基于α-Fe_(2)O_(3)的Z型异质结光催化剂研究进展

基于2种及以上半导体材料合理构建异质结构,可以整合多种组分的优势,促进光生载流子分离,扩大光吸收范围并保留光催化剂的高氧化还原能力,在太阳能利用和转换过程中有巨大的潜在应用。赤铁矿(hematite,α-Fe_(2)O_(3))具有含量丰富、带隙合适和理论析氢效率高等多种优点,α-Fe_(2)O_(3)异质结构的构建一直是重要的研究方向。本文首先简要概述了光催化机理和异质结类型,尤其着重介绍了具有独特的光生载流子流动途径和优异光催化性能的Z型异质结;接着系统评述了近年来基于α-Fe_(2)O_(3)构建Z型异质结系统的热门光催化材料,并对未来有待进一步研究和解决的科学研究方向做一展望。

2D/3D AgIO_(3)/BaTiO_(3)Z型异质结光催化剂的制备及其降解罗丹明B性能研究

作为一种典型的钙钛矿结构半导体,BaTiO_(3)因其具有良好的物理化学稳定性及铁电极化电场,在光催化领域受到了广泛的关注.然而,纯相BaTiO_(3)的光吸收能力比较差并且其光生电荷的复合率仍较高.构建异质结被认为是一项促进载流子分离的有效策略.本文结合水热法及室温沉淀法制备了一系列不同摩尔比的2D/3D AgIO_(3)/BaTiO_(3)复合光催化剂,并以300 W氙灯照射下降解有机染料罗丹明B评价其光催化性能.结果表明,当AgIO_(3)与BaTiO_(3)的摩尔比为1时,样品具有最佳的降解效率,其降解反应速率是BaTiO_(3)的51.3倍,是AgIO_(3)的9.9倍.基于光电化学与荧光光谱的分析结果,这被归因为AgIO_(3)/BaTiO_(3)Z型异质结的形成提高了光生载流子的分离效率,有效抑制了光生电子-空穴复合,并且2D和3D的微观结构提供了丰富的活性位点,进一步促进了光生载流子的快速迁移.此外,循环实验表明随着循环次数的增加而降解性能有所提升并趋于稳定,这是由于复合光催化剂中的AgIO_(3)在光催化降解中被部分分解为Ag和AgI,Ag和AgI的生成进一步促进了光生载流子的分离以及光催化剂的光吸收能力,从而一定程度上改善了样品在循环后的光催化性能.本研究为设计和构筑高效异质结复合光催化剂提供了新思路.

浅谈LaNiO3/ZnIn2S4异质结光催化剂的原位合成法制备、表征及其光解水产氢性能测试综合实验

通过简单原料(硝酸镧、硝酸镍、聚乙烯吡咯烷酮和甘氨酸)利用溶剂热法制备出LaNiO3纳米棒,并在水热法合成ZnIn2S4的过程中引入LaNiO3,从而原位合成LaNiO3/ ZnIn2S4异质结光催化剂。并通过XRD、SEM和DRS表征催化剂的晶型结构、微观形貌和光吸收性能。以光解制得的水制水制取的氢气为模式,对其可见光催化活性进行评估。利用这个试验,可以让学生对在可控备的过程中,常见的水热方法和现场制备方法进行比较,同时,还可以对产品进行结构表征与光催化活性的测试,这有助于深化学生对于光催化材料的结构与性质的认识。能更好的锻炼学生综合实验的操作技能,培养学生的研究兴趣和提升创新思维能力。

Ti_(3)C_(2)/NH_(2)-MIL-125(Ti)复合光催化剂制备及其还原Cr(Ⅵ)性能研究

构建异质结复合光催化剂促进光生电荷的分离是提升半导体光催化活性的有效途径。本研究通过一步溶剂热法在NH_(2)-MIL-125(Ti)的合成过程中引入Ti_(3)C_(2)制得Ti_(3)C_(2)/NH_(2)-MIL-125(Ti)复合光催化剂,利用X射线衍射、扫描电子显微镜、光致发光谱图、光电流响应研究了催化剂的晶相结构、形貌及其光生载流子的分离效率,并考察了可见光光催化还原Cr(Ⅵ)的性能。结果表明,制得的复合光催化剂在光照60 min后对Cr(Ⅵ)的去除率可达100%,是纯NH_(2)-MIL-125(Ti)的2.5倍。这归因于具有良好导电性的Ti_(3)C_(2)纳米片为光生载流子提供了一个快速通道,加速了复合材料中电子的传输和迁移。

SrTiO_(3)基异质结光催化剂的研究进展

钛酸锶(SrTiO_(3))作为一种具有良好的物理化学稳定性、环境友好特性和较高氧化还原性质的光催化材料而受到广泛的关注。然而SrTiO_(3)较高的光生载流子复合率和较低的光响应范围又极大地限制其在光催化领域的应用。文章概述了SrTiO_(3)的光催化机理,重点介绍了通过构筑SrTiO_(3)基异质结构的改性手段以及几种常见的异质结种类,最后对SrTiO_(3)基异质结的发展前景进行了展望。

