光电催化矿物材料的制备及应用研究进展

光电催化技术是解决环境污染和能源短缺问题最具应用前景的方法之一。基于半导体矿物的光电化学性质或非半导体矿物的天然物理特性,将矿物与光电催化功能体复合构建的光电催化矿物材料具有成本低、环境相容性好、性能优异等特点,其在矿物利用的新兴领域受到了广泛关注。本文在限定了光电催化矿物材料研究是否属于矿物应用范畴的基础上,介绍了光电催化矿物材料包含的矿物组分及特征,提出了光电催化矿物材料的分类,并对光电催化矿物材料的制备方法及矿物增强光电催化活性的机制进行了讨论。最后,概述了光电催化矿物材料用于水中污染物治理、光电催化水分解产氢、CO_(2)能源化等领域的研究现状;指出应重点关注矿物本征光电属性、有效建立材料复合结构与效能的联系、明确材料矿物学属性影响光电催化的机制等问题,拓展光电催化矿物材料在新能源、化学品合成和矿物/微生物作用等领域的应用研究。

铁辅助光电催化实验及机理研究

为了探究铁对光催化、电催化以及光电催化降解水中有机污染物效率的影响以及铁提升光电催化效率的机理,将Co、N、P/TiO_(2)/SiO_(2)/CoFe_(2)O_(4)颗粒作为粒子电极应用于光电催化降解罗丹明B的实验,并对催化反应过程中铁浓度变化进行检测。结果表明,铁的存在可以使光催化、电催化以及光电催化降解罗丹明B的效率显著提高。其中,Fe^(3+)可使光催化反应速率提升290.68%;Fe^(2+)、Fe^(3+)、牺牲阳极法可使电催化反应速率分别提升59.21%、250.94%、162.45%;可使光电催化反应速率分别提升37.38%、536.86%、525.44%。光催化反应中的Fe^(3+)浓度快速下降。分析铁提升光电催化效率的机理主要是Fe^(3+)作为光生电子捕获剂,加速了TiO_(2)上光生电子—空穴的分离,从而产生更多的·OH;Fe^(3+)在阴极可以被还原为Fe^(2+);Fe^(2+)可与光催化或电化学氧化过程中产生的H_(2)O_(2)反应生成·OH。

微波辐射制备Bi_(2)O_(3)/NiF光阳极及模拟日光下光电催化氧化降解罗丹明B

针对粉体Bi_(2)O_(3)光催化剂光利用效率低及难回收再利用等技术问题,采用浸渍—微波辐射技术在泡沫镍(NiF)上负载Bi_(2)O_(3)来制备Bi_(2)O_(3)/NiF光阳极,并借助SEM,XRD,XPS等手段及电化学工作站分析方法研究了光阳极的形貌结构及光电催化氧化性能.结果显示,花簇状的Bi_(2)O_(3)成功地负载在NiF的三维骨架上,Bi_(2)O_(3)/NiF具有优异的光电转化效率.在最佳制备条件,当光电流密度为15µA/cm^(2),外加电压为2V、RhB初始浓度为8mg/L、pH值为3的条件下,Bi_(2)O_(3)/NiF光电催化氧化降解罗丹明B(RhB)的效率可达95.35%,Bi_(2)O_(3)/NiF光电催化氧化降解RhB符合一级反应动力学方程,自由基淬灭实验证实h+在Bi_(2)O_(3)/NiF光电催化氧化降解RhB过程中起着主要作用.

复合纳米材料MoS_(2)@CNTs光电催化降解盐酸四环素的研究

通过水热法成功合成了不同MoS_(2)与CNTs质量比的复合纳米光催化材料MoS_(2)@CNTs-x%,并通过滴涂法制备具有光电响应的M@C-x%/FTO光电极。利用SEM、XRD、UV-Vis DRS、I-t、EIS和M-S曲线等表征方法分析了复合纳米催化剂的微观形貌、晶体结构、光电化学性能。将M@C-x%/FTO光电极用于光电催化降解盐酸四环素,考察了四环素(TC)初始质量浓度、初始pH对光电催化降解盐酸四环素的影响。运用自由基捕获实验鉴定了光电催化降解过程中的主要反应活性物种;并结合光催化剂能带分析光电催化降解机理。结果表明,电极M@C-5%/FTO具有最佳的光电催化性能。

