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空心球状共价有机框架负载金纳米粒子用于光催化生产过氧化氢
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作者 张勇 邱俊逸 +3 位作者 朱必成 孙国太 程蓓 王临曦 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第2期143-153,共11页
过氧化氢是一种高效的绿色氧化剂,广泛应用于纸浆漂白、外科消毒、废水处理和化学合成等领域.目前,过氧化氢的工业生产仍依赖于传统的蒽醌氧化法,该方法存在能耗高、污染大以及工艺复杂等问题.以太阳能为驱动力,水和氧气作为原料,利用... 过氧化氢是一种高效的绿色氧化剂,广泛应用于纸浆漂白、外科消毒、废水处理和化学合成等领域.目前,过氧化氢的工业生产仍依赖于传统的蒽醌氧化法,该方法存在能耗高、污染大以及工艺复杂等问题.以太阳能为驱动力,水和氧气作为原料,利用半导体材料光催化生产过氧化氢被认为是一种清洁、安全、经济和节能的技术.该技术的关键是开发高效稳定的半导体光催化材料.共价有机框架(COF)是一种可用于光催化产过氧化氢的新型晶态多孔有机材料,具有结构可调控、密度低、比表面积大、热稳定性和化学稳定性高等优点,但其应用受到光生载流子快速复合的限制.将助催化剂金纳米粒子负载在COF表面,可以有效促进光生载流子的迁移与分离,从而获得较好的光催化产双氧水性能.然而,这方面的研究尚未受到较多的关注.本文采用NaBH_(4)还原法将金纳米粒子原位负载在一种空心球状COF(TB-COF)的表面,制得了不同Au含量的Au/TB-COF复合物(记为AT-x,其中x代表复合物中Au的质量百分含量),并系统研究了该材料光催化生产过氧化氢的性能.粉末X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和傅里叶转换红外光谱(FT-IR)等表征结果证明了Au/TB-COF复合物的成功制备,且发现原位负载的金纳米粒子并没有改变TB-COF的晶型、形貌和化学结构.在光催化反应中,以乙醇作为牺牲剂时,复合物AT-1的性能最佳,表现出最高的过氧化氢生成速率常数(Kf)和最低的过氧化氢分解速率常数(Kd),在可见光照射下过氧化氢生成速率达到6067μmol g^(-1)h^(-1),超过大多文献报道的COF基光催化剂性能.经4次光催化循环反应后,AT-1催化生成过氧化氢的产率略有下降,且FTIR谱、XRD谱和FESEM显示光催化反应前后AT-1的结构和形态几乎没有变化,表明其具有较好的光催化稳定性.此外,在本实验所制得的AT-x复合物中,AT-1具有最短的荧光平均寿命、最大的光电流响应和最小的阻抗,表明其具有最高的光生载流子迁移和分离能力.原位辐照X射线光电子能谱结果表明,界面电子在光照前后均从TB-COF转移到金纳米粒子,与密度泛函理论计算结果一致.电子顺磁共振和原位漫反射傅里叶变换红外光谱等实验证实了光催化过程中超氧自由基的存在,这表明AT-1光催化生产过氧化氢是连续两步单电子氧气还原的过程.实验还发现,当O_(2)被N_(2)替代时,几乎检测不到过氧化氢的产生,说明过氧化氢来源于O_(2)的还原反应.当用硝酸银和对苯醌分别作为捕获剂来消除·O_(2)^(−)和e^(−)时,光催化过氧化氢的产率显著下降,可推断·O_(2)^(−)和e^(−)是产生过氧化氢的关键物种.综上,本文详细研究了金纳米粒子作为助催化剂对COF光催化生成过氧化氢性能的促进作用,可为设计高效光催化生成过氧化氢的COF基催化剂提供参考.目前,光催化生产过氧化氢技术仍处于起步阶段,其产率仍处于mmol g^(-1)h^(-1)的水平,尚不能达到工业生产要求.开发高效的半导体催化剂是实现高效光催化生产过氧化氢的关键.未来还需要进一步提高光催化产过氧化氢的生成效率和选择性,解决O_(2)的有效吸附、可见光有效利用、光生载流子的分离与转移效率等问题,以推进光催化产过氧化氢技术的工业生产和商业应用. 展开更多
关键词 共价有机框架 金纳米粒子 光催化 双氧水生产 氧气还原
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Investigating the charge transfer mechanism of ZnSe QD/COF S-scheme photocatalyst for H_(2)O_(2) production by using femtosecond transient absorption spectroscopy
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作者 Yanyan Zhao Chunyan Yang +4 位作者 Shumin Zhang Guotai Sun Bicheng Zhu Linxi Wang Jianjun Zhang 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第8期258-269,共12页
