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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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ZnCdS纳米球和二苯并噻吩修饰的g-C_(3)N_(4)构成的S型异质结用于增强光催化产氢 被引量:1
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作者 李瀚 陶善仁 +4 位作者 万思杰 邱国根 龙庆 余家国 曹少文 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第3期167-176,共10页
光催化分解水产氢被认为是一种具有应用前景的策略来应对能源和环境挑战.许多种类的光催化剂如CdS和TiO_(2)等,已被广泛研究并用于光催化制氢.在各种半导体中,g-C_(3)N_(4)因其能带结构恰当、稳定性好、无毒以及制备容易等优点成为有前... 光催化分解水产氢被认为是一种具有应用前景的策略来应对能源和环境挑战.许多种类的光催化剂如CdS和TiO_(2)等,已被广泛研究并用于光催化制氢.在各种半导体中,g-C_(3)N_(4)因其能带结构恰当、稳定性好、无毒以及制备容易等优点成为有前途的光催化剂.然而,由于g-C_(3)N_(4)的可见光吸收较差,光激发的载流子复合严重等问题导致其光催化活性相对较低.因此,研究人员采用了纳米结构设计、掺杂、构建异质结和负载助催化剂等策略来对g-C_(3)N_(4)进行改性.通过引入合适的电子供体(D)或受体(A)单元,在g-C_(3)N_(4)基本构型内创建一个分子内D-A结构,被确认为一种有效的策略来提高光催化性能.分子内的D-A结构不仅使g-C_(3)N_(4)的带隙变窄以提高其光吸收能力,还形成了一个内建电场,加速了激子的解离、体相载流子的分离和传输.但单组分的光催化剂仍然存在可见光吸收不足和较严重的载流子复合问题.为了进一步提高光催化产氢的性能,构建梯型(S型)异质结是解决这些问题的有效方法.S型异质结通过内部电场可以实现有效的空间载流子分离,同时保留光生电子和空穴的强大的氧化还原能力.因此,寻找另外一个能带结构匹配的半导体来与g-C_(3)N_(4)构成S型异质结是非常可取的.另一方面,ZnCdS固溶体已经被广泛用于光催化产氢.在固溶体晶格中用锌原子替代镉原子,不仅可以连续调节能带结构,还可以提高其稳定性.为了充分利用固溶体和D-A结构的优势,本文通过自组装方法合成了ZCS(ZnCdS纳米球)@DBTCN(二苯并噻吩基团修饰的g-C_(3)N_(4))S型异质结光催化剂.红外光谱、高分辨透射电镜和X射线光电子能谱等结果证明形成了紧密接触的ZCS@DBTCN异质结.研究了ZCS和DBTCN的能带结构,通过开尔文探针、莫特肖特基曲线和带隙结果确定了ZCS和DBTCN的功函数,导带和价带位置.结果表明,DBTCN的费米能级和导带电位均比ZCS的更负,揭示了暗态下电子通过紧密接触的界面由DBTCN转移到ZCS,这与差分电荷密度的计算结果相一致.暗态下的电子转移可以形成一个界面内建电场,作为光生载流子迁移的驱动力,调控光生载流子的定向转移,实现光生载流子的空间分离.通过原位X射线光电子能谱和原位开尔文探针力显微镜进一步证明了光照下电子的转移方向,这种电子转移方向可以保留最大的氧化和还原能力,并且符合S型异质结电子转移机制.稳态荧光光谱、瞬态荧光光谱、电化学阻抗谱和光电流曲线结果表明,分子内电场和S型异质结的协同作用显著加速了光生载流子在分子内和界面的快速转移.得益于S型异质结和分子内的内建电场的协同作用,7ZCS@DBTCN显示出了最好的光催化剂产氢活性(8.87 mmol g^(-1)h^(-1)),分别是单独ZCS和DBTCN的2.55倍和3.46倍.综上,本文提供了一种利用给体-受体修饰和S型异质结协同效应来设计高性能光催化剂的思路. 展开更多
关键词 光催化 氮化碳 锌镉硫 S型异质结 电子转移
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高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂:合成、结构调控和光催化产氢
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作者 赵彬彬 钟威 +3 位作者 陈峰 王苹 别传彪 余火根 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第9期127-143,共17页
开发清洁和可再生的氢能是解决当前环境污染和能源短缺的有效途径之一.在众多制氢方法中,光催化分解水产氢被认为是最具潜力的方法之一.目前,研究者已开发了多种光催化材料,其中,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))具有低成本、无毒、能带结构... 开发清洁和可再生的氢能是解决当前环境污染和能源短缺的有效途径之一.在众多制氢方法中,光催化分解水产氢被认为是最具潜力的方法之一.目前,研究者已开发了多种光催化材料,其中,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))具有低成本、无毒、能带结构合适和理化性质优异等优点,在光催化产氢领域被广泛报道.然而,高温煅烧各种有机物前驱体制备的传统g-C_(3)N_(4)材料往往表现出严重的团聚和低结晶度,并具有大量的内部和表面缺陷,造成光生载流子的快速复合,导致光催化性能低.为了增强g-C_(3)N_(4)材料的光催化活性,制备具有高比表面积的g-C_(3)N_(4)纳米片被认为是有效的方法之一,如比较常用的方法有二次煅烧法和超声剥离法等.然而,由于g-C_(3)N_(4)纳米片是从传统g-C_(3)N_(4)光催化材料中剥离或脱层制备,因而仍然表现出低的结晶度,不利于光生电荷的有效分离和快速迁移,光催化活性的提高有限.相比于低结晶度的g-C_(3)N_(4),构建高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂可以有效减少其内部和表面缺陷,进而促进光生载流子的有效分离和快速传输,最终显著提升g-C_(3)N_(4)材料的光催化性能.本文综述了高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂的最新研究进展,重点分析和总结了高晶化g-C_(3)N_(4)光催化材料的微结构特征、合成方法、改性策略和在光催化产氢领域中的应用.