通过晶面调控产生强内建电场以提高卟啉光催化剂的H_(2)O_(2)生成速率

过氧化氢(H_(2)O_(2))是一种重要的化工产品,广泛应用于污水处理、消毒杀菌和印染漂白等领域.在蒽醌法生产H_(2)O_(2)的过程中,易产生有毒气体并存在爆炸危险.因此,仅利用水、氧气和太阳光即可在合适的光催化剂上生成H_(2)O_(2)的光催化技术备受关注.本课题组报道了通过酸碱自组装法制备的四(4-羧基苯基)卟啉(SA-TCPP)光催化剂,用于生产H_(2)O_(2).该催化剂克服了大部分H_(2)O_(2)光催化剂存在的需要牺牲剂、活性低和光利用率不足等问题,但其性能仍受限于较高的复合率.晶面调控已被证实是改善许多无机催化剂电荷复合的有效策略,然而,对于有机光催化剂,关于暴露晶面与其活性关系的研究仍然较少.本文采用溶解-重结晶法在水和三种有机溶剂的混合物中成功合成了三种具有不同暴露晶面的卟啉光催化剂.即利用卟啉在有机溶剂和水中的溶解度差异,将卟啉先溶解在四氢呋喃(THF)、甲醇(MeOH)或乙二醇(EG)溶液中,随后在水溶液中重新结晶.X射线衍射、高分辨率透射电子显微镜及晶面模拟模型图的结果表明,三种催化剂具有相同的晶体结构,但分别暴露了(400)、(022)和(020)晶面.通过紫外分光光度计测量这些催化剂在氙灯(λ≥420 nm)照射下的光催化活性,结果表明,具有(400)暴露面的卟啉光催化剂的H_(2)O_(2)生产速率最高,可达29.33 mmol L h^(-1)g^(-1),分别是具有(022)暴露面和(020)暴露面的卟啉光催化剂的2.7倍和4.1倍,约是已报道的SA-TCPP光催化剂的1.3倍.通过紫外漫反射、莫特肖特基曲线分析以及LED灯照射下的光催化活性测试,排除了光吸收能力对这三种卟啉光催化剂活性的影响.开尔文探针力显微镜、光生电流密度谱图、晶面模拟模型图和密度泛函理论计算结果表明,活性的差异主要归因于(400)表面暴露的高羧基含量所引发的强内建电场,并且在该暴露面上的内建电场方向有利于空穴从吡咯氮向羧基碳的跃迁,因此阻碍了电荷的快速重组,促进了富有挑战性的水氧化过程,而(020)面由于暴露了最多的吡咯氮和最少的羧基碳,其产生的内建电场强度最弱,且内建电场方向阻碍了空穴向羧基碳的跃迁,因此H_(2)O_(2)生产速率最低.综上所述,本工作通过晶面调控产生强内建电场以加速空穴的迁移,降低了电子空穴复合速率,实现了高H_(2)O_(2)生产速率,为更高效的有机光催化剂的设计和开发提供了新思路.

α-Fe_(2)O_(3)晶面调控及其非均相光芬顿催化降解甲基橙特性

针对非均相光芬顿中两相传质阻力导致催化性能较低的缺陷,采用水热法制备了α-Fe_(2)O_(3){110}/{113}晶面不同暴露比例的催化剂。采用X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM/HRTEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)以及紫外可见固体漫反射(UV-vis DRS)对催化剂进行表征分析,分别考察了H_(2)O_(2)浓度、催化剂投加量、甲基橙初始质量浓度以及初始pH对其催化降解甲基橙的影响,结果表明:FeCl_(3)·6H_(2)O浓度为33 mmol/L,摩尔比FeCl_(3)·6H_(2)O∶NaH_(2)PO_(4)∶NaF为1∶1∶15,180℃反应24 h所得α-Fe_(2)O_(3)催化性能最佳,在H_(2)O_(2)浓度为20 mmol/L,催化剂投加量为200 mg/L,甲基橙初始质量浓度为40 mg/L以及初始pH=5的条件下,对甲基橙的催化降解效果最佳,反应60 min去除率达97.83%;重复试验表明催化剂稳定性较好;H_(2)O_(2)消耗分析及自由基捕获实验结果表明,羟基自由基和光生空穴发挥关键催化降解作用,超氧自由基作用较小。

