Doklady ChemistryDoklady ChemistryДоклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах2686-95353034-5111The Russian Academy of Sciences65193910.31857/S2686953523700243BJBEXXPHYSICAL CHEMISTRYФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯA NEW STRATEGY FOR THE SYNTHESIS OF HIGHLY ACTIVE CATALYSTS BASED ON g-C3N4 FOR THE PHOTOCATALYTIC PRODUCTION OF HYDROGEN UNDER VISIBLE LIGHTНовая стратегия синтеза высокоактивных катализаторов на основе g-C3N4 для фотокаталитического получения водорода под действием видимого светаPotapenkoK. O.ПотапенкоК. О.kozlova@catalysis.ruCherepanovaS. V.ЧерепановаС. В.kozlova@catalysis.ruKozlovaE. A.КозловаЕ. А.kozlova@catalysis.ruFederal Research Center Boreskov Institute of Catalysis, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesИнститут катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук01112023513110911802022025Copyright ©; 2023, К.О. Потапенко, С.В. Черепанова, Е.А. КозловаCopyright ©; 2023, К.О. Потапенко, С.В. Черепанова, Е.А. Козлова2023К.О. Потапенко, С.В. Черепанова, Е.А. КозловаК.О. Потапенко, С.В. Черепанова, Е.А. Козловаhttps://journals.eco-vector.com/2686-9535/article/view/651939

In this work, materials based on graphite-like carbon nitride were synthesized by thermal treatment of a mixture of melamine and urea and the effect of synthesis conditions on the photocatalytic activity of the samples was studied. As a cocatalyst, platinum (1 wt. %) was deposited on the surface of the synthesized g‑C3N4 samples. The photocatalysts were characterized by X-ray phase analysis, diffuse reflectance UV-vis spectro-scopy in the UV and visible range, and low-temperature nitrogen adsorption. Photocatalytic activity was determined in the reaction of hydrogen evolution from an aqueous solution of triethanolamine (10 vol. %) under visible light irradiation (λ = 425 nm). The optimal conditions for the synthesis of the photocatalyst 1% Pt/g-C3N4, obtained by calcination of a mixture of melamine and urea (1 : 3), were found, using which the rate of H2 evolution was 5.0 mmol g–1 h–1 with an apparent quantum efficiency of 2.5%. The developed synthetic approach makes it possible to obtain highly active catalysts due to the formation of an intermediate supramolecular melamine-cyanuric acid complex during the synthesis, which, upon further heating, turns into g-C3N4, which is characterized by a high specific surface area exceeding 100 m2 g–1.

В данной работе синтезированы материалы на основе графитоподобного нитрида углерода g‑C3N4 методом термической обработки смеси меламина и мочевины и исследовано влияние условий синтеза на фотокаталитическую активность образцов в зависимости от соотношения меламин/мочевина. В качестве сокатализатора на поверхность синтезированных образцов g‑C3N4 наносили платину (1 мас. %). Полученные фотокатализаторы охарактеризованы методами рентгенофазового анализа, спектроскопии диффузного отражения в УФ- и видимом диапазоне, низкотемпературной адсорбции азота. Фотокаталитическую активность определяли в реакции выделения водорода из водного раствора триэтаноламина (10 об. %) при облучении видимым светом (λ = 425 нм). Найдены оптимальные условия синтеза фотокатализатора 1% Pt/g-C3N4, полученного прокаливанием смеси меламина и мочевины (1 : 3), при использовании которого скорость выделения Н2 составила 5.0 ммоль г–1 ч–1 с кажущейся квантовой эффективностью 2.5%. Разработанный синтетический подход позволяет получать высокоактивные катализаторы благодаря образованию в процессе синтеза промежуточного супрамолекулярного комплекса меламин–циануровая кислота, который при дальнейшем нагревании превращается в g-C3N4, характеризующийся высоким значением удельной поверхности, превышающим 100 м2 г–1.

