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Light-Induced Dynamic Stability of Oxygen Vacancies in BiSbO_(4) for Efficient Photocatalytic Formaldehyde Degradation 被引量:3
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作者 Maoxi Ran Wen Cui +4 位作者 kanglu li Lvcun Chen Yuxin Zhang Fan Dong Yanjuan Sun 《Energy & Environmental Materials》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第1期305-312,共8页
Defect engineering has been regarded as a versatile strategy to maneuver the photocatalytic activity.However,there are a few studies concerning how to maintain the stability of defects,which is important to ensure sus... Defect engineering has been regarded as a versatile strategy to maneuver the photocatalytic activity.However,there are a few studies concerning how to maintain the stability of defects,which is important to ensure sustainable photocatalytic performance.Here,a novel strategy to modulate the structural properties of BiSbO_(4)using light-induced dynamic oxygen vacancies is reported by us for efficient and stable photocatalytic oxidation of formaldehyde.Interestingly,the continuous consumption and replenishment of vacancies(namely dynamic vacancies)ensure the dynamic stability of oxygen vacancies,thus guaranteeing the excellent photocatalytic stability.The oxygen vacancies could also accelerate the electron migration,inhibit the photogenerated electron/hole recombination,widen the light absorption spectra,and thus improve the photocatalytic formaldehyde removal performance.Combined with the results of in situ DRIFTS,the reaction mechanism for each step of formaldehyde oxidation is revealed.As supported by DFT calculation of Gibbs free energy,the introduction of oxygen vacancies into BiSbO_(4)can promote spontaneous process of formaldehyde oxidation.Our work highlights a promising approach for stabilizing the defects and proposes the photocatalytic reaction mechanism in combination with the thermodynamic functions. 展开更多
关键词 dynamic stability formaldehyde degradation oxygen vacancy PHOTOCATALYSIS reaction mechanism
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原位构筑动态Cu/Ce(OH)_(x)界面用于高活性、高选择性和高稳定性硝酸盐还原合成氨
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作者 刘勇 赵晓丽 +5 位作者 隆昶 王晓艳 邓邦为 李康璐 孙艳娟 董帆 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第9期196-206,共11页
电催化硝酸根还原反应(NO_(3)^(-)RR)使用电子作为绿色还原剂,为去除和利用水中硝酸盐提供了一种有前景的技术.其中,铜基材料在碱性溶液(如1 mol L^(-1)KOH)中显示出较高的NO_(3)^(-)RR催化活性,但在中性条件下催化剂的性能不高.目前,... 电催化硝酸根还原反应(NO_(3)^(-)RR)使用电子作为绿色还原剂,为去除和利用水中硝酸盐提供了一种有前景的技术.其中,铜基材料在碱性溶液(如1 mol L^(-1)KOH)中显示出较高的NO_(3)^(-)RR催化活性,但在中性条件下催化剂的性能不高.目前,在中性体系中同时实现高活性、高选择性和高法拉第效率的氨合成是一个巨大的挑战.以往研究主要通过掺杂、合金化、调节晶面和引入缺陷等办法来提高NO_(3)^(-)RR的性能.此外,构筑异质结构界面可以调节催化剂的几何结构、电荷分布和配位环境,也是优化催化性能的一种有效策略.