本征安全水系锌离子电池的新进展:锌负极晶面调控

水系锌离子电池环境友好、成本低廉,是一种极具发展潜力、本征安全的电化学储能技术。对于实用化的锌离子电池,负极端金属锌的不均匀沉积所引起的枝晶问题会导致电池短路,严重限制了电池的循环寿命,是这种新型电池走向产品化的重要瓶颈。构建(002)晶面择优取向的锌负极被认为是抑制枝晶生长、提升电极库仑效率的有效手段。回溯近期有关金属锌负极的研究,本文首先概述了金属锌的电极过程和沉积形貌的影响因素,基于此从基底设计、涂层设计、电解液设计三个方面,着重总结了(002)晶面择优取向锌负极的设计策略和作用原理,最后展望了(002)晶面择优取向金属锌负极面临的挑战和未来发展方向,特别指出应在面向实用化锌离子电池的条件下评估金属锌负极的电化学性能和改性效果。

晶面调控促进Pt/TiO_(2)催化剂对丙烷及苯系物的催化氧化活性

在TiO_(2)水热合成过程中,通过引入氟化铵(NH4F)和氢氟酸(HF)作为晶面调控剂,来获得高暴露(001)晶面的锐钛矿型TiO_(2),并通过浸渍法负载Pt制得相应的Pt/TiO_(2)催化剂。结果表明:NH4F和HF的介入,虽然均能提高纳米TiO_(2)的(001)晶面暴露比例,并增大其晶粒尺寸,但同时均降低了其比表面积,协同影响着催化剂的催化活性;HF的介入对TiO_(2)的(001)晶面调节功效最大,显著提高了所得Pt/TiO_(2)-HF催化剂对苯系物及丙烷的催化氧化活性;相较于空白Pt/TiO_(2)催化剂试样,在Pt/TiO_(2)-HF催化剂作用下的苯系物T_(97)由198℃降低至181℃,丙烷T50由431℃降低至363℃(T_(97),T_(50)分别表示转化率为97%,50%时的反应温度)。

低维氧化锌晶面调控及催化抗菌活性研究进展

低维结构氧化锌(ZnO)作为一种典型的直接宽带隙半导体材料,具有独特的形貌可调性、优异的催化活性和良好的生物相容性,在长效抗菌、催化降解和能源转化等领域受到较多关注。大量研究表明,通过制备方法的设计,可以得到球、棒、针、片、带、管和多面体等形貌各异的低维ZnO晶体材料,而不同的形貌结构对其宏观性质具有显著的影响,甚至直接导致了材料在应用领域上的差异。因此,低维ZnO晶体材料的形貌结构调控对于其应用而言至关重要。ZnO丰富的形貌特征源于其晶体生长的各向异性。在ZnO晶体生长过程中,反应体系中的各种因素(如溶剂、成核剂、添加剂等)均可能对晶体生长产生影响,促使晶体沿不同晶向生长。因此,反应条件不仅能够影响ZnO的形貌,更重要的是,其表面的暴露晶面也会随之变化。而ZnO不同暴露晶面上的原子排布、原子密度和表面悬挂键等都不尽相同,这使得其性质和功能会出现显著差异。通过控制ZnO的形貌结构、晶体取向和暴露晶面等能够有效提高其稳定性、催化活性和选择性吸附等能力,并进一步实现对材料物理/化学性质的调控。随着制备技术和模拟计算的不断发展,现阶段对于ZnO暴露晶面的调控方法大致可分为晶面吸附法、晶种诱导法、溶剂调节法和晶面刻蚀法四种。其中前三种均属于自下而上的合成法,在ZnO晶体的成核和生长过程中,通过引入吸附剂、晶种或改变溶剂,来控制目标晶体特定晶面的结晶、生长,从而实现晶体形貌和暴露晶面的调控;而晶面刻蚀法是一种自上而下的制备方法,利用ZnO晶体自身各向异性所带来的晶面活性差异来选择性刻蚀高活性晶面,得到所需的暴露晶面。通过上述方法,研究者能够实现对ZnO晶体形貌和暴露晶面的可控制备,并在此基础上进一步研究ZnO暴露晶面与催化抗菌活性间的规律和机制。为了更好地指导ZnO系列结构的功能调控,本文综述了ZnO晶面调控方法及其对催化抗菌活性影响的研究进展,重点归纳了在低维结构ZnO生长过程中,通过不同制备方法来实现对ZnO特定暴露晶面调控的研究进展,并进一步总结了暴露晶面的调控对于ZnO在光照和无光条件下催化抗菌活性的研究现状。最后,对晶面调控低维结构ZnO今后的研究方向与亟待解决的学术难题进行了讨论。

