Mxene量子点增强磷掺杂氮化碳光催化降解污染物的性能

为了提高石墨相氮化碳的光催化性能,在合成磷掺杂氮化碳和Mxene量子点的基础上,构建具有0D-2D复合结构的Mxene/P-C_(3)N_(4)复合光催化剂。采用XRD、IR、TEM、AFM、BET、XPS、吸收光谱等技术对Mxene/P-C_(3)N_(4)的结构进行了分析,并详细评估了它们在可见光下光催化降解污水的性能,包括降解有机染料茜素红、降解抗生素盐酸四环素和还原重金属离子Cr(VI)。结果表明,磷的掺杂可以拓宽氮化碳的光吸收范围、降低其禁带宽度;Mxene量子点的负载不仅可以增加比表面积,还能有效抑制光生载流子的复合,促进光生载流子在界面处的分离和传输。磷和Mxene量子点的协同作用可以显著增强氮化碳的光催化性能。当磷的掺杂量为2%、Mxene量子点的负载量为5%时,得到的M5/PCN复合光催化剂表现出最好的光催化性能,60 min将初始浓度20 mg/L的茜素红降解94%,表观一级反应速率常数为0.0475 min^(-1),分别是C_(3)N_(4)和P-C_(3)N_(4)的6.8和2.9倍;100 min将初始浓度20 mg/L的盐酸四环素降解88%,表观一级反应速率常数为0.0209min^(-1),分别是C_(3)N_(4)和P-C_(3)N_(4)的4.4和2.8倍;80 min将初始浓度20 mg/L的Cr(VI)还原85%,表观一级反应速率常数为0.0234 min^(-1),分别是C_(3)N_(4)和P-C_(3)N_(4)的6.3和2.6倍。

AuCu和石墨烯助催化剂协同增强氮化碳的光催化性能

在热解法合成石墨相C_(3)N_(4)的基础上,先后采用溶剂热法和共沉淀法将石墨烯和AuCu双金属纳米颗粒负载到C_(3)N_(4)表面,得到AuCu/石墨烯/C_(3)N_(4)复合光催化剂。采用XRD、IR、BET、TEM、XPS、Absorption、PL、电化学等技术对AuCu/石墨烯/C_(3)N_(4)的结构进行分析,并详细评估其在可见光下分解水制氢和还原CO_(2)的性能。石墨烯的负载可以增加材料的比表面积,促进光生电荷的迁移。AuCu双金属以合金的形式负载于石墨烯/C_(3)N_(4)表面,平均粒径3.7nm。纳米Au的表面等离共振效应能拓宽材料的光谱吸收范围,而第二金属Cu的引入能加速光生电子的分离和传输。因此,石墨烯和AuCu双助催化剂的负载能显著增强C_(3)N_(4)的光催化性能。当AuCu的原子比为3:2、AuCu和石墨烯的负载量分别为0.5和1wt%时,得到的Au_(3)Cu_(2)/GC复合光催化剂表现出最佳的光催化性能,其分解水制氢的速率达到324.8μmol/h,光催化还原CO_(2)制取CH_(4)的活性和选择性分别为36.1μmol/hg和91.3%,并表现出良好的光催化稳定性。

TiO_2/Au纳米棒阵列的制备及其光催化性能(英文)

采用电沉积和旋转涂膜相结合的方法成功制备了高度有序的TiO2/Au纳米棒阵列催化剂.扫描电镜和透射电镜结果表明,TiO2薄膜均匀地包覆在Au纳米棒的表面,形成核壳型的一维阵列结构.X射线衍射分析表明所获得TiO2为（101）晶面优先生长的锐钛矿晶相.紫外-可见漫反射光谱显示,由于Au和TiO2间肖特基结的存在造成吸收红移,Au纳米棒表面的等离子共振效应导致400~800nm间出现吸收峰.在紫外光催化降解罗丹明B反应中,TiO2/Au纳米棒阵列催化剂表现出优异的催化活性,其动力学常数分别为TiO2和TiO2/Au膜的2.0和1.3倍.这主要归结于Au与TiO2间的肖特基结和一维阵列结构所带来的大的比表面积、宽的光响应范围和有效的光生载流子分离与传递.

