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ZnIn_(2)S_(4)/MOF-808微球结构S型异质结光催化剂的制备及其光还原CO_(2)性能研究
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作者 宋明明 宋相海 +2 位作者 刘鑫 周伟强 霍鹏伟 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第8期180-192,共13页
近年来,能源过度消耗导致的温室效应引起人们广泛关注.通过不同半导体材料间能带交错排列构建异质结,用于将CO_(2)转化为高附加值产品是解决该问题的可行方法之一.其中, S型异质结的还原型光催化剂与氧化型光催化剂具有交错带结构,使各... 近年来,能源过度消耗导致的温室效应引起人们广泛关注.通过不同半导体材料间能带交错排列构建异质结,用于将CO_(2)转化为高附加值产品是解决该问题的可行方法之一.其中, S型异质结的还原型光催化剂与氧化型光催化剂具有交错带结构,使各自存在的弱空穴与弱电子复合,极大提高光生载流子的透过率和电荷利用率,有效实现强电子-空穴对分离.在半导体中,ZnIn_(2)S_(4)由于能带结构适当、可见光响应范围广和化学性质稳定等优点,在CO_(2)减排领域表现出较好的性能.但其光吸收能力低、光生载流子分离效率低和光生电子的迁移过程缓慢,这些缺点导致单一ZnIn_(2)S_(4)在光催化领域的应用受限.在S前半导体研究中,MOF-808制备方法简单、比表面积大以及框架结构稳定,是一种理想的催化材料.因此,本文利用MOF-808与ZnIn_(2)S_(4)偶联形成合适的交错带结构,构建S型异质结以提高光催化CO_(2)还原活性.本文采用原位合成法设计由三维花球ZnIn_(2)S_(4)和八面体MOF-808组成的阶跃式异质结(S型异质结).通过调控反应温度与时间设计不同尺寸的ZnIn_(2)S_(4)微球,并探索制备条件对光催化CO_(2)还原活性的影响.结果表明,当ZnIn_(2)S_(4)微球直径为6μm时,与MOF-808偶联所构建的复合光催化剂的CO_(2)还原活性最高.并且通过调控MOF-808比例,制备的S型异质结ZM6-15%光催化剂的CO产率在辐照4 h后达到8.21μmol g^(-1)h^(-1),分为别MOF-808 (1.03μmol g^(-1)h^(-1))和ZnIn_(2)S_(4)(0.84μmol g-1h-1)的8倍和10倍左右,明显提高了光催化CO_(2)还原性能.X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和X射线光电子能谱(XPS)等研究结果表明,ZnIn_(2)S_(4)微球表面被MOF-808八面体粘附,这种紧密粘附的结构有利于ZnIn_(2)S_(4)与MOF-808之间载流子的转移和分离,从而提高光催化CO_(2)的还原效果.此外,电子顺磁共振和紫外光电子能谱等测试结果表明ZnIn_(2)S_(4)中存在弱空穴,MOF-808中存在弱电子.在光照下,光生电子通过界面接触快速从MOF-808导带中迁移到ZnIn_(2)S_(4)价带中并被消耗,为光生电子提供快速传输途径,提高了电子利用率.最终,MOF-808中存在光生空穴具有最高的氧化能力,ZnIn_(2)S_(4)中存在光生电子具有最高的还原能力.原位XPS测试与密度泛函理论计算结果进一步证明了ZnIn_(2)S_(4)与MOF-808之间的S型电荷转移机制.原位红外技术分析结果表明,S型异质结ZnIn_(2)S_(4)/MOF-808光催化剂通过Carbene途径将CO_(2)光催化还原为CO (CO—→CO_(2)*→COOH*→CO*→CO).综上,本文为合理设计S型异质结光催化剂,以实现高效光催化CO_(2)还原活性提供了新思路. 展开更多
关键词 S型异质结 形态作用 光催化CO_(2)还原 光生电子与空穴 电荷转移机制
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The Promoting Effect of Multifunctional Groups on the Thermal and Mechanical Properties of PVC Materials
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作者 Mei Wang Xinzhu Fan +1 位作者 xianghai song Quan Bu 《Journal of Renewable Materials》 SCIE EI 2023年第2期867-880,共14页
