DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121260
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Navneet Matharoo وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات التحفيز الضوئي المتقدمة
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا لتعزيز إنتاج الهيدروجين من خلال هجين الكربون النيتريد الجرافيتي (g-C₃N₄) مع فوسفات الكوبالت ثنائي التيرت بوتيل ثنائي البيريدين (CDTBP) ثنائي الأبعاد. يُعتبر g-C₃N₄ محفزًا ضوئيًا واعدًا بسبب فجوة النطاق المرئية وخصائصه شبه الموصلة، ولكنه يعاني من إعادة تركيب الإلكترون والثقب بسرعة، مما يحد من كفاءته. تشير الدراسة إلى النجاح في تخليق هجن g-C₃N₄-CDTBP، التي تظهر تحسينًا في نقل الشحنة وتقليل إعادة تركيب الإثارة، مما يؤدي إلى معدل تطور هيدروجين قدره 682.4 ميكرومول ساعة⁻¹ جرام⁻¹. تتجاوز هذه الأداء بشكل كبير أداء المحفزات الضوئية القائمة على g-C₃N₄، مما يوضح إمكانيات هذا النظام الهجين لإنتاج الهيدروجين على نطاق واسع.
تؤكد تقنيات التوصيف، بما في ذلك مجهر الإلكترون الناقل عالي الدقة (HRTEM) وطيف الإلكترون بالأشعة السينية (XPS) وطيف الإلكترون فوق البنفسجي (UPS)، على التزاوج الفعال بين الطبقات والتفاعلات التآزرية بين g-C₃N₄ وCDTBP. تشير النتائج إلى تحول في فجوة النطاق من 2.63 إلكترون فولت لـ g-C₃N₄ إلى 2.7 إلكترون فولت للهجين الأمثل بنسبة 2.6% CDTBP، إلى جانب زيادة كبيرة في التيار الضوئي من 0.6 ميكروأمبير سم⁻² إلى 16.7 ميكروأمبير سم⁻². تؤكد هذه النتائج على أهمية تطوير نانو محفزات هجينة متقدمة لتلبية الطلب العاجل على إنتاج الهيدروجين بكفاءة واستدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الحاجة الملحة للانتقال من الوقود الأحفوري إلى مصادر الطاقة المتجددة، مع التركيز بشكل خاص على الهيدروجين كحامل طاقة نظيف ومتعدد الاستخدامات. يمكن إنتاج الهيدروجين من خلال طرق متنوعة، حيث يظهر تطور الهيدروجين الضوئي كأحد التقنيات الواعدة بسبب اعتماده على ضوء الشمس والماء المتوفر بكثرة. على الرغم من استكشاف العديد من المواد الضوئية، إلا أن العديد منها يعاني من كفاءة منخفضة، مما يستدعي تطوير محفزات ضوئية مدفوعة بالطاقة الشمسية فعالة من حيث التكلفة وقابلة للتوسع. تم تحديد الكربون النيتريد الجرافيتي (gC₃N₄) كمرشح رئيسي لتفاعلات تطور الهيدروجين بسبب خصائصه المواتية، على الرغم من أن شكله النقي يواجه تحديات مثل إعادة تركيب الإثارة بسرعة وعدم كفاية نقل الشحنة.
لتحسين الكفاءة الضوئية لـ gC₃N₄، تناقش الورقة إمكانيات الهندسة النانوية، بما في ذلك هندسة العيوب والهجين مع مواد متنوعة. على وجه التحديد، يتم اقتراح دمج gC₃N₄ مع فوسفات الكوبالت ثنائي التيرت بوتيل (CDTBP) كنهج جديد لإنشاء هيكل هجين ثنائي الأبعاد يسهل فصل الشحنة بكفاءة ويعزز تطور الهيدروجين تحت الضوء المرئي. تجعل الخصائص الفريدة لـ CDTBP، مثل هيكله البلوري وخصائصه الإلكترونية القابلة للتعديل، شريكًا جذابًا للهجين. تهدف الدراسة إلى التحقيق في أداء هذه الهجن من gC₃N₄-CDTBP في تطبيقات الطاقة، باستخدام مجموعة من تقنيات التوصيف وتقييمات النشاط الضوئي لتقييم فعاليتها.