削角双六棱锥多面体氧化铁晶面调控制备及其可见光催化性能(英文)

采用氟离子辅助的乙醇和水混合溶剂热法制备得到了形貌均一的削角双六棱锥氧化铁多面体微米晶体。调节混合溶剂中乙醇的体积分数可实现对该削角双六棱锥多面体氧化铁暴露晶面的精细调控。通过可见光催化降解RhB染料实验发现,利用该法所得的各多面体氧化铁对RhB表现出了良好的可见光催化活性,且各削角双六棱锥多面体氧化铁的光催化活性与其形貌之间表现出典型的性质与结构的依赖构效关系。

钒酸铋晶面调控制备及其降解四环素类抗生素性能研究

采用溶剂热法合成了单斜白钨矿型钒酸铋(m-BiVO_(4))催化材料,采用XRD、BET、SEM、TEM等对其进行了表征。研究发现m-BiVO_(4)的形貌和晶面可以通过反应溶液的pH进行调控,在pH=7条件下制备出了具有(010)晶面择优暴露的m-BiVO_(4)(BVO-010)。以盐酸金霉素(CTC-HCl)、土霉素(OTC)、四环素(TC)和盐酸四环素(TCN)溶液为目标污染物,评价了制备材料的光催化降解性能。结果发现,与主要暴露热力学稳定的(-121)面的m-BiVO_(4)(BVO-121)相比,BVO-010的降解性能明显提高,光照150 min后对CTC-HCl、OTC、TC和TCN的降解率分别为77.9%、79.2%、63.6%和73.9%,可用于处理含抗生素类药物的污水。

富锂锰基正极材料结构优化及晶面调控研究进展

富锂锰基正极材料(Li-rich manganese cathode material,LMCM)具有高放电比容量(250 mAh·g^(-1)@0.1C)、高电压、制作成本低和环保等优点,被视为下一代动力锂电池正极材料的理想之选,是锂电池能量密度突破400 Wh/kg的关键电极材料。但LMCM存在首次不可逆容量高和库伦效率差、倍率性能差和电压衰减等问题,在一定程度上制约了此类正极材料的大规模使用。为了解决LMCM存在的问题,相关学者做了大量的研究工作。一方面,针对LMCM在循环过程中的容量特性及结构演变规律进行了研究,为LMCM优化改性提供理论基础;另一方面,通过表面包覆、离子掺杂、表面酸处理等方法进行改性以提升LMCM的电化学性能,虽然取得了一定的成果,但是并不能完全满足使用需求。因此,近年来学者们开始在材料结构优化及活性晶面调控方面不断尝试,在保持LMCM优点的同时,进一步提高材料的倍率性能和循环寿命,降低首次不可逆容量损失,抑制循环过程的电压衰减。材料晶体结构优化的主要研究方向有构筑缺陷体系、层状-尖晶石异质结构、微纳结构、多孔结构等,优化后的结构能够有效缩短充放电过程中Li+的扩散路径,提升材料的结构强度,减少过渡金属离子的迁移和相变的发生,增强电解液渗透性,有效提高材料的结构及电化学稳定性;而晶面调控通过构筑具有α-NaFeO_(2)结构且晶向与锂层平行的晶面作为Li+脱嵌的电化学活性面,为Li+扩散提供畅通的路径,既能缩短Li+的扩散距离,又能提高Li+脱嵌的速率,从而提升材料大电流充放电能力。本文归纳了LMCM的研究进展,分别对材料的容量特性及结构演变、结构优化、电化学活性晶面调控等方面进行了介绍,分析了LMCM研究的成果和面临的问题,并对后续研究方向进行展望,以期为LMCM的设计和可控制备提供参考。