光电催化中光电极基底材料的研究进展

近年来,光电催化技术(PEC)因其融合了电化学与光催化技术的优势而备受瞩目。这一技术不仅展现了优良的催化性能,还解决了传统粉末光催化剂难以分离回收的难题。光电极的基底材料是PEC技术的核心,其显著影响着电子转移的效率、光生载流子的复合率以及光电极的稳定性。尽管PEC技术已取得诸多成果,但关于光电极基底材料的研究进展尚未得到充分的文献报道。鉴于此,在系统地对光电极基底材料进行分类,包括金属、导电玻璃、碳基材料以及其它新兴材料,并深入回顾近年来关于这些材料的研究进展。详细论述光电极的制备方法、性能表现以及作用机理,以期为读者提供一个全面而深入的理解。同时,我们也对光电极基底材料的未来研究方向提出了一些建议,希望能为该领域的进一步发展提供有益的参考。

铋系光电催化剂降解水中有机污染物的研究进展

光电催化技术通过电场协助光催化,能有效抑制光生载流子复合,提高有机污染物的去除率,具有简便、高效、易操作等优点。光电极材料是光电催化技术的关键,相较于其他传统催化剂,铋系半导体具有独特的层状结构和适宜的禁带宽度,对光的利用率更高。层状结构使铋系材料能在层内诱导内部电场,促进光生电子和空穴分离,加速载流子转移,提升光催化性能。本文介绍了一元铋系化合物、二元铋系化合物、卤氧化铋系化合物和含氧酸型铋系化合物的制备、表征及性能,简述了铋系材料作为光电极材料的优势。综述了其对有机污染物降解的研究,对铋系材料应用于光电催化进行废水处理进行了总结,新型催化剂的开发和如何推进建立催化剂全生命周期内对环境产生的影响评价体系是后续研究的重点方向。

Ag-Ti^(3+)-TiO_(2)纳米锥的制备及光电催化性能研究

抗生素的过度使用对环境造成了持久性的污染,光电催化是降解抗生素的环保、高效技术,其中光电极的设计尤为重要。为提高抗生素降解速率,采用电化学还原和光还原法制备了Ag-Ti^(3+)-TiO_(2)纳米锥复合光电极,并用于模拟可见光照射下光电催化降解四环素的过程,考察其光电催化性能。结果表明,由于Ti^(3+)自掺杂和Ag纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应,复合电极有效地抑制了光生电子-空穴对的复合,并表现出更低的电荷转移电阻,提高了光电催化性能。复合光电极在可见光照射下,90 min后可降解87.9%的四环素,且5个循环后降解率保持在82.5%。这些结果表明,Ag-Ti^(3+)-TiO_(2)纳米锥复合光电极具有高降解效率、良好的稳定性和可持续的循环利用性,有望实现高效环保地光电催化降解抗生素。

硅基光电极光电催化制氢

硅(Si)半导体材料作光电极用于光电催化(PEC)分解水制氢被认为是解决新能源问题比较有希望的措施之一.但目前Si基光电极也面临着光利用率低、不稳定、表面反应动力学缓慢等瓶颈.我们总结了目前Si基光电极材料的发展现状,从表面微纳米结构的设计、保护层的选择、助催化剂的改性3个提高光电极效率的途径,对Si基光电极材料的性能进行了介绍,并对其在该领域的发展前景进行展望.

AgI/BiOI异质结光电催化甲醇氧化

为提高BiOI光电催化甲醇氧化的效率,本研究采用简单的离子交换法制备了AgI/BiOI复合光催化剂。AgI的负载提高了甲醇氧化的效率,其中光还原时间为10 min时,AgI/BiOI样品光电催化活性最高,甲醛的产率和法拉第效率分别达到0.952μg·mL^(-1)·h^(-1)和53%。结果表明,AgI/BiOI复合材料光催化性能增强主要归因于异质结的构建,进而提高了光生载流子的分离效率。活性物种捕获实验揭示了甲醇氧化过程中的可能机理。

