikel (<5 nm) wurden photodeponiert, um eine Heterojunktion einzuführen. Infolgedessen zeigte der Pt/CN/KCC-1-Photokatalysator eine scheinbare Quanten-Effizienz (AQE) von bis zu 22,1 ± 3 % bei 400 nm, und die Silica war ebenfalls vorteilhaft für die Verbesserung der photokatalytischen Stabilität. Die durch zeitaufgelöste transiente Absorptionsspektroskopie gemessenen Ergebnisse waren konsistent mit der verbesserten photokatalytischen Aktivität mit der langsamsten Rekombination der Ladungsträger für den optimierten CN-Photokatalysator.