缺陷辅助表面修饰提高g-C_3N_4@C-TiO_2直接Z型异质结的可见光光催化性能（英文）

光催化技术被认为是解决能源和环境问题的最有前途方法之一.较高光催化活性的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)及碳掺杂TiO_2(C-TiO_2)的制备及性能一直是环境光催化研究的热点,然而,单一光催化剂存在光生电子空穴易复合及量子效率低等问题.本课题组曾通过简单的水辅助煅烧法成功制备了纳米多孔g-C_3N_4,结果发现,多孔g-C_3N_4光催化活性较体相的明显提高,但光催化效率仍不够理想,原因是光生电子空穴复合较严重.传统的制备C-TiO_2的方法亦存在一些不足,如需要添加碳源或碳组分聚集体.我们采用原位掺杂的方法合成了含有一定氧空位和活性位的纳米碳改性的C-TiO_2,后辅以简单的化学气相沉积法构建了g-C_3N_4表面修饰的g-C_3N_4@C-TiO_2.结果表明,相比纯g-C_3N_4, TiO_2及C-TiO_2,g-C_3N_4@C-TiO_2具有更高的光催化活性;但其原因及碳掺杂态的影响尚不清楚.基于此,本文采用X射线光电子能谱技术(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、电化学阻抗谱(EIS)、光致发光谱(PL)、电子顺磁共振技术(EPR)及理论计算等手段研究了g-C_3N_4@C-TiO_2光催化活性提高的原因和机理.XPS结果表明,随着碳含量的增加,间隙掺杂产生的O-C键的峰值强度先增大后趋于稳定,而晶格取代掺杂产生的Ti-C键的峰值强度逐渐增大.Ti-O峰的减少进一步证明了更多的碳取代了氧晶格的位置.随着碳掺杂量的增加,C-TiO_2的带隙逐渐减小,因而吸收边红移;同时, g-C_3N_4@C-TiO_2的光催化降解效率先升高后降低. g-C_3N_4@C-TiO_2对RhB(苯酚)光降解的最大表观速率常数为0.036(0.039)min-1,分别是纯TiO_2, 10C-TiO_2, g-C_3N_4和g-C_3N_4@TiO_2的150(139), 6.4(6.8), 2.3(3)和1.7(2.1)倍.g-C_3N_4通过π-共轭和氢键与C-TiO_2表面紧密结合,在催化剂中引入了新的非局域杂质能级和表面态,可以更有效地分离和转移光生电子,因而光催化活性增加.由此可见,碳掺杂状态和g-C_3N_4原位沉积表面改性对g-C_3N_4@C-TiO_2复合光催化剂性能的影响很大.

基于单质法合成直接Z型CuS-WO_3及光催化性能

以Cu粉和S粉作为CuS前驱体,基于单质法在低温下原位合成了CuS-WO_3光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、比表面积和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)对CuS-WO_3的晶相、形貌、粒径及光学性质等进行了表征。结果表明,CuS对WO_3的晶相结构、粒径及比表面积没有明显影响,但是可以有效提高WO_3对可见光的吸收。以降解罗丹明B(Rh B)为反应模型,研究了CuS对WO_3光催化性能的影响。结果表明,在可见光照射下,CuS-WO_3复合材料的光催化活性优于CuS、WO_3的光催化活性,且CuS的含量对CuS-WO_3光催化活性影响显著,CuS含量为7%(w,质量分数)时,光催化效率最高(91.3%)。进一步结合CuS、WO_3的能带位置,荧光光谱(PL)活性物种鉴定试验,提出CuS-WO_3复合光催化剂的"直接Z型"光催化机理。直接Z型CuS-WO_3复合光催化剂中可以有效抑制电子-空穴的复合。因此,与CuS和WO_3相比,CuS-WO_3复合光催化剂具有较高的光催化性能。

