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多面体SrTiO_(3)原位生长N缺陷PCN中的纳米叠层效应助力光催化完全分解水:内建电场调控的协同机制
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作者 韦之栋 严嘉玮 +1 位作者 郭伟琦 上官文峰 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第5期279-289,共11页
光的钻穿效应使得纳米级光催化剂(粒径200nm以下催化剂和低维催化剂等)能带弯曲程度降低,无法有效利用“向阳背阴”的Dember效应,进而削弱光生载流子从体相到表面的驱动力,不利于完全分解水的实现.我们前期研究发现,催化剂微结构的极化... 光的钻穿效应使得纳米级光催化剂(粒径200nm以下催化剂和低维催化剂等)能带弯曲程度降低,无法有效利用“向阳背阴”的Dember效应,进而削弱光生载流子从体相到表面的驱动力,不利于完全分解水的实现.我们前期研究发现,催化剂微结构的极化率影响其扭曲度,进而可以实现对催化剂内建电场的调控,促进纳米颗粒光催化完全分解水的过程.基于此,本文在粒径小于200 nm的多面体SrTiO_(3)催化剂表面.原位生长聚合物的氮化碳(PCN),形成了薄层PCN包覆的SrTiO_(3)纳米叠层催化剂,实现了完全分解水过程.并利用物相结构分析、形貌分析、表面分析、光谱分析、同步辐射分析和理论计算等方法深入解析了SrTiO_(3)-PCN复合催化剂的结构,揭示了由纳米尺度的叠层效应引发的内建电场协同调控机制.催化剂的物相结构分析结果表明,SrTiO_(3)和PCN是组成复合催化剂的主要单体,并没有新的物质生成,复合后各元素微结构极化率发生变化,表现为拉曼光谱峰强度的变化.片层状的PCN包覆在多面体SrTiO_(3)的表面,形成了独特的复合催化剂叠层结构.N 1s与Sr 3d的X射线光电子能谱结果表明,SrTiO_(3)与PCN的结合围绕着Sr和N两种元素进行.随着SrTiO_(3)含量的增加,-NH_(2)中的N与SrTiO_(3)中的元素结合,促进了-N-H基团的生成,而-N-H-基团受到化学环境改变的影响,倾向于向氰基转变,进而形成缺陷.利用同步辐射研究了Sr原子配位数的变化,揭示了N-Sr键的形成源自于Sr-Ti键中的Sr与-NH_(2)中的N结合,促进了N缺陷态的形成,显著提升了光吸收性能.催化剂热力学分析结果表明,体相氮缺陷引起价带位置上移,而表面氮缺陷对价带位置影响较小.当SrTiO_(3)/PCN的比为1:2时,复合催化剂可以实现完全分解水过程,氢氧比接近2:1.其原因在于SrTiO_(3)与PCN之间的费米能级不同,N-Sr键的形成增强了表面电势,促进了二者复合后内建电场的重构.随着SrTiO_(3)含量的增加,体相缺陷浓度增加,进而使得分解水性能显著降低.研究表明,由N-Sr形成使得催化剂在光吸收率、热力学性质及动力学性质的改变所引起的纳米尺度叠层效应,是引发内建电场协同调控进而实现光催化完全分解水的重要因素.综上,本文结果可以对调控内建电场实现完全分解水方面研究提供一定借鉴. 展开更多
关键词 光催化水分解 纳米叠层效应 内建电场 氮缺陷的聚合物氮化碳 纳米多面体钛酸锶
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基于掺Zn氮化碳和BiVO_4构建Z型光催化系统实现完全分解水(英文) 被引量:5
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作者 秦臻 房文健 +3 位作者 刘军营 韦之栋 江治 上官文峰 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第3期472-478,共7页
随着现代工业的迅猛发展和化石燃料的过量使用,全球范围内能源和环境问题日益严峻,因此利用丰富的太阳光能分解水来直接制取清洁的氢气具有诱人的应用前景.目前,聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C_3N_4)因其廉价、稳定、不含金属组分和独特... 随着现代工业的迅猛发展和化石燃料的过量使用,全球范围内能源和环境问题日益严峻,因此利用丰富的太阳光能分解水来直接制取清洁的氢气具有诱人的应用前景.目前,聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C_3N_4)因其廉价、稳定、不含金属组分和独特的电子能带结构已被广泛应用于光解水产氢研究.然而,氮化碳具有结晶度差、光生载流子易复合的缺点.众所周知,Z型体系可以很好地减少电子和空穴的复合问题.同时,催化剂只需分别满足光解水过程的一端,这使得半导体光催化剂的选择非常丰富,可以大大拓宽材料体系.