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基于共价有机框架非金属位点的光催化CO_(2)还原
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作者 黄浩铭 林清清 +4 位作者 牛青 宁江淇 李留义 毕进红 于岩 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS CSCD 2024年第5期201-208,共8页
光催化CO_(2)还原制备碳基化学品,是解决能源危机的理想途径之一.以往的研究主要聚焦于金属位点催化,尽管金属催化剂具有显著的应用潜力,但其高昂的成本和金属中心易失活的问题,限制了其广泛应用.因此,模拟植物光合作用,探寻基于非金属... 光催化CO_(2)还原制备碳基化学品,是解决能源危机的理想途径之一.以往的研究主要聚焦于金属位点催化,尽管金属催化剂具有显著的应用潜力,但其高昂的成本和金属中心易失活的问题,限制了其广泛应用.因此,模拟植物光合作用,探寻基于非金属位点的光催化剂,为CO_(2)还原提供了新的解决思路.共价有机框架材料(COFs)作为一种新型有机晶态多孔材料,因其高度有序的结构和π共轭体系,通常表现出半导体特性.在COF中引入氮官能团,能有效增强对CO_(2)的吸附和活化能力,有望在COFs上实现非金属光催化CO_(2)还原.本文利用COF异质结材料研究了非金属位点催化CO_(2)还原过程.采用原位合成方法制备出ZnIn_(2)S_(4)@TAz-COF异质结材料.红外光谱、Raman光谱和X-射线衍射等方法证明了异质结材料的成功合成.扫描电镜和透射电镜观察显示,ZnIn_(2)S_(4)纳米片与COF形成了异质互融界面,这对后续研究电子转移路径和光催化增强机制至关重要.通过紫外-可见光漫反射光谱、紫外光电子能谱和Mott-Schottky表征,分析了复合前后样品在能带结构上发生的变化和单独组分的功函数.由此推断,当两者复合后,在费米能级差的驱动下,TAz-COF表面的电子流向ZnIn_(2)S_(4),在界面处形成内建电场,这与差分电荷计算结果相一致.进一步的原位光照X射线光电子能谱研究证实,ZnIn_(2)S_(4)@TAz-COF异质结两相之间存在电荷转移,在界面处形成由TAz-COF指向ZnIn_(2)S_(4)的内建电场.这驱动了ZnIn_(2)S_(4)导带上的光生电子与TAz-COF价带上的光生空穴定向迁移和复合,而TAz-COF导带上还原能力较强的光生电子和ZnIn_(2)S_(4)价带上氧化能力较强的光生空穴被空间分离并参与光催化反应.在以水为电子供体的光催化还原CO_(2)反应中,该异质结材料表现出较好的还原CO_(2)到CO活性和良好的稳定性,其转化效率可与部分金属催化的CO_(2)还原体系相当.密度泛函理论计算和原位光谱分析结果表明,吖嗪基团是CO_(2)分子的吸附和活化位点,吖嗪中的氮原子与CO_(2)中的碳原子的强相互作用确保了CO_(2)向COOH*中间体的转化,最终通过光生电子和质子的协助在COF表面转化为CO.综上所述,本文制备了ZnIn_(2)S_(4)@TAz-COF异质结光催化材料.在可见光照射下,该材料界面处形成的内建电场有效驱动了光生电子和空穴的定向迁移,使得COF导带上具有较强还原能力的光生电子与ZnIn_(2)S_(4)价带上具有较强氧化能力的光生空穴实现了高效的空间分离.在没有金属助催化剂和空穴牺牲剂的条件下,ZnIn_(2)S_(4)@TAz-COF复合光催化剂表现出较好的光催化CO_(2)还原活性.本工作不仅为深入理解非金属位点催化CO_(2)还原机理提供了新视角,也为设计和构建高效CO_(2)还原光催化材料提供了参考. 展开更多
关键词 共价有机框架 光催化 二氧化碳还原 异质结构 非金属位点
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超薄ZnTi-LDH纳米片作为一种具有路易斯酸和布朗斯特酸的双功能光催化剂用于串联反应合成N-亚苄基苯胺
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作者 刘成 陈梦宁 +5 位作者 时应章 王志文 郭韦 林森 毕进红 吴棱 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第6期102-112,共11页
半导体光催化作为一种绿色可持续方法受到研究者的广泛关注.由于理论模型与实际催化剂存在较大差异,探究活性位点与光催化性能之间的关系一直是一个悬而未决的问题,需要寻找一种合适的材料深入了解该关系.超薄二维纳米材料因其活性位点... 半导体光催化作为一种绿色可持续方法受到研究者的广泛关注.由于理论模型与实际催化剂存在较大差异,探究活性位点与光催化性能之间的关系一直是一个悬而未决的问题,需要寻找一种合适的材料深入了解该关系.超薄二维纳米材料因其活性位点占比较高,且活性位点种类相对简单而被认为是一种理想的模型.串联催化反应可以在单一体系中进行多步反应,避免了相对复杂的中间体分离和纯化,具有较大的经济和环保效益.在该过程中,独立的活性位点在不同的催化反应中起着重要的作用.目前已有一些关于光催化串联反应的研究报道,基于光催化过程,一般通过电子空穴分离效率或基于半导体价带理论来揭示,而活性位点与光催化性能之间的相互作用仍有待进一步研究.本文制备了两种不同厚度(1.4和4.0 nm)的超薄ZnTi-LDH纳米片用于光催化串联反应合成N-亚苄基苯胺,研究了该体系中的活性位点-催化性能的相互关系.X射线光电子能谱、红外光谱(FTIR)和电子自旋共振结果表明,减小ZnTi-LDH纳米片的厚度,可以暴露出更多的表面羟基和氧空位缺陷,形成配位不饱和Ti位点.紫外-可见光漫反射光谱和原位吸附FTIR光谱结果表明,在ZnTi-LDH纳米片上两种反应物(苯甲醇和硝基苯)能有效地化学吸附并活化.其中苯甲醇分子通过C-O···Ti的配位方式吸附并活化在配位不饱和Ti位点(L酸位点)上,而硝基苯分子以N-O···H-O的配位方式吸附并活化表面羟基的氢位点(B酸位点)上.在该体系中,光生空穴和光生电子能被有效利用,分别促进了苯甲醇选择性氧化为苯甲醛和硝基苯选择性还原为苯胺.阻抗和光电流实验结果表明,ZnTi-LDH纳米片厚度越薄,越有利于提高光生电子-空穴对的分离效率.由于其厚度的减小形成了氧空位,而氧空位作为电子的捕获中心,促进了光生电子-空穴对的分离.更薄的ZnTi-LDH纳米片具有更多的活性位点,不仅有利于反应物的活化,也有利于光生载流子的分离.因此,较薄的ZnTi-LDH纳米片实现了100%的高转化率和96%的高选择性.从分子水平上提出了该串联反应体系中分子活化协同光催化的机理.本文不仅为串联反应开发了具有独立活性位点的双功能催化剂,而且通过从分子水平上研究活性位点与催化性能之间的相互作用,对光催化机理提供了深入的认识. 展开更多