直接Z型LaNiO_(3)/Mn_(0.2)Cd_(0.8)S异质结催化剂光解水产氢性能及机理探究

以LaNiO_(3)纳米颗粒为基质,在水热法制备CdS的过程中引入Mn2+离子,原位合成直接Z型LaNiO_(3)/Mn_(0.2)Cd_(0.8)S异质结光催化剂。分别采用场发射扫描电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、紫外可见漫反射光谱、氮气吸附-脱附测试以及电化学测试等分析方法对制备的催化剂进行表征。在光解水产氢测试中,LaNiO_(3)/Mn_(0.2)Cd_(0.8)S异质结光催化剂在5 h的H_(2)产量达到1 190.3μmol,相较于CdS和Mn_(0.2)Cd_(0.8)S,其H_(2)产量分别提高了 25倍和10倍。荧光和电化学实验证实,Mn2+的引入能够有效地促进光生载流子的分离,同时LaNiO_(3)/Mn_(0.2)Cd_(0.8)S之间异质结的构筑能有效地促进光生载流子在界面间的迁移、分离,从而促进其光解水产氢效率和稳定性的提高。结合一系列表征和活性测试结果提出直接Z型光解水反应机理,很好地阐述了其光解水产氢活性和稳定性的增强。

直接Z型CdO-CdS纳米棒阵列的制备及其光电催化性能研究（英文）

本文通过简单的水热法制备了一种CdO-CdS-维纳米棒阵列,并系统地研究了材料的结构、形貌及其光电化学性质和产氢活性.所得纳米棒为直径100至200 nm的六方柱.通过优化煅烧温度和时间得到了该实验条件下光电催化性能最优的样品.在0 V vs.Ag/AgCl偏压下,CdO-CdS光电流密度为6.5mA/cm2,光电催化产氢活性为240μmol·cm-2·h-1,几乎是纯CdS的2倍.该体系的光电催化性能超过了许多己报道的相似体系.根据材料结构和光电化学性能表征结果,提出了直接z型光催化机理,该机理可以很好地解释光致载流子的高分离效率和优异的氧化还原性能.

2D/0D氮化碳与MoS_2量子点直接Z型光催化剂的构筑及光催化性能(英文)

近年来,光催化技术作为一种"绿色"技术,在解决环境问题和能源危机等方面有着广泛的应用.新型可见光响应的半导体光催化材料g-C_3N_4具有二维(2D)纳米片结构,合适的禁带宽度(Eg=2.7 eV),优异的化学稳定性和低廉成本得到广泛的研究.但是,g-C_3N_4光催化剂本身的光生电子-空穴对复合几率高以及可见光响应范围窄等缺点,使其在光催化领域应用中具有一定的局限性.因此,提高g-C_3N_4半导体材料的光催化活性成为近年的研究热点.众所周知,Z型光催化体系的构筑不仅使材料具有较强的氧化还原能力而且有利于其光生电子-空穴的有效分离.但传统Z型光催化体系由于贵金属的引入、复杂的反应体系限制了其在实际领域中的应用.因此,构筑无电子介体的直接Z型光催化体系成为光催化领域的研究热点之一.与块状材料相比,零维(0D)量子点材料具有带隙可调性,可见光和近红外区域的强光收集能力等性能,在光催化领域具有广阔的应用前景.MoS_2量子点具有优异的光学和电子性能,因此,在催化、荧光检测、生物成像领域有重要的应用价值.我们结合水热和微乳溶液法合成了直接Z型g-C_3N_4/MoS_2 QDs(2D/0D)复合光催化材料,并采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM),透射电子显微镜(TEM)以及紫外可见漫反射光谱(UV-vis)等表征方法对该催化剂的结构特征、微观形貌和光学性能进行分析.并研究了g-C_3N_4/MoS_2 QDs复合材料在可见光下的光催化性能.XRD,XPS结果表明,复合材料由g-C_3N_4,MoS_2组成.TEM和高斯分布结果表明,MoS_2 QDs具有良好的分散性,其尺寸小于5 nm,g-C_3N_4纳米片由具有皱纹和不规则折叠结构的薄层组成,在g-C_3N_4/MoS_2 QDs复合材料中可以看到少量的MoS_2量子点沉积在片状g-C_3N_4的表面上.光催化性能测试结果进一步表明,7%MoS_2 QDs/g-C_3N_4在可见光下具有优异的光催化性能:可见光照射12 min内,RhB的降解效率可达100%,降解速率常数是纯g-C_3N_4的8.8倍.为了进一步研究g-C_3N_4/MoS_2异质结光催化剂的光催化机理,用对苯醌、乙二胺四乙酸二钠和丁醇进行了自由基捕捉剂实验.结果表明,超氧自由基在降解有机染料过程中起主要作用,羟基自由基和空穴在增强的光催化性能中发挥相对较小的作用.通过光电流测试、材料价带导带位置计算以及·O_2^-和·OH定量实验结果并结合文献分析认为,MoS_2量子点和g-C_3N_4之间优良的界面接触以及由直接Z型结构产生的光生电荷载体的有效分离使其光催化性能得到显著提升.

