非金属掺杂改性g-C_(3)N_(4)光催化降解水中有机污染物的研究进展

近年来,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))以其合适的带隙宽度、丰富的活性位点和成本低廉等优点,成为新兴的可见光响应非金属光催化剂,被广泛应用于光催化降解有机污染物领域。然而,纯g-C_(3)N_(4)对可见光的吸收效率较低且光生电子和空穴复合速率快,导致其光催化活性处于较低水平。基于g-C_(3)N_(4)的非金属特性,通过非金属掺杂可以有效提高g-C_(3)N_(4)的光催化性能,引起了学者们的广泛关注。本文介绍了目前非金属掺杂g-C_(3)N_(4)复合材料常见的制备方法,着重归纳了不同类型的非金属掺杂g-C_(3)N_(4)光催化降解水中有机污染物的相关研究进展,探讨其作为光催化剂在可见光条件下降解有机污染物的相关机理。最后,提出目前g-C_(3)N_(4)基复合材料在光催化降解水中有机污染物中所面临的挑战,旨在为非金属掺杂g-C_(3)N_(4)耦合光催化在水中有机污染物降解方面提供参考。

非金属掺杂g-C_(3)N_(4)光催化的研究进展

近年来,石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))材料作为光催化剂受到了科研工作者们的广泛关注。未改性的氮化碳具有一定的可见光吸收性能,热稳定性好、合成工艺简单,但存在导电性较差、光生载流子再复合速率高、比表面积小等问题亟待解决。对其进行非金属掺杂是一种重要的材料改性策略,广泛应用于石墨相氮化碳材料的结构调控及催化性能提升。从非金属掺杂角度出发,以元素掺杂种类、数量作为分类标准,对近年来非金属掺杂石墨相氮化碳的研究成果进行了综述,总结了其在光催化方向应用的研究进展,并对其未来发展进行了展望。

非金属掺杂对降低电解水制氢能耗的机理研究

理想的高效析氢电极材料应具有析氢过电位低、电催化活性高、导电性好、电化学稳定性好以及抗腐蚀性强等特点。铂族类金属被认为是目前最好的电催化剂,他们能够在非常接近热力学反应电动势的电压下实现析氢反应。但其稀缺性和昂贵的成本严重制约了它们的商业应用。因此,对于由高丰度元素组成的电催化剂的设计与制备成为当前析氢反应的研究热点。增加催化剂材料的活性位点数目和提高材料本身的导电性是优化金属硫属化合物电催化剂材料析氢性能拟解决的关键问题。

非金属掺杂的g-C_(3)N_(4)光催化材料制备及应用研究进展

随着对光催化基础理论与应用技术研究的不断深入,由可见光驱动的新型光催化剂在制备、性能机理及应用等方面的了解均取得了一定进展。石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4)),作为一种化学性质稳定的非金属材料,因环境友好和可塑性强等优点倍受国内外学者关注。近年来,有关g-C_(3)N_(4)基材料在光催化领域的应用探索发展迅速。其中,以非金属元素掺杂策略尤为突出,已成为材料科学和环境化学等学科的研究热点。为了对相关研究进行及时梳理和归纳,本文以近年来非金属掺杂改性的g-C_(3)N_(4)基光催化材料的研究现状为主线进行了总结综述,系统地讨论了非金属掺杂g-C_(3)N_(4)的制备方法及其在光催化领域的应用,并对其未来的发展方向提出了展望,如光电催化、光热催化以及压电光催化等领域的应用将进一步被挖掘。

可见光响应型非金属掺杂TiO_2的研究进展

综述了各种非金属 (N、S、C、B)掺杂TiO2 在可见光范围的响应 ,以及N和F共掺杂TiO2 、N和La3 + 共掺杂TiO2 、B与Ni2 O3

非金属掺杂的第二代二氧化钛光催化剂研究进展

寻求廉价、环境友好并具有可见光光催化活性的第二代光催化剂将是光催化发展进一步走向实用化的关键。氮掺杂的TIO2是新发现的具有可见光光催化活性的复合光催化剂,非金属掺杂可以使复合物的复合禁带宽度小于TIO2的禁带宽度,从而使TIO2的吸收边向可见光移动。对TIO2的氮、碳、硫、卤素掺杂国内外研究现状进行了系统评述,分析了提高TIO2可见光活性的原因,指出非金属元素特别是氮元素的阴离子掺杂是在不降低紫外光催化活性的基础上实现可见光响应的较好方法。

