关于提高钒酸铋类光催化剂载流子分离效率的研究进展

钒酸铋(BiVO_(4))因具有合适的物化性质,如较强的可见光吸收能力、性质稳定、无毒等,让光催化研究者对其产生了极大兴趣,但钒酸铋在光催化过程中光载流子易复合,因此致使其光催化效率低。为了解决钒酸铋光载流子易复合这一难题,光催化研究者采取了多种策略。本文总结了现如今提高钒酸铋光载流子分离率的策略以及效果,综合分析了钒酸铋的发展前景。

具有多通道载流子分离功能的ZnO/P25异质结构光催化氧化甲苯（英文）

甲苯是一种最常见的室内有毒挥发性有机物(VOCs),目前消除方法主要有吸附、催化燃烧和光催化氧化,其中光催化是一种最高效和经济可行的方法,能在较温和条件下将甲苯完全矿化为CO_2.作为研究最广泛的光催化剂,TiO_2在应用中通常有锐钛矿(ATiO_2)和金红石(RTiO_2)两种物相,但单物相TiO_2的低量子产率和光生电子-空穴对的快速复合严重限制了它的应用.本文选择兼具锐钛矿和金红石两种物相的P25为催化剂载体,通过负载少量ZnO和构建多组分并具备多通道载流子分离功能的异质结以提高TiO_2基光催化剂的性能.利用一步浸渍法制备了一系列ZnO/P25复合光催化剂,考察了其光催化降解气相甲苯性能.X射线粉末衍射结果表明,ZnO/P25异质光催化剂是由ATiO_2,RTiO_2和红锌矿三种物相结构组成.高分辨透射电镜结果表明,ZnO/P25具备三相异质结ZnO(002)/ATiO_2(101)/RTiO_2(110).紫外可见光谱、荧光光谱和光电流表征结果表明,ZnO/P25所形成的三相异质结不但增强了光吸收能力,还实现了多通道电子/空穴分离.催化降解实验表明,ZnO/P25异质光催化剂能在室温紫外光辐射下将甲苯完全矿化为CO_2和H2O.基于三相异质结和多通道光生电子-空穴对分离的形成及促进作用,ZnO/P25光催化活性和速率均明显高于P25.本文报道的多通道载流子分离理念可为高效光催化剂设计和应用提供一种新思路.

物相调控对铌酸钠纳米棒压电-弱可见光协同催化的优化作用

半导体材料能够吸收光能产生电子空穴对,利用光催化实现环境废物降解,然而其催化效率受环境光条件和天气等因素严重制约。因此,有必要研发能够利用环境中的水波能和光能协同作用的催化剂,以有效提升水相环境的污染物降解效率。无铅钙钛矿结构的铌酸钠具有适宜的能隙和压电性能,因此具备实现光-压电协同催化的潜力。通过水热法合成并调控了铌酸钠纳米棒的物相结构,探究了其对光-压电协同催化中的性能增强机制。虽然两种物相的铌酸钠光催化效率差异较小,但相较NaNbO_(3),Na_(7)(H_(3)O)Nb_(6)O_(19)14(H_(2)O)表现出更高的压电性能,因此在压电光催化过程中能够更好地促进光生电子空穴对的分离,从而大幅提升了水中四环素的降解效率。进一步对材料物相调控方法、催化机理等开展研究,揭示了空穴和羟基自由基在催化过程中起到关键作用,研究结果能够为高效光-压电协同催化剂的设计、开发和优化提供参考。

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。

超细AuPd纳米合金增强ZnIn_(2)S_(4)降解石化废水的性能

为了增强ZnIn_(2)S_(4)光催化降解石化污水的性能,将AuPd双金属助催化剂沉积到ZnIn_(2)S_(4)表面,合成了不同AuPd比例的AuPd/ZnIn_(2)S_(4)复合光催化剂。采用XRD、BET、SEM、TEM、XPS、电化学测试等技术对AuPd/ZnIn_(2)S_(4)的结构进行了详细的表征。AuPd超细纳米合金的负载,不仅可以为光催化反应提供更多的热电子参与反应,还能有效促进光生载流子的分离和传输。以苯胺作为模型化合物考察了AuPd/ZnIn_(2)S_(4)光催化降解石化污水的性能。当Au与Pd的质量比为4∶6时,得到的复合光催化剂表现出最佳的光催化性能和良好的光催化稳定性。经过120 min的反应,可以将初始浓度100 ppm的苯胺降解98.4%,苯胺相应的一级反应速率常数为0.0342 min-1,分别是在ZnIn_(2)S_(4)、Pd/ZnIn_(2)S_(4)和Au/ZnIn_(2)S_(4)表面的10.6、5.5和3.7倍。研究了溶液的pH值、苯胺的初始浓度、光催化剂的浓度和不同的牺牲试剂对光催化降解苯胺性能的影响,并考察了AuPd/ZnIn_(2)S_(4)光催化降解真实石化污水的性能。