Z型InN/SnS_(2)范德华异质结增强光催化水分解

寻找高效的光催化剂分解水制氢是解决能源危机和环境问题的有效途径之一.基于第一性原理,对InN/SnS_(2)异质结的几何结构、电子结构和光催化水分解性能进行研究.结果表明InN/SnS_(2)异质结是具有的Ⅱ型能带排列半导体材料可以有效地分离电子空穴对.在光激发下,较小的带隙以及合适的内建电场使得光生载流子迁移路径成“Z”字型,这保留了InN/SnS_(2)异质结强氧化还原能力.光生电子在InN的导带底累积并发生析氢反应,而积累在SnS_(2)上的光生空穴使析氧反应自发发生.它们的带边位置都跨越了水的氧化还原电位,证明能够实现水的完全分解.因此,InN/SnS_(2)异质结有希望成为高效光解水催化剂.

新型Z型TiO_(2)/Ag/Ag_(3)PO_(4)光催化剂的设计及其降解环丙沙星性能研究

采用光沉积-液相化学法调节电子流向,构建了直接Z型TiO_(2)/Ag/Ag_(3)PO_(4)(TAAPO)光催化材料.通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱仪以及光致发光(PL)光谱仪等手段对其进行表征,并对其在可见光照射下催化降解环丙沙星(CIP)的性能进行了研究.结果表明,当水体pH为3.0,催化剂分散浓度为0.3g/L,CIP的初始浓度为15mg/L时,光催化降解体系能够取得最佳的去除效果.在该组条件下,光照120min CIP的降解率约为99%,并且在经历4个循环后仍然保持了良好的降解效果.在光催化降解CIP的过程中,主要反应活性物种为超氧自由基(·O_(2)^(-)).

PhC_(2)Cu/UiO-66-Ce Z型异质结的构建及光催化降解双氯芬酸的机制研究

本研究运用了一种简易操作的方法制备了PhC_(2)Cu/UiO-66-Ce(PUC)直接Z型异质结光催化剂.通过场发射扫描电镜、透射电子显微镜、X射线衍射光谱仪、傅里叶变换红外光谱和紫外可见光漫反射光谱等手段对PUC的形态特征、晶型结构以及化学性能进行表征.以DCF作为目标污染物,考察PUC对水溶液中DCF的光催化降解性能.结果表明,PUC具有优异的光催化性能,80 min内对DCF的降解率为95.06%,其光催化反应速率比单独PhC_(2)Cu提升了3.0倍.DCF的降解率符合伪一级动力学模型和Langmuir-Hinshelwood模型,DCF在偏酸性条件降解速率更佳.根据电子自旋共振测试和自由基捕获实验,提出反应中起主导作用的活性物种为O_(2)^(·-),贡献率接近87.96%.

BiOBr/NaNbO_(3)复合光催化剂的制备及其性能研究

以Nb_(2)O_(5)为原料制备了纳米块状NaNbO_(3),采用沉淀法制备了不同摩尔比的BiOBr/NaNbO_(3)(BNN)复合材料,其中BNN-10(n(Bi)∶n(Nb)=10∶1)对RhB的降解率为87.8%,分别是单一BiOBr和NaNbO_(3)的2.4倍和4.1倍.BNN-10经过5个周期降解RhB,其光催化性能没有明显下降,表明BNN-10具有较高的可重复利用性和稳定性.利用X射线粉末衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对BNN-10的晶体结构进行了表征,通过X射线光电子能谱(XPS)对催化剂化学态的分析,催化剂的光电特性及捕获实验验证BNN为直接Z型异质结构.该构型有效地阻止了光生电子空穴复合,并最大程度保留了各自单一半导体较高的氧化和还原能力,因此其光催化降解RhB效率得到显著提高.