g-C3N4photocatalysishydrogen productionvisible lightg-C3N4фотокатализполучение водородавидимое излучениеАвторы выражают благодарность Д.Б. Василь-ченко за измерение спектров диффузного отражения и А.Б. Аюпову за исследование текстурных характеристик фотокатализаторов.Ran J., Zhang J., Yu J., Jaroniec M., Qiao S.Z. // Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. P. 7787–7812. https://doi.org/10.1039/C3CS60425JWu L.Z., Chen B., Li Z.J., Tung C.H. // Acc. Chem. Res. 2014. V. 47. P. 2177–2185. https://doi.org/10.1021/ar500140rZamaraev K.I., Parmon V.N. // Catal. Rev. – Sci. Eng. 1980. V. 22. P. 261–324. https://doi.org/10.1080/03602458008066536Acar C., Dincer, I., Naterer G.F. // Int. J. Energy Res. 2016. V. 40. P. 1449–1473. https://doi.org/10.1002/er.3549Kozlova E.A., Parmon V.N. // Russ. Chem. Rev. 2017. V. 86. P. 870–906. https://doi.org/10.1070/rcr4739Yakushev A.A., Abel A.S., Averin A.D., Beletskaya I.P., Cheprakov A.V., Ziankou I.S., Bonneviot L., Bessmertnykh-Lemeune A. // Coord. Chem. Rev. 2022. V. 458. P. 214331. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.214331Zenkov I.S., Yakushev A.A., Abel A.S., Averin A.D., Bessmertnykh-Lemeune A.G., Beletskaya I.P. // Russ. J. Org. Chem. 2021. V. 57. P. 1398–1404. https://doi.org/10.1134/S1070428021090025Morozkov G.V., Abel A.S., Filatov M.A., Nefedov S.E., Roznyatovsky V.A., Cheprakov A.V., Mitrofanov A.Yu., Ziankou I.S., Averin A.D., Beletskaya I.P., Michalak J., Bucher C., Bonneviot L., Bessmertnykh-Lemeune A. // Dalton Trans. 2022. V. 51. P. 13612–13630. https://doi.org/10.1039/D2DT01364AWang X., Chen L., Chong S.Y., Little M.A., Wu Y., Zhu  W.H., Clowes R., Yan Y., Zwijnenburg M.A., Sprick R.S., Cooper A.I. // Nature Chem. 2018. V. 10. P. 1180–1189. https://doi.org/10.1038/ s41557-018-0141-5Hu Z., Shen Z., Jimmy C.Y. // Green Chem. 2017. V. 19. P. 588–613. https://doi.org/10.1039/C6GC02825JCorredor J., Rivero M.J., Rangel C.M., Gloaguen F., Ortiz I. // J. Chem. Technol. Biotechnol. 2019. V. 94. P. 3049–3063. https://doi.org/10.1002/jctb.6123Matsumura M., Saho Y., Tsubomura H. // J. Phys. Chem. 1983. V. 87. P. 3807–3808. https://doi.org/10.1021/j100243a005Hayat A., Syed J.A.S., Al-Sehemi A.G., El-Nasser K.S., Taha T.A., Al-Ghamdi A.A., Amin M.A., Ajmal Z., Iqbal W., Palamanit A., Medina D.I., Nawawi W.I., Sohail M. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. P. 10837–10867. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.11.252Zhu B., Cheng B., Fan J., Ho W., Yu J. // Small Struct. 2021. V. 2. P. 2100086. https://doi.org/10.1002/sstr.202100086Vasilchenko D., Zhurenok A., Saraev A., Gerasimov E., Cherepanova S., Tkachev S., Plusnin P., Kozlova E. // Chem. Eng. J. 2022. V. 445. P. 136721. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.136721Wang X., Maeda K., Thomas A., Takanabe K., Xin G., Carlsson J.M., Domen K., Antonietti M. // Nature Mater. 2009. V. 8. P. 76–80. https://doi.org/10.1038/nmat2317Ye S., Wang R., Wu M.Z., Yuan Y.P. // Appl. Surf. Sci. 2015. V. P. 15–27. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2015.08.173Topchiyan P., Vasilchenko D., Tkachev S., Sheven D., Eltsov I., Asanov I., Sidorenko N., Saraev A., Gerasimov E., Kurenkova A., Kozlova E. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. V. 14. P. 35600–35612. https://doi.org/10.1021/ACSAMI.2C07485Cao S., Low J., Yu J., Jaroniec M. // Adv. Mater. 2015. V. 27. P. 2150–2176. https://doi.org/10.1002/adma.201500033Zhong Y., Wang Z., Feng J., Yan S., Zhang H., Li Z., Zou Z. // Appl. Surf. Sci. 2014. V. 295. P. 253–259. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2014.01.008Zhu B., Xia P., Ho W., Yu J. // Appl. Surf. Sci. 2015. V. 344. P. 188–195. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2015.03.086Zhurenok A.V., Vasilchenko D.B., Kozlova E.A. // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. P. 346. https://doi.org/10.3390/IJMS24010346Han C., Gao Y., Liu S., Ge L., Xiao N., Dai D., Xu B., Chen C. // Int. J. Hydrogen Energy. 