{110}晶面取向Ag3PO4多面体的水热制备及可见光催化活性

采用简易水热法在聚乙二醇-6000(PEG-6000)辅助下合成了Ag3PO4多面体.系统考察了水热反应温度、时间及PEG-6000用量对产物形貌和结构的影响.通过X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光(PL)光谱等测试手段对光催化剂进行了表征.结果表明,适宜的水热温度及PEG-6000用量是制备具有{110}活性晶面取向Ag3PO4多面体的必要条件,该多面体通过纳米颗粒的Ostwald熟化效应生长而成.可见光催化降解罗丹明B(Rh B)的实验表明,该Ag3PO4多面体活性明显优于其它水热条件下所制备的非{110}取向晶面样品和离子交换法所得纳米颗粒,其降解反应速率常数(k)为离子交换法所得Ag3PO4纳米颗粒的8.3倍.总有机碳含量(TOC)及循环实验证明,该Ag3PO4多面体可以有效地矿化Rh B并保持较好的循环稳定性.活性自由基捕获实验表明,空穴(h+)和羟基自由基(OH)是光催化氧化的主要活性物种.结合活性物种的氧化还原电位以及Ag3PO4的能带结构分析,提出了催化反应界面光生电子-空穴(e–-h+)对的分离及转移机制.

原位制备SnO2/SnS2异质结促进光催化污染物降解

光催化技术作为一种新兴的绿色催化技术,在解决环境污染、缓解能源短缺等方面得到了广泛的研究,但光生载流子易复合的问题极大限制了该技术的应用.构建光催化剂内建电场的方法可有效提高异质结光催化剂的光生载流子分离效率,进而提高光催化效率.然而如何在两种半导体界面形成紧密接触的异质结结构仍然存在一定的挑战.本文通过在含硫前驱液中加入SnO2纳米颗粒,在水热条件下利用原位离子交换的方法合成了SnO2/SnS2异质结光催化剂。形貌表征发现此法所制备催化剂是一种复合有纳米颗粒的六边形结构纳米片异质结光催化剂,透射电子显微镜(TEM)以及X射线光电子能谱(XPS)表征证实其具有紧密连接的异质结结构.高倍TEM图显示SnO2颗粒均紧密负载在SnS2纳米片上.同时, XPS测试结果表明,在SnO2/SnS2异质结构中Sn 3d5/2的结合能为486.43 eV,介于SnS2与SnO2的结合能之间,这一结果可归结为SnO2与SnS2形成了紧密结合的异质结.此外,紫外-可见漫反射光谱(UV-visDRS)测试结果表明,由于SnS2的存在拓宽了单纯SnO2光催化剂的光吸收范围,样品的光吸收范围成功地从紫外光波长范围扩展到可见光波长范围,进而提高了其对太阳光的利用率.本文进一步采用有机染料的光催化降解作为探针反应,对所制备催化剂进行了光催化性能评价。光催化降解亚甲基蓝(MB)的实验结果显示, SnO2/SnS2异质结样品相比纯相的SnO2和SnS2以及SnO2&SnS2的机械混合样品均表现出更高的降解效率,验证了该紧密连接的异质结光催化剂具有更优的光催化性能.为了进一步探究SnO2/SnS2异质结光催化剂的光降解机理和光生载流子迁移过程,通过活性物种捕获实验探索了光降解过程中的活性物种.实验结果显示,在SnO2/SnS2异质结光催化剂降解有机物的过程,超氧自由基是污染物光降解过程中的主要活性物种.光生载流子迁移过程探究表明作为电子传输体的SnO2能够快速传导光生电子并使得光生电子与水体中溶解氧发生反应产生超氧自由基.此外,光电化学测试结果证实该紧密连接的异质结结构可有效提高光生电子空穴对的分离效率。电化学阻抗谱Bode图结果证明,原位制备的SnO2/SnS2异质结具有最长的光生载流子寿命(41.6μs),进一步验证了具有紧密连接的异质结结构光催化剂可以有效提高对有机污染物光催化降解效率.综上所述,通过离子交换原位转化SnO2制备的SnO2/SnS2异质结构光催化剂所形成的紧密异质结结构能有效地提高光催化处理有机污染物的性能。