采用第一性原理研究非金属掺杂BiOCl的电子结构和光吸收性质

基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了不同浓度Br和I掺杂BiOCl体系的能带结构、态密度、形成能和光学性质.研究结果表明,由于Br的4p和I的5p轨道作用,Br和I掺杂可在一定程度上降低BiOCl的禁带宽度,拓宽BiOCl的光吸收范围.Br和I掺杂BiOCl的形成能计算结果表明,Br掺杂BiOCl的稳定性高于I掺杂体系.对于B,C,N,Si,P和S掺杂BiOCl体系,掺杂能级的形成主要由掺杂元素的np轨道贡献,使BiOCl吸收带边红移至可见光区.而S掺杂则位于价带顶位置,有效地降低了BiOCl禁带宽度,使BiOCl响应波长出现红移,且未形成中间能级,不易成为俘获陷阱,因此S掺杂将是一种提高BiOCl可见光光催化活性的改性方法.

MOFs衍生非金属掺杂多孔碳基氧还原电催化剂的研究进展

概述了MOFs衍生的非金属元素掺杂多孔碳材料在电催化氧还原领域中的应用现状,探讨了其面临的问题及解决途径,并展望了其未来发展方向。

非金属掺杂TiO_2的可见光活性及机理研究进展

光催化剂TiO_2因其大禁带宽度(E=3.2 eV),致使不能有效地利用太阳能,因此研究开发可见光响应的TiO_2就成为当前光催化剂研究的关键课题。非金属掺杂可使TiO_2响应可见光,文章综述了各种非金属(N、S、P、C、B和卤素)掺杂TiO_2光催化剂在可见光范围的响应、光催化性能以及它们可能的响应机理,提出了可见光响应型光催化剂现存的问题和发展方向。

非金属掺杂石墨相氮化碳光催化的研究进展与展望

自从Fujishima和Honda利用TiO2光阳极和Pt电极成功实现太阳能光电化学分解水之后,光催化被认为是解决环境污染和能源短缺两大问题最有前景的方法之一,因为该技术可以有效的利用太阳能这种地球上最丰富的能源来驱动多种不同的催化反应实现能源生产和环境净化,比如:水分解、CO2还原、有机污染物降解和有机合成等。除了金属氧化物、金属硫化物和金属氮氧化物等多类金属化合物半导体光催化剂,近几年,石墨相氮化碳(g-C3N4)因其原料来源广泛、无毒、稳定以及相对较窄的带隙(2.7 eV)而具备可见光响应等特点,在光催化领域获得了广泛的重视。然而,gC3N4对太阳光谱中可见光的吸收效率较低且光生电子和空穴复合严重,导致其光催化活性处于较低水平。至今,研究人员已经开发出多种提高g-C3N4光催化活性的方法,如元素掺杂、微纳结构和异质结构设计和助催化剂修饰等。元素掺杂被证明是调节g-C3N4独特电子结构和分子结构的有效方法,可以大幅扩展其光响应范围,并促进光生电荷分离。特别地是,非金属元素掺杂以提高g-C3N4的光催化活性已经得到很好的研究。通常用于掺杂g-C3N4的非金属元素是氧(O)、磷(P)、硫(S)、硼(B)、卤素(F、Cl、Br、I)和其他非金属元素(如碳(C)和氮(N)自掺杂),因为这些非金属元素有着易于获取的原材料并可以较为简单的引入g-C3N4骨架结构中。在这篇综述文章中,作者首先介绍了g-C3N4的结构和光学性质,接着简要介绍了光催化剂的g-C3N4的改性;然后详细回顾了非金属掺杂改善g-C3N4光催化活性的进展,同时总结了光催化机理以期更好地理解光催化的本质并指导新型g-C3N4光催化剂的开发。最后,对g-C3N4光催化剂的后续研究进行了展望。

