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第41卷第1期目次
2020, 41(1): 0-0
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摘要:
编者语
“光催化产氢和CO2还原专刊”前言
余家国, 宫建茹, 向全军
2020, 41(1): 1-1  doi: S1872-2067(19)63521-7
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摘要:
光催化产氢
GaP/GaPN核壳纳米线阵列修饰的硅光阴极的光电化学制氢反应
谢关才, Saad Ullah Jan, 董泽健, 代亚雯, Rajender Boddula, 魏玉轩, 赵唱, 辛琪, 王娇娜, 杜银芳, 马兰, 郭北斗, 宫建茹
2020, 41(1): 2-8  doi: S1872-2067(19)63465-0
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摘要:
能够大规模同时提升电极的催化效率和稳定性对光电化学分解水系统的开发具有重要意义.硅是一种地球储量丰富且成熟的工业材料,由于其合适的带隙(1.1eV)和优异的导电性,已被广泛用于光电化学制氢反应.然而,缓慢的表面催化反应和在电解液中的不稳定性限制了其在太阳能制氢中的实际应用.Ⅲ-IV族半导体材料也具有较高的载流子传输特性且被广泛用于光电器件.其中,GaP的直接带隙和间接带隙分别为2.78和2.26eV,可与硅组成串联型光电极用于光电化学分解水.然而,GaP的光腐蚀电位位于禁带中,很容易在光电催化过程中发生光腐蚀而导致性能大幅下降.本文报道了一种新型的GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p型硅(p-Si)串联型光阴极,同未修饰的p-Si相比,其光电化学制氢性能更高.这可归因于以下几点:(1)p-Si和GaP纳米线之间形成的p-n结促进了电荷分离;(2)GaPN相对于GaP具有更低的导带边位置,进一步促进了光生电子向电极表面的转移;(3)纳米线结构既缩短了光生载流子的收集距离,又增加了比表面积,从而加快了表面反应动力学.此外,在GaP中引入氮元素还提高了体系的光吸收和稳定性.我们所提出的高效、简便的改进策略可应用于其他的太阳能转换体系.
利用简单的化学气相沉积法制备GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极.首先在p-Si衬底上利用Au纳米颗粒作为催化剂生长GaP纳米线;然后,去除Au催化剂,并在氨气中退火便形成了GaP/GaPN核壳纳米线.高分辨透射电子显微镜,拉曼光谱和X射线光电子谱的表征结果均证实了氨气退火使得GaP纳米线表面形成了GaPN的薄壳层,同时证明了GaP/GaPN核壳纳米线具有可调的核壳结构.在模拟太阳光下作为光阴极用于光解水制氢反应时,GaP/GaPN核壳纳米线修饰的p-Si光阴极的起始电位为~0.14V,而未修饰的p-Si电极的起始电位大约在-0.77V.而且,GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极比未修饰的p-Si光阴极具有更高的光电流密度,在水的还原电位下,其光电流密度为-0.3mA cm-2,且饱和光电流密度在-0.76V时达到了-8.8mA cm-2.此外,GaP/GaPN核/壳纳米线修饰的p-Si光阴极的光电化学活性在10 h内没有发生明显下降.由此可见GaP/GaPN核/壳纳米线可以规模化有效地提升Si光电极的催化效率和稳定性.
石墨烯修饰三氧化钨/二氧化钛S型异质结增强的光催化产氢活性
何菲, 孟爱云, 程蓓, Wingkei Ho, 余家国
2020, 41(1): 9-20  doi: S1872-2067(19)63382-6
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摘要:
太阳光驱动的光催化分解水产氢是利用太阳能解决当前能源危机和环境问题的理想策略.二氧化钛由于其稳定、环境友好和成本低等优点受到广泛研究,在光催化领域具有不可或缺的作用.然而,纯二氧化钛光催化剂具有光生电子-空穴复合率高、太阳能利用率低等缺点,使其在光催化产氢领域的应用受到限制.迄今为止,人们探索了多种改性策略来提高二氧化钛的光催化活性,如贵金属负载、金属或非金属元素掺杂、构建异质结等.
通过复合两个具有合适能带排布的半导体来构建异质结可以大大提高光生载流子的分离,被认为是一种有效的解决方案.最近提出了一种新的S型异质结概念,以解释不同半导体异质界面载流子转移分离的问题.S型异质结是在传统Ⅱ型和Z型(液相Z型、全固态Z型、间接Z型、直接Z型)基础上提出的,但又扬长避短,优于传统Ⅱ型和Z型.通常,S型异质结是由功函数较小、费米能级较高的还原型半导体光催化剂和功函数较大、费米能级较低的氧化型半导体光催化剂构建而成.三氧化钨禁带宽度较小(2.4-2.8eV),功函数较大,是典型的氧化型光催化剂,也是构建S型异质结的理想半导体光催化剂.根据S型电荷转移机制,三氧化钨/二氧化钛复合物在光辐照下,三氧化钨导带上相对无用的电子与二氧化钛价带上相对无用的空穴复合,二氧化钛导带上还原能力较强的电子和三氧化钨价带上氧化能力较强的空穴得以保留,从而在异质界面上实现了氧化还原能力较强的光生电子-空穴对的分离.同时,石墨烯作为一种蜂窝状碳原子二维材料,是理想的电子受体,在异质结光催化剂中能及时转移电子.而且,石墨烯具有较好的导热性和电子迁移率,光吸收强,比表面积大,可为光催化反应提供丰富的吸附和活性位点,已经被认为是一种重要催化剂载体和光电分解水产氢的有效共催化剂.
本文采用简便的一步水热法制备石墨烯修饰的三氧化钨/二氧化钛S型异质结光催化剂.光催化产氢性能测试表明,三氧化钨/二氧化钛/石墨烯复合材料的光催化产氢速率显著提高(245.8 μmol g-1 h-1),约为纯TiO2的3.5倍.高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱结果证明了TiO2和WO3纳米颗粒的紧密接触,并成功负载在还原氧化石墨烯(rGO)上.X射线光电子能谱中Ti 2p结合能的增加证实TiO2和WO3之间强的相互作用和S型异质结的形成.此外,复合材料中的rGO大大拓展了复合物的光吸收范围(紫外-可见漫反射光谱),增强了光热转换效应,而且rGO与TiO2之间形成肖特基结,促进了TiO2导带电子的转移和分离.总之,WO3和TiO2的S型异质结与TiO2和rGO之间的肖特基异质结的协同效应抑制了相对有用的电子和空穴的复合,有利于氧化还原能力较强的载流子的分离和进一步转移,加速了表面产氢动力学,于是增强了三元复合光催化剂的光催化产氢活性.
盐酸处理制备高结晶氮化碳及其增强光催化产氢活性
李阳, 张岱南, 冯雄汉, 向全军
2020, 41(1): 21-30  doi: S1872-2067(19)63427-3
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摘要:
由于氢气燃烧具有高能量和零污染的优点,氢能一直被认为是解决环境污染和全球能源危机问题的新能源.而光催化剂可以将太阳能转化为氢能,是目前制氢最理想的方式.近年来,研究者们的目光已经转向非金属光催化剂,其中氮化碳光催化剂因其化学稳定性好、成本低和无毒性而备受关注.但是传统的利用含氮前驱体通过热聚合得到的氮化碳呈无定形或半结晶结构,导致其光催化活性很差.而熔盐法制备的结晶氮化碳(CCN)则具有优异的光催化产氢性能.但是,熔盐法得到的CCN依然没达到理想的结晶度.
在本文中,我们用盐酸(HCl)洗涤处理熔盐法制备的产物,进一步提高了CCN的结晶度.结果表明,随着盐酸水溶液浓度的增加,制备样品的结晶度增大,在盐酸浓度为0.1mol/L时,样品结晶度达到最大值.这是因为盐酸水溶液可以去除CCN末端氨基中的一些钾离子,导致聚合位点被释放,所以进一步提高了样品的结晶度.而当盐酸浓度进一步提高到0.2mol/L时,氮化碳结构因为过高的盐酸浓度被破坏,导致结晶度反而下降.以0.1mol/L盐酸水溶液处理得到的0.1HCCN样品具有良好的光催化产氢性能,在以三乙醇胺为牺牲剂时,其光催化产氢速率达到683.54μmolh-1 g-1,在420nm处的量子效率为6.6%,光催化产氢速率分别是CCN和块状氮化碳的2倍和10倍.光催化活性的提高主要有两个原因:样品结晶度的提高和钾离子嵌入xHCCN样品的中间层.其中,样品结晶度的提高可以减少样品中的表面缺陷以及破坏结构中的氢键,从而增加了光生载流子的迁移,减少了电子空穴对的复合位点,这都非常有利于光催化反应的进行.而插入到xHCCN中间层的钾也促进了光生电子的转移.这是因为桥连的氮原子(N1)并不会被激发产生光生电子,因此抑制了光生电子在七嗪单元之间的迁移,而插入到xHCCN中间层的K可以增加电子的离域性,延长π共轭体系,从而促进光生电子的转移,进一步提高光催化产氢活性.本研究为熔盐法的进一步发展提供了新的思路.
2D-2D CdS/Cu7S4层状异质结高效可见光光催化产氢
任豆豆, 沈荣晨, 姜志民, 鲁信勇, 李鑫
2020, 41(1): 31-40  doi: S1872-2067(19)63467-4
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摘要:
利用太阳能将水转化为清洁可持续的化学燃料是一种很有前途的策略.光催化水分解制氢技术是有效解决能源可持续发展和环境保护问题的重要技术.CdS由于具有较窄的带隙(2.4eV)和合适的能带位置而被认为是最有潜力的光催化水产氢催化剂之一.然而,CdS强光的腐蚀性和快速的电子空穴复合导致光催化剂活性低、稳定性差,严重阻碍了CdS光催化剂的广泛应用.为了有效提高光催化产氢活性及稳定性,人们对CdS光催化剂进行了大量改性研究.其中,合理巧妙地加载助催化剂和构造纳米结构CdS被认为是两种极为重要的改性策略,两种策略的有效耦合可以更有效地利用太阳能,实现清洁氢燃料的生成.一方面,各种形貌的CdS光催化剂均已被开发,例如纳米线、纳米棒、纳米片和量子点等.然而,由于制备工艺复杂,在以往的报道中很少有超薄2D CdS纳米片用于光催化产氢.另一方面,由于贵金属(Ag,Pt,Au)的稀缺性和高成本阻碍了其修饰光催化剂的实际应用,所以利用非贵金属助催化剂(MoSx,CuS,Ni3C,WS2,NiS,MXene,CoxP和MoP)修饰CdS提高光催化产氢活性近年来备受关注.对于地球丰富的2D层状助催化剂Cu7S4而言,具有优异的光电催化产氢活性和简单制备方法,但是在光催化产氢领域的应用上未引起足够重视.因此,本文充分利用超薄CdS纳米片以及Cu7S4纳米片各自的独特优势,构建了独特的2D-2D层状异质结,实现了高效协同光催化产氢.
我们首先以乙酸镉和硫脲为原料通过一步水热法合成了超薄2D CdS纳米片,并用静电自组装方法制备了CdS/Cu7S4.在可见光下进行了产氢测试,实验结果证实了优化的2D CdS/2% Cu7S4层状异质结在含有Na2S·9H2O和Na2SO3的水溶液中光催化析氢活性最高(27.8 mmol g-1 h-1),是原始CdS纳米片(2.6 mmol g-1 h-1)的10.69倍.经过4次连续循环反应,CdS/Cu7S4二元复合体系展现出良好的稳定性.
为深入探讨高效产氢机制,对纳米级CdS复合材料的光催化物化性能及载流子分离机制进行了表征.通过X射线衍射确定了CdS和CdS/Cu7S4的晶体结构.用高分辨电子显微镜和X射线光电子能谱证实合成了CdS催化剂和Cu7S4助催化剂的超薄纳米片结构且成功复合.用紫外-可见漫反射光谱法对制备的纯CdS和CdS/Cu7S4复合样品的光吸收特性进行了表征.结果表明,在CdS上负载Cu7S4以后,可以明显观察到样品对可见光的吸收能力明显增强.对CdS/Cu7S4进行XPS测试分析,进一步证明了样品中S、Cd和Cu的化学成分和状态.利用PL发射光谱研究了CdS/Cu7S4光催化剂的电荷载流子复合和转移行为.进一步对纯CdS和CdS/Cu7S4复合光催化剂的瞬态光电流响应(I-t曲线)进行了研究,确定了光生载体的分离效率.阻抗是深入研究电荷载流子迁移和界面转移的最有力技术,利用阻抗技术证实CdS/Cu7S4界面高效的载流子分离性能.极化曲线结果表明,加入Cu7S4可以降低CdS的产氢过电势,因此加速表面产氢动力学.
由此可见,本文所构建的2D-2D CdS/Cu7S4二元层状异质结可以同时实现光生电子空穴对的快速分离、电子的转移和增加光生电子在表面利用效率,从而最大幅度地提高其光催化水分解产氢活性.本文所采用基于CdS纳米片的2D-2D界面耦合策略可以作为一种通用策略扩展到各种传统半导体纳米片的改性,从而极大地推进高效光催化产氢材料的持续进步.
梯型多孔g-C3N4/Zn0.2Cd0.8S-DETA复合材料的合成及其高效稳定光催化产氢性能
梅飞飞, 李真, 代凯, 张金锋, 梁长浩
2020, 41(1): 41-49  doi: S1872-2067(19)63389-9
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摘要:
近年来,化石燃料燃烧导致的环境污染问题和能源危机越来越严重.在众多解决方案中,光催化产氢由于其可持续性以及无污染等特点而受到广泛关注.然而,由于许多半导体光催化剂性能不理想,光催化水分解研究进程缓慢.本研究采用水热法成功制备了梯型Pg-C3N4/Zn0.2Cd0.8S-DETA复合材料用于光催化产氢.DETA(二亚乙基三胺)作为一种有机分子插入在Zn0.2Cd0.8S的层中构成有机-无机杂化材料.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见光漫反射光谱(UV-vis)以及光电流研究了所制备样品的结构、形貌、元素组成以及光电特征,并提出了可能的光催化机制.