Co3(PO4)2/Ta3N5纳米花的控制合成及光催化解水析氢性能

本文以TaCl5为钽源,经水热、高温氮化、光沉积过程制得Co3(PO4)2/Ta3N5纳米花。考查了Co3(PO4)2修饰量对样品光生载流子分离效率的影响规律;在Co3(PO4)2修饰量为2 wt%时,样品光电流为0.561 μA∙cm−2,是Ta3N5纳米花(0.1 μA∙cm−2)的5.61倍,载流子分离效率明显提升。表面修饰Co3(PO4)2后,形成Co3(PO4)2/Ta3N5局域异质结构;增强了样品在可见光区域的光吸收性能,降低了HER和OER过电位。在模拟太阳光照射下,样品光催化解水产氢活性为417.6 μmol∙g−1∙h−1,明显高于未修饰的Ta3N5样品(165.4 μmol∙g−1∙h−1)。

Bi_(2)WO_(6)-Cu_(2)S复合材料的制备及其有机物降解应用

针对传统光催化剂可见光利用率低下以及体相/界面光生电子-空穴复合严重难题,利用水热法制备二维结构的Bi2WO6纳米片,为进一步改善光吸收,基于能级匹配原则,通过水热法在二维Bi2WO6纳米片表面原位生长Cu2S构建Bi_(2)WO_(6)-Cu_(2)S异质结,基于二维Bi2WO6纳米片优良的压电性能以及Bi_(2)WO_(6)-Cu_(2)S异质结良好的光吸收及载流子传输性能,构建光-电-压电三种效应协同催化体系,探索最优降解实验条件,并成功用于水中罗丹明B的降解中。结果表明在光-电-压电效应协同作用下,设计的Bi_(2)WO_(6)-Cu_(2)S对罗丹明B的降解率在40 min内达到87%,为利用光电催化和压电催化的协同作用设计独特的异质结结构开辟了一条新途径。

拓展光催化材料光谱响应的研究进展

光催化技术在解决能源短缺和环境污染问题方面有重要的应用前景,引起了人们的广泛关注。宽光谱响应和高量子效率是实现光催化材料大规模应用的前提。本文介绍了近年来紫外、可见和近红外光催化方面的最新进展,阐述了拓展光响应范围和促进载流子分离的有效途径,总结了光催化材料发展所面临的问题,并对其发展趋势进行了展望。

高效光催化材料的设计与制备

光催化技术是解决能源短缺和环境污染问题的最有效解决途径之一,近期引起了世界各国科学家们的广泛关注。然而,目前光催化材料较低的转化效率,严重制约了光催化技术的进一步发展和实际应用。因此,设计和制备新型高效光催化材料具有重要意义。我们基于材料晶体结构设计,并结合材料微结构调控和制备技术,从拓展光催化材料的光吸收范围和提高光生载流子分离效率两个制约光催化效率的最主要问题入手,提出了一些新型高效光催化材料的设计理论和制备方法。主要围绕表面等离子体光催化材料、红外光催化材料、极性光催化材料等几种新型光催化材料,对材料设计理论、制备方法、结构与性能之间的关系及光催化微观机理几个方面进行了详细讨论。

金属氧化物异质结气体传感器气敏增强机理

金属氧化物异质结由于费米能级效应、不同组分之间的协同作用,常被用来提高电阻型金属氧化物半导体气体传感器的气敏特性。本文简述了近年来国内外金属氧化物异质结材料的类别,主要分为混合氧化物结构、层状结构、第二相粒子修饰结构、一维纳米结构和核-壳结构;重点综述了金属氧化物异质结的气敏增强机理,包括异质结效应、协同效应、催化溢流效应、响应反型、载流子分离及微结构调控六大机理;分析了当前异质结气体传感器面临的瓶颈。最后对纳米异质结气体传感器的发展进行了展望,今后金属氧化物异质结气体传感器可以从明确异质结界面机理展开,这将为自下而上地设计出符合实际需要的气体传感器提供一定参考。