易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列制备及光催化和光电催化研究

在光催化降解领域,粉末g-C_(3)N_(4)光催化材料使用后在流体中分离和回收困难,同时也会产生二次污染。在氩气保护下,采用化学气相沉积法在三维碳纤维织物表面沉积g-C_(3)N_(4)纳米片,从而制备了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料,研究了碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列的光学、电化学和光电催化性能。结果表明,g-C_(3)N_(4)纳米片可以吸收可见光产生光生电子和空穴,而碳纤维良好的导电性提高了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料中光生电子/空穴的分离效率。降解240 min,易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料的电催化、光催化和光电催化对2,4-二硝基酚的降解率分别为20.7%、33.5%和99.5%。在光电催化过程中,外加偏电压加速了光生电子向阴极迁移,进一步提高了光生电子/空穴分离效率,使电催化和光催化存在协同效应。将粉末光催化材料与柔性碳纤维织物组合,提供了一种新的光催化材料组装方式,极大降低了粉末光催化材料的分离和回收成本。

光电催化耦合生物电化学技术去除VOCs研究进展

通过研发和应用高活性单原子催化剂,整合生物电化学和光电催化作用,光电催化耦合生物电化学技术实现了气-液一体化和高效低碳的VOCs净化处理。本文综述了光电催化、微生物燃料电池产电驱动阴极光电耦合催化去除VOCs,以及复合亚纳米高效催化剂研发方面的创新成果,对光电催化与生物电化学联合治理VOCs的技术优势、应用前景以及所面临的机遇和挑战进行了深入探讨。

温室气体光电催化的研究进展

温室气体的光电催化转化是当前科研领域的研究热点,其不仅有助于缓解全球气候变化问题,还能实现能源的有效和循环利用。目前,光催化、电催化、光电催化等多种催化技术被用于温室气体的转化,但催化剂活性提升仍面临挑战。作者根据现阶段温室气体的研究现状,系统地总结了光电催化反应及性能评价,进一步阐述了光电催化在二氧化碳还原和甲烷氧化领域的研究进展,并对未来温室气体光电转化进行展望。

光电催化降解农药的研究进展

化学农药是一种危害高、难降解的环境污染物,农药残留对生态环境造成严重破坏并危害人体健康。光电催化具有安全环保、氧化能力强、易操作等优势,已成为降解农药残留最具前景的高级氧化技术之一。笔者综述了光电催化降解农药的基本原理、常用电极材料及制备方法,重点总结了光电催化降解农药的最新应用,评估了光源、pH等影响因素对农药降解的影响,这些为其短期内的实际应用提供了基础。目前涉及农药污水降解的研究较少,未来除针对电极材料改良外更应当侧重于实际农药废水的降解研究。

光电催化材料Ce_(2)O_(3)@ZnO/TNTs的制备及其性能的研究

采用阳极氧化法制备出TiO_(2)纳米管阵列(TNTs),再以方波脉冲沉积法在TNTs修饰ZnO,最后以阴极恒电流沉积在ZnO/TNTs表面沉积Ce,经煅烧处理后得到Ce_(2)O_(3)@ZnO/TNTs纳米复合材料。X-射线衍射仪(XRD)测试表明该材料中TiO_(2)、ZnO和Ce_(2)O_(3)共存。扫描电镜(SEM)分析显示在TNTs管口及管壁表面均匀生长了ZnO和Ce_(2)O_(3)。莫特-肖特基曲线(M-S曲线)测试表明其为n型半导体,紫外-可见漫反射(UV-vis)光谱分析证实其最大吸收波长可以达到448 nm。光电催化降解刚果红染料实验结果表明:Ce_(2)O_(3)@ZnO/TNTs光电催化降解效率高达82.09%,高于TNTs(21.32%)、ZnO/TNTs(51.96%)和Ce_(2)O_(3)/TNTs(75.3%)。

用于光电催化水分解的氧化亚铜基光电阴极研究进展

随着不可再生资源的消耗及环境污染日趋严重,开发环境友好、可再生的新能源受到广泛关注。氢可通过燃料电池进行发电,被认为是理想的洁净能源载体。耦合可再生能源,如光能、风能、海洋能等,进行光电水分解制氢是有效途径之一。氧化亚铜(Cu2O)具有合适的能带结构、制备简单、资源丰富,成为光电阴极半导体的研究热点。然而,Cu2O光电阴极面临光生电荷复合较快、光腐蚀严重等挑战,导致其光电效率低、稳定性差。本综述首先简要介绍光电水分解制氢原理以及Cu2O的能带结构适配性,其次总结氧化亚铜的制备方法;重点概述提高Cu2O光电效率和稳定性的策略,包括形成氧化亚铜-n型半导体p-n结、添加助催化剂、引入空穴传输层等;结合近年来表征技术的发展,介绍先进的光电阴极表征手段;最后,对光电阴极未来的研究方向进行展望。

