可視光を改善するためのグラファイト窒化炭素からの光生成電子の固定化

Scientific Reports volume 6、記事番号: 22808 (2016) この記事を引用

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光生成された電子と正孔の再結合確率を低減することは、黒鉛状窒化炭素 (g-C3N4) の光触媒能力を高める上で極めて重要です。 これを達成するために最も一般的に使用される方法は、光生成された電子の放出を加速することです。 私たちの知る限り、光生成された電子正孔対の再結合をエステル官能基で電子を固定化することによって抑制するという報告はありません。 今回初めて、メソポーラス g-C3N4 (mpg-C3N4) が、エステル基が豊富なポリマーであるポリメチルメタクリレートと統合され、可視光照射下で元の mpg-C3N4 よりも予想外に高い光触媒活性を示しました。 実験的観察と理論的計算により、修飾されたままの mpg-C3N4 の優れた光触媒能力は主に、ポリメタクリル酸メチルのエステル基による電子グリップ効果による光生成電子の固定化に由来することが明らかになりました。 この新しい戦略は、他の半導体の光触媒性能の向上にも応用できる可能性があります。

最近、メタルフリー半導体である黒鉛状窒化炭素 (g-C3N4) が注目を集め、多くの分野で触媒として急速に注目を集めています 1,2,3,4。 g-C3N4 は炭素と窒素で構成され、三級アミンで結合したトリ-s-トリアジンの独特な骨格を特徴とし、中程度のバンドギャップ、優れた化学的および熱的安定性、魅力的な光電特性を備えた有望な光触媒となっています3。 これらの利点にもかかわらず、g-C3N4 の光触媒活性は依然として競合的ではありません。これは基本的に、光生成された電子正孔対の分離効率が低く、可視光の使用が限られているためです 5,6。 したがって、g-C3N4 を修飾すると、その可視光光触媒活性が強化され、その固有の利点が得られる可能性があります。

これまで、可視光照射下での g-C3N4 の光触媒性能を向上させるために数多くのプロトコルが採用されてきましたが、その中心的な方法の 1 つは、光生成された電子と正孔をより効率的に分離することで再結合確率を低減することにあります。 したがって、光生成電子の放出を加速することが最も一般的に使用されるアプローチです7、8、9、10、11、12。 対照的に、光生成された電子と正孔の再結合が、電子を追い出すのではなく固定化することによって抑制できれば、可視光照射下での g-C3N4 の光触媒能力も向上するでしょう。 私たちの知る限り、この提案された戦略は文献に文書化されていません。 g-C3N4 から光生成された電子の固定化は、電子グリップ効果によって達成される可能性があります。 化合物中のエステル基は電子を捕捉する能力を持っています13。 光生成された電子がエステル基によって固定化されると、g-C3N4 の光触媒性能が向上するはずです。

ポリメチルメタクリレート（PMMA）は、その優れた化学的安定性、透明性、生体適合性により、多くの分野で広く使用されています14。 PMMA の炭素骨格は、エステル基がぶら下がった飽和 C-C 骨格で構成されています (図 S1)15。 それにもかかわらず、豊富なエステル基とその電子グリップ効果により、PMMA は容易に化学修飾でき、一部のポリマーに対して良好な親和性を確立できるため、優れたポリマー基材となっています 15、16、17、18。 これまで、私たちの知る限り、PMMA のエステル基による光生成電子の固定化によって、可視光下での g-C3N4 半導体からの光生成電子正孔対の分離効率が向上したという報告はありません。

この研究では、メソポーラス g-C3N4 (mpg-C3N4、簡略化のため MCN と表記) をエステル基が豊富な PMMA で修飾し、可視光照射下でより優れた光触媒能力を達成しました。 得られた MCN/PMMA 複合材料 (PMCN と表記) は、有機染料の分解中に MCN よりもはるかに優れた光触媒性能を示しました。 実験的観察と理論的計算により、この光触媒能力の向上は主にエステル基による光生成電子の固定化によるものであり、その結果、光生成された電子正孔対の再結合確率が低くなり、光生成の幅が狭くなったことで可視光がより良く利用されるようになったことが明らかになった。バンドギャップ。