首先,通过与传统高温煅烧法制备的g-C_(3)N_(4)光催化材料比较,深入介绍了高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂的微结构特征(低缺陷和高度有序排列)和高晶化特性的典型表征手段(TEM和XRD),并且详细分析了高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂的微结构对光催化反应过程的促进作用机制,即g-C_(3)N_(4)光催化材料的高度有序结构可减少其内部和表面缺陷,有效抑制光生电子和空穴的快速复合,实现高效传输与分离.其次,详细总结了高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂的合成方法,如盐辅助法(多组分盐辅助法和单组分盐辅助法)、模板法、两步煅烧法和微波辅助法等,并对以上合成方法提升g-C_(3)N_(4)结晶度的原理进行了分析,同时对这些合成方法的特征和优点进行了介绍.此外,具体阐述了高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂的改性策略,包括能带工程、异质结构建和助剂修饰,讨论了以上改性策略的特点以及对g-C_(3)N_(4)光催化性能增强的作用机理.在此基础上,对光催化分解水产氢的原理进行了分析,同时分别从光催化半解水产氢和全解水产氢两方面系统阐述了高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂在光催化产氢领域中的应用.最后,对高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂的研究进展进行了总结,并对高晶化g-C_(3)N_(4)材料在光催化领域中的未来发展进行了展望,从合成与改性方法、微结构、晶化原理和光催化活性等方面指出高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂所面临的挑战和不足,为设计与构建高活性和高晶化g-C_(3)N_(4)光催化剂提供了新的思路. 展开更多
关键词 光催化 高晶化g-C_(3)N_(4) 合成 改性 产氢
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Effect of calcination temperatures on photocatalytic H_(2)O_(2)-production activity of ZnO nanorods 被引量:7
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作者 Zicong Jiang Yong Zhang +2 位作者 Liuyang Zhang Bei Cheng Linxi Wang 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第2期226-233,共8页
Photocatalytic hydrogen peroxide(H_(2)O_(2))production from O_(2) and H2O is an ideal process for solar‐to‐chemical energy conversion.Herein,ZnO nanorods are prepared via a simple hydrothermal method for photocataly... Photocatalytic hydrogen peroxide(H_(2)O_(2))production from O_(2) and H2O is an ideal process for solar‐to‐chemical energy conversion.Herein,ZnO nanorods are prepared via a simple hydrothermal method for photocatalytic H_(2)O_(2) production.The ZnO nanorods exhibit varied performance with different calcination temperatures.Benefiting from calcination,the separation efficiency of photo‐induced carriers is significantly improved,leading to the superior photocatalytic activity for H_(2)O_(2) production.The H_(2)O_(2) produced by ZnO calcined at 300℃ is 285μmol L^(−1),which is over 5 times larger than that produced by untreated ZnO.This work provides an insight into photocatalytic H2O2 production mechanism by ZnO nanorods,and presents a promising strategy to H2O2 production. 展开更多
关键词 PHOTOCATALYSIS Hydrogen peroxide production ZnO nanorod Calcination temperature Oxygen reduction
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In-situ preparation of TiO_(2)/N-doped graphene hollow sphere photocatalyst with enhanced photocatalytic CO_(2) reduction performance 被引量:4
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作者 Libo Wang Bicheng Zhu +3 位作者 Bei Cheng Jianjun Zhang Liuyang Zhang Jiaguo Yu 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第10期1648-1658,共11页