XRD和XPS结果表明Pg-C3N4和Zn0.2Cd0.8S-DETA复合在一起而不是机械混合.通过TEM可以看出Pg-C3N4是一种带有很多孔洞的纳米片,而Zn0.2Cd0.8S-DETA类似于纳米花瓣,在Pg-C3N4/Zn0.2Cd0.8S-DETA复合材料中Pg-C3N4表面充满了Zn0.2Cd0.8S-DETA纳米花瓣.经过元素分析得知所合成的复合材料没有杂质元素.UV-vis表明Pg-C3N4和Zn0.2Cd0.8S-DETA具有良好的吸收带边以及带隙,分别为2.83 eV和2.48 eV.光电流和PL显示15% Pg-C3N4/Zn0.2Cd0.8S-DETA具有很高的载流子分离及传输效率.光催化性能测试显示15% Pg-C3N4/Zn0.2Cd0.8S-DETA具有很好的产氢活性,为6.69 mmol g-1 h-1,分别是Pg-C3N4和Zn0.2Cd0.8S-DETA的16.73和1.44倍.在经过七次循环实验后15% Pg-C3N4/Zn0.2Cd0.8S-DETA仍保持很优异的活性,说明它具有很好的稳定性.
通过高分辨XPS中各元素结合能的变化可以看出构成异质结之后电子的流向,从而看出光催化可能的机制为梯形.光照射之后,Pg-C3N4和Zn0.2Cd0.8S-DETA中产生电子-空穴对,电子迁移到导带并在价带留下空穴.当Pg-C3N4与Zn0.2Cd0.8S-DETA复合之后,在它们的接触处会形成内部电场,Zn0.2Cd0.8S-DETA导带上的电子和Pg-C3N4价带上的空穴会在内部电场作用下复合.Zn0.2Cd0.8S-DETA价带上的空穴和Pg-C3N4上的电子分别参与氧化还原反应.梯形机制促使电子和空穴在空间上分离,从而具有强氧化还原性.梯形异质结的形成加快了15% Pg-C3N4/Zn0.2Cd0.8S-DETA复合材料中电子-空穴对的分离效率,并减少了电子-空穴对的复合,从而使其具有很优异的光催化性能和稳定性.
有序介孔TiO2纳米纤维及其串联光催化水处理-产氢性能
黄国城, 刘学艳, 施双汝, 李斯坦, 肖正涛, 甄伟前, 刘升卫, 王保强
2020, 41(1): 50-61  doi: S1872-2067(19)63424-8
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摘要:
光催化技术在环境净化及新能源开发方面具有巨大的研究潜力,特别在有机污染物降解去除和分解水制氢展示出了广泛的应用前景.二氧化钛(TiO2)具有出色的光催化活性和稳定性、低成本和无毒性等性质,是最有前景的光催化剂之一,但离广泛实用还有一定距离.TiO2光催化活性很大程度上取决于其尺寸,结晶度和形状等结构特征,因此,TiO2的纳米结构优化设计,为开发高活性TiO2光催化材料,推动其商业和工业应用提供了新的可能.最近大量研究表明,一维(1D)纳米结构,如纳米管,纳米线和纳米纤维等,具有卓越的光生电荷分离和传输能力,可提高光催化活性.鉴于此,1D TiO2纳米光催化剂的设计和可控制备引起了广泛的研究关注.一般而言,1D TiO2制备方法包括溶胶凝胶法,水热法,溶剂热法和静电纺丝法.其中,水热法由于简单高效,是最广泛使用的一种制备方法.通常,水热法制备1D TiO2包括两个主要步骤.首先,在浓NaOH水溶液中的水热处理,将不规则的TiO2颗粒转化为均匀的1D纳米钛酸盐中间体.随后,通过氢离子交换和热转化,将所获得的钛酸盐转化为1D TiO2.钛酸盐中间体的形成和转化过程,对调控所得1D TiO2产物的结构特征,包括相、尺寸、形状和组成等,具有至关重要的作用.然而,传统水热法的反应条件非常苛刻,经常导致1D纳米结构的破坏及纳米颗粒的无序排列,降低了获得材料的光催化活性.因此,发展温和的钛酸盐转化方法,将为制备高活性光催化材料提供新思路.
本文通过新颖的蒸汽热方法,成功将钛酸盐纳米带转化为由纳米晶定向组装而成的介孔TiO2纳米纤维.结合XRD,BET,TEM,XPS,UV-Vis和PL等分析手段详细表征了催化剂的组成与结构,基于有机污染物(以罗丹明B为例)降解以及光催化分解水制氢考察了催化剂的光催化活性.结果表明,在150℃蒸汽热处理得到的1D TiO2纳米纤维具有最高的光催化氧化活性与还原活性,均优于商业TiO2(P25).1DTiO2纳米纤维具有介孔结构,其纳米晶排列有序,从而对增强光催化性能至关重要.各向异性锐钛矿纳米晶的有序排列,促进了光生电子与空穴沿纳米纤维结构定向传递,降低电子-空穴复合几率.介孔结构和高表面积有利于光催化反应过程中的质量交换.鉴于1D TiO2纳米纤维同时具有最高的光催化氧化活性与还原活性,我们发展了光催化水处理-产氢集成新技术,通过光催化“有氧氧化-缺氧还原”串联工艺来实现.有机染料在有氧氧化过程中部分氧化,并在后续的缺氧还原阶段充当高效牺牲试剂以促进光催化分解水制氢.该研究为制备高活性有序介孔TiO2纳米纤维及其应用提供了新思路.
碳纳米管@碳化硅同轴异质结纳米管非金属光催化剂产氢性能
周训富, 高琼芝, 杨思源, 方岳平
2020, 41(1): 62-71  doi: S1872-2067(19)63421-2
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摘要:
近年来,光催化裂解水产氢(H2)引起了广泛的关注.储量丰富,环境友好的非金属无机半导体β-SiC(立方相碳化硅)具有适当的带隙(Eg=2.4eV,ECB=-0.9V),是一种潜在的光催化剂.受限于SiC光催化剂内部光生电子-空穴对的快速复合,SiC光催化剂的效率较低.已有的关于SiC光催化剂改性的报道主要包括构建纳米SiC,构建SiC异质结,构建碳/SiC材料杂化材料.进一步的研究表明,SiC与碳材料之间通过紧密的界面接触形成了肖特基结,能将SiC表面的光生电子快速转移,抑制光生电子-空穴对的快速复合,从而提高光催化分解水产氢的活性.另一方面,碳纳米管(CNTs)具有良好的电子导电性,一维有序的管腔所形成的电子快速传导路径.因此,将半导体光催化剂与CNTs复合,是一种制备先进的光催化剂的有效策略.
本文利用Si蒸气与CNTs之间的气-固反应,在CNTs表面原位生长SiC纳米包覆层,成功地制备了一维同轴核-壳CNTs@SiC纳米管.高分辨率透射电子显微镜图像表明,SiC与CNTs之间是通过Si-C共价键原子接触,并得到X射线光电子能谱的证实.将一部分CNTs@SiC纳米管在空气中750oC煅烧2h以除去CNTs,得到纯SiC纳米颗粒作为对比组.紫外-可见吸收光谱表明,CNTs能够促进SiC对光的吸收.荧光发射光谱(PL),瞬态荧光寿命测试,瞬态光电流测试以及交流阻抗(EIS)测试表明,CNTs能够促进SiC表面光生电子的传输与分离,有利于提升光催化效率.以0.1mol/L Na2S溶液作为牺牲剂,在模拟太阳光(A.M 1.5)照射下,CNTs@SiC纳米管(不额外负载Pt等贵金属作为助剂)的产氢速率为118.5μmol g-1 h-1,是纯SiC纳米颗粒(21.1μmol g-1h-1)的5.62倍.经过20h的光照测试,CNTs@SiC纳米管的光催化性能无明显衰减;X射线衍射测试与扫描电子显微镜图像表明,CNTs@SiC纳米管的结构与形貌反应前后几乎无变化.莫特-肖特基测试表明,CNTs的费米能级比SiC低,因此SiC表面的光生电子能够快速地转移到CNTs,并且CNTs的良好导电性与一维有序的管腔所形成的长的电子传导路径能够进一步地增加电子寿命,促进光生电子参与光催化反应.另外,通过原子连接的同轴核-壳CNTs@SiC纳米管提供了大量且有效的电子传输路径.因此,与纯SiC纳米晶等同类材料相比,无机非金属CNTs@SiC纳米管具有更强的光催化氢活性.
Co(II)-空穴和Pt-电子助催化剂协同作用增强P掺杂g-C3N4光催化产氢性能
孙扣华, 沈珺, 刘芹芹, 唐华, 张明义, Syed Zulfiqar, 雷春生
2020, 41(1): 72-81  doi: S1872-2067(19)63430-3
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摘要:
石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型的有机半导体材料,具有独特的层状结构、合适的能带位置、简单的制备方法以及出色的稳定性等特点,因而被广泛应用于光催化产氢领域.但是,较高的光生载流子的复合率和受限的迁移率大大地限制了g-C3N4的光催化产氢性能.目前,大量的研究证实块状g-C3N4的液相剥离、表面改性、元素掺杂、与其他半导体复合构筑异质结以及负载助催化剂等方法可以在一定程度上提高g-C3N4的光催化产氢性能.但是单一的g-C3N4改性方法往往并不能获得最理想的光催化产氢性能,因此,本文采用低温磷化法制备了二价钴(Co(Ⅱ))修饰的磷(P)掺杂的g-C3N4纳米片(Co(Ⅱ)/PCN),同时实现了掺杂P原子和负载空穴助催化剂Co(Ⅱ),该催化剂表现出出色的光催化产氢性能.在光催化制氢过程中,铂(Pt)纳米颗粒作为电子助催化剂成功的负载在Co(Ⅱ)/PCN上.光催化实验结果表明,最佳的Pt/Co(Ⅱ)/PCN复合材料光催化产氢速率达到774μmol·g-1·h-1,比纯相的g-C3N4纳米片(89.2μmol·g-1·h-1)提升8.6倍.同时优化的光催化剂具有良好的光催化稳定性,并在402nm处具有2.76%的量子产率.XRD,TEM,STEM-EDX和AFM结果证明,成功制备了纳米片状形貌的g-C3N4及其复合材料,催化剂中均匀的分布着Co和P元素.通过XPS证明了P-N的存在以及Co(Ⅱ)的存在,并且Co(Ⅱ)是以一种无定型的CoOOH的形式吸附在g-C3N4表面.光照后的TEM证明Pt颗粒成功的负载在Co(Ⅱ)/PCN表面.UV-visDRS表明,由于P的掺杂以及Co(Ⅱ)的修饰,Co(Ⅱ)/PCN相比于g-C3N4纳米片在可见光区域光吸收有了明显的增强.通过稳态和瞬态光致发光光谱分析,同时结合电化学分析表征(i-t、EIS)以及电子顺磁共振技术分析,证实了Co(Ⅱ)/PCN高效光催化性能的原因可能是由于更高效的光生载流子分离效率.本文对Pt/Co(Ⅱ)/PCN可能的光催化增强机理提出了设想.P的掺杂可以优化g-C3N4的电子结构,提高其光生载流子分离效率.而以Pt作为电子助催化剂,可以有效地捕获P掺杂的g-C3N4导带中的光生电子,进而发生水还原产氢反应;以Co(Ⅱ)作为空穴助催化剂,可以捕获价带中的光生空穴,进而发生三乙醇胺氧化反应.通过采用不同功能的助催化剂,实现P掺杂g-C3N4光生电子空穴的定向分流,促进了P掺杂g-C3N4的光生载流子的分离,从而提高催化剂的光催化产氢性能.本文可以为设计具有空穴-电子双助催化剂的光催化产氢系统提供一个新的思路.
ZIF-9(Co)衍生物磷化钴复合CeVO4协同高效产氢性能
张利君, 郝旭强, 李俊柯, 汪远鹏, 靳治良
2020, 41(1): 82-94  doi: S1872-2067(19)63454-6
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摘要:
众所周知,太阳能是一种清洁,可持续的能源.如何更有效地利用太阳能来解决人类面临的能源和环境问题已成为近几十年来科研工作者们的研究热点.半导体光催化技术被认为是人工光合作用的主要发现.光催化技术是解决日益严重的能源短缺和环境污染问题的有效途径,越来越受到人们的关注.氢作为理想的清洁能源,具有燃烧价值高,无污染的优点.光催化制氢技术的应用是最具发展性的制氢方法之一.因此,有效光催化剂的设计和开发显得十分重要.
由于光催化析氢反应(HER)主要是半反应,因此必须引入牺牲试剂.同时,光敏剂的存在加速了光催化剂对光的吸收.在这种情况下研究光催化材料的结构和性质之间的关系至关重要,它能指导人们开发低成本,高稳定性,高活性的析氢光催化剂.本文首次成功地合成了以ZIF-9(Co-MOFs)作为前驱体的CoP纳米粒子,并通过简单的化学沉淀法制备了CeVO4光催化剂.深入研究了CoP,CeVO4及其复合催化剂的光催化制氢性能.发现CoP/CeVO4复合催化剂在染料敏化条件下表现出优异的光催化活性.当CoP和CeVO4结合质量比为1:1时,所得样品V1C1的复合光催化活性对于析氢最佳,在5h内氢产生量达到444.6μmol.由于CeVO4和CoP偶联是一步完成.CeVO4牢固地粘附在CoP颗粒的表面上,形成“小点”到“大点”异质结.XRD,XPS,SEM,EDX和TEM的结果显示,CoP和CeVO4纳米颗粒的形成和复合物的结构.基于对Mott-Schottky曲线,UV-vis漫射光谱,光电流-时间曲线,Tafel曲线,奈奎斯特曲线,线性伏安曲线和稳态/瞬态荧光测量结果表明,CoP/CeVO4高效析氢的原因是CoP和CeVO4复合后存在肖特基势垒,导致能带发生弯曲,并且CoP与CeVO4之间异质结所形成的内建电场能加速电荷转移.此外,CoP和CeVO4之间独特的协同效应为彼此提供了新的析氢活性中心.提高了载流子分离效率,降低了光生载流子复合率.因此,CoP/CeVO4复合催化剂具有优异的光催化析氢活性.本文为过渡金属磷化物光催化剂的电子结构和载流子行为的调控提供了新的策略.