The development of PVC materials grafted with mannich base originated from myrcene(P-MAM-g,where the mannich base derived from myrcene is abbreviated as MAM)via green and effective synthetic methods is a good strategy... The development of PVC materials grafted with mannich base originated from myrcene(P-MAM-g,where the mannich base derived from myrcene is abbreviated as MAM)via green and effective synthetic methods is a good strategy to avoid unacceptable discoloration and deterioration of thermal and mechanical properties caused by autocatalytic dehydrochlorination(DHC)during PVC processing.In this study,MAM with double bonds,amino groups,ester groups,and phospholipid groups was introduced into the chains of PVC to improve the thermal stability of PVC.The experimental results showed that the covalent attachment of MAM to PVC enhanced both the initial and the long-term stability of PVC.The enhanced performance of P-MAM-g compared with unmodified PVC is attributed to the simultaneous introduction of double bonds and amino groups into the PVC structure.The double bonds trapped the unstable chlorine atoms originated from the degradation of the PVC chain and reacted with the labile macromolecular radicals originated from PVC,thus inhibiting the radical degradation of the PVC chain.Furthermore,the amino groups absorbed the HCl produced in the degradation of PVC,inhibiting the adverse effects of HCl.P-MAM-g displayed better intrinsic flexibility and anti-migration ability of organic functional components compared with the control PVC materials.A possible stabilizing mechanism of the P-MAM-g was also presented. 展开更多
关键词 MYRCENE poly(vinyl chloride) covalent grafting SELF-STABILIZATION
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可用于环境修复的半导体光催化剂及其改性策略研究进展 被引量:8
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作者 王慧杰 李鑫 +5 位作者 赵小雪 李春岩 宋相海 张鹏 霍鹏伟 李鑫 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第2期178-214,共37页
多相光催化技术作为一种直接利用太阳光降解多种污染物的先进氧化工艺在环境修复领域的研究中引起了广泛关注.在多相光催化过程中,半导体材料在太阳光的激发下,其强大的氧化/还原能力可快速高效降解各种污染物.研究者通常根据环境中污... 多相光催化技术作为一种直接利用太阳光降解多种污染物的先进氧化工艺在环境修复领域的研究中引起了广泛关注.在多相光催化过程中,半导体材料在太阳光的激发下,其强大的氧化/还原能力可快速高效降解各种污染物.研究者通常根据环境中污染物的状态和种类选择合适的半导体材料及修饰策略,构建高效多相光催化体系,探究光催化材料在环境修复中的应用.多相光催化技术在环境修复方面的应用已取得了较大进展,但由于自然环境中污染物种类越来越多样和复杂,多相光催化技术尚未实现大规模的应用.此外,光催化过程中光生电子空穴的分离和转移效率、半导体材料寿命和成本等因素也制约其实际应用.