النتائج
في هذه الدراسة، تم تخليق g-C₃N₄ من خلال المعالجة الحرارية للدي سياناميد عند 550 درجة مئوية تحت النيتروجين، بينما تم إنتاج CDTBP من خليط من أسيتات الكوبالت، وفوسفات التيرت بوتيل، و4،4-ثنائي البيريدين في ظروف محيطية. تم تطوير بروتوكول هجين ثنائي الأبعاد من خلال التحريك الميكانيكي الكيميائي لـ g-C₃N₄ وCDTBP في الميثانول، مما أسفر عن هجن مع تحسين في التداخل بسبب الطبيعة ثنائية الأبعاد وقابلية ذوبان CDTBP. كشفت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) عن أشكال مميزة لـ g-C₃N₄ وCDTBP، حيث أظهر التركيب الهجين الأمثل بنسبة 2.6% CDTBP مساحة سطح محسنة وتقليل في التكتل مقارنةً بالأحمال الأعلى، مما أدى إلى تجمع وأداء متدني.
أظهر المادة الهجينة معدلات تطور هيدروجين ضوئي متفوقة، حيث حققت 3216 ميكرومول جرام⁻¹ في 5 ساعات، بزيادة قدرها 94% مقارنةً بـ g-C₃N₄ النقي. يُعزى هذا التحسين إلى فصل الشحنة الفعال والنقل الذي يسهل من خلال فجوة النطاق المهندسة من عملية الهجين. أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك حيود الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وطيف الإلكترون بالأشعة السينية (XPS)، على التزاوج القوي بين الطبقات وسلامة الهيكل للهجين. تشير النتائج إلى أن الهجين ثنائي الأبعاد من g-C₃N₄ مع CDTBP لا يحسن فقط الكفاءة الضوئية ولكن أيضًا يثبت تفاعلًا تآزريًا بين المادتين، مما يعزز أدائهما العام في تفاعلات تطور الهيدروجين.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون الخصائص الضوئية لـ g-C₃N₄، وهو مادة ذات فجوة نطاق مرئية تعاني، على الرغم من إمكانياتها، من أداء تحفيزي منخفض بسبب إعادة تركيب كبيرة لحاملات الشحنة. يقدمون فوسفات الكوبالت ثنائي الأبعاد الجديد بفجوة نطاق تبلغ حوالي 2.75 إلكترون فولت، والتي لم يتم استكشافها سابقًا في هذا السياق. توضح الدراسة أن الهجن ثنائية الأبعاد من g-C₃N₄ مع CDTBP، التي تم تخليقها في ظروف محيطية، تظهر تداخلاً فعالًا وقدرات محسنة في إنتاج الهيدروجين الضوئي.
تؤكد تقنيات التوصيف مثل SEM وTEM وXRD على نجاح عملية الهجين وسلامة الهيكل للمواد، بينما تشير طيفية UV-Vis إلى تحول طفيف في فجوة النطاق من 2.63 إلكترون فولت لـ g-C₃N₄ إلى 2.7 إلكترون فولت للهجين بنسبة 2.6% CDTBP. حقق التركيب الهجين الأمثل (2.6% CDTBP) معدل تطور هيدروجين ضوئي ملحوظ قدره 682.40 ميكرومول جرام⁻¹ ساعة⁻¹، مما يمثل زيادة قدرها 94% مقارنةً بـ g-C₃N₄ النقي. بالإضافة إلى ذلك، تحسن كثافة التيار الضوئي بشكل كبير من 0.6 ميكروأمبير سم⁻² لـ g-C₃N₄ إلى 16.7 ميكروأمبير سم⁻² للهجين، مما يشير إلى فصل شحنة محسّن وتقليل إعادة تركيب الإثارة بسبب التفاعلات التآزرية بين Co-N وP-N. تبرز هذه الدراسة إمكانيات المواد الهجينة ثنائية الأبعاد في تحسين الكفاءة الضوئية لإنتاج الهيدروجين.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121260
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Navneet Matharoo et al.
Primary Topic: Advanced Photocatalysis Techniques
Overview
The research presents a novel approach to enhance hydrogen production through the hybridization of graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) with two-dimensional cobalt di-tert-butyl phosphate bipyridine (CDTBP). g-C₃N₄, while a promising photocatalyst due to its visible band gap and semiconducting properties, suffers from rapid electron-hole recombination, limiting its efficiency. The study reports the successful synthesis of g-C₃N₄-CDTBP hybrids, which exhibit improved charge transfer and reduced exciton recombination, leading to a hydrogen evolution rate of 682.4 μmol h⁻¹ g⁻¹. This performance significantly surpasses that of existing g-C₃N₄-based photocatalysts, demonstrating the potential of this hybrid system for scalable hydrogen production.