硝酸根接枝诱导组装金红石相TiO2纳米束以增强光催化产氢
王蘅, 胡仙桃, 马亚娟, 朱大建, 李涛, 王靖宇
2020, 41(1): 95-102  doi: S1872-2067(19)63452-2
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摘要:
化石燃料的快速消耗加速了全球能源危机和环境污染等问题.光催化产氢直接利用清洁和可持续的太阳能实现向化学燃料的转化,因而成为一种有前景的技术.众多半导体光催化剂中,二氧化钛因其高光催化活性、稳定的化学性质、低成本和无毒等优势而被广泛用作分解水产氢的光催化剂.最近,金红石相TiO2纳米晶体在某些情况下被证明具有光催化的潜力,然而其光生电子-空穴对的快速复合显著抑制了光催化效率.表面修饰、构建异质结和负载助催化剂等策略被用来提高光生载流子的分离效率以减少复合损失,从而提升光催化活性.
由于光催化反应通常发生在光催化剂的表面活性位点上,因此通过改善表面性质改变电荷转移途径对光催化活性具有重要影响.磷酸、硫酸、硼酸和盐酸等无机酸的修饰可以改变光催化剂的表面基团,分别通过促进表面羟基的形成和氧气的吸附以及改变表面电荷性质更有效地捕获空穴,实现光生电子和空穴的分离,有助于光催化降解有机污染物.然而,这种影响机制显然不适用于光催化产氢体系,目前对无机酸修饰用于分解水产氢的研究鲜有报道.因此,通过酸改性策略制备高效产氢的光催化剂仍然是一个相当大的挑战.
本文利用硝酸诱导策略合成纺锤状金红石相二氧化钛纳米束(R-TiO2).首先,制备层状质子化钛酸盐(LPT)作为TiO2的前体,随后,加入浓硝酸以诱导向金红石相TiO2的转变,并组装形成纺锤状纳米束.对照实验显示,硝酸的酸化可以诱导LPT向金红石相TiO2的转变,而相同条件下浓硝酸后处理不会引起晶相的转变.纺锤形纳米束的形成源于,硝酸诱导R-TiO2沿(110)方向生长并彼此粘附,硝酸诱导组装过程成功在TiO2表面修饰上硝酸根,同时扩大了光吸收范围,有效减少了电荷复合损失.光催化产氢测试证明了R-TiO2光催化剂具有高效的产氢性能,产氢速率为402.4μmol h-1,是Degussa P25的3.1倍,并且显著高于未经浓硝酸处理的锐钛矿(52.0μmol h-1)或金红石相(110.8μmol h-1)光催化剂.为了说明表面硝酸根的影响,分别从晶体和化学结构、形态以及表面电荷性质方面比较了光催化反应前后的变化,结果表明,R-TiO2增强的光催化效率可归因于硝酸根基团的负场效应,有利于在表面上捕获带正电的质子以促进载流子分离,提高光催化产氢的效率.
总之,本工作不仅对于发展表面修饰策略制备高效产氢光催化剂的研究具有重要意义,而且提出了一种不同于文献报道的无机酸影响机制.
MoS2@ZnxCd1-xS增强可见光诱导产氢性能同时降解抗生素废水:固溶体策略助力光催化
韦之栋, 徐美奇, 刘军营, 郭伟琦, 江治, 上官文峰
2020, 41(1): 103-113  doi: S1872-2067(19)63479-0
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摘要:
随着工业化进程的加快,能源的需求亦随之增长.以传统不可再生的化石燃料为主体的能源结构,虽然可以满足日常能源需求,但是使用后其排放的氮氧化物,硫氧化物以及CO2温室气体将会对人类的环境造成污染.因此,开发清洁可持续的新型能源成为重要的研究方向之一.氢能作为一种可持续能源,具有高热值、零排放等优点,而光催化粉末体系制氢则具有低成本,低污染等优势.因此,光催化制氢有望成为未来氢能重要的生产方式之一.然而,由于目前关于光催化制氢的研究大多集中于牺牲剂体系,例如醇类及醇胺类体系.传统牺牲剂体系作为探索光催化制氢的作用机制是很有效的,但是具体到未来工业化进程中,其经济性还需进一步的提高,且其中甲醇、乙醇等本身也可作为一种燃料使用.因此,开发廉价的牺牲剂体系,也成了未来工业化进程中的一个重要方面.本文选用MoS2@ZnxCd1-xS作为催化剂,以抗生素废水作为牺牲剂,在可见光照射下实现产氢的同时,降解阿莫西林抗生素废水,相比于单独的MoS2@ZnS及MoS2@CdS体系,性能明显的提高.通过扫描电镜与元素分布测试证明了各个元素的存在及分布.XRD结果表明,MoS2@ZnxCd1-xS是以固溶体形式存在,并非简单地物理混合.随后HRTEM进一步证实所形成的固溶体催化剂呈六方晶相.采用XPS和Raman分析了元素的化学环境,发现固溶体与MoS2可能是通过Mo-S-Cd/Zn键而结合;而MoS2表现出1-T与2-H的混相结构.材料的吸光性能通过紫外可见漫反射测试.我们发现,随着ZnS含量的不断增加,固溶体在可见光区域的吸收不断减弱,同时吸收带边向着紫外光区移动.而光催化制氢性能测试实验表明,Zn0.5Cd0.5S体系呈现出最佳的性能,这可能是因为当Cd:Zn=1:1时,固溶体策略对于CdS在热力学与动力学方面的提升均达到最佳.而MoS2量的增加,产氢效果也呈现出“火山峰”似的规律,过多的MoS2将会吸收主要的入射光,从而使Zn0.5Cd0.5S不能被有效地激发进而参与到反应中去.液相色谱-质谱联用技术表明阿莫西林的降解不仅仅是由于吸附所致,光催化也存在一定的贡献.而反应前后的XRD与XPS结果则表明了催化剂结构稳定.
化学镀法制备CoP量子点修饰g-C3N4用于光催化产氢
戚克振, 吕文秀, Iltaf Khan, 刘书源
2020, 41(1): 114-121  doi: S1872-2067(19)63459-5
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摘要:
光催化分解水制氢被认为是解决当前能源危机和环境污染问题的重要途径之一.在众多光催化剂中,石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有高的热稳定性、高的化学稳定性、合适的能带位置以及成本低廉等优点,受到光催化领域研究者的广泛关注,成为研究热点.然而,由于g-C3N4的禁带宽度较大(Eg=2.7eV),导致其对可见光的响应较差,而且光生电子-空穴对在其中易于复合,从而导致其光催化产氢活性较低.已有研究表明,助催化剂可以有效地促进催化剂中光生载流子的分离和传输,从而提高光催化剂的光催化活性和氢气的产生速率.目前使用最广泛的助催化剂多为贵金属(Au,Ag,Pt和Pd等),然而贵金属储量低、成本高,极大地限制了其实际应用.因而,开发适用于光催化水分解制氢的非贵金属助催化剂成为该领域的研究热点.其中,用非贵金属助催化剂修饰g-C3N4制备高效光催化剂分解水制氢技术引起了人们极大的兴趣.
过渡金属磷化物(FeP,CoP,CuP,NiP等)是一种有效的光催化辅助催化剂.然而,这些金属磷化物的合成通常使用有毒的有机磷化合物和白磷或涉高温煅烧.特别是在传统水热法制备金属磷化物过程中会释放大量氢气,导致容器内压力过高,造成较大的安全问题.据报道,在这些磷化物中,磷化钴由于其合适的能带结构和较高的导电性,作为光催化分解水助催化剂受到了广泛关注.然而,截至目前,关于磷化钴作为助催化剂用于光催化的实用技术报道很少,特别是在温和条件下制备磷化钴修饰的g-C3N4复合光催化剂的研究还有待进行.
本文研究了以CoP作为助催化剂来改进g-C3N4(制备g-C3N4/CoP),并用于光催化水裂解制氢气.复合光催化剂g-C3N4/CoP经由两步反应合成.第一步采用尿素热分解法制备g-C3N4,第二步通过化学镀法将CoP修饰在g-C3N4表面.采用XRD,TEM,UV-DRS和XPS等手段表征了g-C3N4/CoP光催剂的性质.结果表明,CoP以量子点(QDs)形式均匀分布在g-C3N4表面,显著提高了g-C3N4的光催化活性.不同CoP负载量的样品中,g-C3N4/CoP-4%表现出优异的光催化活性,H2生成速率为936μmol g-1h-1,甚至高于4% Pt负载的g-C3N4(H2的生成速率仅为665μmol g-1 h-1).从紫外可见光谱上看,g-C3N4在451nm达到吸收波长上限,但与CoP复合后,g-C3N4/CoP-4%的吸收波长上限延展到497nm.此外,光致发光和光电流测试结果证实,将CoP量子点负载到g-C3N4上不仅可以降低光生电荷-空穴对的复合,而且可以改善光生e--h+对的转移,从而提高光催化剂的产氢性能.这项工作为开发高效的非贵金属助催化剂修饰g-C3N4的技术提供了一个可行策略,所制材料在光催化制氢领域显示出潜在的应用前景.
基于S-型光催化机制CuInS2内嵌中空凹面氮化碳光催化分解H2O制H2
罗金华, 林哲荇, 赵艳, 姜淑娟, 宋少青
2020, 41(1): 122-130  doi: S1872-2067(19)63490-X
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摘要:
光催化解离H2O合成H2是绿色可再生的太阳能光子能量转换策略之一.目前,增强光催化材料对太阳能光子的捕获并将之有效利用仍然是一个具有挑战性的课题.光催化解离H2O反应包括三个过程:太阳能光子能量促使光生电子在半导体材料带隙中的跃迁;光生电子定向传输;光生电子与吸附在半导体材料表面的H2O分子发生反应.第一过程需要强的太阳光子捕获能力以产生足够的光生载流子;第二、三过程在动力学上反映了光生载流子在各个竞争过程中能否有效利用的问题,如光生电子迁移与H2O作用的速度很慢(~μs),而电子与空穴的复合速度快(~ps).目前研究者很难协调半导体材料的电学和光学特性以满足光生载流子在热力学和动力学两方面的要求.g-C3N4是由C、N原子通过sp2杂化组成的二维π共轭体系.当g-C3N4结构偏离二维平面时,共轭体系的π电子由凹面迁移到凸面,促使凹、凸面形成表观电势差,有利于电子的定向传输.本文通过卷曲sp2杂化离域均三嗪体系偏离二维平面,得到空心凹面g-C3N4结构,便捷地优化了半导体的电子结构.将CuInS2嵌入生长于空心g-C3N4的凹面,所构成的半导体光催化材料CuInS2@C3N4展现了增强的光捕获能力,以及电子定向传输转移能力.结合XPS、光电流测试、电化学阻抗谱、稳态及瞬态荧光等表征手段揭示空心g-C3N4凹、凸面表观电势差驱动光生电子以S-型光催化作用机制从CuInS2的Cu 2p向g-C3N4的N 1s的路径转移.因而,所构建的CuInS2@C3N4在可见光激发下产氢效率提高到373μmol·h-1·g-1,其产氢效率分别是二维平面g-C3N4负载1 wt% Pt和3 wt% Pd效率的1.57倍和1.35倍,表明空心g-C3N4凹、凸面电势差可以显著地促进光生电子分离和利用率,从而提高光催化解离水制氢效率.本文可增强g-C3N4的可持续太阳能转换性能,也适用于其他半导体材料以替代贵金属光催化体系,降低光催化产氢技术成本,促进光催化技术的应用.
光催化CO2还原
光致热效应促进的全光谱光催化CO2还原
汪弘嘉, 王艳杰, 郭令举, 张雪华, Caue Ribeiro, 贺涛
2020, 41(1): 131-139  doi: S1872-2067(19)63393-0
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摘要:
以半导体等为催化剂,在太阳能作用下将CO2和H2O转化为可再生燃料与氧气的“人工光合作用”有望同时解决目前面临的严峻能源和环境问题,因而备受关注.但半导体催化剂光谱响应范围较窄、表面反应动力学缓慢,从而导致目前仍无法获得可观的太阳能-燃料转换效率.已有很多研究采用了晶面调控、元素掺杂和异质结构建等方法,以提高半导体光催化剂的太阳能-燃料转换效率,但效果仍不令人满意,主要原因是半导体光催化剂很难在吸收带边-氧化还原能力和活性-稳定性这两种关系中取得较好的平衡.此外,光催化反应中的动力学也是主要问题之一,尤其在人工光合作用反应中,CO2还原半反应和H2O氧化半反应的动力学均较困难,这已成为共识,而解决这个问题,将有助于我们从一新的角度理解光催化过程,从而提升光催化反应性能.
本文以Au NP/金红石为模型催化剂,纯金红石为参照,证明了存在太阳光中的红外光致热和可见光诱导的等离激元热效应等两类光致热效应,它们均可以促进人工光合作用反应.研究发现,人工光合作用反应与其他许多化学反应一样,表观活化能为正,从而表明动力学因素在该反应中起着重要作用.此外,根据不同反应温度下的结果,通过计算Au NP/金红石和纯金红石上生成CO和CH4的表观活化能,发现在这二种样品上CH4的表观活化能均高于CO,这就从动力学上解释了热力学上更容易得到的CH4在绝大多光催化CO2还原反应中的产率均低于CO.此外,无论是对于CO还是CH4,Au NP/金红石的催化表观活化能均低于纯金红石的.因此,本文从实验上提供了贵金属纳米粒子改善人工光合作用动力学的实验证据,并从动力学角度解释了人工光合作用反应中的活性和选择性问题.本研究证明了动力学因素在光催化反应,尤其是人工光合作用反应中的重要性,并提出了从动力学角度提升人工光合作用反应的新方法,即利用太阳光的光致热效应加速反应,这不仅有助于提升太阳能转化效率,也有望减少反应设备成本,从而促进其大规模应用.
