Preview

Наносистемы: физика, химия, математика

Расширенный поиск

Модифицированные медью наноструктурированные фотокатализаторы g-C3N4/TiO2 для получения водорода из водных растворов глюкозы

https://doi.org/10.17586/2220-8054-2024-15-3-388-397

Аннотация

   В данной работе представлены две методики синтеза композитных фотокатализаторов на основе графитоподобного нитрида углерода и диоксида титана, модифицированных медью, для получения водорода. Первый метод основывается на механическом смешении предварительно синтезированного g-C3N4 и TiO2 (Evonik P25), модифицированного медью. Другой подход заключается в совместном прокаливании меламина и TiO2 с последующим нанесением частиц меди. Образцы охарактеризованы с помощью рентгенофазового анализа (РФА), спектроскопии диффузного отражения в УФ и видимой областях (СДО), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ ВР). Полученные фотокатализаторы протестированы в реакции выделения водорода из водных растворов глюкозы под действием видимого света (440 нм). Самые высокие значения фотокаталитической активности равны 235 и 259 мкмоль·г-1·ч-1 для фотокатализаторов из первой и второй серии, соответственно. Наиболее активный фотокатализатор из первой серии сохраняет начальную скорость выделения водорода в течение 6 часов циклических испытаний.

Об авторах

С. Н. Харина
http://nanojournal.ifmo.ru
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН
Россия

София Н. Харина

630090; просп. Академика Лаврентьева, 5; Новосибирск



А. Ю. Куренкова
http://nanojournal.ifmo.ru
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН
Россия

Анна Ю. Куренкова

630090; просп. Академика Лаврентьева, 5; Новосибирск



А. А. Сараев
http://nanojournal.ifmo.ru
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН
Россия

Андрей А. Сараев

630090; просп. Академика Лаврентьева, 5; Новосибирск



Е. Ю. Герасимов
http://nanojournal.ifmo.ru
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН
Россия

Евгений Ю. Герасимов

630090; просп. Академика Лаврентьева, 5; Новосибирск



Е. А. Козлова
http://nanojournal.ifmo.ru
Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН
Россия

Екатерина А. Козлова

630090; просп. Академика Лаврентьева, 5; Новосибирск



Список литературы

1. Kou J., Lu, C., Wang J., Chen Y., Xu Z., Varma R.S. Selectivity Enhancement in Heterogeneous Photocatalytic Transformations. Chem. Rev., 2017, 117 (3), P. 1445–1514.

2. de Assis G.C., Silva I.M.A., dos Santos T.G., dos Santos T. V. Meneghetti M.R., Meneghetti S.M.P. Photocatalytic Processes for Biomass Conversion. Catal. Sci. Technol., 2021, 11 (7), P. 2354–2360.

3. Valeeva A.A., Dorosheva I.B., Kozlova E.A., Sushnikova A.A., Yu A., Saraev A.A., Schroettner H., Rempel A.A. Solar Photocatalysts Based on Titanium Dioxide Nanotubes for Hydrogen Evolution from Aqueous Solutions of Ethanol. Int. J. Hydrogen Energy, 2021, 46 (32), P. 16917–16924.

4. Kurnosenko S.A., Zvereva I.A., Voytovich V. V., Silyukov O.I., Rodionov I.A. Photocatalytic Activity and Stability of Organically Modified Layered Perovskite-like Titanates HLnTiO<sub>4</sub> (Ln = La, Nd) in the Reaction of Hydrogen Evolution from Aqueous Methanol. Catalysts, 2023, 13 (4), 749.

5. Kurnosenko S.A., Voytovich V.V., Silyukov O.I., Rodionov I.A., Zvereva I.A. Photocatalytic Hydrogen Production from Aqueous Solutions of Glucose and Xylose over Layered Perovskite-like Oxides HCa<sub>2</sub>Nb<sub>3</sub>O<sub>10</sub>, H<sub>2</sub>La<sub>2</sub>Ti<sub>3</sub>O<sub>10</sub> and Their Inorganic-Organic Derivatives. Nanomaterials, 2022, 12 (15), 2717.

6. Samage A., Gupta P., Halakarni M.A., Nataraj S.K., Sinhamahapatra A. Progress in the Photoreforming of Carboxylic Acids for Hydrogen Production. Photochem., 2022, 2 (3), P. 580–608.

7. Imizcoz M., Puga A.V. Acid Photoreforming on Cu/TiO<sub>2</sub>. Catalysis Science & Technology, 2019, 9 (5), P. 1098–1102.

8. Davis K.A., Yoo S., Shuler E.W., Sherman B.D., Lee S., Leem G. Photocatalytic Hydrogen Evolution from Biomass Conversion. Nano Convergence, 2021, 8 (6), P. 1–19.