因此,将g-C_3N_4运用到Z型体系中的研究得到了广泛关注.然而,这些研究多集中在如何增强g-C_3N_4的产氢能力方面,对实现水的完全分解的研究鲜见报道.本实验设计了这样一种Z型体系:使用掺Zn的g-C_3N_4作为产氢端,BiVO_4作为产氧端,Fe3+/Fe2+作为氧化还原对.实验结果表明,该体系可以在全波段下实现水的完全分解(氢氧比为2:1),并且保持相当高的稳定性.实验所使用的氮化碳为固相法烧结尿素制得,Zn的掺杂采用浸渍法,同时通过水热法合成BiVO_4,使用Pt作为助催化剂.通过搭建含有不同组成成分的Z型体系,将它们的性能和表征结果进行比较分析.通过XRD,UV-Vis,SEM和XPS等测试手段对催化剂进行表征.XRD分析结果表明成功合成了掺杂Zn的石墨相氮化碳.UV-Vis则显示随着Zn浓度的提高,吸收边发生变化.通过改变掺杂Zn的浓度,得到了能够实现完全分解水的Z型体系,其最佳掺杂比例为:Zn Cl2和氮化碳的质量比为1:10.为了排除单催化剂和Pt颗粒对完全分解水性能的影响,分别作了单独产氢端、单独产氧端、预负载Pt和光沉积Pt的性能测试.从SEM中没有发现g-C_3N_4和BiVO_4的异质结结构.这些结果表明所搭建的是典型的利用氧化还原离子对为中间电子传输载体的Z型体系,经长达12 h的持续测试证明其具有较高的稳定性.为了研究Zn在构建Z型中所起的作用,分别采用文献中报道的原位和浸渍法实现Zn的掺杂.对这两种掺杂方式的性能测试表明,只有采用浸渍法时,所构建的Z型体系具有完全分解水的能力.对这两种方法得到的掺Zn氮化碳进行表面化学组成和价态(XPS)的分析.结果显示,两种掺杂方法都可以通过形成Zn=N键的形式实现Zn的掺杂,但浸渍法使Zn在g-C_3N_4表面分布更均匀,同时对氮化碳原本三嗪环的破坏较小,因此具有更好的还原能力,可以与BiVO_4匹配以构成Z型体系.实验通过采用掺杂Zn的氮化碳作为产氢催化剂,BiVO_4作为产氧催化剂,Fe3+/Fe2+作为氧化还原中间体,构建了典型的Z型体系.该体系在Zn的掺杂浓度为10%时能够实现长时间稳定的完全分解水. 展开更多
关键词 氮化碳 钒酸铋 Z型 氧化还原介质 分解水
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MoS2@ZnxCd1-xS增强可见光诱导产氢性能同时降解抗生素废水:固溶体策略助力光催化(英文) 被引量:8
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作者 韦之栋 徐美奇 +3 位作者 刘军营 郭伟琦 江治 上官文峰 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期103-113,共11页
随着工业化进程的加快,能源的需求亦随之增长.以传统不可再生的化石燃料为主体的能源结构,虽然可以满足日常能源需求,但是使用后其排放的氮氧化物,硫氧化物以及CO2温室气体将会对人类的环境造成污染.因此,开发清洁可持续的新型能源成为... 随着工业化进程的加快,能源的需求亦随之增长.以传统不可再生的化石燃料为主体的能源结构,虽然可以满足日常能源需求,但是使用后其排放的氮氧化物,硫氧化物以及CO2温室气体将会对人类的环境造成污染.因此,开发清洁可持续的新型能源成为重要的研究方向之一.氢能作为一种可持续能源,具有高热值、零排放等优点,而光催化粉末体系制氢则具有低成本,低污染等优势.因此,光催化制氢有望成为未来氢能重要的生产方式之一.然而,由于目前关于光催化制氢的研究大多集中于牺牲剂体系,例如醇类及醇胺类体系.传统牺牲剂体系作为探索光催化制氢的作用机制是很有效的,但是具体到未来工业化进程中,其经济性还需进一步的提高,且其中甲醇、乙醇等本身也可作为一种燃料使用.因此,开发廉价的牺牲剂体系,也成了未来工业化进程中的一个重要方面.本文选用MoS2@ZnxCd1-xS作为催化剂,以抗生素废水作为牺牲剂,在可见光照射下实现产氢的同时,降解阿莫西林抗生素废水,相比于单独的MoS2@ZnS及MoS2@CdS体系,性能明显的提高.通过扫描电镜与元素分布测试证明了各个元素的存在及分布.XRD结果表明,MoS2@ZnxCd1-xS是以固溶体形式存在,并非简单地物理混合.随后HRTEM进一步证实所形成的固溶体催化剂呈六方晶相.采用XPS和Raman分析了元素的化学环境,发现固溶体与MoS2可能是通过Mo-S-Cd/Zn键而结合;而MoS2表现出1-T与2-H的混相结构.材料的吸光性能通过紫外可见漫反射测试.我们发现,随着ZnS含量的不断增加,固溶体在可见光区域的吸收不断减弱,同时吸收带边向着紫外光区移动.而光催化制氢性能测试实验表明,Zn0.5Cd0.5S体系呈现出最佳的性能,这可能是因为当Cd:Zn=1:1时,固溶体策略对于CdS在热力学与动力学方面的提升均达到最佳.而MoS2量的增加,产氢效果也呈现出“火山峰”似的规律,过多的MoS2将会吸收主要的入射光,从而使Zn0.5Cd0.5S不能被有效地激发进而参与到反应中去.液相色谱-质谱联用技术表明阿莫西林的降解不仅仅是由于吸附所致,光催化也存在一定的贡献.而反应前后的XRD与XPS结果则表明了催化剂结构稳定. 展开更多