2017. V. 42. P. 22765–22775. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2017.07.154Tian X., Sun Y.-J., He J.-Y., Wang X.-J., Zhao J., Qiao, S.-Z., Li F.-T. // J. Mater. Chem. A. 2019. V. 7. P. 7628–7635. https://doi.org/10.1039/C9TA00129HNiu P., Yin L.C., Yang Y.Q., Liu G., Cheng H.M. // Adv. Mater. 2014. V. 26. P. 8046–8052. https://doi.org/10.1002/ADMA.201404057Bian S.W., Ma Z., Song W.G. // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 8668–8672. https://doi.org/10.1021/JP810630KWang J., Zhang C., Shen Y., Zhou Z., Yu J., Li Y., Wei W., Liu S., Zhang Y. // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. P. 5126–5131. https://doi.org/10.1039/C4TA06778AZhuang J., Lai W., Xu M., Zhou Q., Tang D. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015. V. 7. P. 8330–8338. https://doi.org/10.1021/ACSAMI.5B01923Li X., Wen J., Low J., Fang Y., Yu J. // Sci. China Mater. 2014. V. 57. P. 70–100. https://doi.org/10.1007/S40843-014-0003-1Li R., Cui X., Bi J., Ji X., Li X., Wang N., Huang Y., Huang X., Hao H. // RSC Adv. 2021. V. 11. P. 23459–23470. https://doi.org/10.1039/d1ra03524jde Ávila S.G., Logli M.A., Matos J.R. // Int. J. Greenhouse Gas Control. 2015. V. 42. P. 666–671. https://doi.org/10.1016/J.IJGGC.2015.10.001Cui Y., Zhang J., Zhang G., Huang J., Liu P., Antonietti M., Wang X. // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. P. 13032–13039. https://doi.org/10.1039/C1JM11961CXu Q., Ma D., Yang S., Tian Z., Cheng B., Fan J. // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 495. P. 143555. https://doi.org/10.1016/J.APSUSC.2019.143555Li Y., Zhong J., Li J. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. P. 39886–39897. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2022.09.147Wang X., Zhou C., Shi R., Liu Q., Waterhouse G.I.N., Wu L., Tung C.H., Zhang T. // Nano Res. 2019. V. 12. P. 2385–2389. https://doi.org/10.1007/S12274-019-2357-0Ding J., Sun X., Wang Q., Li D., Li X., Li X., Chen L., Zhang X., Tian X., Ostrikov K. // J. Alloys Compd. 2021. V. 873. P. 159871. https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2021.159871Han C., Su P., Tan B., Ma X., Lv H., Huang C., Wang P., Tong Z., Li G., Huang Y., Liu Z. // J. Colloid Interface Sci. 2021. V. 581. P. 159–166. https://doi.org/10.1016/J.JCIS.2020.07.119Rao F., Zhong J., Li J. // Ceram. Int. 2022. V. 48. P. 1439–1445. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2021.09.130Xu Q., Cheng B., Yu J., Liu G. // Carbon. 2017. V. 118. P. 241–249. https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2017.03.052Yang L., Huang J., Shi L., Cao L., Yu Q., Jie Y., Fei J., Ouyang H., Ye J. // Appl. Catal. B. 2017. V. 204. P. 335–345. https://doi.org/10.1016/J.APCATB.2016.11.047Alcudia-Ramos M.A., Fuentez-Torres M.O., Ortiz-Chi F., Espinosa-González C.G., Hernández-Como N., García-Zaleta D.S., Kesarla M.K., Torres-Torres J.G., Collins-Martínez V., Godavarthi S. // Ceram. Int. 2020. V. 46. P. 38–45. https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2019.08.228Bi L., Zhang R., Zhang K., Lin Y., Wang D., Zou X., Xie T. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2019. V. 7. P. 15137–15145. https://doi.org/10.1021/ACSSUSCHEMENG.9B04153Zhang S., Gao M., Zhai Y., Wen J., Yu J., He T., Kang Z., Lu S. // J. Colloid Interface Sci. 2022. V. 622. P. 662–674. https://doi.org/10.1016/J.JCIS.2022.04.165Lin Q., Li Z., Lin T., Li B., Liao X., Yu H., Yu C. // Chin. J. Chem. Eng. 2020. V. 28. P. 2677–2688. https://doi.org/10.1016/J.CJCHE.2020.06.037Vasilchenko D., Zhurenok A., Saraev A., Gerasimov E., Cherepanova S., Kovtunova L., Tkachev S., Kozlova E. // Int. J. Hydrogen Energy. 2022. V. 47. P. 11326–11340. https://doi.org/10.1016/J.IJHYDENE.2021.09.253