Characterization techniques, including high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), confirm the effective interlayer coupling and synergistic interactions between g-C₃N₄ and CDTBP. The findings indicate a shift in the band gap from 2.63 eV for g-C₃N₄ to 2.7 eV for the optimal 2.6% CDTBP hybrid, alongside a substantial increase in photocurrent from 0.6 μA cm⁻² to 16.7 μA cm⁻². These results underscore the importance of developing advanced hybrid nanocatalysts to address the urgent demand for efficient and sustainable hydrogen production.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the urgent need to transition from fossil fuels to renewable energy sources, particularly emphasizing hydrogen as a clean and versatile energy carrier. Hydrogen can be produced through various methods, with photocatalytic hydrogen evolution emerging as a promising technology due to its reliance on abundant sunlight and water. Despite the exploration of numerous photocatalytic materials, many suffer from low efficiency, necessitating the development of cost-effective and scalable solar-driven photocatalysts. Graphitic carbon nitride (gC₃N₄) is identified as a leading candidate for hydrogen evolution reactions due to its favorable properties, although its pristine form faces challenges such as rapid exciton recombination and inadequate charge transfer.
To enhance the photocatalytic efficiency of gC₃N₄, the paper discusses the potential of nanoarchitectonics, including defect engineering and hybridization with various materials. Specifically, the integration of gC₃N₄ with cobalt di-tert-butyl phosphate (CDTBP) is proposed as a novel approach to create a 2D-2D hybrid structure that facilitates efficient charge separation and enhances hydrogen evolution under visible light. The unique properties of CDTBP, such as its crystalline structure and tunable electronic characteristics, make it an attractive partner for hybridization. The study aims to investigate the performance of these gC₃N₄-CDTBP hybrids in energy applications, employing a range of characterization techniques and photocatalytic activity assessments to evaluate their effectiveness.
Results
In this study, g-C₃N₄ was synthesized through the thermal treatment of dicyanamide at 550 °C under nitrogen, while CDTBP was produced from a cobalt acetate, di-tert-butyl phosphate, and 4,4-bipyridine mixture at ambient conditions. A 2D-2D hybridization protocol was developed by mechano-chemical stirring of g-C₃N₄ and CDTBP in methanol, yielding hybrids with improved intercalation due to the 2D nature and solubility of CDTBP. Scanning electron microscopy (SEM) revealed distinct morphologies for g-C₃N₄ and CDTBP, with the optimal hybrid composition at 2.6% CDTBP showing enhanced surface area and reduced agglomeration compared to higher loadings, which led to clustering and diminished performance.
The hybrid material demonstrated superior photocatalytic hydrogen evolution rates, achieving 3216 μmol g⁻¹ in 5 hours, a 94% increase over pure g-C₃N₄. This enhancement is attributed to effective charge separation and transfer facilitated by the engineered band gap from the hybridization process. Characterization techniques, including X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), confirmed strong interlayer coupling and structural integrity of the hybrid. The results indicate that the 2D-2D hybridization of g-C₃N₄ with CDTBP not only improves photocatalytic efficiency but also establishes a synergistic interaction between the two materials, enhancing their overall performance in hydrogen evolution reactions.
Discussion
In this section, the authors discuss the photocatalytic properties of g-C₃N₄, a visible band gap material that, despite its potential, suffers from low catalytic performance due to significant charge carrier recombination. They introduce a novel 2D cobalt organophosphate with a band gap of approximately 2.75 eV, which has not been previously explored in this context. The study demonstrates that 2D-2D hybrids of g-C₃N₄ with CDTBP, synthesized under ambient conditions, exhibit effective intercalation and enhanced photocatalytic hydrogen production capabilities.
Characterization techniques such as SEM, TEM, and XRD confirm the successful hybridization and structural integrity of the materials, while UV-Vis spectroscopy indicates a slight shift in the band gap from 2.63 eV for g-C₃N₄ to 2.7 eV for the 2.6% CDTBP hybrid. The optimal hybrid composition (2.6% CDTBP) achieved a remarkable photocatalytic hydrogen evolution rate of 682.40 μmol g⁻¹ h⁻¹, representing a 94% increase compared to pristine g-C₃N₄. Additionally, the photocurrent density improved significantly from 0.6 μA cm⁻² for g-C₃N₄ to 16.7 μA cm⁻² for the hybrid, indicating enhanced charge separation and reduced exciton recombination due to the synergistic interactions between Co-N and P-N. This research highlights the potential of 2D hybrid materials in improving photocatalytic efficiency for hydrogen production.