关键词 光催化 氢能 抗生素废水 降解 协同
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抗生素废水中的光催化:污染物降解和产氢综述 被引量:27
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作者 韦之栋 刘军营 上官文峰 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期1440-1450,共11页
近些年来,关于抗生素药物的研究越来越多.在1998-2018的20年间,共计发表了超过5000篇关于抗生素废水处理的研究论文.其中,由于绿色环境友好型的特点,光催化降解抗生素废水成为一个新的研究热点而备受关注.本文总结了近些年来的光催化技... 近些年来,关于抗生素药物的研究越来越多.在1998-2018的20年间,共计发表了超过5000篇关于抗生素废水处理的研究论文.其中,由于绿色环境友好型的特点,光催化降解抗生素废水成为一个新的研究热点而备受关注.本文总结了近些年来的光催化技术在抗生素废水中应用的研究进展,包括抗生素废水的降解以及转化抗生素废水产氢.对于常用的催化剂材料体系也同样进行了讨论.所涉及到的抗生素主要包含了四种常见的种类,分别是四环素类,磺胺类,β-内酰胺类以及喹诺酮类抗生素.此外,本文还列出了光催化在抗生素废水中的未来发展与挑战的前景,特别是在光催化转化抗生素废水制氢方面.在光催化氧化去除抗生素的研究中,早期的催化剂体系以TiO2基氧化物体系为主.然而,随着研究的深入, TiO2基催化剂材料一般只能响应紫外光,将极大限制其在未来的工业化应用中.人们致力于开发新的可响应可见光甚至远红外光的材料体系.而硫化物以及氮化物基材料可以满足在可见光实现光催化抗生素废水的降解.然而,由于这两类催化剂材料的价带位置过高,氧化能力不足,在可见光下的降解效果也有限.铋系材料则同时可以解决上述问题,它们通常具有可见光吸收能力且价带更正氧化能力更强,成为可见光光催化降解抗生素催化剂的热门选择之一.抗生素废水既是一种废物,也是一种能源.光催化抗生素废水制氢的研究近几年来逐渐兴起.这些研究表明,可以实现光催化制氢与抗生素废水降解的同步进行.目前的研究中,使用的催化剂材料多集中在g-C3N4以及CdS体系为主的材料上,新的材料体系有待于开发.然而,对于未来光催化与抗生素废水之间的研究,还存在着一些问题及挑战.在光催化降解抗生素中废水中,抗生素废水的氧化还原电位需要确定,这对于催化剂的选择具有一定的指导性.其次,新的高效的可见光催化剂材料仍然有待于开发.降解的路径与抗生素浓度之间的关系,也是需要深入研究之所在.而对于光催化同时产氢去除抗生素废水的体系,首先是说明氢的来源,其次在于探索厌氧环境下抗生素废水的降解路径,自由基迁移转化规律及其协同竞争关系.最后,开发新型高效的同时产氢降解抗生素废水的光催化体系依然是一个挑战和难题. 展开更多
关键词 光催化 抗生素 降解 产氢 热力学
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RE-NiO_(x)(RE=Ce,Y,La)composite oxides coupled plasma catalysis for benzene oxidation and by-product ozone removal
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作者 Yikun Zhang zhidong wei +5 位作者 Yong Zhu Shanlong Tao Mingxia Chen Zhixiang Zhang Zhi Jiang Wenfeng Shangguan 《Journal of Rare Earths》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第6期789-800,I0001,共13页