关键词 超薄纳米片 分子活化 串联反应 锌钛水滑石 半导体光催化
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具有定向电荷传递能力的晶态线型聚酰亚胺材料驱动光催化CO_(2)还原
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作者 李慧珍 陈艳蕾 +5 位作者 牛青 王小凤 刘哲源 毕进红 于岩 李留义 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第6期152-159,共8页
利用太阳能和半导体催化材料将CO_(2)还原为具有高附加值的含碳化学品为解决能源危机等问题提供了一个有前景的解决方案.目前半导体光催化CO_(2)还原的效率仍然很低,这主要是光激发的载流子复合严重等问题导致的.探索有效策略来增强半... 利用太阳能和半导体催化材料将CO_(2)还原为具有高附加值的含碳化学品为解决能源危机等问题提供了一个有前景的解决方案.目前半导体光催化CO_(2)还原的效率仍然很低,这主要是光激发的载流子复合严重等问题导致的.探索有效策略来增强半导体光催化材料光生电荷分离和传输性能被认为是提高CO_(2)还原效率的关键之一.设计制备具有定向电荷传输性能的光催化材料将有助于抑制光生电荷复合,从而实现高效光催化性能.线型共轭有机聚合物具有直链状结构、明晰和多样的元素组成、良好的水热稳定性等优点在光催化领域受到持续的关注和研究.本文通过均苯四甲酸二酐和二胺单体的缩合反应制备了三例晶态线型共轭聚酰亚胺材料用于光催化CO_(2)还原.利用粉末X射线衍射、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外可见吸收光谱和气体吸附测试等对合成的聚酰亚胺的晶态结构、光吸收性质、形貌结构和孔结构等进行了表征.利用光电化学、电子顺磁共振波普分析、电位分析和密度泛函理论计算等研究了构筑单元的电子推拉效应对聚合物电荷分离及催化性能的影响.结果表明,三种结晶型聚酰亚胺均对CO_(2)具有良好的吸附能力且满足光催化CO_(2)还原电势的能带结构要求.光生载流子的复合程度随着重复结构单元偶极距的增强而降低,其中基于苯并噻吩砜的晶态线型聚酰亚胺(CLP-CS)具有最优的载流子分离能力.在光催化CO_(2)还原反应中,CLP-CS表现出高达1700μmol h-1gcat-1的CO析出效率和90%的选择性.CLP-CS在高低温和紫外灯照射等极端条件下,仍保持良好的结构稳定性和催化活性.实验发现,聚合物的CO_(2)还原活性与重复结构单元的偶极距及方向密切有关.局部结构的不对称性,扩大了分子偶极,增强了材料的内建电场驱动力.此外,长程有序的线型结构为光生电荷传输提供了快速迁移通道,促进了载流子迁移.综上,本文报道了基于晶态线型聚合物的光催化体系,为实现光生电荷定向传输和开发高效光催化材料提供了途径. 展开更多
关键词 光催化 结晶聚合物 聚酰亚胺 二氧化碳还原 电子定向转移
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Spatial confinement of copper single atoms into covalent triazinebased frameworks for highly efficient and selective photocatalytic CO_(2)reduction 被引量:4
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作者 Guocheng Huang Qing Niu +6 位作者 Yuxin He Jinjin Tian Mingbin Gao Chaoyang Li Ning An jinhong bi Jiangwei Zhang 《Nano Research》 SCIE EI CSCD 2022年第9期8001-8009,共9页
Converting CO_(2)into carbonaceous fuels via photocatalysis represents an appealing strategy to simultaneously alleviate the energy crisis and associated environmental problems,yet designing with high photoreduction a... Converting CO_(2)into carbonaceous fuels via photocatalysis represents an appealing strategy to simultaneously alleviate the energy crisis and associated environmental problems,yet designing with high photoreduction activity catalysts remains a compelling challenge.Here,combining the merits of highly porous structure and maximum atomic efficiency,we rationally constructed covalent triazine-based frameworks(CTFs)anchoring copper single atoms(Cu-SA/CTF)photocatalysts for efficient CO_(2)conversion.The Cu single atoms were visualized by high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy(HAADF-STEM)images and