9. Huang Z., Luo N., Zhang C., Wang F. Radical Generation and Fate Control for Photocatalytic Biomass Conversion. Nature Reviews Chemistry, 2022, 6, P. 197–214.

10. Butburee T., Chakthranont P., Phawa C., Faungnawakij K. Beyond Artificial Photosynthesis: Prospects on Photobiorefinery. Chem. Cat. Chem., 2020, 12 (7), P. 1873–1890.

11. Liu X., Duan X., Wei W., Wang S., Ni B.J. Photocatalytic Conversion of Lignocellulosic Biomass to Valuable Products. Green Chemistry, 2019, 21, P. 4266–4289.

12. Chu Y.M., Bach Q.V. Application of TiO<sub>2</sub> Nanoparticle for Solar Photocatalytic Oxidation System. Appl. Nanosci., 2023, 13 (3), P. 1729–1736.

13. Qian R., Zong H., Schneider J., Zhou G., Zhao T., Li Y., Yang J., Bahnemann D.W., Pan J.H. Charge Carrier Trapping, Recombination and Transfer during TiO<sub>2</sub> Photocatalysis : An Overview. Catal. Today, 2019, 335, P. 78–90.

14. Shiraishi Y., Hirai T. Selective Organic Transformations on Titanium Oxide-Based Photocatalysts. J. of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, 2008, 9 (4), P. 157–170.

15. Chai B., Peng T., Mao J., Li K., Zan L. Graphitic Carbon Nitride (g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>)-Pt-TiO<sub>2</sub> Nanocomposite as an Efficient Photocatalyst for Hydrogen Production under Visible Light Irradiation. Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14 (48), P. 16745–16752.

16. Yan H., Yang H. TiO<sub>2-g</sub>-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub> Composite Materials for Photocatalytic H<sub>2</sub> Evolution under Visible Light Irradiation. J. of Alloys and Compounds, 2011, 509 (4), L26–L29.

17. Shoaib M., Naz M.Y., Shukrullah S., Munir M.A., Irfan M., Rahman S., Ghanim A.A.J. Dual S-Scheme Heterojunction CdS/TiO<sub>2/g</sub>-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub> Photocatalyst for Hydrogen Production and Dye Degradation Applications. ACS Omega, 2023, 8 (45), P. 43139–43150.

18. Wei D.W., DuChene J.S., Sweeny B.C., Wang J., Niu W. Current Development of Photocatalysts for Solar Energy Conversion. New and Future Developments in Catalysis: Solar Photocatalysis, Elsevier, USA, 2013, P. 279–304.

19. Li J., Chu D. Energy Band Engineering of Metal Oxide for Enhanced Visible Light Absorption. Multifunctional Photocatalytic Materials for Energy, 2018, P. 49–78.

20. Ye S., Wang R., Wu M.Z., Yuan Y.P. A Review on g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub> for Photocatalytic Water Splitting and CO<sub>2</sub> Reduction. Applied Surface Science, 2015, 358, P. 15–27.

21. Mamba G., Mishra A.K. Graphitic Carbon Nitride (g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>) Nanocomposites: A New and Exciting Generation of Visible Light Driven Photocatalysts for Environmental Pollution Remediation. Appl. Catal. B Environ., 2016, 198, P. 347–377.

22. Zheng Y., Lin L., Wang B., Wang, X. Graphitic Carbon Nitride Polymers toward Sustainable Photoredox Catalysis. Angew. Chemie – Int. Ed., 2015, 54 (44), P. 12868–12884.

23. Dong J., Zhang Y., Hussain M.I., Zhou W., Chen Y., Wang L.N. g-C3N4: Properties, Pore Modifications, and Photocatalytic Applications. Nanomaterials, 2021, 12 (1), 121.

24. Lingzhiiwangg J.B., Juyingglei M. Photocatalysis Fundamentals, Materials and Applications, Springer, Singapore, 2018, 414 p.

25. Kurenkova A.Y., Yakovleva A.Y., Saraev A.A., Gerasimov E.Y., Kozlova E.A., Kaichev V.V. Copper-Modified Titania-Based Photocatalysts for the Efficient Hydrogen Production under UV and Visible Light from Aqueous Solutions of Glycerol. Nanomaterials, 2022, 12 (18), 3106.

26. W¨ollner A., Lange F., Schmelz H., Kn¨ozinger H. Characterization of Mixed Copper-Manganese Oxides Supported on Titania Catalysts for Selective Oxidation of Ammonia. Appl. Catal. A, Gen., 1993, 94 (2), P. 181–203.

27. Fedorov A., Saraev A., Kremneva A., Selivanova A., Vorokhta M., ˇSm´ıd, B., Bulavchenko, O., Yakovlev, V., Kaichev, V. Kinetic and Mechanistic Study of CO Oxidation over Nanocomposite Cu–Fe–Al Oxide Catalysts. Chem. Cat. Chem., 2020, 12 (19), P. 4911–4921.