Plasma-coupled catalysis is a promising volatile organic co mpounds(VOCs) removal technology because of its interactional principles of plasma decomposition and catalytic oxidation.However,the problem of harmful by-pr... Plasma-coupled catalysis is a promising volatile organic co mpounds(VOCs) removal technology because of its interactional principles of plasma decomposition and catalytic oxidation.However,the problem of harmful by-products is still in trouble.A series of rare earth doped RE-NiO_(x)(RE=Ce,Y,La) composite oxides were synthesized by metal organic frameworks(MOFs)-derived method for coupled plasma oxidation of benzene and by-product ozone removal.Compared with plasma alone,the 1%La-NiO_(x)catalyst shows the best enhancement of 50% for benzene conversion with complete removal of a maximum of 800 ppm ozone.The energy consumption for 90% benzene removal efficiency(η90%) is also reduced from 3600 to 1200 J/L.Characterization re sults of RE-NiO_(x) catalysts indicate that the doping of La causes interaction and synergistic effect between La and Ni,and the surface oxygen and lattice oxygen with defects play crucial roles in benzene oxidation and ozone decomposition,respectively.In addition,the decomposition mechanism of benzene and ozone under plasma is proposed.Plasma is responsible for the indiscriminate bond breaking in benzene and oxygen to form a variety of organic intermediates and ozone,while the La-NiO_(x) catalyst selectively oxidizes the intermediates to CO_(x)/H2O and decomposes the ozone into oxygen. 展开更多
关键词 Plasma catalysis Benzene removal By-product ozone control Rare earths doping La-NiO_(x)composite oxide
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光解水制氢催化剂的掺杂改性
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作者 房文健 严嘉玮 +4 位作者 韦之栋 刘军营 郭伟琦 江治 上官文峰 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE CAS 2024年第5期1-24,共24页
光催化分解水制氢,作为一种绿色、安全、高效且低成本的制氢技术,因其清洁性和巨大的发展潜力而受到广泛关注.尽管光催化分解水制氢在理论上具有显著优势,但在实际应用中仍面临捕光效率低、电荷分离难、表面反应速率慢以及光腐蚀等挑战... 光催化分解水制氢,作为一种绿色、安全、高效且低成本的制氢技术,因其清洁性和巨大的发展潜力而受到广泛关注.尽管光催化分解水制氢在理论上具有显著优势,但在实际应用中仍面临捕光效率低、电荷分离难、表面反应速率慢以及光腐蚀等挑战.为解决上述问题并突破效率瓶颈,研究者们积极探索新的方法,如构建异质结、调控微观结构、引入助催化剂、掺杂和诱导缺陷等,以期提高光催化剂的性能.其中,光催化剂掺杂改性是研究热点之一.通过对光催化剂进行掺杂改性,可以有效调节其能带结构、光吸收性能以及电荷传输性能,进而提升光催化分解水制氢的效率.因此,对光催化剂掺杂在光催化分解水制氢中的作用机制和研究进展进行系统地梳理和总结,有助于深化对该领域的理解,具有重要意义.