Imobilização de elétrons fotogerados de nitreto de carbono grafítico para uma melhor visibilidade

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 22808 (2016) Citar este artigo

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Reduzir a probabilidade de recombinação de elétrons e buracos fotogerados é fundamental para aumentar a capacidade fotocatalítica do nitreto de carbono grafítico (g-C3N4). Acelerar a partida dos elétrons fotogerados é o método mais comumente usado para conseguir isso. Até onde sabemos, não há nenhum relato sobre a supressão da recombinação de pares elétron-buraco fotogerados, imobilizando os elétrons com grupos funcionais éster. Aqui, pela primeira vez, o mesoporoso g-C3N4 (mpg-C3N4) foi integrado com polimetilmetacrilato, um polímero abundante em grupos éster, que apresentou uma atividade fotocatalítica inesperadamente superior à do mpg-C3N4 original sob irradiação de luz visível. Observações experimentais, juntamente com cálculos teóricos, esclareceram que a impressionante capacidade fotocatalítica do mpg-C3N4 modificado foi derivada principalmente da imobilização de elétrons fotogerados através de um efeito de captura de elétrons imposto pelos grupos éster no polimetilmetacrilato. Esta nova estratégia também pode ser aplicada na melhoria do desempenho fotocatalítico de outros semicondutores.

Recentemente, o nitreto de carbono grafítico (g-C3N4), um semicondutor sem metal, tem recebido muita atenção e está rapidamente se tornando uma estrela em ascensão como catalisador em muitos campos1,2,3,4. O g-C3N4 é composto de carbono e nitrogênio e apresenta uma estrutura única de tri-s-triazina ligada por aminas terciárias, o que o torna um fotocatalisador promissor com um gap médio, estabilidade química e térmica superior e propriedades fotoelétricas atraentes3. Apesar dessas vantagens, a atividade fotocatalítica do g-C3N4 ainda não é competitiva, basicamente devido à baixa eficiência de separação dos pares elétron-buraco fotogerados e ao uso limitado de luz visível . Portanto, a modificação do g-C3N4 poderia aumentar a sua atividade fotocatalítica na luz visível e fornecer acesso às suas vantagens inerentes.

Até agora, numerosos protocolos foram adotados para melhorar o desempenho fotocatalítico do g-C3N4 sob iluminação de luz visível e um dos principais métodos reside na redução da probabilidade de recombinação dos elétrons e buracos fotogerados, separando-os de forma mais eficiente. Assim, acelerar a saída de elétrons fotogerados é a abordagem mais comumente utilizada . Em contraste, se a recombinação de elétrons e buracos fotogerados pudesse ser suprimida pela imobilização dos elétrons, em vez de afastá-los, a capacidade fotocatalítica do g-C3N4 sob irradiação de luz visível também seria melhorada. Esta estratégia proposta não foi documentada na literatura, até onde sabemos. A imobilização de elétrons fotogerados de g-C3N4 poderia ser realizada através de um efeito de captura de elétrons. Os grupos éster em compostos químicos possuem a capacidade de prender elétrons13. Quando os elétrons fotogerados são imobilizados por grupos éster, o desempenho fotocatalítico do g-C3N4 deve ser melhorado.

O polimetilmetacrilato (PMMA) tem sido amplamente utilizado em muitos campos devido à sua excelente estabilidade química, transparência e biocompatibilidade14. O esqueleto de carbono do PMMA consiste em uma estrutura C – C saturada com grupos éster pendentes (Fig. S1) . No entanto, devido aos abundantes grupos éster e aos seus efeitos de captura de elétrons, o PMMA pode ser facilmente modificado quimicamente e estabelecer uma boa afinidade com alguns polímeros, tornando-o um substrato polimérico superior . Até agora, até onde sabemos, não houve nenhum relato sobre a melhoria da eficiência de separação de pares elétron-buraco fotogerados do semicondutor g-C3N4 sob luz visível através da imobilização de elétrons fotogerados pelos grupos éster no PMMA.

Neste trabalho, o g-C3N4 mesoporoso (mpg-C3N4, denotado como MCN para simplificar) foi modificado por PMMA enriquecido com grupos éster para obter melhor capacidade fotocatalítica sob a irradiação de luz visível. O compósito MCN/PMMA resultante (denotado como PMCN) exibiu um desempenho fotocatalítico muito melhor durante a degradação de um corante orgânico do que o MCN. Observações experimentais juntamente com cálculos teóricos revelaram que este aumento na capacidade fotocatalítica foi principalmente devido à imobilização de elétrons fotogerados por grupos éster, o que resultou em uma menor probabilidade de recombinação de pares elétron-buraco fotogerados e um melhor uso da luz visível causada por um feixe mais estreito. lacuna de banda.