Photocatalytic CO_(2)conversion efficiency is hampered by the rapid recombination of photogenerated charge carriers.It is effective to suppress the recombination by constructing cocatalysts on photocatalysts with high... Photocatalytic CO_(2)conversion efficiency is hampered by the rapid recombination of photogenerated charge carriers.It is effective to suppress the recombination by constructing cocatalysts on photocatalysts with high-quality interfacial contact.Herein,we develop a novel strategy to in-situ grow ultrathin/V-doped graphene(NG)layer on TiO_(2) hollow spheres(HS) with large area and intimate interfacial contact via a chemical vapor deposition(CVD).The optimized TiO^(2)/NG HS nanocomposite achieves total CO_(2)conversion rates(the sum yield of CO,CH_(3)OH and CH_(4))of 18.11μmol·g^(-1)h^(-1),which is about 4.6 times higher than blank T1O_(2)HS.Experimental results demonstrate that intimate interfacial contact and abundant pyridinic N sites can effectively facilitate photogenerated charge carrier separation and transport,realizing enhanced photocatalytic CO_(2)reduction performance.In addition,this work provides an effective strategy for in-situ construction of graphene-based photocatalysts for highly efficient photocatalytic CO_(2)conversion. 展开更多
关键词 Ultrathin N-doped graphene layer Chemical vapor deposition Intimate interfacial contact Photocatalytic CO_(2)reduction Pyridinic N site
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A thioether-functionalized pyrene-based covalent organic framework anchoring ultrafine Au nanoparticles for efficient photocatalytic hydrogen generation 被引量:1
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作者 Zhiming Zhou Chuanbiao Bie +2 位作者 Peize Li Bien Tan Yan Shen 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第10期2699-2707,共9页
Covalent organic frameworks(COFs)have lately emerged as a blooming class of potential materials for photocatalytic water splitting because of their high crystallinity,huge surface areas,and structural versatility.Howe... Covalent organic frameworks(COFs)have lately emerged as a blooming class of potential materials for photocatalytic water splitting because of their high crystallinity,huge surface areas,and structural versatility.However,the photocatalytic performance for most pure COFs face some limitations factors,such as the significant recombination of photogenerated carriers and slow charge transfer.Herein,a novel thioether-functionalized pyrene-based COF(S_(4)-COF)was effectively produced and chosen as a support for the immobilization of ultrafine gold nanoparticles(Au NPs).S_(4)-COF photocatalyst with Au as cocatalyst demonstrates remarkable photocatalytic activity with a H_(2) generation rate of 1377μmol g^(−1) h^(−1) under visible light(>420 nm),which is ca.4.5-fold increase comparing to that of pure S_(4)-COF(302μmol g^(−1) h^(−1)).Au NPs anchored on S_(4)-COF possess an ultrafine size distribution ranging from 1.75 to 6.25 nm with an average size centered at 3.8 nm,which benefits from the coordination interaction between thioether groups and Au.Meanwhile,the produced Au@S_(4)-COF can generate a stable photocatalytic H_(2) generation during the four recycles and preserve its crystallinity structure after the stability testing.The Au NPs anchored on the S_(4)-COF photocatalyst can greatly accelerate the separation of photogenerated carriers and increase charge transfer because of the combined function of Au NPs and thioether groups.Such a method can not only prevent the aggregation of Au NPs onto thioether-containing COFs to achieve long-term photostability but also allow uniform dispersion for an ordered structure of photocatalysts.This work provides a rational strategy for designing and preparing COF-based photocatalysts for solar-driven H_(2) production. 