本文系统地介绍了近年来本课题组利用掺杂改性光催化剂提升光解水制氢性能的研究成果.首先,总结了光催化剂掺杂的合成方法和表征手段,并详细介绍了用于分析掺杂离子在催化剂中的分布及价态的原位表征方法.其次,以铋基复合氧化物为例,介绍了通过固溶法将稀土元素掺杂到铋基复合氧化物中,实现可见光下完全分解水,并探讨了掺杂对光催化剂能带结构的影响及作用机制.进一步,阐述了掺杂后铋基复合氧化物微观结构的变化,特别是暴露面、表面特性和缺陷态等对光生载流子分离与迁移的影响,归纳了掺杂诱导的结构变化与光催化分解水制氢性能之间的构效关系.此外,介绍了一种新颖的多局域梯度掺杂方法:利用离子扩散使预先储存掺杂离子的“纳米胶囊”持续、非均匀地释放入半导体材料中,诱导导带位置连续弯曲,从而在导带势能面内构建出多局域的势阱,从而延长了光生电子空穴对的寿命,为光生载流子提供了更多迁移至表面的通道,明显提高了光解水效率.最后,展望了光催化剂掺杂技术未来的研究方向:(1)通过对光催化分解水制氢中的析氢和析氧助催化剂进行掺杂改性,提高表面催化反应速率;(2)发展纳米催化剂上的非对称掺杂技术,在纳米颗粒内的特定区域或表面掺杂的精确调控,以提高光催化分解水制氢性能;(3)随着机器学习的进步,AI模型可以用于预测和优化掺杂条件,从而大幅减少实验量.综上,本文总结了掺杂在光催化分解水制氢研究中的研究进展,希望能为探索开发可见光光催化水分解的新型材料和提高能量转换效率提供参考和借鉴. 展开更多
关键词 光催化 水分解 掺杂 能带结构 非对称掺杂
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Enhanced photocatalytic water splitting with surface defective SrTiO_(3)nanocrystals
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作者 Junying LIU zhidong wei Wenfeng SHANGGUAN 《Frontiers in Energy》 SCIE CSCD 2021年第3期700-709,共10页
Surface reconstructed SrTiO_(3)nanocrystals were synthesized by a thermal treatment process in presence of NaBH_(4)and SrTiO_(3)nanocrystals.The surface reconstruction of SrTiO_(3)nanocrystals is attributed to the int... Surface reconstructed SrTiO_(3)nanocrystals were synthesized by a thermal treatment process in presence of NaBH_(4)and SrTiO_(3)nanocrystals.The surface reconstruction of SrTiO_(3)nanocrystals is attributed to the introduction of surface oxygen vacancies or Ti sites(such as Ti^(3+)and Ti^(2+))during the hydrogenation treatment process.The light absorption and the charge transfer ability of SrTiO_(3)nanocrystals are simultaneously enhanced due to surface oxygen vacancies or Ti sites(such as Ti^(3+)and Ti^(2+)),which are beneficial to photocatalytic water splitting.Meanwhile,these defects also change the redox potential of the photocatalysts.Since there existed a synergistic effect between the three,the ratio of hydrogen to oxygen production was also regulated. 展开更多
关键词 SrTiO_(3) surface reconstruction oxygen vacancies photocatalytic water splitting
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