coordination structure of Cu-N-C2 sites was revealed by extended X-ray absorption fine structure(EXAFS)analyses.The as-prepared Cu-SA/CTF photocatalysts exhibited superior photocatalytic CO_(2)conversion to CH4 performance associated with a high selectivity of 98.31%.Significantly,the introduction of Cu single atoms endowed the CuSA/CTF catalysts with increased CO_(2)adsorption capacity,strengthened visible light responsive ability,and improved the photogenerated carriers separation efficiency,thus enhancing the photocatalytic activity.This work provides useful guidelines for designing robust visible light responsive photoreduction CO_(2)catalysts on the atomic scale. 展开更多
关键词 covalent triazine-based frameworks Cu single atoms photocatalytic CO_(2)reduction visible light SELECTIVITY
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Covalent triazine-based frameworks confining cobalt single atoms for photocatalytic CO_(2) reduction and hydrogen production 被引量:3
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作者 Guocheng Huang Guiyun Lin +2 位作者 Qing Niu jinhong bi Ling Wu 《Journal of Materials Science & Technology》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第21期41-49,共9页
Single-atom catalysts(SACs)have emerged as an advanced frontier in heterogeneous catalysis due to their potential to maximize the atomic efficiency.Herein,covalent triazine-based frameworks(CTFs)confining cobalt singl... Single-atom catalysts(SACs)have emerged as an advanced frontier in heterogeneous catalysis due to their potential to maximize the atomic efficiency.Herein,covalent triazine-based frameworks(CTFs)confining cobalt single atoms(Co-SA/CTF)photocatalysts have been synthesized and used for efficient CO_(2) reduction and hydrogen production under visible light irradiation.The resulted Co-SA/CTF demonstrate excellent photocatalytic activity,with the CO and H2 evolution rates reaching 1665.74μmol g^(−1) h^(−1) and 1293.18μmol g^(−1) h^(−1),respectively,far surpassing those of Co nanoparticles anchored CTF and pure CTF.A variety of instrumental analyses collectively indicated that Co single atoms sites served as the reaction center for activating the adsorbed CO_(2) molecules,which significantly improved the CO_(2) reduction performance.Additionally,the introduction of Co single atoms could accelerate the separation/transfer of photogenerated charge carriers,thus boosting the photocatalytic performance.This study envisions a novel strategy for designing efficient photocatalysts for energy conversion and showcases the application of CTFs as attractive support for confining metal single atoms. 展开更多
关键词 Covalent triazine-based frameworks Co single atoms Photocatalysis CO_(2)reduction Hydrogen evolution
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