立方相GaN的持续光电导

研究了金属有机物化学气相外延 (MOVPE)方法生长的非故意掺杂的立方相 Ga N的持续光电导效应 .在六方相 Ga N中普遍认为持续光电导效应与黄光发射有关 ,而实验则显示在立方 Ga N中 ,持续光电导效应与其中的六方相 Ga N夹杂有关系 ,而与黄光发射没有关系 .文中提出 ,立方相 Ga N与其中的六方相 Ga N夹杂之间的势垒引起的空间载流子分离是导致持续光电导现象的物理原因 .通过建立势垒限制复合模型 ,解释了立方相 Ga N的持续光电导现象的物理过程 ,并对光电导衰减过程的动力学作了分析 .对实验数据拟合的结果证明以上的模型和推导是与实验相符的 .

固溶体光催化材料的研究进展

掺杂能够实现传统宽带隙半导体光催化材料的可见光响应,但引入的局域杂质能级易成为载流子的复合中心,降低材料的光催化活性。固溶体方法可以实现带隙和带边位置的精确调控,使材料的光吸收和氧化还原电位达到最佳平衡,是改善其光催化性能的有效方法。本文结合我们课题组近些年来的研究,从固溶体方法对半导体光催化材料带隙和带边位置的调控以及对载流子分离和迁移等性质的影响出发,概述了近年来该领域的最新研究进展,总结了固溶体方法在发展中所面临的主要问题,并对其发展趋势进行展望。

压电效应增强光电催化的研究进展

通过光催化及光电催化将太阳能直接转化为化学能,已成为能源循环利用和环境修复领域的研究热点,但其转化效率受到光生载流子快速复合的制约.压电效应是解决上述问题的最有效的策略之一,能够有效促进光电催化.该文综述压电效应增强光电催化的研究进展,阐述压电材料的特性以及导致载流子分离的内置电场的产生机理,概述产生压电势的机械力以及材料尺寸对内建电场的影响,介绍压电光电催化材料的结构与性能,展望提升压电效应增强光电催化性能和效率的新途径.

光催化制氢研究进展

光催化制氢作为一种具有前景的能源转化方式,受到了广泛关注。但是光催化过程中的三个步骤(光吸收、载流子分离、表面反应)效率较低,目前难以实现工业应用。研究者们对光催化的机理进行了深入研究,并提出了多种策略来调节半导体光催化剂的物理化学性质,以期有效提高光催化剂对可见光的吸收,降低光生载流子的复合,加速表面反应。上述策略包括:制造缺陷、局域表面等离子体共振、元素掺杂、异质结构建、助催化剂负载等。深入研究上述改性策略能够为设计制备高效稳定的光催化剂提供指导。因此,本综述聚焦于优化光吸收、载流子分离、表面反应的机理和改性光催化剂的制氢应用,并对构建高效制氢光催化剂的趋势做出了展望。

