Immobilisation des électrons photogénérés à partir du nitrure de carbone graphitique pour un visible amélioré

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 22808 (2016) Citer cet article

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La réduction de la probabilité de recombinaison des électrons et des trous photogénérés est essentielle pour améliorer la capacité photocatalytique du nitrure de carbone graphitique (g-C3N4). Accélérer le départ des électrons photogénérés est la méthode la plus couramment utilisée pour y parvenir. À notre connaissance, il n’existe aucun rapport sur la suppression de la recombinaison de paires électron-trou photogénérées en immobilisant les électrons avec des groupes fonctionnels ester. Ici, pour la première fois, le g-C3N4 mésoporeux (mpg-C3N4) a été intégré au polyméthacrylate de méthyle, un polymère abondant en groupes ester, qui a montré une activité photocatalytique étonnamment supérieure à celle du mpg-C3N4 d'origine sous irradiation par la lumière visible. Des observations expérimentales, ainsi que des calculs théoriques, ont permis de clarifier que l'impressionnante capacité photocatalytique du mpg-C3N4 tel que modifié était principalement dérivée de l'immobilisation d'électrons photogénérés via un effet de capture d'électrons imposé par les groupes ester du polyméthacrylate de méthyle. Cette nouvelle stratégie pourrait également être appliquée pour améliorer les performances photocatalytiques d’autres semi-conducteurs.

Récemment, le nitrure de carbone graphitique (g-C3N4), un semi-conducteur sans métal, a reçu beaucoup d'attention et est rapidement devenu une étoile montante en tant que catalyseur dans de nombreux domaines1,2,3,4. Le g-C3N4 est composé de carbone et d'azote et présente une structure unique de tri-s-triazine liée par des amines tertiaires, ce qui en fait un photocatalyseur prometteur avec une bande interdite moyenne, une stabilité chimique et thermique supérieure et des propriétés photoélectriques attrayantes3. Malgré ces avantages, l’activité photocatalytique du g-C3N4 n’est toujours pas compétitive, essentiellement en raison de la faible efficacité de séparation des paires électron-trou photogénérées et de l’utilisation limitée de la lumière visible . Par conséquent, la modification du g-C3N4 pourrait améliorer son activité photocatalytique à la lumière visible et donner accès à ses avantages inhérents.

Jusqu'à présent, de nombreux protocoles ont été adoptés pour améliorer les performances photocatalytiques du g-C3N4 sous éclairage à la lumière visible et l'une des méthodes principales consiste à réduire la probabilité de recombinaison des électrons et des trous photogénérés en les séparant plus efficacement. En conséquence, l’accélération du départ des électrons photogénérés est l’approche la plus couramment utilisée7,8,9,10,11,12. En revanche, si la recombinaison des électrons et des trous photogénérés pouvait être supprimée en immobilisant les électrons, plutôt que de les chasser, la capacité photocatalytique du g-C3N4 sous irradiation par la lumière visible serait également améliorée. Cette stratégie proposée n’a pas été documentée dans la littérature, à notre connaissance. L'immobilisation des électrons photogénérés à partir de g-C3N4 pourrait être réalisée via un effet de capture des électrons. Les groupes ester des composés chimiques possèdent la capacité de capter les électrons13. Lorsque les électrons photogénérés sont immobilisés par des groupes ester, les performances photocatalytiques du g-C3N4 devraient être améliorées.

Le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) a été largement utilisé dans de nombreux domaines en raison de sa stabilité chimique, de sa transparence et de sa biocompatibilité exceptionnelles14. Le squelette carboné du PMMA est constitué d'un squelette saturé en C – C avec des groupes ester pendants (Fig. S1) 15. Néanmoins, en raison de l’abondance des groupes ester et de leurs effets de fixation des électrons, le PMMA peut être facilement modifié chimiquement et établir une bonne affinité avec certains polymères, ce qui en fait un substrat polymère supérieur15,16,17,18. Jusqu'à présent, à notre connaissance, aucun rapport n'a été publié sur l'amélioration de l'efficacité de la séparation des paires électron-trou photogénérées du semi-conducteur g-C3N4 sous lumière visible via l'immobilisation des électrons photogénérés par les groupes ester du PMMA.

Dans ce travail, le g-C3N4 mésoporeux (mpg-C3N4, noté MCN pour plus de simplicité) a été modifié par du PMMA enrichi en groupes ester pour obtenir une meilleure capacité photocatalytique sous l'irradiation de la lumière visible. Le composite MCN/PMMA résultant (noté PMCN) présentait de bien meilleures performances photocatalytiques lors de la dégradation d'un colorant organique que le MCN. Des observations expérimentales ainsi que des calculs théoriques ont révélé que cette amélioration de la capacité photocatalytique était principalement due à l'immobilisation des électrons photogénérés par des groupes ester, ce qui entraînait une probabilité de recombinaison plus faible des paires électron-trou photogénérées et une meilleure utilisation de la lumière visible provoquée par un diamètre plus étroit. bande interdite.