展开更多
关键词 Photocatalysis Covalent organic framework Thioether functionalization Gold nanoparticle Coordination interaction Photogenerated carrier separation
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Novel core‐shell Ag@AgSe_(x)nanoparticle co‐catalyst:In situ surface selenization for efficient photocatalytic H_(2)production of TiO_(2)
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作者 Wei Zhong Jiachao Xu +3 位作者 Ping Wang Bicheng Zhu Jiajie Fan Huogen Yu 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第4期1074-1083,共10页
Effective charge separation and rapid interfacial H_(2) production are imperative for the construction of efficient photocatalysts.Compared to Pt,the metallic Ag co‐catalyst with its strong electron‐trapping ability... Effective charge separation and rapid interfacial H_(2) production are imperative for the construction of efficient photocatalysts.Compared to Pt,the metallic Ag co‐catalyst with its strong electron‐trapping ability and excellent electronic conductivity typically exhibits an extremely limited photocatalytic H_(2-)evolution rate owing to its sluggish interfacial H_(2)‐generation reaction.In this study,amorphous AgSe_(x) was incorporated in situ onto metallic Ag as a novel and excellent H_(2)‐evolution active site to boost the interfacial H_(2)‐generation rate of Ag nanoparticles in a TiO_(2)/Ag system.Core‐shell Ag@AgSe_(x)nanoparticle‐modified TiO_(2)photocatalysts were prepared via a two‐step pathway involving the photodeposition of metallic Ag and the selective surface selenization of metallic Ag to yield amorphous AgSe_(x)shells.The as‐prepared TiO_(2)/Ag@AgSe_(x)(20μL)photocatalyst exhibited an excellent H_(2‐)production performance of 853.0μmol h^(-1)g^(-1),prominently outperforming the TiO_(2)and TiO_(2)/Ag samples by factors of 11.6 and 2.4,respectively.Experimental investigations and DFT calculations revealed that the enhanced H_(2‐)generation activity of the TiO_(2)/Ag@AgSe_(x)photocatalyst could be accounted by synergistic interactions of the Ag@AgSe_(x)co‐catalyst.Essentially,the metallic Ag core could quickly capture and transport the photoinduced electrons from TiO_(2)to the amorphous AgSe_(x)shell,whereas the amorphous AgSe_(x)shell provided large active sites for boosting the interfacial H_(2)evolution.This study offers a facile route for the construction of novel core‐shell co‐catalysts for sustainable H_(2)evolution. 展开更多
关键词 PHOTOCATALYTIC H_(2) evolution Co‐catalyst SURFACE SELENIZATION Ag@AgSe_(x) Synergistic effect
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