双功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂驱动人工碳循环
谢权, 何婉楣, 刘升卫, 李传浩, 张金锋, 王保强
2020, 41(1): 140-153  doi: S1872-2067(19)63481-9
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摘要:
长期以来,陆地、大气和海洋之间的碳循环维持了大自然碳平衡.随着密集人类活动和高度工业发展,碳燃料、碳化学品和碳材料广泛应用于各个领域,导致碳排放过量,碳平衡已被严重破坏,碳污染已成为一个严峻问题.例如,持久性有机污染物和挥发性有机化合物过量排放到环境中,威胁着人类的健康和生态平衡.人们陆续开发出各种先进的环境技术,如微生物分解,去除空气和水中的碳基污染物,将有毒有害的有机化合物转化为无害CO2.但是,CO2本身是大气中的主要温室气体,它在大气中的浓度早超过了天然碳循环所能维持的环境自洁净能力.基于先进催化技术建立人工碳循环,将有机污染物矿化生成的CO2进一步转化为有价值的有机化学品(如太阳能燃料)是一种理想的低碳方法.光合作用是自然碳循环中核心过程之一,是降低大气中CO2浓度的关键.受到光合作用启发,科学家们积极开发人工光合成技术推动CO2资源化.人工光合成技术本质上基于半导体光催化过程.半导体光催化过程具有双重作用.一方面,基于有氧光催化氧化过程,有机污染物可以矿化生成无毒CO2.另一方面,基于缺氧光催化还原过程,CO2可以转化为碳氢化合物太阳能燃料.理论上,结合上述两个过程,为建立人工碳循环奠定基础,但是,至今很少有人成功建立有氧氧化-无氧还原串联光催化工艺,实现人工碳循环.难点在于有机污染物的有氧氧化反应和CO2的无氧还原反应的操作条件与反应机制是完全不同的,目前缺乏同时适用于上述两种反应的双功能光催化剂.本文成功构建了具有双功能的g-C3N4/Bi/BiVO4三元复合光催化剂,它不仅在降解有机污染物方面表现出优异的有氧光催化氧化性能(以降解染料罗丹明B为例),而且还表现出优异的缺氧CO2光催化还原性能.此外,基于“一锅法”厌氧耦合氧化-还原反应,g-C3N4/Bi/BiVO4三元复合光催化剂成功实现同步罗丹明B降解与太阳能燃料生成,构建了从毒害有机污染物到高品质太阳燃料的碳循环.结合牺牲剂实验分析与密度泛函理论理论计算,作者提出g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂的双功能性与g-C3N4与BiVO4界面内建S-型复合异质结有关.S-型复合异质结既促进界面电荷转移与分离,又维持了最佳电荷氧化还原电位.此外,S型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂中原位生成的具有等离子体效应的Bi纳米颗粒具有双重作用,既促进界面电荷定向转移,又促进可见光吸收.本文开发的新型双功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂系统为进一步开发集成式有氧-缺氧光催化碳循环反应系统奠定基础.
利用光热耦合下的光电导研究TiO2光热催化还原CO2
李大帅, 黄誉, 李松美, 王长华, 李莹莹, 张昕彤, 刘益春
2020, 41(1): 154-160  doi: S1872-2067(19)63475-3
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摘要:
利用太阳能缓解能源危机和解决环境污染,是当前和未来的全球性课题.其中,光催化技术的研究步伐日渐加快.这不仅体现在光催化材料种类的增加,更体现在以光催化为基础的多场协同催化,特别是光热耦合作用成为增强光催化性能的一种高效、可靠的方法.氧空位的引入不仅可以拓宽催化剂对可见光的吸收、抑制载流子的复合、促进反应物的吸附以及降低反应的活化能,而且对于光热协同催化效率的提升有着重要的贡献.然而,目前光热协同催化的表征多局限于常规的光催化手段.开展光热耦合下的测量技术对深刻理解光热催化是十分必要的.本文研究温度、气氛、氧空位浓度对TiO2光电导的影响,构建光电导与光热催化活性之间的关系.
我们将商用的ST-01 TiO2制成浆料,利用丝网印刷法将浆料覆盖在刻有沟槽的FTO上,并通过N2/H2混合气不同温度退火,得到不同氧空位含量的TiO2薄膜(Ov-TiO2).采用紫外-可见光谱(UV-Vis),拉曼光谱(Raman),电子顺磁共振(ESR)等手段对样品进行了表征.结果表明,N2/H2退火温度越高,氧空位浓度越高.
我们对不同浓度氧空位的样品进行了光催化及光热协同催化CO2还原实验.结果表明,适量氧空位的样品(H2-150)光催化还原CO2性能最差,但光热协同催化还原CO2的性能最佳.我们对其光电导值的衰减情况进行了分析,看到H2-150样品在CO2气氛、光热条件下,电导衰减加快.由于光电导的衰减是由电荷复合和电荷参与的表面反应共同决定的,为确定是哪一因素决定了电导的衰减,我们进一步测试了H2-150样品在N2气氛下的电导衰减情况.结果发现,H2-150样品在N2气氛、光热条件下电导衰减反而变慢.这表明,造成H2-150样品在CO2气氛、光热条件下的电导衰减加快是光热条件下CO2还原速率加快,也验证了H2-150具有较好的光热催化CO2活性.与H2-150样品不同的是,大量氧空位样品(H2-350)在CO2气氛、光热条件下电导衰减反而变慢,我们认为这是由于H2-350存在深能级缺陷,在热的作用下会将捕获的电子释放,因此延缓了光电导的衰减.但由于深能级电子的还原能力较弱,所以H2-350样品的光热CO2还原活性稍逊于H2-150.
综上所述,在光热电导与光热催化相关的研究中,我们证实了在Ov-TiO2中被捕获的电子在热激发下可再次向导带弛豫,从而解释了Ov-TiO2优异的光热催化性能.因此,光热电导的研究在理解光热催化方面具有重要的前景.
其他光催化应用
增强可见光催化活性的Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂的制备
江天贵, 王楷, 郭婷, 吴晓勇, 张高科
2020, 41(1): 161-169  doi: S1872-2067(19)63391-7
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摘要:
全球工业化进程的加快使人们饱受环境污染问题的困扰.半导体光催化技术作为一种高效、绿色、有潜力的新技术,在环境净化方面有着广阔的应用前景.Bi2O4是近年来新开发出的一种铋基光催化剂,在环境净化方面已有一些研究.但是,单体光催化剂通常存在光响应范围窄、光生载流子复合率高等问题,这些不足限制了Bi2O4的进一步应用.因此,需要通过适当的改性来拓宽其光响应范围和提高其载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.构建Z型异质结被认为是提高光催化剂光生载流子分离效率并进一步提高光催化活性的有效方法.MoO3是一种宽禁带的n型半导体,具有独特的能带结构、光学特性和表面效应,是一种非常有前景的半导体光催化剂.虽然MoO3材料的光生载流子复合率高,带隙(2.7-3.2 eV)大,不利于其参与光催化反应,但MoO3与其他合适的半导体配位形成复合材料后能够有效提高其光生载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.
本研究采用简单的水热法制备了一种新型Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂,SEM和TEM分析结果表明,MoO3和Bi2O4紧密结合在一起.X射线光电子能谱分析表明,MoO3和Bi2O4之间存在很强的界面相互作用,这有助于电荷转移和光生载流子的分离.光致发光光谱、电阻抗和光电流测试也证明了MoO3/Bi2O4复合光催化剂的光生载流子分离效率更高,形成了更强的光电流.通过在可见光下降解RhB溶液评价了所合成光催化剂的光催化性能.15% MoO3/Bi2O4(15-MB)复合光催化剂表现出了最佳的可见光催化活性,在40 min内对10 mg/L RhB溶液的降解率达到了99.6%,其降解速率是Bi2O4的2倍.此外,15-MB复合光催化剂在经过五次循环降解RhB溶液后仍保持良好的光催化活性和稳定性,表明MoO3/Bi2O4复合光催化剂具有较强的应用潜力.通过自由基捕获实验确定了光催化反应中主要的活性自由基为·O2-和h+.通过莫特-肖特基测试和带隙计算得到MoO3和Bi2O4的价带和导带位置.最后,根据实验和分析结果提出了Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂在可见光下降解RhB溶液的机理.本研究为设计铋基Z型异质结光催化剂用于高效去除环境污染物提供了一种有前景的策略.
新颖CdMoO4/g-C3N4复合材料的制备及其可见光增强的电荷分离和光催化活性
柴波, 闫俊涛, 范国枝, 宋光森, 王春蕾
2020, 41(1): 170-179  doi: S1872-2067(19)63383-8
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摘要:
半导体光催化技术因其能够完全矿化和降解废水以及废气中的各种有机和无机污染物而受到越来越多研究者关注.尽管TiO2作为光催化剂显示了良好的应用前景,但其只对紫外光响应,该部分能量大约仅占太阳光谱的5%,从而限制了其实际应用.因此,开发新型可见光响应光催化剂成为光催化领域的研究焦点之一.石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种光催化材料,由于具有良好的热和化学稳定性以及可见光响应而备受关注.然而,单纯的g-C3N4由于光生电荷载流子易复合,光催化效果并不理想.为进一步提高g-C3N4的光催化活性,构建g-C3N4基异质结复合光催化材料被认为是增强g-C3N4光生电子-空穴分离效率的有效方法.CdMoO4作为一种光催化材料,与g-C3N4匹配的能带有利于光生电子-空穴的分离,从而提高g-C3N4的光催化活性.
本文通过便利的原位沉淀-煅烧过程,制备了新颖的CdMoO4/g-C3N4异质复合光催化材料.复合材料的晶相构成、形貌、表面化学组分和光学特性等通过相应的分析测试手段进行表征.光催化活性通过可见光下催化降解罗丹明B水溶液来评价.结果显示,将CdMoO4沉积在g-C3N4表面形成复合材料可明显提高光催化活性,且当CdMoO4含量为4.8 wt%时达到最佳的光催化活性.这种显著增强的光催化活性可能是由于CdMoO4/g-C3N4复合物能够有效地传输和分离光生电荷载流子,从而抑制了光生电子-空穴的复合.电化学阻抗、瞬态光电流和稳定荧光光谱测试结果证实,通过CdMoO4与g-C3N4复合可有效增强电荷分离效率.此外,活性物捕获实验表明,在光催化过程中空穴(h+)和超氧自由基(·O2-)是主要活性物种.根据莫托-肖特基实验并结合紫外-可见漫反射吸收光谱,得到了单纯g-C3N4和CdMoO4的能带结构,提出了形成的Ⅱ型异质结有助于增强光催化活性的机理.
MoSe2/ZnO/ZnSe复合物用于高效可见光催化还原Cr(VI)
任振兴, 刘心娟, 诸葛志豪, 宫银燕, 孙长庆
2020, 41(1): 180-187  doi: S1872-2067(19)63484-4
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摘要:
半导体光催化还原Cr(VI)为Cr(Ⅲ)被认为是一种能够解决环境和能源问题的绿色技术.典型光催化剂ZnO和TiO2在还原重金属离子和二氧化碳,降解有机污染物,分解水等领域均已被证明是一种有潜力的光催化剂.但是,它们窄的太阳能吸收范围和快的光生载流子复合限制了其实际应用.因此,探索能够响应可见光的高效光催化剂是非常急切的课题.
研究表明,引入窄带半导体构筑异质结复合光催化剂是一种提高ZnO和TiO2可见光催化活性的有效途径.随着二维石墨烯研究的热潮,具有类石墨烯结构的材料,如过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W,Nb,Ta,Zr;X=S,Se)以其独特的“三明治夹心”层状结构受到了研究者的高度重视.在这些MX2材料中,MoS2是间接带隙半导体,能带为1.2 eV,并且随着层数的减小,能带增加到1.8eV,因此,它对可见光具有很好的吸收能力.MoS2具有比表面积大、吸附能力强、反应活性高等优异的物理和化学性能,被广泛应用于光催化、制氢反应、太阳能电池及锂离子电池等领域.类似于MoS2,MoSe2也应该是一种具有潜力的窄带光催化剂.不幸的是,对于MoSe2在光催化还原Cr(VI)中的应用,还鲜有报道.本文基于ZnO,ZnSe和MoSe2构筑复合光催化剂,由于它们存在阶梯型的能级结构,使得此复合物能够展现优异的可见光催化性能,这是一种提高ZnO可见光催化活性的有效方法.
扫描电子和高分辨透射电子显微镜结果显示,ZnO和ZnSe纳米颗粒分散在二维MoSe2片周围,形成很好的界面接触,有利于光生电子-空穴对的快速转移和分离,促进光催化反应的进行.紫外可见吸收光谱结果表明,MoSe2/ZnO/ZnSe(ZM)复合物在可见光区域展现了很好的吸收.电化学阻抗谱和光电流响应曲线结果表明,ZM复合物中光生载流子复合被有效抑制,延长了其寿命.光催化还原Cr(VI)的实验结果发现,与纯ZnO相比,ZM复合物展现了优异的光催化活性.在可见光照射180min后,ZM复合物对Cr(VI)的还原率达到100%.优异的光催化活性归因于其优异的可见光吸收、阶梯型能级结构和光生载流子的有效转移.光催化重复性实验和X射线衍射图结果表明,在光催化反应之后ZM复合物的结构没有发生变化,具有良好的稳定性.本工作可为进一步设计具有理想功能的二维复合光催化剂提供有价值的信息.
经由MOFs煅烧制得多孔Fe2O3表面修饰十二烷基磺酸钠:一种高活性且易回收的燃油脱氮光催化剂
梁若雯, 梁志瑜, 陈峰, 谢丹华, 吴艳玲, 王绪绪, 颜桂炀, 吴棱
2020, 41(1): 188-199  doi: S1872-2067(19)63402-9
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摘要:
化石燃料燃烧的排放物是目前最严重的环境污染源,其中含氮有机物燃烧产生的NOx等是污染大气和形成雾霾的主要污染物.伴随石油存量的不断减少、重质石油的更多利用以及机动车的大规模增加,由此引起的污染问题日趋严重,因此发展高效的燃油脱氮技术对保护环境意义重大.光催化氧化是近几十年发展起来的新型高级氧化还原技术,由于其可以利用太阳光且在室温下进行,成本低易于进行,是一类理想的燃油脱氮技术.在众多光催化材料中,α-Fe2O3无毒、廉价且具有合适的带隙(2.3 eV),是目前公认较好的光催化材料.然而,在光催化过程中α-Fe2O3较快的电子-空穴复合速度以及过低的比表面积极大降低了其效率.通常,选择性地设计高比表面的多孔半导体金属氧化物被认为是一种简单且实效的提高光催化反应效率的方法.近年来,以金属有机框架结构(MOFs)为硬模板制备多孔金属氧化物的方法逐渐获得了科学家们的关注,这主要得益于热稳定性差的MOFs本身可以通过调控金属离子以及配体种类从而实现原位均匀的调节和修饰半导体金属氧化物,而且可以作为获得多孔性材料的基底.