通过异质结构界面效应可以提供更多的催化活性位点,打破单组分催化剂的活性线性关系,进而提升NO_(3)^(-)RR性能.已有的研究中多采用直接化学合成法构筑铜基异质结催化剂,但在NO_(3)^(-)RR条件下原位制备异质结催化剂的文献报道较少,且已有的少数在NO_(3)^(-)RR条件下原位制备铜基异质结构的报道,由于界面性质不利、活性位点密度低,其催化NO_(3)^(-)RR的性能难以令人满意.因此,有必要采取有效的策略来原位构筑具有可调界面结构和丰富活性位点的铜基异质结构.本文提出了一种原位动态重构策略,通过构筑具有丰富界面活性位点的Cu/Ce(OH)_(x)催化剂以提高NO_(3)^(-)RR性能.在KCl溶液中将Ce(OH)_(x)电沉积到泡沫铜上,生成Cu_2Cl(OH)_(3)并与Ce(OH)_(x)一起沉积形成Cu_2Cl(OH)_(3)/Ce(OH)_(x)异质结构.在NO_(3)^(-)RR过程中,Cu_2Cl(OH)_3/Ce(OH)_(x)经历动态重构,原位形成了Cu/Ce(OH)_(x)催化剂.原位活化后,NO_(3)^(-)R性能显著增强,随后达到稳定状态.催化剂展现出较好的催化性能,NO_(3)^(-)转化率为100.0%,NH_(3)选择性为97.8%,NH_(3)法拉第效率为99.2%,并表现出长期稳定性,是中性介质中较先进的催化剂之一.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、选区电子衍射(SAED)、X射线光电子能谱(XPS)及原位拉曼光谱表征了Cu_(2)Cl(OH)_(3)/Ce(OH)_(x)预催化剂的原位重构过程.XRD结果表明,Cu_(2)Cl(OH)_(3)/Ce(OH)_(x)预催化剂在第一次NO_(3)^(-)RR测试后还原形成了Cu/Ce(OH)_(x).SEM结果表明,Cu_(2)Cl(OH)_(3)颗粒在第一次NO_(3)^(-)RR循环后开始形成裂纹,第二次NO_(3)^(-)RR后碎裂成几十至100 nm的颗粒,其上存在大量Ce(OH)_(x)纳米粒子.HRTEM和SAED结果证实了上述结构变化.XPS结果表明,铜在原位重构过程中逐渐从高价态还原到低价态.原位拉曼光谱进一步确认Cu_(2)Cl(OH)_(3)还原为Cu_(2)O再到Cu的动态转变过程.原位和非原位表征结果一致表明,Cu_(2)Cl(OH)_(3)/Ce(OH)_(x)异质结构经历了动态还原和纳米化过程,原位构筑了具有丰富活性位点的Cu/Ce(OH)_(x)界面.采用在线微分电化学质谱(DEMS)和密度泛函理论(DFT)研究了NO_(3)^(-)RR性能增强机理.DEMS结果表明,Cu/Ce(OH)_(x)上存在NO,HNO/NOH和NH_(2)OH中间体.DFT结果表明,Cu/Ce(OH)_(x)界面位点具有以下作用:(1)促进硝酸根的吸附和活化;(2)降低了电位限制步骤(NO*→HNO*)的反应能垒;(3)通过增强氢吸附强度,抑制了析氢副反应的发生.此外,原位纳米化形成的丰富界面活性位点也促进了NO_(3)^(-)RR活性的提升.综上,本文提出了一种原位构筑动态界面活性位点的策略,从而增强电催化性能,以实现高价值化学品的可持续合成.未来可改变前驱体种类将该方法拓展至其他催化剂体系,探索其在多种电催化反应中的应用. 展开更多
关键词 金属/氢氧化物界面 原位构筑 电催化硝酸根还原 氨合成 选择性
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活性氧自由基生成及传输对g-C_3N_4上NO光催化去除的影响:原位红外光谱与计算模拟结合法(英文) 被引量:4
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作者 李解元 颜萍 +5 位作者 李康璐 岑望来 于晓巍 袁山东 楚英豪 王正明 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第10期1695-1703,共9页
石墨相氮化碳(g-C_3N_4)具有独特的二维层状结构和合适的能带结构,因而在可见光催化领域广受关注.尤其是在可见光去除环境污染物领域,得到了较为充分的研究与应用.然而g-C_3N_4去除环境污机理的反应机理尚不明确.因此,本文采用理论计算... 石墨相氮化碳(g-C_3N_4)具有独特的二维层状结构和合适的能带结构,因而在可见光催化领域广受关注.尤其是在可见光去除环境污染物领域,得到了较为充分的研究与应用.然而g-C_3N_4去除环境污机理的反应机理尚不明确.因此,本文采用理论计算与实验高度结合的研究方法,以光催化NO去除为例,深入阐述了光照下g-C_3N_4表面活性氧物种(ROS)的生成及转化过程,及其介导下的NO光催化氧化机理.X射线衍射结果表明,g-C_3N_4是三嗪环层内聚合后层层堆叠而成,并由红外光谱确定了其表面的官能团类型.该结构经扫描电镜和透射电镜得到了进一步的验证.采用光致激发谱和紫外可见漫反射光谱等实验表征与密度泛函理论计算结合的光电性质分析,我们发现,g-C_3N_4在可见光下具有一定的响应,这为其在光催化去除NO中奠定了基础.同时,其价带位置过高,无法自行产生氧化性较强的羟基自由基(.OH).电子自旋共振技术结果表明g-C_3N_4在光照下能捕获到·O_2^-和·OH两种活性自由基.采用反应路径计算发现,·OH是由·O_2^-在导带上逐步得到电子被还原而生成,其中的速率控制步骤是H_2O_2的解离.因此,促进O_2分子的吸附和活化和克服H_2O_2解离的反应活化能是产生·OH和提升g-C_3N_4光催化氧化活性的关键.采用原位红外光谱技术对g-C_3N_4上NO的氧化去除过程进行了表征,发现其主要中间产物为NO_2,主要终产物为NO_2^-和NO_3^-,采用反应路径计算对该反应过程进行了理论模拟,发现在·O_2^-介导下,最高反应活化能为0.66 eV,而在·OH介导下,该活化能降低至0.46 eV,表明·OH的氧化性要明显强于·O_2^-.总之,本文采用一种可行的、高度结合的实验与计算手段研究了g-C_3N_4上ROS的生成及转化过程及其对NO去除的反应历程,在原子尺度揭示了该反应的机理,加深了对ROS在光催化环境污染物降解过程中作用的理解. 展开更多
关键词 光催化 活性氧物种 石墨相氮化碳 NO去除 反应机理