因此,仍需要通过合适的修饰策略制备高催化活性、高稳定性且价格低廉的光催化材料,并借助DFT计算和原位表征等技术更深入地研究和理解多相光催化过程和机理,从而实现环境目标污染物的快速降解.本文首先介绍了环境修复中半导体多相光催化的基本原理,光催化过程中活性氧物种(ROS)的种类及其作用机制,以及潜在环境污染物和环境光催化面临的挑战.其次,系统地讨论了应用于环境修复中的多相光催化半导体材料(如:金属氧化物、银基、铋系、无金属和有机聚合物、金属有机骨架、金属硫化物、Mxenes基和双金属氢氧化物基半导体等)以及半导体修饰策略(如:异质结工程、缺陷工程、助催化剂体系、元素掺杂工程、金属磷化等).最后,总结了多相光催化技术在环境修复中的应用进展,并对多相光催化在环境修复领域的未来发展方向进行了展望. 展开更多
关键词 污染物 多相光催化 环境修复 半导体 修饰策略
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Fe-MOF/g-C_(3)N_(4)嵌入式3D/2D S型异质结的构建及其光还原CO_(2)性能
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作者 赵小雪 许梦阳 +3 位作者 宋相海 周伟强 刘鑫 霍鹏伟 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第10期2625-2636,共12页
利用太阳能驱动温室气体CO_(2)转化为高价值燃料是解决环境和能源难题的策略之一.二维薄层石墨氮化碳(g-C_(3)N_(4))材料因具有丰富的表面活性位点、较大的比表面积、合适的导带位置、良好的稳定性、易于制备和改性等优点而备受关注,并... 利用太阳能驱动温室气体CO_(2)转化为高价值燃料是解决环境和能源难题的策略之一.二维薄层石墨氮化碳(g-C_(3)N_(4))材料因具有丰富的表面活性位点、较大的比表面积、合适的导带位置、良好的稳定性、易于制备和改性等优点而备受关注,并被认为是光催化还原CO_(2)的理想材料.然而,二维g-C_(3)N_(4)有限的光捕获能力和光生载流子的高电荷复合率限制了其光催化活性.S型异质结具有可控的内建电场强度和稳定的界面载流子传输热/动力学过程,能够在保持最高氧化还原能力的同时,最大限度地提高光生电子-空穴对的空间分离效率.S型异质结是通过耦合具有较小功函数的还原半导体(RP)和具有较大功函数的氧化半导体(OP)构建而成.二维薄层g-C_(3)N_(4)完全满足RP材料S型异质结的要求.由活性金属Fe组成的Fe-MOF具有丰富的配位不饱和位点,Fe-MOF中的铁-氧簇在可见光区具有较宽的吸收范围,而且由于功函数明显不同,Fe-MOF是与2D g-C_(3)N_(4)形成S型异质结的理想OP材料.本文通过原位合成策略制备了CN/Fe-MOF光催化体系,并用于光催化还原CO_(2).X射线衍射和X射线光电子能谱结果表明,CN和Fe-MOF通过化学相互作用形成异质结构.研究了不同催化剂在300 W氙弧灯下100 mL水中CO_(2)还原的光催化活性.照射6 h后,CN和Fe-MOF将CO_(2)转化为CO的活性较差,分别为1.92和0.50μmol g‒1.而CN/Fe-MOF中CN的负载量对光催化活性有至关重要的影响,当CN的负载量为50 mg(50CN/Fe-MOF)时,样品催化生成CO产率(19.17μmol g‒1)最高,并且在循环30 h内保持稳定.稳态荧光、时间分辨荧光、瞬态光电流响应和电化学阻抗谱结果表明,该异质结的形成降低了光生电子-空穴对的复合率,降低了界面电荷转移电阻,为电荷转移提供了更好的路径.原位傅里叶变换红外(FT-IR)结果不仅证明了CN是活性位点,而且表明50CN/Fe-MOF比CN具有更强的生成HCOO‒的能力.莫特-肖特基测试、紫外光电子能谱测试和电子自旋共振分析结果证实了S型异质结的成功构建.Fe-MOF具有较大的功函数和较小的费米能级,而CN正好相反,当CN和Fe-MOF发生界面接触时,由于费米能级不同,CN的电子自发转移到Fe-MOF,直到界面处的费米能级达到平衡.同时,CN侧的界面电子耗尽,Fe-MOF侧的界面电子富集,使CN的带边向上弯曲带正电,而Fe-MOF的带边向下弯曲带负电,因此,在50CN/Fe-MOF的界面处形成了内建电场.在光照条件下,50CN/Fe-MO样品中的CN和Fe-MOF的电子分别被激发,由于库仑相互作用和内建电场影响,其电子转移遵循S路线,即位于Fe-MOFs的导带(CB)上的光生电子将与CN的价带(VB)中的光生空穴复合,然后CN的CB中积累的光生电子与表面吸附的CO_(2)反应生成CO,H_(2)O与Fe-MOF的空穴反应生成O_(2).综上,本文可为深入了解CO_(2)的光还原过程提供一定帮助. 展开更多
关键词 薄层多孔g-C_(3)N_(4) S型异质结 光催化CO_(2)还原 Fe-MOF 表面中间体
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