本文通过水热法合成了一种典型的MOFs即MIL-100(Fe).利用MIL-100(Fe)材料自身多孔性及热不稳定性,采用自模板法煅烧制备成多孔Fe2O3.制得的多孔Fe2O3亲油性较差,进行模拟燃油脱氮光催化反应时相互之间容易聚集成团,无法均匀分散于燃油体系中,导致光催化脱氮效率较低.因此,若能对所得多孔Fe2O3进行表面修饰使其亲油性增强并可均匀分散于于燃油体系中,无疑将促进底物的吸附,从而提高光催化燃油脱氮效果.Fe2O3表面带有正电荷,因此我们巧妙地选用一种阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)作为修饰剂,采用简单的静电自组装方法制备了SDS/Fe2O3光催化剂.选用吡啶脱氮作为探针反应,考察了SDS/Fe2O3复合光催化剂的可见光光催化性能.结果表明,与未使用修饰剂的Fe2O3相比,SDS/Fe2O3中长链烷基的存在使其表面亲油性增强,能够在模拟燃油溶液中更加均匀地分散进而提高了脱氮效率.其中煅烧温度为450℃且修饰0.25% SDS的样品活性最佳,可见光(λ ≥ 420 nm)照射240 min后吡啶的脱氮率接近100%.
ZnIn2S4/SnS23D异质结的制备及其在可见光下高效还原Cr(VI)的应用
潘静文, 关中杰, 杨建军, 李秋叶
2020, 41(1): 200-208  doi: S1872-2067(19)63422-4
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摘要:
随着印染、纺织和镀铬等行业的不断发展,含有六价铬(Cr(VI))工业废水的大量排放造成严重的环境污染,威胁着人类健康.在过去的几十年中,废水中Cr(VI)去除的方法有很多,其中包括离子交换、膜分离、化学沉淀和吸附等.然而,这些传统的方法存在成本高、能耗高、效率低或者去除不彻底等缺点,阻碍了其广泛应用.在此背景下,光催化还原作为一种高效、绿色、有应用前景的Cr(VI)废水处理方法,受到越来越多科学家的关注.开发高效可见光响应光催化剂是实现光催化还原Cr(VI)应用的关键.ZnIn2S4是一种三元硫化物半导体材料,具有较强可见光吸收能力.但纯ZnIn2S4光生载流子复合严重以及可见光响应范围较窄导致其光催化性能较低.为了解决这一问题,构建异质结是一种常见的有效方法.SnS2具有合适的带隙(~2.2eV),价格低廉,无毒且可见光吸收能力强.因此,构建ZnIn2S4/SnS2异质结有望实现高效可见光催化还原Cr(VI).
本文通过简单的水热法成功制备了ZnIn2S4/SnS2三维(3D)异质结,并在可见光照射下对催化剂还原Cr(VI)性能进行了评价.实验结果显示,ZnIn2S4/SnS2 3D异质结光催化活性随着SnS2含量增加呈现先增加后减少的趋势.当SnS2与ZnIn2S4的质量比为1:10时,ZnIn2S4/SnS23D异质结催化还原Cr(VI)效率最高.可见光照射下反应70min,Cr(VI)(50mg/L)的还原效率达到100%,远高于纯ZnIn2S4和SnS2.荧光光谱分析(PL)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)显示,光生载流子分离效率和光吸收效率的增强是还原Cr(VI)性能增加的两个原因.此外,经过三个周期的循环实验,ZnIn2S4/SnS23D异质结催化还原Cr(VI)效率没有明显降低,表现出较好的光催化稳定性.
静电纺丝-碱热法制备高活性由纳米片组装的TiO2纳米纤维
陆亚超, 欧小雨, 王文广, 范佳杰, 吕康乐
2020, 41(1): 209-218  doi: S1872-2067(19)63470-4
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摘要:
半导体光催化有望解决日益严峻的环境污染与能源危机,因而得到广泛重视.纳米TiO2因为其强的氧化能力和良好的(光)化学稳定性与生物相容性,成为了最受欢迎的半导体光催化材料.到目前为止,材料科学家们制备了多种形貌的TiO2光催化材料,如纳米棒(线)、纳米片和空心微球等.
作为染料太阳能电池的光阳极材料,小颗粒尺寸的纳米TiO2具有大的比表面积,有利于敏化剂的吸附,从而增强太阳能电池的光电转换性能.但是尺寸太小的TiO2颗粒不利于光散射,导致入射的太阳光直接穿透光阳极薄膜而不利于吸收和利用太阳光.为了解决敏化剂吸附和增强光散射这对矛盾,本文设计制备了由纳米片组装的TiO2纳米纤维:(1)首先通过静电纺丝法制备TiO2纳米纤维前躯体;(2)将TiO2纳米纤维前驱体在500℃焙烧,去除有机物,得到晶化度良好的由纳米颗粒组装的TiO2纳米纤维;(3)将TiO2纳米纤维进行NaOH碱热处理,使TiO2纳米颗粒转化成钛酸盐纳米片,然后经历酸洗和焙烧,得到由纳米片组装的TiO2纳米纤维.染料敏化太阳能电池的性能测试结果显示,碱热2.5h所得TiO2样品的光阳极薄膜的光电转化效率提升了2.3倍;同时,利用丙酮光催化分解的活性来评价纳米纤维的光催化活性,发现碱热2.5h所得纳米纤维上光催化降解丙酮的活性提升了3.1倍.
结构表征结果显示,随着碱热时间的延长,从纤维表面生长出来的纳米片逐渐变长,催化剂的比表面积和孔容不断增加.大的比表面积有利于底物的吸附,纳米片结构有利于增强光散射,通过延长光程增强对光的利用效率,从而提升纳米纤维的光活性.光电流测试的结果显示,与碱热前的TiO2纳米纤维相比,碱热后的TiO2纳米纤维光电流显著增强,这是由于纳米片结构减小了扩散距离,有利于光生载流子快速转移到催化剂表面,引发丙酮的光催化氧化.
可控合成具有氧化还原分区的Au-TiO2纳米哑铃光催化剂
刘叶, 肖兆忠, 曹爽, 李金辉, 朴玲钰
2020, 41(1): 219-226  doi: S1872-2067(19)63477-7
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摘要:
太阳能因其环保清洁和来源丰富的特性被认为是最理想的资源之一.而光催化水分解是将太阳能转化为化学能的众多转换技术中,使用最广泛的策略之一.但H2和O2的逆反应显著降低了光催化水分解的效率,并且在实际应用中需要高昂的气体分离成本.因此,找到一种既可实现光催化有效水分解,同时抑制逆反应的策略具有十分重要的意义.
到目前为止,为了实现光生电荷的有效分离,构建一维(1D)异质纳米结构光催化剂,被认为是抑制逆反应最有效的策略之一.其中哑铃状纳米结构,如Au-SiO2,Au-Fe3O4,Cu1.94S-CuS,Au-PbS(PbSe),Cu-Ag,Ag-Fe3O4,在促进光生电荷有效分离方面具有很大优势.但关于上述哑铃状纳米结构材料合成条件相对复杂,生长机理尚不清楚.对此,我们通过一种简便的合成策略制备了Au纳米棒/TiO2纳米哑铃结构光催化剂(Au NRs/TiO2 NDs).TiO2纳米颗粒(NP)仅包裹在Au NRs的两端.由于其独特的结构,可以实现电子空穴的定向分离,并减少它们在光照射下的复合,从而显著地提高电荷分离效率.同时,形成了氧化和还原反应的空间分离区域,从而有效地抑制了逆反应.
通过SEM,XRD,和UV-Vis研究了可控合成哑铃状结构形态的关键因素.发现反应温度和酸度对AuNRs末端TiO2的包裹量有显著影响.基于此,我们提出了Au NRs/TiO2 NDs结构光催化剂的合成机理.并且通过改变加入的NaHCO3含量精准调节TiO2在Au NRs两端的包覆量,从而逐步提高Au NRs/TiO2 NDs光催化剂的产氢活性.在不断优化条件下,H2产率可达60264μmol/g/h,大约是报道的Au/TiO2光催化剂6倍.而电化学测试结果显示,在UV光照射下,Au NRs末端TiO2的包裹量越大,光电流相应越大.进一步证明光生电子定向从TiO2注入到Au NRs中,发生还原反应,而空穴留在TiO2上,发生氧化反应,从而实现氧化还原反应的分区.
目录
第40卷第6期目次
2019, 40(6): 0-0
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摘要:
第十一届全国环境催化与环境材料学术会议专栏
第十一届全国环境催化与环境材料学术会议专栏
赵震
2019, 40(6): 795-795  doi: S1872-2067(19)63373-5
[摘要]  (197) [HTML全文] (197) [PDF 156KB] (197)
摘要:
异质/同质相结高效光催化的研究进展:以相变构建为例
杨凯, 李笑笑, 余长林, 曾德彬, 陈范云, 张开莲, 黄微雅, 纪红兵
2019, 40(6): 796-818  doi: S1872-2067(19)63290-0
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摘要:
半导体光催化剂在环境处理和能量转换方面有着巨大的应用潜力,但由于电子-空穴对的复合作用,半导体光催化剂的光催化性能较低.相结的存在是提高电子-空穴分离效率及光催化活性的有效途径,对相结设计的深入研究是提高电荷转移性能和效率的有效手段.因此,相结光催化技术的发展,对于设计一个良好的相结和了解电子-空穴分离机理具有重要的意义.
通常,相结的构建需要特殊的制备技术以及良好的晶格匹配.纳米异质结材料结合快速转移载流子的特点,具有小尺寸效应和颗粒限域效应的优点,且具有单组分纳米材料或体相异质结不具有的独特特性.纳米晶异质结可以促进光生电子的快速转移,根据两种半导体带的相对位置,异质结可分为I型、Ⅱ型和Ⅲ型,根据不同的电子转移途径可分为p-n型和Z-型.当p型半导体(空穴为多数电荷载流子)或n型半导体(电子为多数电荷载流子)密切接触时,由于能带和其它性质的差异,会形成结,并在结的两侧形成空间电位差.空间电位差的存在可以使产生光生载流子从一个半导体能级注入到另一个半导体能级,从而促进电子和空穴的分离,提高光催化效率.以p-n结为例,当它们在这两个区域共存时,它们的边界层形成一个薄的p-n结.由于p型区空穴浓度高,n型区电子浓度高,结处存在电子和空穴的扩散现象.在p-n结边界附近形成空间电荷区,从而在结内形成强的局域电场.在结的局部电场作用下,电荷在结两端累积形成电位差,后者作为驱动力可以有效地分离光生电荷.
近年来,人们在纳米相结的设计和制备上做了大量工作以提高光催化剂活性.虽然异质结具有优良的性能,但异质结的成分和元素并不是单一的,它的形成也不是一步反应.首先,需要分别合成异质结的两个成分,反应复杂,耗时,不环保.与异质结相比,同一材料通过相变构建的结也能实现光生载流子的高效分离.同质化不需要引入其它要素,因此引起了大量关注.在相变过程中,大多数均由不同晶相的半导体形成,如锐钛矿型/金红石型TiO2,α-β相Ga2O3或六方/立方CdS.由于化学成分相同,半导体材料的能带结构不易改变.因此,对同晶材料的同质结研究较少.虽然已有几篇关于异质相结的综述论文,但通过对外部诱导相变法制备相结的回顾,仍可为读者提供有关该领域研究进展的新的认识.本文对低成本、高效率的相变思路在光催化领域中的应用进行了简要的总结,并对其在光催化领域中的应用前景进行了展望.
单原子铂和氮化硼载体之间电子作用及其对丙烷脱氢反应催化性能的影响
孙晓颖, 刘美君, 黄瑶瑶, 李波, 赵震
2019, 40(6): 819-825  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63196-1
[摘要]  (193) [HTML全文] (193) [PDF 528KB] (193)
摘要:
随着世界范围内大规模页岩气资源的发现和开采,如何进一步高效转化页岩气生成高附加值化学品是提升页岩气资源利用率和增加经济收益的关键.页岩气主要的组分是甲烷,同时还包含10%左右的乙烷和丙烷.另一方面,由于当前丙烯的市场价格远远超过丙烷,因此丙烷到丙烯的催化转化是高效利用我国页岩气资源的有效途径.丙烷直接脱氢制丙烯是工业上常见的催化转化丙烷的方法.丙烷直接脱氢面临的主要问题是反应中积碳覆盖活性位导致催化剂失活.最近,单原子催化剂在烷烃碳氢键活化过程中表现出优异的催化性能,尤其在抑制深度反应、减少积碳方面有突出效果.然而,单原子催化剂在苛刻反应条件下容易团聚失活,因此选择合适的载体材料是单原子催化剂设计的关键.
本文利用氮化硼作为单原子铂催化剂载体,考察了其在丙烷直接脱氢反应中的催化性能.第一性原理计算表明,氮化硼载体上硼和氮空穴是单原子铂稳定的锚定点,同时单原子铂在硼和氮空穴上表现出截然相反的电子结构.电荷分析表明,在硼和氮空穴位上的单原子铂分别失去0.71 e和得到1.06 e个电荷.PDOS分析表明,在硼空穴上单原子铂在费米能级之上有更多的空轨道,有利于得到电子.通过密度泛函理论计算构建了从丙烷到丙烯的完整反应路径.计算结果表明,负载在硼空穴上的单原子铂比在氮空穴上的具有更好的碳氢键活化能力.在硼空穴和氮空穴上第一个碳氢键断裂能垒分别是0.64和0.82电子伏特,第二个碳氢键断裂能垒分别是0.26和1.10电子伏特.计算还详细分析了产物脱附过程,结果表明氢气先于丙烯脱附的路径能垒更小.同时丙烯脱附能垒已经接近或者超过丙烷碳氢键活化能垒.因此,对于丙烷直接脱氢反应,催化剂要兼顾丙烷碳氢键活化和产物脱附两个方面.虽然负载在硼空穴上的单原子铂催化剂有着优异的丙烷碳氢键活化能力,但产物丙烯由于强相互作用而难以脱附.另一方面,负载在氮空穴上的单原子铂对于碳氢键活化和产物脱附具有比较均衡的反应活性.
综上所述,氮化硼载体和单原子铂催化剂之间的电子结构作用对丙烷直接脱氢反应的催化性能有着重要影响.负载在硼和氮空穴的单原子铂表现出截然相反的电子结构,电子结构差异导致不同的催化性能.基于计算结果,负载在氮空穴上的铂单原子具有优异的丙烷直接脱氢催化性能.本工作为进一步加深理解单原子催化中载体的作用提供了理论依据.