Hydrogen peroxide(H_(2)O_(2))has gained widespread attention as a versatile oxidant and a mild disin-fectant.Here,an electrostatic self-assembly method is applied to couple ZnSe quantum dots(QDs)with a flower-like cov... Hydrogen peroxide(H_(2)O_(2))has gained widespread attention as a versatile oxidant and a mild disin-fectant.Here,an electrostatic self-assembly method is applied to couple ZnSe quantum dots(QDs)with a flower-like covalent organic framework(COF)to form a step-scheme(S-scheme)photocata-lyst for H_(2)O_(2)production.The as-prepared S-scheme photocatalyst exhibits a broad light absorption range with an edge at 810 nm owing to the synergistic effect between the ZnSe QDs and COF.The S-scheme charge-carrier transfer mechanism is validated by performing Fermi level calculations and in-situ X-ray photoelectron and femtosecond transient absorption spectroscopies.Photolumi-nescence,time-resolved photoluminescence,photocurrent response,electrochemical impedance spectroscopy,and electron paramagnetic resonance results show that the S-scheme heterojunction not only promotes charge carrier separation but also boosts the redox ability,resulting in enhanced photocatalytic performance.Remarkably,a 10%-ZnSe QD/COF has excellent photocatalytic H_(2)O_(2)-production activity,and the optimal S-scheme composite with ethanol as the hole scavenger yields a H_(2)O_(2)-production rate of 1895 mol g^(-1)h^(-1).This study presents an example of a high-performance organic/inorganic S-scheme photocatalyst for H_(2)O_(2)production. 展开更多
关键词 ZnSe quantum dot Covalent organic framework S-scheme heterojunction Carrier migration and separation H_(2)O_(2) production
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Pt-C_(3)N_(4)/BiOCl S型异质结应用于光催化CO_(2)还原的理论计算研究 被引量:7
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作者 罗铖 龙庆 +2 位作者 程蓓 朱必成 王临曦 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2023年第6期135-144,共10页
光催化CO_(2)还原制备可再生的碳氢燃料为缓解温室效应、解决能源短缺问题提供了一个可行的办法。然而,单一组分光催化剂的CO_(2)还原活性非常低。一是因为光生载流子的快速复合导致光子效率很低。二是因为CO_(2)的活化需要较高的能垒... 光催化CO_(2)还原制备可再生的碳氢燃料为缓解温室效应、解决能源短缺问题提供了一个可行的办法。然而,单一组分光催化剂的CO_(2)还原活性非常低。一是因为光生载流子的快速复合导致光子效率很低。二是因为CO_(2)的活化需要较高的能垒。对此,研究人员作出了许多改进以提高CO_(2)还原性能。例如,发展S型异质结可以增强载流子的分离和光催化剂的氧化还原能力,引入金属单原子助催化剂可以优化反应热力学。因此,协同利用S型异质结和金属单原子修饰将能同时促进载流子的转移和CO_(2)还原反应过程。本文构建了由单原子Pt负载的g-C_(3)N_(4)和BiOCl组成的Pt-C_(3)N_(4)/BiOCl异质结模型。用密度泛函理论计算研究了其光催化性能,包括几何结构和电子性质的探索、CO_(2)转化过程的模拟。差分电荷密度结果表明g-C_(3)N_(4)中的电子转移至BiOCl,这是由于g-C_(3)N_(4)的费米能级比BiOCl的费米能级高。由此在g-C_(3)N_(4)/BiOCl异质结的界面处形成了由g-C_(3)N_(4)指向BiOCl的内建电场。在光照下,g-C_(3)N_(4)/BiOCl复合物中载流子的转移路径符合S型机制。具体而言,BiOCl导带的光生电子与g-C_(3)N_(4)价带的光生空穴复合,而g-C_(3)N_(4)导带的电子与BiOCl价带的空穴得以保留。在g-C_(3)N_(4)的空隙中添加Pt原子后,g-C_(3)N_(4)的功函数减小,由此增大了g-C_(3)N_(4)和BiOCl的费米能级差异。结果,有更多的电子从Pt-C_(3)N_(4)转移至BiOCl,内建电场的强度增大。这有利于Pt-C_(3)N_(4)/BiOCl S型异质结的电荷转移。此外,反应自由能计算结果表明,g-C_(3)N_(4)/BiOCl异质结上CO_(2)还原反应的限速步骤是CO_(2)氢化生成COOH,其能垒为1.13 eV。Pt原子修饰后,限速步骤变为CO氢化生成HCO,其能垒为0.71 eV。这些结果表明Pt单原子的引入能够增强界面电场、降低能垒,从而提高CO_(2)还原活性。本工作为构建金属原子修饰的S型异质结光催化剂以实现高效的CO_(2)还原提供了理论指导。 展开更多