晶面调控和新型二氧化钛纳米结构的研究进展

太阳能光催化技术在缓解环境污染压力和能源危机方面有着重要的应用前景,纳米结构TiO_2以其催化活性高、稳定性好、环境友好等特点在光催化领域受到广泛关注。近期研究表明,锐钛矿TiO_2不同晶面能够有效地促进光激发载流子的空间分离转移。锐钛矿TiO_2中光激发产生的电子倾向于迁移至(101)表面,而空穴则移动至(001)表面,从而通过晶面调控即可实现光生载流子的定向转移。另外,锐钛矿TiO_2介晶是一类具有特殊结构和性质的纳米材料,其高的结晶性和大的比表面积有利于光催化反应的进行,多级TiO_2纳米结构和具有特殊活性的TiO_2也是目前研究的一个趋势-综述了几种高能量晶面暴露锐钛矿TiO_2纳米晶、锐钛矿TiO_2介晶以及多级复杂纳米结构TiO_2的合成,分析了光催化剂结构对光催化性能的影响,重点探讨了晶面调控TiO_2光催化的机理,总结了新兴发展的光还原活性TiO_2的合成及其在可逆光致变色体系和光打印可擦写纸张领域的新型应用。

TiO2晶面调控改性研究

TiO2用于光催化技术受到两方面的限制:一方面较宽的禁带宽度限制了其对较大波长光的吸收;另一方面,光生载流子易复合导致光量子效率较低。TiO2的诸多改性方法也都是针对这两方面来进行的。通过构造异质结实现光生载流子的分离,可以有效提高光生载流子的利用率,从而提高催化剂的光催化性能。TiO2不同晶面具有不同的表面能及静态介电常数,因此不同表面接触时可以形成异质结。通过控制不同晶面的形成可以构造表面异质结,提高TiO2催化剂的光催化性能。

La_(0.5)Ca_(0.5)MnO_3钙钛矿微晶的NH_4^+辅助水热合成及晶面调控

为了研究特殊晶面与晶体材料的物理性质的关系,需要合成具有特殊晶面的晶体。采用水热法,通过调节反应过程中温度、尿素和KOH的质量,合成了具有不同形状和晶面的La_(0.5)Ca_(0.5)MnO_3钙钛矿微晶。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对晶体的形貌、结构进行了表征,比较了不同温度、不同尿素和KOH质量对产物结构和形状等的影响,并对反应机理进行了研究。提出了制备八面体形状La_(0.5)Ca_(0.5)MnO_3微晶的最优方案,即温度为260℃、尿素质量为2.25g,且KOH质量为9g。为研究特殊晶面与材料的物化性质和材料的构效关系提供了依据。