Ag/AgCl/BiOIO_3三元复合物光催化剂的性能增强机制（英文）

半导体光催化技术是一种环境友好技术,它既能在温和条件下应用于环境领域——利用光能降解有机和无机污染物,又可应用于能源领域——将低密度的太阳能转化为高密度的洁净能源,因而在解决环境污染和能源匮乏问题方面展现出巨大的应用潜力.最近,一种新型Bi基光催化剂,Bi OIO3,表现出优异的紫外光催化性能.它由层状[Bi2O2]2+和[IO3]-组装而成,带隙为3.1 e V左右.然而,其较大的带隙限制了其对太阳光的利用.近年来,多种方法如金属掺杂、非金属掺杂、半导体复合、光敏化改性和加氢处理被用来提高半导体的光催化效率.其中,以Ag/AgX(X=Cl,I和Br)作为助催化剂可提高体系的可见光吸收和载流子的分离能力,从而增强光催化性能.基于此,我们设计并合成了一种新型的三元光催化剂.首先采用水热法合成了Bi OIO3纳米片,然后在室温条件下原位引进Ag/Ag Cl,制备了Ag/Ag Cl/Bi OIO3三元异质结构.与Ag/Ag Cl和纯的Bi OIO3相比,该三元Ag/Ag Cl/Bi OIO3复合物光催化剂对NO表现出优异的可见光光催化去除性能.本文采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描式电子显微镜(SEM)、电化学测试(光电流和阻抗谱)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)等表征手段研究了Ag/Ag Cl/Bi OIO3光催化性能增强的机制.SEM结果表明,制备的Ag/Ag Cl/Bi OIO3三元复合物为纳米颗粒和纳米片形貌,Ag/AgC l的引入对Bi OIO3形貌影响不大.XRD和XPS测试结果表明,与纯的Bi OIO3相比,随着Ag/AgC l的加入,复合物的峰位置发生了明显位移,表明Ag,AgC l和Bi OIO3三组分间存在强的相互作用.光电流响应图谱表明,随着Ag/Ag Cl的加入,Ag/Ag Cl/Bi OIO3的光电流强度明显增强,同时阻抗谱的圆弧直径明显减小,表明电子和空穴的分离能力增强.UV-Vis图谱中,Bi OIO3在可见光区几乎没有吸收,而三元复合物表现出明显的可见光吸收,且随着Ag/AgC l量的增加,复合物的可见光吸收增强,该吸收归结于复合物中Ag的表面等离子体吸收.结合之前报道的光催化剂体系如Ag/Ag Cl和Ag/Ag Cl/Ti O2,我们提出了Ag/Ag Cl/Bi OIO3复合物光催化剂性能增强的机制.在可见光照射下,Ag0因其表面等离子体吸收而产生电子空穴对.由于功函数不同,Ag和Bi OIO3之间形成肖特基势垒.电子从Ag0表面转移到Bi OIO3的导带上,Bi OIO3导带上电子的电势不足以把O2氧化成·O-2,但电子能以多电子的形式与O2和H+生成水.同时,Ag0表面的空穴能将AgC l表面的Cl-氧化成Cl0.光照诱导AgC l表面的部分Ag+离子被还原,所以AgC l粒子的表面带负电荷.Cl0是活性自由基,能够氧化去除NO,反应之后自身被还原成Cl-.由此可见,在三元复合光催化剂中,Ag0在可见光照射下因其表面等离子体效应产生电子空穴对,随后Bi OIO3有效地分离了光生载流子,使得复合材料能有效地利用光生电子和空穴.故三元Ag/Ag Cl/Bi OIO3复合物光催化剂增强的光催化性能可归结于Ag的表面等离子体吸收和Bi OIO3的载流子分离能力.该结果有助于设计和制备具有优异的光催化性能的Bi OIO3基材料.

光电催化二氧化碳还原研究进展

CO2是最常见的化合物,作为潜在的碳一资源,可用于制备多种高附加值的化学品,如一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸等。传统的热催化转化CO2方法能耗高,反应条件苛刻。因此,如何在温和条件下高效地将CO2转化成高附加值的化学品,一直以来是催化领域的研究热点和难点之一。光催化技术反应条件温和、绿色环保。然而,纯光催化反应普遍存在太阳能利用效率有限,光生载流子分离效率低等问题。针对上述问题,在光催化的基础上引入电催化,可以提高载流子的分离效率,在较低的过电位下,实现多电子、质子向CO2转移,从而提高催化反应效率。总之,光电催化技术可以结合光催化和电催化的优势,提高CO2催化还原反应效率,为清洁、绿色利用CO2提供了一种新方法。本文依据光电催化CO2还原反应基本过程,从光吸收、载流子分离和界面反应等三个角度综述了光电催化反应的基本强化策略,并对未来可能的研究方向进行了展望。

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.

ZnO修饰提升花状BiOBr的可见光催化降解罗丹明B性能

以Bi(NO_(3))_(3)·5H_(2)O、Zn(CH_(3)COO)_(2)·2H_(2)O和NaBr为前驱体,采用简单溶剂热法制备BiOBr/ZnO三维花状微纳米复合材料。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光子能谱、N_(2)吸附-脱附、光致发光和电子顺磁共振等分析技术对其理化性质进行了表征。通过可见光催化降解罗丹明B(RhB)的实验测试了复合材料的光催化性能。结果表明ZnO含量为5%的BiOBr/ZnO光催化活性最优,RhB降解率在50 min后达到98.3%,其降解速率常数是纯ZnO和BiOBr的6.3倍和3.4倍,并且具有较高的稳定性。复合材料光催化性能增强的可能原因为ZnO的引入增强了可见光的吸收和光生载流子的电荷分离效率。