光电催化析氧和CO_(2)还原反应催化剂的研究进展

随着日益增加的化石能源消耗和环境污染,新能源和环境友好型技术的应用对工业发展发挥着重要作用.利用太阳能及电能进行各种催化反应的光电催化(PEC)是一种有应用前景的技术,与传统催化技术相比,具有环保节能、效率高的优势.析氧反应(OER)和CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)是两种具有能源及环境应用潜力的催化反应.PECOER对基于水氧化和其他相关氧化反应的可再生能源技术具有重要作用.PEC CO_(2)RR可以将CO_(2)转化为高附加值化学品,实现CO_(2)的合理利用.上述两种技术均具有较大的研究价值和应用前景.本综述首先阐述了电催化和光催化技术的优缺点.由于工业上使用电催化技术会消耗煤和石油等化石能源,有污染环境的风险,且长期的用电成本会影响最终的盈利;而使用光催化技术又面临着反应效率不理想、稳定性差和可见光吸收率低等缺点.一方面,PEC技术可以解决光催化中光生电子-空穴对复合速度快、反应时间长的缺点;另一方面,PEC技术可以降低电催化过程中在高电流密度下反应所需的过电位,在节省电能的同时提高反应效率.此外,系统地介绍了光电催化产氧和CO_(2)RR的机理和参数、催化剂类型、评价标准以及近年来的研究进展.对于反应条件,光电催化和电催化所使用的基础仪器基本相同,而光电催化是在电催化的基础之上施加外部光源,利用光能进一步提高反应效率和稳定性.光电催化和电催化的反应机理也基本一致,不同的是光电催化的评价标准与电催化有所不同.在光照作用下,除了关注特定电压下的电流密度、选择性和稳定性外,研究者们更关注应用偏压光子电流转换效率(ABPE)和入射光子对电流的效率(IPCE)的影响.同时,介绍了用于PEC OER和CO_(2)RR催化剂的类别、优势、合成方法、设计原则和改性策略.就目前研究而言,光电催化性能优异的催化剂一般都具有导电性良好、光吸收效率高和载流子分离速率快等特点.随着对光电催化技术研究地深入,通过掺杂、制造缺陷、设计异质结、负载单/双原子和改变反应微环境等方法有效地提升了催化效率和稳定性.在上述研究基础上,还扩展性地阐述光热催化、光酶催化等近几年的热点技术,这些技术均具有反应条件温和、过程简单和效率高等特点,在未来具有较大的研究价值.最后,展望了PEC技术的未来发展趋势和前景,重点关注了它在工业上的应用前景和价值.在未来,PEC技术将朝着智能化、创新和环保的方向发展.通过先进的理论技术(如理论计算、机器学习、分子动力学模拟等)和原位表征探索反应机理,实现低成本、绿色和智能化的技术以迎接未来实现大规模工业化的挑战,从而在盈利和环保两者之间实现“双赢”.希望本文能帮助读者更快及更全面地了解PEC技术的基本原理、常用催化剂、改性策略、拓展技术、应用前景和发展趋势,从而为读者提供可借鉴的研究思路.

锶改性二硫化钼自支撑电极的制备及其光电催化析氢性能

光电催化分解水制氢技术是制备“绿氢”的有效途径之一,开发低成本、高稳定性、高光电析氢效率的光电阴极是推动光电水解技术发展的必要途径.采用一步水热法制备了碱金属元素Sr改性的二硫化钼(MoS_(2))自支撑电极,并进行了光电水解制氢反应的应用研究.通过X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光发射光谱(PL)等测试对Sr改性的MoS_(2)电极的物相结构进行表征与分析.结果表明,Sr原子以SrMoO_(4)的形式进入MoS_(2)晶体结构中,使其晶格缺陷增加,从而增加了光电阴极的析氢活性位点.此外,Sr的引入同时可降低光生载流子的复合概率.通过优化Sr的加入量并对所制备的自支撑电极光电催化析氢性能进行测试,可以发现适量的Sr改性可有效提升光电催化析氢性能.其中,当Sr加入量为5%时,所制备的Sr改性MoS_(2)自支撑电极光电响应电流密度提升了20%.这种通过对MoS_(2)进行碱金属元素改性的方法,为提升非贵金属催化剂的光电催化性能的研究提供了新的借鉴.