非金属掺杂改性纳米TiO2光催化性能研究进展

详细综述了近年来非金属掺杂TiO2光催化的最新进展,总结梳理了N、C、P、S、B、F、Cl、Br、I及非金属共掺杂元素对TiO2光催化降解有机污染物的影响,同时对不同掺杂纳米TiO2晶体结构及光谱响应机制进行了比较和探讨。不同类型非金属元素的原子半径、晶体结构、掺入量都会对改性TiO2的能级结构和带隙宽度产生差异,进而其对不同有毒有害污染物的光催化性能产生不同影响,需要综合考虑。通过非金属掺杂改变纳米TiO2的能级结构,增大TiO2表面的活性点位,提高其光催化性能,实现有毒有害污染物的彻底降解,从而达到净化环境的目的。

非金属掺杂对磷烯几何与电子结构的影响

研究了B,C,N,O和F在P位掺杂磷烯的几何结构变化、稳定性差异、能带结构和态密度.发现:B,C和N掺杂磷烯时,与近邻磷原子的键长都呈现出缩短的现象;O和F掺杂磷烯时,与一个近邻磷原子的键长呈现出增长的现象,增长率达到45%以上.B,C,N,O和F掺杂磷烯体系都有较好的稳定性.同时,磷烯的能带结构可以通过掺杂B,C,N,O和F等进行调控,而杂质能级的出现有利于磷烯体系电子导电性能的增强.C,N,O和F掺杂体系的态密度在费米能级处出现1个峰值,表明体系电学性能的增强.

非金属掺杂TiO2催化剂的制备及可见光诱导活性

通过金属及非金属离子掺杂改性、离子注入以及染料光敏化等方法可以将只能紫外光激发的TiO2光催化反应红移到可见光区域进行，近年来国内外在非金属掺杂TiO2可见光催化剂研究取得了积极进展。本文主要对N掺杂和C掺杂TiO2的制备方法进行了介绍，同时对其掺杂的非金属存在形态及掺杂机理作了理论分析。

非金属掺杂石墨氮化碳复合材料光催化协同活化过一硫酸盐降解有机污染物的研究进展

石墨氮化碳(g-C_(3)N_(4))是一种二维的非金属半导体聚合物,因具有较宽的带隙宽度、丰富的活性位点和原材料合成成本低廉等优点,在协同光催化和活化过一硫酸盐(PMS)降解有机污染物方面具有广阔的应用前景.非金属元素掺杂g-C_(3)N_(4)不仅能克服纯氮化碳可见光利用效率低、比表面积小以及光生的电子-空穴对快速复合等缺点,还能大幅扩展其光响应范围,促进激活PMS的电子迁移,提高催化活性.本文综述了非金属掺杂g-C_(3)N_(4)的制备方法及其耦合光催化和PMS催化降解有机污染物的最新研究进展.此外,针对非金属掺杂g-C_(3)N_(4)光催化协同PMS去除污染物的过程机理进行了简要讨论.最后,提出非金属掺杂g-C_(3)N_(4)复合材料在高级氧化技术中所面临的挑战和机遇,旨在为非金属掺杂g-C_(3)N_(4)耦合光催化-PMS氧化体系在可持续碳催化中的应用提供参考依据.