经晶面调控的TiO_2/碳纳米纤维复合物光催化还原CO_2的实验研究

TiO_2晶面调控和构建TiO_2-C异质结是提高TiO_2光催化性能的两个潜在途径。为进一步研究两种途径对光催化还原CO_2的影响,使用溶剂热法制备了{001}和{101}晶面同时暴露的TiO_2纳米晶体负载碳纳米纤维(carbon nanofiber,CNF),并使用X射线衍射仪、透射电子显微镜、紫外可见光吸收光谱及光致发光光谱等方法对其进行表征,在模拟太阳光的照射下进行了光催化还原CO_2实验。实验结果表明,CNF的负载将TiO_2的光响应延伸到可见光区域,TiO_2-C异质结进一步促进电子空穴对的分离,提高TiO_2晶体光催化还原CO_2活性。

Ta掺杂TiO_(2)的暴露晶面调控与光催化性能

用水热法制备TiO_(2)、Ta掺杂TiO_(2)(TOTa)以及四个F^(-)离子调控晶面的TOTa(F^(-)TOTa)。用XRD、TEM、UV-vis、FTIR手段对样品的晶体结构、形貌、光学性质进行表征。主要结果表明,随着F^(-)离子浓度增加,晶体沿[001]方向生长受到抑制;同时,晶胞沿着[001]方向压缩,沿[100]方向延长。与TiO_(2)相比,F^(-)TOTa的吸收边红移,最大红移量约10纳米;晶体表面吸附多种有机基团,如羟基和羰基基团。光催化降解甲基蓝的实验结果表明,与TOTa相比,F^(-)TOTa对甲基蓝的吸附与降解性能有显著提高。

结合前沿科学研究的专业创新实验:Cu_(2)O晶面与催化性能

催化剂晶面调控及结构-性能关系在材料科学和催化领域具有重要意义。该实验专为化学化工及相关专业的高年级本科生设计,强调氧化物的晶面控制合成和不同晶面对其催化性能的影响。制备了不同形貌Cu_(2)O:立方体Cu_(2)O-c具有6个(100)晶面,多面体Cu_(2)O-14具有6个(100)晶面和8个(111)晶面。由于不同的暴露晶面,对电催化还原CO_(2)反应的催化性能具有显著差异,Cu_(2)O-14比Cu_(2)O-c具有更高CO_(2)还原活性,且乙烯和乙醇产物选择性提高。本实验可以帮助本科生了解晶体晶面的调控原理和晶面-催化性能的构效关系。

BiVO4晶面生长调控及其光催化氧化罗丹明B和还原Cr(Ⅵ)的性能

本研究以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为表面活性剂,采用水热法制备纯BiVO4纳米晶片,通过X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析所制备的一系列BiVO4纳米晶片的物相结构和晶体形貌,并运用固体紫外-可见漫反射光谱分析禁带宽度.结果表明,表面活性剂SDBS的存在可以抑制BiVO4晶体某一维度的生长,使得其结构呈菱形薄叶片状,且可以通过调节BiVO4前驱液的pH控制其晶面长生.本研究选用罗丹明B染料和六价铬Cr(Ⅵ)作为目标污染物探究在不同的前驱液pH值下制备的BiVO4晶体对光催化氧化罗丹明B(Rh B)和还原Cr(Ⅵ)的性能,结果表明晶面长生特性对BiVO4的可见光催化氧化还原活性反应占主导作用,通过调控BiVO4晶体生长,可能有效增大光生载流子与污染物接触面积从而提高光催化反应活性.在BiVO4前驱液为pH 3时的制备条件下,BiVO4晶片的氧化活性与还原活性均为最佳.

Co修饰CeO2复合材料的晶面调控及其光热催化脱硝性能

采用一步水热法,通过调节Co与Ce的摩尔比,制备出暴露高活性晶面的Co修饰CeO2复合材料。利用比表面和孔径分析仪、TG-DSC、TEM、SEM、XRD、紫外-可见分光光度计(UV-vis)、XPS、光热催化脱硝技术对Co修饰CeO2复合材料进行全面表征。结果表明,随着Co元素含量的增加,Co修饰CeO2复合材料的比表面积增大,CeO2呈纳米棒状结构,Co与表面氧生成Co3O4,二者的共结晶过程降低了复合材料的结晶表面能,使CeO2主要暴露(200)和(220)高活性晶面,且暴露比例增大。光热催化脱硝结果表明,当Co与Ce摩尔比为15%、煅烧温度为400℃时,Co修饰CeO2复合材料的光热催化效率达到最高,为98%。