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Bi量子点修饰的C掺杂二维BiOCl纳米片:增强的可见光光催化活性和反应路径 被引量:7
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作者 何烨 李解元 +6 位作者 李康璐 孙明禄 袁潮苇 陈瑞敏 盛剑平 冷庚 董帆 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期1430-1438,共9页
异相光催化技术已经受到了国内外广泛关注,逐渐成为利用太阳能解决能源与环境问题的有效手段.典型异相光催化反应的步骤包括光子捕获、载流子分离与迁移、以及载流子参与光化学氧化还原反应,因此,开发太阳能利用率高、电荷复合率低、载... 异相光催化技术已经受到了国内外广泛关注,逐渐成为利用太阳能解决能源与环境问题的有效手段.典型异相光催化反应的步骤包括光子捕获、载流子分离与迁移、以及载流子参与光化学氧化还原反应,因此,开发太阳能利用率高、电荷复合率低、载流子迁移效率高的高活性、高稳定性的光催化剂在环境修复和太阳能转化的实际应用中具有极其重要的意义.在半导体光催化剂上同时集成杂原子掺杂和表面等离振子共振效应可以有效提高可见光利用率和电荷分离,实现更好的太阳光利用和光催化效率.因此,我们设计了一种新型的Bi量子点修饰的C掺杂BiOCl光催化剂(C/BOC/B)来去除空气中NOx污染物.首先,通过密度泛函理论(DFT)评估了Bi负载和C掺杂协同提高Bi OCl光催化性能的可行性.理论结果证实,掺杂的C原子可以创造电子通道,诱导电荷定向地从Bi量子点转移到BiOCl(BOC);同时,具有等离子体效应的Bi量子点可以充当光捕获中心和电子供体.因此, C原子掺杂和Bi量子点负载的协同作用,有望进一步提高材料的光催化性能.随后,通过简单的溶剂热法合成了C/BOC/B样品.SEM和TEM图像显示了BOC, C/BOC和C/BOC/B样品的形貌,同时也显示了原位生成的Bi量子点均匀地分布在BOC的表面.XRD、XPS结果表明, C原子已成功掺入BOC的晶格,并且C/BOC表面存在Bi元素.同时,根据Bi的主峰在材料进行Bi负载后向负方向移动,可以推测出电子倾向于从Bi量子点流向材料本身.接着,在可见光条件下评估了C/BOC/B去除NO的光催化性能,与原始BOC或C/BOC相比,该C/BOC/B光催化剂对NO的净化表现出优异的光催化效率,去除率达到53.0%.紫外-可见光谱显示, C/BOC/B的光吸收扩展到了可见光范围.利用ESR光谱发现, C/BOC/B上的ESR信号较强,说明C/BOC/B具有较好的氧化能力,同时也证明了光生载流子在C/BOC/B上可以通过电子传递通道实现有效分离.最后,通过原位傅里叶变换红外光谱(FT-IR)结合DFT计算对NO转化的反应途径和机理进行了研究结果表明,在C/BOC/B样品上反应物与中间产物增强的吸附能有效提高材料的光催化效率,同时抑制中间产物的形成,提高目标产物选择性,可见,设计并制备的C/BOC/B表现出优异的光催化活性和脱除NO的稳定性.理论DFT计算和实验表征结果证实, C掺杂和等离子体Bi负载的协同效应对于性能的增强至关重要.本文为有效光催化剂设计提供了新的视角和策略,可进一步激发2D纳米材料的光催化性,从而推动它在异质光催化中的广泛应用. 展开更多
关键词 BiOCl C掺杂 Bi量子点 光催化 反应机理
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O_(x)ygen vacancies on the BiOCl surface promoted photocatalytic complete NO oxidation via superoxide radicals 被引量:3
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作者 Jiazhen liao kanglu li +3 位作者 Hao Ma Fan Dong Xiaolan Zeng Yanjuan Sun 《Chinese Chemical Letters》 SCIE CAS CSCD 2020年第10期2737-2741,共5页
One of the core issues in the photocatalytic oxidation of nitric oxide is the effective co nversion of NO into the final product(nitrate).More than just improving the visible light photocatalytic performance of BiOCl,... One of the core issues in the photocatalytic oxidation of nitric oxide is the effective co nversion of NO into the final product(nitrate).More than just improving the visible light photocatalytic performance of BiOCl,we aim to inhibit the generation of toxic by-product NO_(2) during this process.In this study,we demonstrate that the oxygen vacancies(OVs)modulate its surface photogene rated carrier transfer to inflect the NO conversion pathway by a facile mixed solvent method to induce OVs on the surface of BiOCl.The photocatalytic NO removal efficiency under visible light increased from 5.6%to 36.4%.In addition,the production rate of NO_(2) is effectively controlled.The effects of OVs