BiOI上Bi单质和缺陷的协同作用:增强的光催化NO去除和转化途径
孙明禄, 张文东, 孙艳娟, 张育新, 董帆
2019, 40(6): 826-836  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63195-X
[摘要]  (213) [HTML全文] (213) [PDF 1423KB] (213)
摘要:
BiOI具有独特的层状结构及较窄的带隙,是具有可见光响应的光催化剂.然而,高光生载流子复合率抑制了其光催化活性.大量研究表明,氧缺陷不但是催化剂表面最具活性的位点,而且可以通过减小禁带宽度扩大光响应范围.与此同时,氧缺陷也可以作为光致电荷陷阱,抑制电子-空穴复合,并作为电荷转移到吸附物种的吸附位点.金属的表面等离子体共振(SPR)效应为半导体材料更高效的光吸收和利用提供了一条崭新的途径,从而可以获得更好的太阳光转换和光催化效率.然而,SPR效应和由氧缺陷引起的多个中间能级协同作用还未被探究.本文研究了利用金属铋的SPR效应和引入缺陷共同提高BiOI的光催化性能.通过部分还原BiOI制备出具有较高可见光催化去除氮氧化物活性的Bi@缺陷型BiOI,研究了还原剂用量对Bi@缺陷型BiOI光催化性能的影响.发现用2mmol还原剂NaBH4制备的光催化剂(Bi/BiOI-2)具有最高效的可见光催化活性.
XRD、XPS、SEM和TEM表征表明Bi单质沉积在BiOI表面,整个体系由纳米片自组装为海绵状立体结构.BET比表面积增大,结合SEM推测是由纳米片的分层堆叠造成的.UV-DRS表明带隙宽度仅有1.8eV的BiOI具有可见光响应.EPR和态密度(DOS)结合可以证明氧缺陷及其激发多个中间能级的存在.中间能级可以促进电子在可见光下从价带到导带的转移.PL表明体系中Bi金属的SPR效应所激发的电磁场可以促进光生载流子的分离.通过DFT理论计算催化剂的电子结构,差分、电子局域函数(ELF)及电势表明Bi单质和Bi-O层间强的共价作用形成一个通道,使得热电子从较高电势的Bi单质向相对低电势的BiOI传递,Bi单质PDOS的计算证明价带变宽归因于Bi元素轨道的贡献,Bi的SPR效应激发BiOI的电子到更高能级并聚集在价带顶,这有利于光生载流子的分离.ESR表明提升的电荷分离和迁移率促进了羟基和超氧自由基的产生.结合表征及理论计算结果,活性的增强可归因于金属Bi和氧空位的协同效应.氧缺陷激发的中间能级促进了电荷转移,Bi金属的SPR效应使可见光吸收效率提高并且促进了光生载流子分离,这些是增强光催化性能的关键因素.此外,采用原位红外光谱法(FT-IR)对Bi/BiOI-2的NO吸附和反应过程进行了动态监测.根据中间产物分析和DFT计算结果,提出了金属Bi和氧空位协同作用提高Bi/BiOI光催化性能的机理.本研究为高性能光催化剂的设计和理解空气净化光催化反应机理提供了新的思路.
AgAuPd/meso-Co3O4高效甲醇氧化催化剂
杨军, 刘雨溪, 邓积光, 赵星天, 张昆锋, 韩卓, 戴洪兴
2019, 40(6): 837-848  doi: 10.1016/S1872-2067(18)63205-X
[摘要]  (196) [HTML全文] (196) [PDF 2419KB] (196)
摘要:
甲醇是重要的化工原料和溶剂,也是一种典型的挥发性有机物(VOCs),其排放会对人体和大气环境造成危害.迄今为止,最有效的消除低浓度VOCs的方法是催化氧化.该方法具有VOCs去除效率高、起燃温度低、设备简单且无二次污染等优点.众所周知,负载贵金属催化剂对VOCs氧化显示良好的低温活性,但反应气流中的水分会降低贵金属的催化性能.研究表明,与单一贵金属催化剂相比,贵金属合金催化剂不仅具有高的催化活性,而且还具有良好的水热稳定性.尽管已有文献报道了二元贵金属合金催化剂对VOCs的催化氧化,然而VOCs在三元贵金属合金上催化氧化的研究则较少.本文采用三维有序介孔结构的二氧化硅(KIT-6)硬模板法和聚乙烯醇保护的硼氢化钠还原法制备了0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4,0.84 wt% Ag0.54Au2.29Pd/meso-Co3O4和0.93 wt% Ag0.51Au0.65Pd/meso-Co3O4三元贵金属合金催化剂以及0.28 wt% Ag/meso-Co3O4,0.35 wt% Au/meso-Co3O4和0.33 wt% Pd/meso-Co3O4单一贵金属催化剂.利用电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、高角环形暗场-扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)、X射线光电子能谱(XPS)和氢气-程序升温还原(H2-TPR)技术表征了催化剂的物化性质.催化剂的活性评价在固定床石英微型反应器中进行,反应气组成为0.1%甲醇+氧气+氮气(平衡气),甲醇/氧气摩尔比为1/200,空速约为80000mL g–1 h–1,利用气相色谱检测反应物和产物的浓度.
广角度XRD结果表明,meso-Co3O4具有立方晶相结构.XRD谱中未检测到Ag,Au和Pd的衍射峰,系贵金属负载量低且均匀分散在载体表面所致.贵金属粒径为2.8-4.5nm.小角度XRD和TEM结果表明,meso-Co3O4具有有序介孔结构.从HAADF-STEM照片可以观察到,0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4中的贵金属形成了Ag-Au-Pd合金.BET结果显示,所制得催化剂的比表面积为115-120m2/g,孔径为5.7-6.0nm,孔容为0.15-0.16cm3/g.XPS结果表明,贵金属与载体之间较强的相互作用使0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4具有最低的表面Co3+/Co2+摩尔比,从而使该催化剂表面拥有更多的氧空位,有利于吸附和活化氧气,提高表面吸附氧浓度,从而提高催化活性.0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4具有最低的还原温度(即最好的低温还原性),有利于催化活性的提高.因此,高分散的Ag0.75Au1.14Pd纳米粒子、高的吸附氧浓度、优良的低温还原性以及载体与Ag0.75Au1.14Pd粒子之间强的相互作用是0.68Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4具有最高催化活性(当空速为80000mL g–1 h–1时,T50%=100℃和T90%=112℃)的主要原因.在反应温度为110℃和空速为80000mL g–1 h–1的条件下,向反应体系中分别引入3.0 vol%水蒸气和5.0 vol%二氧化碳,甲醇转化率分别下降6.0%和7.0%;当切断水和二氧化碳后,甲醇转化率均恢复到在无水和二氧化碳时的数值.因此,水和二氧化碳对该催化剂的失活是可逆的.换句话说,0.68 wt% Ag0.75Au1.14Pd/meso-Co3O4具有优良的水热稳定性和抗二氧化碳中毒能力.
Pd/TiO2催化剂上氢气选择性催化还原NOx的研究
张祎旸, 曾慧, 贾斌, 王智华, 刘志明
2019, 40(6): 849-855  doi: S1872-2067(19)63297-3
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摘要:
氮氧化物(NOx)的控制是当前环境催化领域研究的热点.氢气选择性催化还原NOx(H2-SCR)近年来引起研究者的高度关注.在H2-SCR反应中,NOx可在较低的温度(100–300℃)下被还原,并且过量氢气会与氧气反应生成水,不会导致二次污染.研究表明,Pd基催化剂在H2-SCR反应中具有良好的活性,并且其催化活性与Pd的化学价态密切相关,Pd0较Pd2+具有更高的催化活性.
鉴于Pd的化学价态与催化剂的制备方法密切相关,本文通过浸渍法、沉积–沉淀法和聚乙二醇还原法分别制备了Pd/TiO2(IM)、Pd/TiO2(DP)和Pd/TiO2(PR)催化剂,研究了不同方法制得的Pd/TiO2催化剂对H2-SCR的催化性能.实验结果表明,与Pd/TiO2(IM)和Pd/TiO2(DP)相比,Pd/TiO2(PR)催化剂的催化活性明显提高,并且温度窗口显著拓宽.
为了揭示Pd/TiO2(PR)催化剂具有高活性的原因,对Pd/TiO2(IM)、Pd/TiO2(DP)和Pd/TiO2(PR)催化剂进行了一系列分析表征.XRD分析表明,在三种不同方法制备的Pd/TiO2催化剂上,活性组分Pd高度分散在TiO2表面.TEM结果也证实了Pd高度分散在TiO2表面,并且在Pd/TiO2(PR)催化剂上,Pd颗粒粒径(1.02nm)最小,这可能是Pd/TiO2(PR)催化剂具有高活性的原因之一.XPS分析表明,在Pd/TiO2(IM)和Pd/TiO2(DP)催化剂中,Pd主要以Pd2+的形式存在;而在Pd/TiO2(PR)中,Pd则以Pd0的形式存在,高分散的Pd0有利于H2-SCR反应的进行.同时,Pd/TiO2(PR)中表面吸附氧(Oα)含量明显高于Pd/TiO2(IM)和Pd/TiO2(DP),较高含量的Oα能有效促进NOx的吸附与活化,从而促进NOx还原反应的进行.
通过原位漫反射红外光谱(In-situ DRIFTS)分析发现,与Pd/TiO2(IM)催化剂上NO+O2稳态吸附的光谱相比,Pd/TiO2(PR)催化剂上螯合亚硝酸根和单齿亚硝酸根的特征峰明显增强.同时观测到Pd0上吸附的单齿亚硝酰基特征峰,由此进一步证实在Pd/TiO2(PR)催化剂中Pd以Pd0的形式存在.NO+O2 → H2(或H2+O2)→ NO+O2瞬态吸附研究表明,Pd/TiO2(PR)催化剂上吸附的NOx具有高的反应活性,并且吸附态NOx和H2(或H2+O2)反应可生成中间产物NH3,NH3可进一步与NOx反应.Pd/TiO2(PR)催化剂上高分散的Pd0以及在反应条件下表面生成的更多螯合亚硝酸根和单齿亚硝酸根反应中间体是其具有高H2-SCR催化性能的主要原因.
论文
胆碱和*BEA分子筛在硅锗铝IWR分子筛制备中的协同导向效应
付文华, 袁志庆, 金少青, 刘巍, 王振东, 王传明, 王仰东, 杨为民, 何鸣元
2019, 40(6): 856-866  doi: S1872-2067(19)63324-3
[摘要]  (210) [HTML全文] (210) [PDF 1144KB] (210)
摘要:
分子筛的制备过程一般需要结构导向剂的参与.结构导向剂主要包括碱(土)金属离子、有机胺或季铵盐为代表的有机模板剂和固体晶种等三类.研究合成凝胶中不同结构导向剂之间的作用对于理解分子筛晶化机理意义重大.以往的研究大都集中在模板剂-模板剂、模板剂-碱(土)金属离子和模板剂-同晶之间的相互作用,迄今尚未有模板剂-异晶之间相互作用研究的报道.
我们研究组首次发现模板剂和异晶在分子筛制备中存在协同导向效应.在硅锗铝IWR分子筛的合成中,我们考察了不同的季铵碱模板剂和铝源,发现只有使用胆碱作模板剂、*BEA分子筛作铝源才可以成功制得目标分子筛,相同条件下不加入*BEA分子筛或换用MOR、ZSM-5、MCM-22、USY分子筛及异丙醇铝等铝源都无法合成得到IWR分子筛.这说明*BEA分子筛在IWR分子筛的制备中起到了其他铝源所不具备的结构导向作用,因此我们称之为合成IWR分子筛的“异晶”.
为了研究胆碱和*BEA分子筛之间的相互作用,进而揭示模板剂-异晶协同导向制备分子筛的一般规律与反应机理,我们制备了不同晶化时间的IWR分子筛样品,使用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-拉曼光谱(UV-Raman)、固体核磁共振(MAS NMR)和N2物理吸附等手段对这些样品进行了表征.结果显示,加热过程中*BEA分子筛首先发生溶解解离,72h后该分子筛相完全消失;12h开始出现CDO分子筛相,随着晶化时间延长,CDO分子筛先增多后减少,在24h时达到最大值,120h时消失,说明该分子筛是晶化过程的一个中间相;IWR分子筛在12h开始出现,此后结晶度不断升高,至168h晶化完全.
在上述表征的基础上,我们提出了模板剂-异晶协同导向制备IWR分子筛的晶化机理.IWR分子筛的晶化分为以下5个步骤:(1)*BEA分子筛溶解解离得到硅铝4元环、5元环和6元环等结构单元;(2)胆碱诱导形成硅锗5元环结构单元;(3)硅锗5元环组装生成CDO分子筛;(4) CDO分子筛溶解解离形成硅锗5元环;(5)*BEA分子筛导向的结构单元与胆碱导向的结构单元重组生成IWR分子筛.其中,步骤3和4是一对可逆反应,且可与步骤5同时进行;随着反应物原料的不断消耗,步骤5占据主导,从而导致CDO分子筛完全消失和IWR分子筛的结晶完成.由于胆碱只导向生成5元环结构单元,而构成IWR分子筛骨架结构的4元环和6元环只能由*BEA分子筛提供,因而模板剂和异晶在反应中都不可或缺,二者起到协同导向的作用.分析发现,*BEA分子筛与IWR分子筛具有共同的结构单元(4、5、6元环)和一定的结构相似性是其可以成为异晶、发挥协同导向作用的关键.
上述协同导向法的关键在于模板剂和异晶分别导向生成部分结构单元,再经重组得到目标分子筛.这种方法有望用于合成通过传统水热法难以得到的分子筛,并且为新结构分子筛的开发提供新思路.使用协同导向法制备更多种类分子筛的研究正在进行中.
可用于高效光催化制氢的Ni-P团簇改性氮化碳材料
王雅婕, 李瑶, 曹少文, 余家国
2019, 40(6): 867-874  doi: S1872-2067(19)63343-7
[摘要]  (250) [HTML全文] (250) [PDF 656KB] (250)
摘要:
在过去的几十年里,化石能源的过度消耗导致了全球能源短缺和环境污染,这严重制约着人类社会发展.因此,寻找一种清洁的可再生的能源成为了人们亟待解决的问题.太阳能是地球上最丰富的能源,通过半导体光催化技术把太阳能转化为清洁的氢能是解决能源危机和缓解环境污染最有效的方法之一.石墨相氮化碳(CN)具有合适的能带结构、良好的稳定性、无毒性,且合成方法简单、成本低廉,因而被视为是一种非常有潜力的半导体光催化剂.然而,由于CN在光催化反应过程中光生电子与空穴极易发生复合,严重影响了电子从体相到外表面的转移过程以及随后的光催化质子还原反应,使得CN光催化制氢效率不高.通过负载助催化剂可以有效地促进光生电子和空穴的分离.但是现有的高效助催化剂一般为贵金属,如Pt,Pd和Au等,成本较高,不利于实际应用.因此,寻找高效、稳定且廉价的助催化剂成为光催化领域的挑战之一.本文通过化学镀的方法将Ni-P合金团簇锚定在CN表面,并通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、稳态荧光光谱(PL)、时间分辨荧光光谱(TRPL)、光电化学测试和光催化制氢测试等方法研究了负载Ni-P助催化剂对CN晶体结构、化学组成、微观形貌、吸光能力、电荷转移以及光催化性能的影响.