有机物结构诱导剂调控WO_(3)晶体晶面的研究进展

太阳能半导体光催化技术由于其绿色无污染、可再生,有利于解决全球变暖问题等优点而受到国内外研究人员的广泛研究。由于半导体光催化剂的催化活性取决于其表面电子结构和原子结构,而这些结构又强烈地依赖于晶体层面,因此光催化剂的催化活性受到反应过程中暴露的晶面的显著影响。近年来,晶面调控工程已成为一种非常重要的半导体理化性质微调方法。三氧化钨(WO_(3))半导体催化剂由于具有较好的光催化性能,常用作光电催化系统中的光阳极。本文针对目前国内外使用有机物(有机小分子及有机大分子)作为结构诱导剂对WO_(3)晶面调控的研究现状进行了综述,分析有机物对晶体晶面调控的规律和原理,寻找新的实验方向以及突破点,总结目前WO_(3)光电催化在实际生产生活中的应用,例如光电催化分解水、电致变色、气体传感器、有机污染物降解等,并对未来实验发展方向进行展望。

晶面可控氯氧铋的制备及光催化性能研究

利用水热法通过调节溶液的pH值制备了{001}晶面和{010}晶面的BiOCl。利用XRD、Raman、DRS及BET等对其结构及性能进行了表征,通过双酚A(BPA)降解及CO_2还原实验考察了样品的光催化性能。研究表明,BiOCl{010}面催化剂的BPA降解速率及产生甲酸甲脂(MF)的速率分别是BiOCl{001}面催化剂的1.75倍、1.2倍。BiOCl{010}具有较高光催化活性的原因在于BiOCl{010}具有较大的比表面积和开放的孔道特性。

Mg(OH)_(2)低极性晶面选择性生长控制及机理

以MgCl_(2)为晶面调控剂,利用水热法对氢氧化镁(MH)的(001)晶面选择性生长进行了调控,研究了晶面调控剂浓度、反应温度、反应时间对MH颗粒的溶解和结晶作用。在MH 40 g、纯水160 mL、晶面调控剂浓度0.5 mol/L、160℃、500 r/min条件下水热处理6 h得到产品,产品各晶面的XRD衍射峰强度I001/I101和I001/I110较原料分别提高了213.95%和307.87%。百吨级中试实验控制MH固含量为10%,加入550 kg MH工业品,晶面调控剂浓度为0.5 mol/L,在160℃,150 r/min水热处理6 h,产品的I_(001)/I_(101)和I_(001)/I_(110)较原料分别提高了83.72%和112.83%。采用XRD、FE-SEM、TEM、FTIR、粒度分析仪对MH产品的形貌、结构进行了表征,并对调控机理进行了研究。结果表明,MgCl_(2)可以在水热体系中促进MH的(001)晶面选择性生长。一方面,MgCl_(2)作为强酸弱碱盐降低了体系pH,Cl^(–)可通过电荷中和效应使MH发生加速溶解;另一方面,MgCl_(2)通过提供Cl^(–)促进了MH边缘的生长,进而强化了(001)晶面的生长。

纳米结构材料的制备及应用进展

纳米结构材料表现出不同于传统块状材料的光、磁、声、电、催化等特性.如何实现纳米结构材料的可控制备及规模化应用,是当前纳米科技的挑战性问题之一.综述纳米结构材料的可控制备策略及应用探索,围绕晶面调控法、模板辅助法和物理场诱导法3种制备策略,以及在环境催化、能源和光学领域的应用研究,重点介绍课题组在纳米结构材料方面最新进展.最后,阐述纳米结构材料当前研究的不足及新的发展方向.