关键词 S型异质结 密度泛函理论 光催化CO_(2)还原 单原子Pt 氮化碳 BiOCl 内建电场
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Palladium-copper nanodot as novel H_(2)-evolution cocatalyst:Optimizing interfacial hydrogen desorption for highly efficient photocatalytic activity 被引量:1
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作者 Jiachao Xu Duoduo Gao +4 位作者 Huogen Yu Ping Wang Bichen Zhu Linxi Wang Jiajie Fan 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第2期215-225,共11页
Noble metal palladium(Pd)is well‐known as excellent photocatalytic cocatalyst,but its strong adsorption to hydrogen causes its limited H2‐evolution activity.In this study,the transition metal Cu was successfully int... Noble metal palladium(Pd)is well‐known as excellent photocatalytic cocatalyst,but its strong adsorption to hydrogen causes its limited H2‐evolution activity.In this study,the transition metal Cu was successfully introduced into the metallic Pd to weaken its hydrogen‐adsorption strength to improve its interfacial H_(2)‐evolution rate via the Pd‐Cu alloying effect.Herein,the ultrasmall Pd_(100−x)Cu_(x) alloy nanodots(2−5 nm)as a novel H_(2)‐evolution cocatalyst were integrated with the TiO_(2) through a simple NaH_(2)PO_(2)‐mediated co‐deposition route.The resulting Pd_(100−x)Cu_(x)/TiO_(2) sample shows the significantly enhanced photocatalytic H_(2)‐generation performance(269.2μmol h^(−1)),which is much higher than the bare TiO2.Based on in situ irradiated X‐ray photoelectron spectroscopy(ISI‐XPS)and density functional theory(DFT)results,the as‐formed Pd_(100−x)Cu_(x) alloy nanodots can effectively promote the separation of photo‐generated charges and weak the adsorption strength for hydrogen to optimize the process of hydrogen‐desorption process on Pd_(75)Cu_(25) alloy,thus leading to high photocatalytic H_(2)‐evolution activity.Herein,the weakened H adsorption of Pd_(75)Cu_(25) cocatalyst can be ascribed to the formation of electron‐rich Pd after the introduction of weak electronegativity Cu.The present work about optimizing electronic structure for promoting interfacial reaction activity provides a new sight for the development of the highly efficient photocatalysts. 展开更多
关键词 Photocatalytic H_(2)evolution TiO_(2) Pd100-xCux alloy Electron-rich Pd Hydrogen desorption
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