非金属掺杂活性碳纤维电化学处理模拟印染废水

分别采用磷酸、硼酸、尿素掺杂改性活性碳纤维毡(ACF)(记为PACF、BACF和NACF),研究了改性前后ACF电极的表观结构及电化学性能。结果表明,PACF的孔隙率和比表面积增大,O—P等含氧基团增多,出现更多活性位点,电催化活性增强。以PACF为阴极,采用电化学法处理含活性红X-3B的模拟印染废水。在废水pH=3.0、Na_(2)SO_(4)投加量为50 mmol/L、Fe^(2+)投加量为0.60 mmol/L、电流密度为20 mA/cm^(2)的条件下,反应180 min后,废水脱色率达100%,UV_(254)和COD去除率分别为97.13%和99.02%。重复使用5次后,PACF的性能仍好于ACF。

福建物构所新型非金属掺杂碳材料催化CO_2转化取得新进展

中国科学院福建物质结构研究所王要兵课题组与吴克琛课题组李巧红副研究员合作,在国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、中科院纳米与组装重点实验室等项目基金的资助下,在新型非金属氟掺杂碳材料实现高效CO2转化研究方面取得重要进展。

高氧还原稳定性的非金属掺杂Pt基催化剂制备及其稳定机理研究

近年来,阴极催化剂较低的氧还原稳定性已成为限制质子交换膜燃料电池实际应用与发展的瓶颈。文章以尿素和氯铂酸钾为前驱体,通过简单的无表面活性剂合成方法,得到一种非金属N掺杂的Pt纳米颗粒。物理表征结果清楚地显示了N在Pt晶格内的掺杂导致了Pt纳米粒子的拉伸应变,电化学测试结果表明,这种N掺杂的Pt纳米催化剂具有高的氧还原活性与稳定性,其20000圈循环加速测试后活性衰减仅为商业化Pt/C的14.4%。实验结果表明,通过该合成方法制备的N掺杂的Pt纳米粒子为燃料电池催化剂的实际运用提供了广阔前景。。

非金属掺杂提升铂族金属电催化剂性能

铂族金属(PGM)催化剂被认为是用于能量转换和存储设备(如燃料电池和水电解器)的最佳催化剂之一,但活性和稳定性不足极大地限制了其商业化应用.近年来,非金属原子(氢、硼、碳、氮、磷和硫等)掺杂策略引起了广泛关注,该方法可以对铂族金属的精细电子和配位结构进行调控,从而优化铂族金属的电催化活性和稳定性.非金属掺杂具有独特的优势:首先,非金属的原子半径较小,可以进入铂族金属的间隙位点,为调节铂族金属的电子结构提供了更多的可能性;其次,掺杂的非金属会诱导强电荷转移,并与主体金属产生s,p-d杂化,这与金属-金属合金中的d-d轨道耦合不同;第三,非金属掺杂的铂族金属基催化剂由于具有较强的非金属-金属键,从而表现出较好的耐久性.本文详细探讨了非金属掺杂铂族金属催化剂的合成和应用,并揭示了非金属掺杂的催化机理和构效关系.本文总结了非金属掺杂铂族金属基催化剂在电催化领域的一些代表性进展,讨论了影响催化剂活性和稳定性的关键因素,并介绍了非金属掺杂改善铂族金属基催化剂性能的基本原理.探讨了非金属掺杂铂族金属基催化剂的表征技术和理论方法,其中包括可直接观测到非金属原子的先进成像技术以及原位表征方法,辅助以密度泛函理论以及分子动力学模拟等理论计算方法,以进一步揭示催化剂性能增强机制.详细列举了非金属掺杂铂族电催化剂的合成方法,从气相沉积、高温热解、湿化学合成到电化学原位合成,提供了详尽的合成方案,并提出了针对贵金属活性中心的非金属修饰策略,旨在为未来材料设计提供启示.概述了非金属掺杂铂族金属基催化剂在电催化中的应用,重点揭示了非金属掺杂带来的结构-性能构效关系.在活性方面,非金属掺杂可以从配体效应、应力效应、微应变等方面影响铂族金属的d带重心,从而影响活性位点与反应中间体的吸附,而这种影响作用也因每种非金属的电负性、原子半径、掺杂方式等不同而不同,可通过调控掺杂种类/方式实现精细调控;同时,非贵金属的协同效应可以增强对OH的吸附,抑制活性位点的毒化.在稳定性方面,非金属可以通过与金属形成稳定的金属-非金属键抑制金属的溶解,或者减弱金属与氧的相互作用,防止其被氧化;同时,非金属的掺入可以提高金属的功函数,提高其溶解电位,从而提升催化剂稳定性.最后,本文提出了该类电催化材料面临的机遇和挑战,其中包括:(1)开发更加可控的非金属掺杂策略;(2)更加深入地研究非金属掺杂带来的构效关系;(3)探索新的非金属掺杂催化剂,并进一步拓展到其他催化领域;(4)发展抑制非金属组分溶解的通用策略;(5)重视催化剂在器件层面的性能评估.综上,本文不仅为非金属掺杂贵金属基催化剂进一步的研究提供启示,还为深入理解催化、纳米材料的合成提供参考.