28. Bukhtiyarov V.I., Kaichev V.V., Prosvirin I.P. X-Ray Photoelectron Spectroscopy as a Tool for in-Situ Study of the Mechanisms of Heterogeneous Catalytic Reactions. Top. Catal., 2005, 32 (1–2), P. 3–15.

29. Muscetta M., Andreozzi R., Clarizia L., Di Somma I., Marotta R. Hydrogen Production through Photoreforming Processes over Cu<sub>2</sub>O/TiO<sub>2</sub> Composite Materials : A Mini-Review. Int. J. Hydrogen Energy, 2020, 45 (53), P. 28531–28552.

30. Nishikiori H., Harata N., Yamaguchi S., Ishikawa T., Kondo H., Kikuchi A., Yamakami T., Teshima K. Formation of CuO on TiO<sub>2</sub> Surface Using Its Photocatalytic Activity. Catalysts, 2019, 9 (4), 383.

31. Segovia-Guzm´an M.O., Rom´an-Aguirre M., Verde-Gomez J.Y., Collins-Mart´ınez V.H., Zaragoza-Gal´an G., Ramos-S´anchez V.H. Green Cu<sub>2</sub>O/TiO<sub>2/sub> Heterojunction for Glycerol Photoreforming. Catal. Today, 2020, 349, P. 88–97.

32. Kurenkova A.Y., Kremneva A.M., Saraev A.A., Murzin V., Kozlova E.A., Kaichev V.V. Influence of Thermal Activation of Titania on Photoreactivity of Pt/TiO<sub>2</sub> in Hydrogen Production. Catal. Letters, 2021, 151, P. 748–754.

33. Speltini A., Scalabrini A., Maraschi F., Sturini M., Pisanu A., Malavasi L., Profumo A. Improved Photocatalytic H<sub>2</sub> Production Assisted by Aqueous Glucose Biomass by Oxidized g-C3N<sub>4</sub>. Int. J. Hydrogen Energy, 2018, 43 (32), P. 14925–14933.

34. Vaiano V., Iervolino G., Sarno G., Sannino D., Rizzo L., Murcia Mesa J. J., Hidalgo M.C., Nav´ıo J.A. Production Simultan´ee de CH<sub>4</sub> et H<sub>2</sub> Par R´eformage Photocatalytique d’une Solution Aqueuse de Glucose Sur Un Catalyseur Pd-TiO<sub>2</sub> Sulfat´e. Oil Gas Sci. Technol., 2015, 70 (5), P. 891–902.

35. Ding F., Yu H., Liu W., Zeng X., Li S., Chen L., Li B., Guo J., Wu C. Au-Pt Heterostructure Cocatalysts on g-C3N<sub>4</sub> for Enhanced H<sub>2</sub> Evolution from Photocatalytic Glucose Reforming. Mater. Des., 2024, 238, 112678.

36. Bellardita M., Garc´ıa-L´opez E. I., Marc`ı G., Nasillo G., Palmisano, L. Photocatalytic Solar Light H<sub>2</sub> Production by Aqueous Glucose Reforming. Eur. J. Inorg. Chem., 2018, 41, P. 4522–4532.

37. Zhao H., Ding X., Zhang B., Li Y., Wang C. Enhanced Photocatalytic Hydrogen Evolution along with Byproducts Suppressing over Z-Scheme CdxZn<sub>1-x</sub>S/Au/g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub> Photocatalysts under Visible Light. Sci. Bull., 2017, 62 (9), P. 602–609.

38. Kozlova E.A., Kurenkova A.Y., Gerasimov E.Y., Gromov N.V., Medvedeva T.B., Saraev A.A., Kaichev V.V. Comparative Study of Photoreforming of Glycerol on Pt/TiO<sub>2</sub> and CuO<sub>x</sub>/TiO<sub>2</sub> Photocatalysts under UV Light. Mater. Lett., 2021, 283, 128901.


Рецензия

Для цитирования:


Харина С.Н., Куренкова А.Ю., Сараев А.А., Герасимов Е.Ю., Козлова Е.А. Модифицированные медью наноструктурированные фотокатализаторы g-C3N4/TiO2 для получения водорода из водных растворов глюкозы. Наносистемы: физика, химия, математика. 2024;15(3):388-397. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2024-15-3-388-397

For citation:


Kharina S.N., Kurenkova A.Yu., Saraev A.A., Gerasimov E.Yu., Kozlova E.A. Copper-modified g-C3N4/TiO2 nanostructured photocatalysts for H2 evolution from glucose aqueous solution. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2024;15(3):388-397. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2024-15-3-388-397

Просмотров: 38


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-8054 (Print)
ISSN 2305-7971 (Online)