XRD,FTIR,FESEM和TEM的结果显示,Ni-P均匀紧密地与CN结合在一起.UV-vis DRS测试表明,负载Ni-P提高了材料体系的光吸收能力.XPS结果表明,在复合光催化剂中电子从CN转移到了Ni-P助催化剂上,表明光催化剂和助催化剂之间强的界面相互作用.PL,TRPL和光电化学测试结果表明,与普通CN相比,负载了Ni-P的CN有更小的荧光强度、更短的荧光寿命和更小的电荷转移电阻.这说明负载Ni-P助催化剂提高了CN的电荷转移效率,抑制了光生电子和空穴的复合.因此在光催化制氢反应中,复合光催化剂的氢气产率可高达1506μmol h-1 g-1,可以与负载贵金属Pt助催化剂的CN相媲美,并且在9h的循环试验中,产氢性能没有明显下降.综上所述,Ni-P合金团簇在光催化质子还原反应中有望作为贵金属助催化剂的高效、稳定且廉价的替代品.
含咪唑环与嘧啶环的可可碱掺杂的氮化碳聚合物及其增强的光催化性能
李泽浩, 杨茜, 陈成成, 张正国, 方晓明
2019, 40(6): 875-885  doi: S1872-2067(19)63337-1
[摘要]  (204) [HTML全文] (204) [PDF 985KB] (204)
摘要:
氮化碳聚合物(PCN)是一种有潜力的聚合物型半导体光催化剂,具有原料廉价、物理化学稳定性好以及合适的带边等优点,使其在光催化分解水产氢产氧、降解染料以及抑菌等方面具有很大的潜力.但是由于高电负性的N原子被低电负性的C原子均匀地取代,增加了PCN内部电子传输的难度,使得光生电子–空穴对的复合度增加,进而光催化活性降低.由于PCN的分子结构可调控,所以可以通过分子掺杂来改变氮化碳分子结构,提高光催化活性.常用的分子有机分子,比如吡啶类化合物、嘧啶类化合物以及噻吩类化合物.研究发现,强电负性元素的引入可以改变氮化碳的电子分布,所以含有两个N原子的咪唑类化合物理论上对氮化碳的光催化活性提升帮助更大.由于此类化合物还未见有报道.因此,本文将同时含有咪唑环和嘧啶环的可可碱与尿素反应,生成了咪唑环与嘧啶环共掺杂的氮化碳聚合物,并通过一系列的表征方法验证了咪唑环与嘧啶环成功引入到氮化碳聚合物结构中;然后利用紫外可见光谱(UV-vis),荧光发射光谱(PL),电子顺磁共振(EPR)等实验与DFT理论计算共同验证了咪唑环与嘧啶环共掺杂的氮化碳光学性能;最后通过光催化分解水产氧和降解罗丹明B(RhB)来评价改性后氮化碳的活性.
UV-vis测试结果表明,改性后的PCN不仅本征吸收发生红移,而且在波长450到550nm之间有一个明显的吸收峰,这是由于引入咪唑环和嘧啶环后本征nπ*电子跃迁所致.并且改性后的PCN的禁带宽度相比于未改性有所降低,说明其可利用的可见光范围增加.PL和EPR结果表明,改性后的PCN不仅光生载流子的复合得到了极大地抑制,而且能够产生更多的孤对电子.通过XPS价带谱,莫特–肖特基曲线以及DFT理论计算推断出改性前后PCN的带边位置,发现改性后PCN的价带位置更正,说明其产生的空穴氧化能力更强.光催化分解水产氧和降解RhB发现,最优改性样品CN40的产氧和降解RhB活性分别是未改性氮化碳的4.43倍和5.1倍.这说明通过咪唑环和嘧啶环共掺杂改性后的氮化碳的光催化活性确实得到了大幅度提升.最后通过添加各种牺牲剂和ESR/DMPO表明·O2-和空穴是降解RhB的主要因素.
综上所述,通过咪唑环和嘧啶环共掺杂改性氮化碳聚合物,不仅提高了其光吸收能力,抑制了光生载流子的复合,产生更多的孤对电子,而且使得价带位置正移,提高了价带空穴的氧化能力,光催化活性显著提高.
等离子共振效应的Ag纳米颗粒修饰生物炭点/Bi4Ti3O12纳米片复合材料的制备及其光催化性能
汪涛, 刘锡清, 门秋月, 马长畅, 刘洋, 马威, 刘志, 魏茂彬, 李春香, 闫永胜
2019, 40(6): 886-894  doi: S1872-2067(19)63330-9
[摘要]  (226) [HTML全文] (226) [PDF 1417KB] (226)
摘要:
众所周知,能源危机和环境污染是当前人们所面临的巨大难题和挑战,因此寻找或开发一种高新的技术解决上述难题尤为重要.近年来,基于半导体的光催化技术被广泛应用于能源制备和环境污染物去除领域,该技术通过直接转化太阳能为化学反应所需的能量来产生催化作用,使周围的氧气或水分子激发成活性物质,进而进行催化反应,且同时催化材料自身不受损耗,被认为是一种高效、安全的环境友好型技术.
Bi4Ti3O12是一种物理化学性质稳定、环境友好型的半导体材料,也是当前研究较多的一类铋系半导体光催化材料.然而,纯相的Bi4Ti3O12纳米材料自身电子分离效率低且可见光响应范围窄,严重限制了其在光催化领域的应用.Ag纳米颗粒具有等离子共振效应,可以形成强的电场作用,从而增强光的利用和电子-空穴对的产生.碳点(CDs)是一类表面基团丰富、具有独特光物理性质的纳米级碳材料.碳点修饰的半导体光催化剂具有良好的稳定性和光催化活性.因此,制备Ag/CDs/Bi4Ti3O12复合光催化剂可以有效扩宽Bi4Ti3O12的光吸收范围,增强电子-空穴对的分离效率,从而提高光催化活性.
本文利用竹子作为碳源,通过简单的水热法合成碳点,以熔盐法合成Bi4Ti3O12纳米片,用简单的物理混合法将碳点修饰在Bi4Ti3O12表面,再通过光沉积法将Ag+还原在CDs/Bi4Ti3O12的表面,从而制备出Ag/CDs/Bi4Ti3O12复合光催化剂.以10mg/L的四环素水溶液作为目标污染物,测试光催化剂在可见光下对目标污染物的降解能力.采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、荧光光谱(PL)和光电流等表征方法分析了催化剂的结构特征、微观形貌和光电性质等.XRD分析表明Bi4Ti3O12材料被成功合成,在CDs和Ag纳米颗粒进行修饰后未改变Bi4Ti3O12的晶型结构.XPS和EDS mapping的结果均表明复合材料由Ag,C,Bi,Ti和O元素组成,说明Ag/CDs/Bi4Ti3O12复合光催化剂成功制备.UV-vis DRS结果表明,Ag和CDs的修饰扩宽了Bi4Ti3O12的可见光吸收范围.荧光光谱和光电流结果也证明了Ag/CDs/Bi4Ti3O12复合光催化剂具有更好的光响应能力和电子分离效率.光催化性能测试最终证实Ag/CDs/Bi4Ti3O12复合光催化剂在可见光下具有良好的催化降解能力.循环实验说明Ag/CDs/Bi4Ti3O12复合光催化剂具有很好的稳定性,是一种具有潜力的催化材料.
用不同捕获剂进行了自由基捕获实验,研究了Ag/CDs/Bi4Ti3O12复合光催化剂的催化机理,结果证实超氧自由基和空穴在光催化过程中起主要作用,羟基自由基也部分参与反应.总之,将碳点、Ag纳米颗粒与Bi4Ti3O12结合制备的Ag/CDs/Bi4Ti3O12复合光催化剂具有良好的光催化性能,该工作为相关材料的制备和光催化研究提供了理论依据.
空间位阻对吡啶过度修饰导致丝光沸石二甲醚羰基化酸性位中毒后再生的诱导作用
赵娜, 田野, 张丽芙, 程庆鹏, 吕帅帅, 丁彤, 胡振芃, 马新宾, 李新刚
2019, 40(6): 895-904  doi: S1872-2067(19)63335-8
[摘要]  (185) [HTML全文] (185) [PDF 770KB] (185)
摘要:
当今世界环境与能源问题日益加剧,乙醇作为一种重要的清洁燃料和化学品受到广泛关注,迫切需要探索高效的乙醇合成方法,以满足日益增长的市场需求.其中,将煤炭、生物质、页岩气等为原料合成的二甲醚通过羰基化反应制乙酸甲酯、乙酸甲酯加氢制乙醇的串联式绿色乙醇合成路线具有重要的工业应用前景.然而,在二甲醚羰基化过程中,丝光沸石分子筛易积碳失活,阻碍了其工业应用.吡啶改性可以毒化丝光沸石12元环孔道中的酸性位,抑制积碳的形成,进而大幅度提高该催化剂的稳定性,但同时会使其催化活性降低约40%–50%.
为了解决这一难题,本文从分子水平上研究了吡啶吸附行为以及分子筛骨架空间位阻对丝光沸石催化剂上二甲醚羰基化反应的影响.通过解析丝光沸石的骨架结构,我们发现位于8元环侧袋和12元环孔道共用孔壁处O2位置上的酸性位是二甲醚羰基化反应的活性位,但它们在吡啶修饰过程中易被毒化而使催化剂活性下降.密度泛函理论计算结果表明,吡啶分子因受分子筛骨架空间位阻的影响,在O2处酸性位上的吸附较弱.而实验结果也表明,通过673K热处理可以再生被吡啶毒化的O2活性位,而并不影响12元环孔道中其它吡啶分子的吸附.因此,该热处理方法可以使丝光沸石催化剂保持高稳定性的同时,将二甲醚羰基化反应催化活性提高约60%.本文从分子水平证明了丝光沸石中O2活性位对二甲醚羰基化反应的重要作用,为绿色乙醇合成技术研究提供了新的思路,也为其它高效分子筛催化体系设计提供了有益的参考.
CuO调配SnO2表面用于碳烟颗粒燃烧:单层分散阈值效应对催化性能的影响
沈家庭, 冯小辉, 刘瑞, 徐香兰, 饶成, 刘建军, 方修忠, 谭超, 谢有畅, 王翔
2019, 40(6): 905-916  doi: S1872-2067(19)63354-1
[摘要]  (175) [HTML全文] (175) [PDF 978KB] (175)
摘要:
柴油发动机由于具有良好的动力和经济性等优势而得到广泛的应用,但排放的尾气中碳烟颗粒物(PM)却给人类健康和环境带来了严重的危害.目前PM污染的治理引起了广大科研工作者的关注.催化燃烧成为PM污染消除技术中最有效的方法.
金属氧化物负载到载体上时,通常会出现单层分散现象,其单层分散容量可以通过XRD,XPS和Raman等外推法测定.此外,当负载体系用作某种反应的催化剂时,往往会表现出单层分散阈值效应,即阈值附近的催化剂通常具有较高的活性和选择性等.目前单层分散理论已被广泛接受,成为设计高性能催化材料的重要指导思想.
在过去八年本课题组将SnO2基催化材料用于多种环保和能源反应,并系统地探究了其催化性能.结果表明,SnO2含有丰富的表面活泼氧和晶格氧,且热稳定性高,是一种优良的催化剂载体.基于单层分散理论,为获得更实用的PM燃烧催化剂,我们利用浸渍法设计制备了系列不同CuO负载量的CuO/SnO2催化剂,并使用XRD,XPS,Raman,TEM,STEM-mapping,H2-TPR,soot-TPR和O2-TPD等手段深入研究了其构效关系.利用XRD和XPS外推法测得的CuO高度分散在SnO2载体表面,其单层分散阈值为2.09mmol 100 m-2,即相当于4.8% CuO负载量.低于该负载量时,CuO以亚单层分散态存在;而高于该负载量时,形成的CuO微晶和单层分散态的CuO共存.在单层分散阈值之前,催化剂的碳烟燃烧活性随CuO负载量的升高而上升;进一步提高CuO负载量对其活性无明显的影响.Raman结果表明,在单层分散阈值之前,CuO负载到SnO2载体上可有效形成表面活泼氧中心,且其含量随CuO负载量升高而增加;进一步提高CuO负载量则对其含量无明显改变.因此,CuO/SnO2催化剂用于碳烟颗粒燃烧具有明显的阈值效应.以上结果表明,表面活泼氧中心含量是决定该催化剂活性的主要因素.
PbO2/Sb-SnO2/TiO2纳米管阵列电极电化学氧化降解罗丹明B
武佳, 朱凯, 徐浩, 延卫
2019, 40(6): 917-927  doi: S1872-2067(19)63342-5
[摘要]  (195) [HTML全文] (195) [PDF 744KB] (195)
摘要:
罗丹明B(RhB)在印染废水中广泛存在,具有难降解和易积累等特点,严重威胁生态系统和人类健康,因此寻找一种高效、清洁、经济的处理方法引起人们的广泛关注.电化学氧化法因其操作简单、环境友好等特点而广泛应用于难处理废水或有毒废水的降解,但过多的能源消耗限制了其进一步应用.在电化学氧化过程中,电极材料的选择是影响电催化性能的重要因素之一,目前的电极材料主要有硼掺杂金刚石电极、IrO2电极、RuO2电极和PbO2电极等.在这些电极材料中,PbO2电极因价格低廉、导电性良好、化学稳定性好及析氧电位高等优点而成为具有潜力的电极材料之一.近年来,为了提高PbO2电极的电催化活性和稳定性,研究者对其进行了一系列掺杂改性,如Cu,Bi,Ce,Fe和F等金属或非金属掺杂,以及与TiO2,SnO2,ZrO2,Co3O4和TiN等其他化合物复合等.