铋基光催化剂的金属或非金属改性研究进展

随着经济的快速增长,环境和能源问题日益突出。太阳能作为一种可再生、环保的能源,受到了许多研究人员的关注,最大限度地利用太阳能资源成为未来的研究热点。众所周知,光催化技术可以将太阳能转化为化学能或电能,为环境污染提供解决方案。因此,半导体光催化技术被认为是解决能源危机和环境问题的最环保的技术之一。铋基半导体材料由于合适的能带结构、丰富的种类、无毒性和低成本,在光催化领域受到欢迎。然而,纯Bi基光催化剂存在光激发电子-空穴对复合效率高、量子产率低和光吸收能力有限的问题,导致光催化性能低。为了克服这些限制,人们设计了各种策略,比如金属或非金属掺杂、金属沉积、异质结构建和诱导缺陷生成来提高它们的光催化活性。在这些策略中,元素掺杂或金属沉积被认为是调整铋基材料能带结构和物化性质的有效方法。这个方法拓宽了光响应范围和提高了光催化性能。这篇综述总结了金属掺杂、非金属掺杂、金属和非金属共掺杂以及金属沉积改性铋基材料的最新研究进展。它也探索了它们在光催化降解污染物和重金属离子、氮气还原、二氧化碳还原、光催化抗菌等各个领域的应用。关于金属掺杂,我们将其分为三类:碱金属或碱土金属掺杂、过渡金属掺杂和稀土金属掺杂,并详细介绍了每种掺杂的优缺点。非金属掺杂则被分为卤素掺杂和非卤素掺杂,并重点研究非金属掺杂对铋基材料的影响。此外,我们还纵向比较了每个元素的优点。结合最近的研究进展,简要介绍了结合金属和非金属元素优点的共掺杂。对于金属沉积,我们主要从肖特基势垒和局域表面等离子体共振(LSPR)效应两个方面介绍了对Bi基材料的影响。最后,我们也呈现了金属或非金属改性Bi基光催化剂目前面临的挑战和前景。

非金属原子掺杂扶手椅型砷烯纳米管的磁电子性质及调控

诱发非磁材料磁性并灵活调控其磁电子性质对于研发高性能磁器件非常重要.基于密度泛函理论(DFT),系统研究了非金属原子X(X=B,N,P,Si,Se,Te)取代性掺杂扶手椅型砷烯纳米管AsANT的结构稳定性、磁电子性质、载流子迁移率以及应变对杂质管磁电子性质的调控效应.计算的结合能和形成能证明了杂质管AsANT-X的结构稳定性,可能在实验中实现.杂质管电子结构的计算表明AsANT-X(X=B,N,P)为无磁半导体,而AsANT-X(X=Si,Se,Te)表现为双极化磁性半导体,磁性源于杂质原子与As之间未配对电子的出现.此外,掺杂可以灵活调控AsANT的载流子迁移率到一个较宽的范围,并且呈现明显的载流子极性和自旋极性.特别是,应变可以导致AsANT-Si在双极化磁性半导体、半-半导体、磁金属和无磁金属之间的多磁相变过渡,这种在无磁态和高磁化态之间的转换可用于设计由应变控制的自旋极化输运的机械开关.本文研究为砷烯的应用提供了新途径.