on the generation of reactive oxygen species,electronic transfer,optical properties,and photocatalytic NO oxidation are investigated by combining density functional theory(DFT)theoretical calculations,the in situ FTIR spectra and experimental characterization.The OVs on the surface of BiOCl speed the trapping and transfer of localized electrons to activate the O_(2),producing O_(2)·,which avoid NO_(2) formation,resulting in complete oxidation of NO(NO+O_(2)·→NO_(3)).These findings can serve as the basis for controlling and blocking the generation of highly toxic intermediates through regulating the reactive species during the NO oxidation.It also can help us to understand the role of OV on the BiOCl surface and application of photocatalytic technology for safe air purification. 展开更多
关键词 O_(x)ygen vacancies BiOCl Visible light NO oxidation Toxic byproduct Reactive oxygen species
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Advances and challenges of photocatalytic technology for air purification 被引量:1
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作者 Qin Geng Hong Wang +3 位作者 Ruiming Chen Lvcun Chen kanglu li Fan Dong 《National Science Open》 2022年第2期86-109,共24页
With the acceleration of the urban industrialization process,air pollutant emission has increased sharply,which seriously endangers the ecological environment and human beings.Solar-driven photocatalysis has the broad... With the acceleration of the urban industrialization process,air pollutant emission has increased sharply,which seriously endangers the ecological environment and human beings.Solar-driven photocatalysis has the broad-spectrum activity for various inorganic to organic pollutants at ambient temperature without harsh reaction conditions,which shows a very broad application prospect in air purification.However,the photocatalysis technology suffers from the unrevealed reaction me-chanism and the deactivation of photocatalysts,which severely limits its practical application.Currently,there is still a huge gap between basic research and industrial application in the field of photocatalytic air purification.This review summarizes recent progress on photocatalytic degradation of air pollutants and categorizes them based on the types of photocatalytic materials and air pollutants,with a focus on photocatalytic reaction mechanisms and the application scenarios of photocatalytic air purification to identify this gap.We also critically discussed the major challenges for promoting applications of photo-catalytic technology and put forward the development prospect. 展开更多
关键词 photocatalytic technology air purification air pollutants reaction pathways application scenarios
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