一种锚定精细金纳米颗粒的硫醚功能化芘基共价有机框架用于高效光催化制氢

氢能(H2)因其高能量密度而被认为是一种有望解决全球能源危机,极具应用前景的可再生能源.光催化分解水制氢技术在能源研究领域受到广泛的关注,国内外研究者在探索和开发高效光驱动制氢的光催化剂方面做出了巨大努力.近年来,共价有机框架(COFs)因结晶性高、比表面积大和结构可设计性强等特性,而成为最具潜力的光催化有机多孔材料之一,并广泛应用于光催化分解水制氢.此外,由强共价键构筑而成的COFs,尤其是酰腙链接的COFs,通常展现出较好的结构稳定性,这有利于催化剂在光催化水分解过程中保持稳定的结构.然而,大多数纯COFs由于表面电荷传输缓慢以及光生载流子容易复合,使其光催化分解水性能不理想.如何加快电荷传输,促进光生载流子分离,进而提高COFs的光催化效率成为关键问题.本文制备了一种新型硫醚功能化的芘基COF(S_(4)-COF),通过原位光沉积技术将精细金纳米颗粒(Au NPs)负载于S_(4)-COF上,制得Au@S_(4)-COF复合光催化剂,并用于光催化分解水制氢.通过傅里叶变换红外光谱、核磁共振波谱、X射线多晶衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱等表征深入研究了S_(4)-COF的链接方式、晶型结构和形貌,证明了精细Au NPs均匀负载在S_(4)-COF表面.利用紫外-可见吸收光谱研究了S_(4)-COF和复合光催化剂Au@S_(4)-COF的光学性质,结果表明,与纯S_(4)-COF相比,Au@S_(4)-COF在可见光范围内光吸收能力增强.在可见光(λ>420 nm)照射下,以三乙醇胺作为电子牺牲剂进行光催化析氢实验.结果发现,在没有任何助催化剂的情况下,纯S_(4)-COF光催化制氢产率为302μmol g^(−1) h^(−1);而Au@S_(4)-COF复合光催化剂的光催化析氢活性明显提升,H2析出速率为1377μmol g^(−1) h^(−1),约为纯S_(4)-COF的4.5倍.同时,Au@S_(4)-COF在循环实验中表现出稳定的光催化析氢性能,并在反应后完整地保持晶型结构.得益于S_(4)-COF结构中有序分布的硫醚基团与Au之间的配位相互作用,锚定在S_(4)-COF上的Au NPs具有超精细的尺寸分布,平均尺寸为3.8 nm.光致发光光谱、时间分辨光致发光波谱、线性扫描伏安、电化学阻抗谱、瞬态光电流响应等测试结果表明,锚定在S_(4)-COF光催化剂上的超细Au NPs可以显著加速光生载流子的分离并促进电荷传输.该策略不仅可以避免Au NPs在含硫醚的COFs上团聚,使复合光催化剂保持良好的稳定性,而且可以使催化剂具有均匀分散的有序结构,提高活性位点含量,从而提升光催化分解水性能.本文不仅证明了硫醚功能化的芘基COFs用于光催化分解水的可行性,而且为进一步设计和开发高效COFs基光催化剂以解决能源危机和环境污染问题提供了新思路.

全固态Z型光催化体系研究进展

全固态Z型光催化体系能够促进光生电荷的分离、迁移和复合,同时又能抑制逆反应的发生。从全固态Z型光催化体系的构成、光催化机理及应用出发,详细阐述了全固态Z型光催化体系的优越性;同时以g-C_3N_4、BiVO_4为例,综述了近年来全固态Z型光催化体系的研究进展。

弛豫半导体的表征与应用研究进展

介电弛豫时间大于载流子寿命的半导体为弛豫半导体,反之为寿命半导体。因为介电弛豫时间正比于电阻率,所以弛豫半导体一般为高阻半导体,例如补偿半导体、非晶半导体或低温下的半导体。在弛豫半导体中,由于材料恢复电中性的过程慢于载流子浓度恢复质量作用定律的过程,所以必须考虑空间电荷,包括自由电荷和陷阱所带电荷,对载流子输运的影响。少子注入会导致弛豫半导体多子耗尽、寿命半导体多子增加;中性注入会导致弛豫半导体电子空穴分离、寿命半导体发生双极性输运。弛豫半导体的多子耗尽现象可用电流-电压测试和交流响应测试进行表征,发现其电流-电压特性由低电压下的扩展线性区和高电压下的超线性区构成,且受陷阱浓度影响。使用载流子动力学测试可直接观察到弛豫半导体中光注入电子和空穴的分离现象。弛豫半导体独特的电学性质在辐射探测器、抗辐照器件、光电导开关、温度传感器等领域有广阔的应用价值。

Z型光催化材料的研究进展

与植物光合作用相似,Z型光催化材料体系是由电子传输介质、光还原剂和光氧化剂组成的双光子体系,其应用于光催化反应具有很大的优势:借助双光子激发过程,在不同光催化剂上分别完成氧化反应和还原反应,有效促进了光生电荷的分离和迁移.Z型反应体系中的光催化剂只需分别满足各自的光激发过程和对应的半反应,为光催化材料的选择和设计提供了很大的空间.光催化还原位点和氧化位点分别在两个光催化半导体上,还原和氧化过程相互分离,可以有效抑制逆反应的发生.同时,催化材料光还原剂中的光生空穴被来自光氧化剂中的光生电子复合,光催化体系的稳定性随之增强.Z型光催化材料体系,表现出了宽光谱响应,高稳定性,高光生载流子的分离效率,强氧化还原能力,具有广阔的应用前景.