相比于传统的PbO2电极基底Ti,TiO2纳米管阵列具有高度有序、垂直取向、表面积大及亲水性良好等优势,这些特性可使其成为一个更好的载体,关于其做基底负载电催化活性层的研究引起了人们的广泛关注.本文以TiO2纳米管阵列作为基体,通过微波法沉积Sb-SnO2中间层,电沉积法沉积PbO2b表层(含α-PbO2内层和β-PbO2外层),制得一种复合DSA阳极材料,并将其用于处理RhB废水.通过扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)和电化学测试等手段对该复合电极进行了表征,系统探讨了RhB初始浓度、电流密度、pH值、温度和氯离子浓度等因素对电化学氧化降解过程的影响,并对电极稳定性及RhB降解机理进行了深入研究.
SEM和XRD结果表明,PbO2/Sb-SnO2/TiO2纳米管阵列电极表面涂层覆盖紧密,电化学测试结果表明该电极寿命达815 h.RhB电化学氧化实验结果发现,RhB降解过程遵循准一级动力学模型,且高的电流密度、中性环境、低温和氯离子的添加均有利于其降解,但电流密度过高以及人工降温均会造成能耗过大,而氯离子的加入会带来潜在的二次污染,故在实际应用中需根据实际情况进行调节.此外,通过系统研究不同参数的影响,发现该复合电极对外界环境具有较强的适应性及催化能力,而降解机理的提出有利于我们更好地研究降解过程中变化.综上可知,该复合电极较强的稳定性及催化活性使其在电化学氧化降解废水中具有较大潜在应用前景.
二维g-C3N4表面Au粒子尺寸调节的界面电子传输行为及光催化性能
李鑫, 刘重阳, 吴东遥, 李金择, 霍鹏伟, 王会琴
2019, 40(6): 928-939  doi: S1872-2067(19)63347-4
[摘要]  (207) [HTML全文] (207) [PDF 1213KB] (207)
摘要:
目前,环境污染与能源危机是直接影响着人类生存与发展的两大难题.以半导体材料作为催化剂、太阳能作为驱动力的光催化技术由于具有成本低廉、清洁环保、反应条件温和等优点被认为是解决上述问题最具开发价值的理想方法,并得到科研工作者的广泛研究与关注.近几十年的研究表明,该技术在有机污水处理及光催化还原CO2转化成高能燃料领域均有良好表现.本文采用高温热聚合及酸处理剥离技术,以尿素作为原料,成功制备出薄层二维g-C3N4(CN)纳米片材料,并以该材料作为载体及催化主体,通过恒温水浴还原技术在其表面负载不同尺寸的Au纳米粒子,成功制备出一系列Au/CN复合光催化材料.
运用系统的表征及测试手段,对所制备的二维光催化材料的晶相结构、化学组分、形貌和表面特征及光电化学特性进行了详细表征与研究,并针对该二维材料表面Au纳米粒子的尺寸效应、表面效应和等离子体共振效应(LSPR)等特性研究了复合材料界面间电子的传输效率与迁移机制.尺寸较小的Au纳米粒子的费米能级到CN导带底端的距离较短,其表面原子比例及缺陷含量较高,有利于Au纳米粒子对光生电子的捕获并抑制电子空穴对的复合.由于LSPR效应,可见光下Au表面可产生大量高能热电子并注入到CN表面,从而抑制光生电子从CN导带到Au表面的传输.三维时域有限差分法(FDTD)模拟结果显示,Au纳米颗粒的尺寸越大,拥有的LSPR效应越强,其表面热电子含量越高,光电子传输抑制现象越强烈.光电化学性能分析(PEC)结果显示,在颗粒分布密度合理的情况下,具有较小尺寸Au纳米颗粒的复合材料内部光生电子空穴对的分离效率越高.
光催化实验表明,在Au纳米粒子分布合理的情况下,拥有最小Au纳米颗粒尺寸的3-Au/CN样品表现出最好的光催化活性.在可见光条件下照射30min,该样品对罗丹明B水溶液(RhB,10mg/L)的光降解效率高达92.66%;紫外光条件下照射8h,该样品光催化还原CO2转化成CO和CH4的产率分别为77.5和38.5μmol/g,约是纯CN还原性能的6倍和10倍.结合文献报道及上述实验结果,我们提出了一个尺寸影响的光催化作用机制.
一步水热法有效调变锰钾矿中钾含量及其对锰钾矿催化剂氧化还原性和催化性能的影响
潘会严, 陈小伟, Oihane Sanz, Miguel A. Cauqui, Jose M. Rodríguez-Izquierdo, Juan J. Delgado
2019, 40(6): 940-952  doi: S1872-2067(19)63339-5
[摘要]  (191) [HTML全文] (191) [PDF 736KB] (191)
摘要:
锰钾矿是一种同时具有1×1和2×2孔道的八面体分子筛结构的氧化锰材料.通常情况下,1×1孔道是空的,2×2孔道可以被水或者不同的阳离子占据,当占据2×2孔道的阳离子为K+时即为锰钾矿.据文献报道,锰钾矿被广泛用于不同的催化氧化反应如一氧化碳氧化、亚甲基蓝分解、有机污染物氧化消除和小分子烷烃氧化,并表现出良好的催化性能,这通常被认为是其表面存在的活性氧物种使这类催化剂具有独特的氧化还原性.但是,关于这些活性氧的来源并没有很好的解释,而这对优化锰钾矿的氧化还原性及催化活性非常重要.如上所述,由于孔道中K+的存在,部分四价锰被还原为三价锰以保持电荷平衡,这意味着锰钾矿中三价锰的含量或者锰的平均价态会随着孔道中K+含量不同而变化.因此,锰钾矿中钾含量可能对其氧化还原性产生重要影响.然而,最近发表的几篇文献中关于K+含量对锰钾矿表面活性氧或氧空位影响的结果相互矛盾,因此有必要进一步深入研究K+含量对锰钾矿材料氧化还原性及催化活性的影响.
本文以高锰酸钾作为氧化剂和锰的前驱体,乙醇为还原剂,通过改变水热反应温度(80–120℃)和乙醇浓度(50–1550mmol/L),用一步水热法成功合成了不同钾含量的锰钾矿和软锰矿纳米材料.采用X射线衍射(XRD)、物理吸附、X射线荧光光谱(XRF)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X光电子能谱(XPS)、程序升温脱附(TPD)和程序升温还原(CO-TPR)等表征技术研究了K+含量对锰钾矿材料结构稳定性和氧化还原性的影响及进一步对一氧化碳催化氧化活性的影响.
XRD结果表明,在较低合成温度(80和100℃)时主要得到锰钾矿,在120℃并且乙醇浓度较高(960和1550mmol/L)时主要得到软锰矿.这些不同合成条件下得到的锰钾矿具有不同的结晶度、比表面积及钾含量等性质,根据这些性质,将制备的众多样品分为三组进行讨论.A组是具有高结晶度、中等比表面积(100–135m2/g)和高钾含量(~16%)的锰钾矿样品;B组锰钾矿样品结晶度较低,但比表面积高(160–200m2/g),钾含量中等(~11%);C组主要是软锰矿结构的氧化锰材料,结晶度高,但比表面积低(13–50m2/g),钾含量也低(<5%).
SEM和TEM结果表明,这三组样品均为大小不同的纳米棒状形貌,DDP分析结果与XRD结果一致,A组和B组中大直径与小直径的纳米棒样品都具有完好的锰钾矿结构.与XRF结果相同,XPS分析也发现A组样品比B组样品具有更高的钾含量,即B组样品的四价锰含量更高.对Mn 3s结合能区域分析,根据文献中报道的锰的平均氧化态公式AOS=8.956-1.126×△E3s计算得到A,B和C组样品的AOS分别为3.73,3.81和3.96.TPD和CO-TPR表明,B组锰钾矿样品比A组更容易释放氧,也更容易被还原.这些结果都表明A组锰钾矿比B组锰钾矿更稳定.而A组样品具有更高的K含量,说明K含量高有利于锰钾矿的稳定性.
CO氧化活性实验表明,三组样品的催化活性顺序为B > A > C.由于三组样品的比表面积差别较大,我们比较了所有样品在75℃时单位面积上的反应速率.75℃时,A组锰钾矿几乎没有活性,反应速率为0.与之相反,B组样品的反应速率高于传统回流法制备的锰钾矿参考样品.这些结果表明锰钾矿的高比表面积和更好的氧化还原性是其在CO氧化反应中具有高活性的主要原因.
为了进一步研究锰钾矿在低温下释放的氧物种对CO催化氧化的影响,将B组代表样品在500℃焙烧6h.与原样品相比,TPD中低温释放的氧消失,另外两个氧气的峰也向高温方向移动了20℃以上.在CO催化氧化实验中,500℃焙烧后的样品直到100℃尚没有催化活性,而原样品在此温度则有38%的转化率.这一结果证明锰钾矿在TPD实验中300℃左右释放的第一个活性氧物种导致了低温下CO催化氧化的活性.另外,将B组代表样品在含有20%氧气的原料气氛下进行了两个循环的CO氧化反应测试,发现B组样品在高氧气浓度下具有较高的稳定性.
综上所述,锰钾矿中的钾含量可以通过改变水热合成温度和乙醇浓度成功地来调控.钾含量较低的锰钾矿样品具有更好的氧化还原性和催化CO氧化活性.而钾含量较高时,锰钾矿结构更稳定,不利于活性氧的释放,因而催化氧化活性较差.
一例新型二钴取代锑钨酸盐:合成、表征及光催化水氧化性能
韩庆, 孙頔, 赵俊伟, 梁向明, 丁勇
2019, 40(6): 953-958  doi: S1872-2067(19)63358-9
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摘要:
太阳能分解水制氢作为解决当前能源危机和环境危机最理想和最有前途的策略之一正受到越来越多的关注.在人工模拟光合作用过程中,水的氧化(2H2O→4H++O2+4e-)是整个反应过程的瓶颈,因此开发高效稳定水氧化催化剂是提高人工光合作用性能的关键.在过去的几十年里,全世界科研工作者已经为设计合成高效稳定的均相和多相水氧化催化剂做了大量工作.在均相水氧化领域,多金属氧酸盐(简称多酸)作为一类结构多样的多金属氧簇化合物,由于其良好的氧化、热、水解稳定性,能够在不改变结构的前提下进行快速、可逆、多电子转移反应,因而受到广泛关注.2009年,Hill课题组首次将四钌多酸用于光驱动水氧化体系.随后,他们报道了不含贵金属的四钴多酸(Co4(H2O)2(PW9O342]10-催化水氧化的工作.王恩波团队和我们课题组在该领域也进行了一些深入研究.
值得注意的是,由于Sb3+易于在水溶液中水解,这在很大程度上阻碍了锑钨酸盐前驱体与过渡金属离子结合形成多酸簇,所以导致有关过渡金属取代钨锑酸盐的报道非常少.本文采用一锅自组装策略,利用缺位多酸前驱体[B-α-SbW9O33]9-与Co2+在弱酸性条件下反应,首次合成出一个结构新颖的夹心型锑钨酸盐Na4[Co2(H2O)6Sb2(H2O)4B-β-SbW9O332]·39H2O(1).在可见光照射下,可有效催化水氧化反应,在最佳反应条件(Na2S2O8为牺牲电子受体,[Ru(bpy)3]Cl2为光敏剂,缓冲溶液pH=8.5)下,反应的转化数和氧气收率最高分别可达193和30.8%,初始量子效率和初始转化频率分别为36.2%和5.3s–1.紫外-可见吸收光谱、反应前后催化剂的红外光谱、毛细管电泳及甲苯萃取等实验结果表明,该锑钨酸盐1是一个稳定的光催化水氧化催化剂.
CdS修饰的一维g-C3N4多孔纳米管在光催化降解污染物和产氢中的应用
种奔, 陈雷, 韩德志, 王亮, 冯丽娟, 李勤, 李春虎, 王文泰
2019, 40(6): 959-968  doi: S1872-2067(19)63355-3
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摘要:
利用太阳光在光催化材料作用下将低能量密度的太阳能转化成化学能储存在氢气和一氧化碳等清洁能源中,有利于能量的存储、运输和使用,具有广阔的前景.光催化技术的关键在于催化剂,以TiO2为代表的传统半导体光催化剂存在着电子与空穴复合率高、禁带宽度过大和无法吸收可见光等缺点,这些因素限制了其在光催化领域的进一步发展和应用.因此,寻找优秀的光催化材料是科研工作者的不懈追求.
石墨相氮化碳是一种仅由C和N两种元素组成的有机半导体材料,具有良好的热稳定、耐腐蚀性和生物相容性,这些优点使得石墨相氮化碳在多个领域都极具应用前景.在光催化领域,石墨相氮化碳独特的电子结构、稳定的物理化学性质,以及其导带位置(约–1.12eV)远小于氢离子的还原电势(0eV),使其能够很好地应用于光解化降解污染物和光解水产氢.
目前,石墨相氮化碳光催化技术的研究重点在于如何解决石墨相氮化碳比表面积过小和光量子效率低的问题.针对这些问题,我们对石墨相氮化碳光催化材料的结构进行了设计,构建出CdS修饰的一维g-C3N4多孔纳米管.以三聚氰胺为原料,通过质子化处理,得到表面光滑、质地均匀、拥有超高长径比的三聚氰胺纳米纤维(MNFs),然后对其进行煅烧处理得到多孔纳米管状g-C3N4催化剂.随后,在纳米管的基础上通过水热法与CdS颗粒复合,成功制备出多孔管状g-C3N4/CdS复合异质结型催化剂.利用多种表征手段对所合成的新型光催化剂的形貌、结构、光学性质及光电性质进行了表征,并评估了其光催化降解罗丹明B和光解水产氢性能,考察了催化剂的循环利用及稳定性.
SEM和TEM结果表明,管状的石墨相氮化碳拥有丰富的孔道结构,其增大的比表面积有利于暴露更多的活性位点,从而提高了光催化性能.光催化降解罗丹明B实验表明,多孔管状g-C3N4的催化性能较体相g-C3N4有明显提高.当管状g-C3N4与适量CdS复合形成异质结型光催化剂时,光催化效果得到进一步提升,其中当CdS负载量为10 mol%时,复合物的催化效果最好,在60min内可完全降解罗丹明B.在光催化分解水产氢实验中,5h内管状g-C3N4/CdS复合物产氢量高达362.7μmol,分别是体相g-C3N4的16.3倍和管状g-C3N4的4.6倍.