核壳结构Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@介孔TiO_(2)的合成及其光电催化降解水中有机污染物

为了实现太阳能光催化和光电催化降解污染物实用化,需要研发高效、稳定、易分离的催化剂。采用溶胶-凝胶法和水热法制备了Fe_(3)O_(4)@SiO_(2)@介孔TiO_(2)(FST)复合光电催化剂。通过表征分析证实了纳米FST成功合成,Fe_(3)O_(4),SiO_(2)和TiO_(2)纳米颗粒层层包裹,具有独特的核壳结构。在外加磁场的作用下,FST催化剂可以很容易地从悬浮液中分离出来。FST的表面光电流响应和阻抗测试结果显示其活性显著增强。利用制备的FST对其他有机污染物在可见光下的光电催化降解进行了研究,对亚甲基蓝、罗丹明B、甲基橙、阿莫西林光电催化90 min,降解率分别为98%,95%,92%,90%。主要活性物种捕获实验表明,FST通过光电耦合作用产生大量h^(+)和·OH从而使污染物降解为CO_(2),H_(2)O和无机离子。

OD-α-Fe_(2)O_(3)/Ti_(3)C_(2)的制备以及其光电催化氧化醇的性能研究

本实验以石墨烯薄膜(GF)为载体,通过电化学浴沉积法和牺牲模板法制备了具有氧空穴的α-Fe_(2)O_(3)(OD-α-Fe_(2)O_(3))纳米材料,再和通过酸刻蚀法制备的助催化剂Ti3C2复合形成OD-α-Fe_(2)O_(3)/Ti_(3)C_(2)材料并将其用于光电催化氧化甲醇。采用X射线光电子能谱(XPS)、X射线粉末衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等分析手段对制备得到的OD-α-Fe_(2)O_(3)/Ti_(3)C_(2)复合材料进行表征,然后用经典三电极体系进行电化学测试,其在10 mA·cm^(-2)的电流密度下的过电位为81.8 mV,光照时10 mA·cm^(-2)的电流密度下的过电位为79.8 mV(vs.RHE),其双电层电容为237 mF·cm^(-2),而复合材料GF/OD-α-Fe_(2)O_(3)/Ti_(3)C_(2)的电子转移阻抗Rct=4.668Ω。结果表明:GF/OD-α-Fe_(2)O_(3)/Ti_(3)C_(2)复合材料成功复合且催化性能得到提高,GF/OD-α-Fe_(2)O_(3)纳米材料在与纳米片Ti_(3)C_(2)复合后过电位和电子转移阻抗都有所降低,两者的有效复合加快了阳极材料与电解液界面之间的反应过程。

等离子体Ag/TiO_(2-x)光阳极用于光电催化分解水

环境污染和破坏以及缺乏足够的清洁能源是目前全球范围内面临的严重的问题。半导体光催化材料因其可以利用太阳能且催化效率高等优点受到广泛关注,是当前研究的热点。二氧化钛(TiO_(2))具有良好的化学稳定性和环境兼容性,是传统半导体光催化材料之一。然而,其仍存在如催化活性易受光生载流子复合的影响及对太阳光的利用率低等缺陷。为了改善TiO_(2)的光电催化性能,使用硼氢化钠(NaBH4)氢化处理以及复合等离子体金属银(Ag)纳米粒子的方法制备得到Ag/TiO_(2)-x异质结构。借助SEM、TEM、XRD、XPS和固体紫外—可见漫反射测试手段对样品的形貌、结构、组成、表面元素以及光吸收性能进行表征。通过光电流密度、电化学阻抗谱以及光电转换效率(IPCE)对样品的光电活性进行测试,结果表明,Ag/TiO_(2-x)异质结构的光电流密度约为TiO_(2)的5倍,且具有较小的阻抗以及较高的IPCE活性。因此,富缺陷TiO_(2)-x和等离子体金属Ag纳米粒子的协同作用能促进其光电催化性能的提升。