Ag_3PO_4/Co_3O_4异质结光催化剂的制备及其光催化性能研究

采用简单沉淀法制备Ag_3PO_4、Ag_3PO_4/Co_3O_4异质结光催化剂,并研究两者的比例对异质结型光催化剂性能的影响。研究发现:加入Co_3O_4不会显著增强Ag_3PO_4的光催化活性;只有当Co_3O_4与Ag_3PO_4的摩尔比为1∶5时,其光催化性能最佳。此外,活性基团实验也表明:空穴在罗丹明B的光降解过程中发挥主要作用。

MoS_(2)/Bi_(2)Se_(3)异质结的制备及其光致发光性能研究

二硫化钼(MoS_(2))是一种典型的二维材料,因其具备高电子迁移率、可调的带隙和高光吸收度等优异性能被广泛应用于光电子领域.二维硒化铋(Bi_(2)Se_(3))拥有随层数变化的特殊表面态.单层MoS_(2)和多层及少层Bi_(2)Se_(3)薄膜构筑成异质结构时,其光致发光性质可能发生显著改变.该文利用气相沉积法成功制备了单层MoS_(2)单晶和5层及较厚的Bi_(2)Se_(3)薄膜,并通过转移法成功构筑了基于5层及较厚的Bi_(2)Se_(3)薄膜的MoS_(2)/Bi_(2)Se_(3)垂直异质结.在此基础上,结合拉曼、光致发光(PL)测试技术,对两种异质结中的激子发光、界面间相互作用和电荷转移进行了研究,发现基于5层Bi_(2)Se_(3)的MoS_(2)/Bi_(2)Se_(3)异质结具有PL显著增强现象,而基于较厚的Bi_(2)Se_(3)的MoS_(2)/Bi_(2)Se_(3)异质结的PL却明显减弱.研究结果表明二维Bi_(2)Se_(3)随层数可变的表面态对MoS_(2)的光学性能具有显著的调制效应.

2D WO_(3)/Ag:ZnIn_(2)S_(4)Z型异质结复合物的构筑及可见光催化性能

通过水热法原位构筑了2D WO_(3)/Ag:Zn In_(2)S_(4)Z型异质结复合物,采用XRD、XPS、UV-Vis DRS、N2吸附-脱附、PL对其进行了表征和光电性能测试。采用可见光照射评价了2D WO_(3)/Ag:Zn In_(2)S_(4)Z型异质结复合物光解水制氢和光降解甲基橙(MO)的催化性能。结果表明,在2D WO_(3)/Ag:Zn In_(2)S_(4)Z型异质结复合物中,随着Ag:Zn In_(2)S_(4)质量分数的增加,光催化性能呈先增加后减小的趋势。当Ag:Zn In_(2)S_(4)的质量分数为35.0%时,制得的WO_(3)/35.0%Ag:Zn In_(2)S_(4)的比表面积、孔体积和孔径分别约为WO_(3)纳米片的2.4、2.6和1.0倍,表现出最佳光催化性能,制氢速率[158.93μmol/(g·h)]与MO降解速率(0.18 min^(-1))均优于WO_(3)纳米片,这主要归因于原位负载Ag:Zn In_(2)S_(4)形成了独特的Z型异质结结构,延长了光生电荷的传输途径,阻碍了光生电荷的复合,从而增强了光生载流子的氧化还原能力。

双Z型异质结BiOI/MoO_(3)/g-C_(3)N_(4)的构建及其光催化性能研究

通过简单的溶剂热法将半导体MoO_(3)、BiOI与g-C_(3)N_(4)复合,构建双Z型异质结BiOI(x)/MoO_(3)/g-C_(3)N_(4)(x=6.25%、12.50%、18.75%、25.00%,x为BiOI的质量分数)三元复合材料,从HRTEM结果可知样品出现了2种间距分别为0.28 nm和0.33 nm的晶格条纹,结合XRD表征结果可知分别属于BiOI(110)和MoO_(3)(021)晶面,且g-C_(3)N_(4)是非晶态物质,由此表明BiOI/MoO_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料成功复合。UV-Vis DRS分析表明复合样品的带隙变窄,光学响应范围增强,PL和光电化学测试表征说明异质结的存在有效延缓了电子和空穴的复合,在模拟太阳光条件下对染料甲基橙(MO)进行降解并研究其光催化活性,BiOI(18.75)/MoO_(3)/g-C_(3)N_(4)具有较优异的光催化性能和光学稳定性,120 min对30 mg/L MO的降解率达94%,是纯g-C_(3)N_(4)的3.6倍。ESR表征说明BiOI/MoO_(3)/g-C_(3)N_(4)光催化降解的主要活性物质组分为·OH和·O_(2)-,并通过计算BiOI、MoO_(3)和g-C_(3)N_(4)的价带和导带位置,表明3种物质是能带交错结构,推测出三元复合物形成双Z型异质结。BiOI/MoO_(3)/g-C_(3)N_(4)可作为一种有效应用于有机染料污染物降解的可见光响应催化剂,具有应用前景。

mpg-C3N4/BiVO4异质结光催化剂的制备及其降解复方磺胺甲恶唑的效果研究

采用水热合成法制备了典型的手里剑型钒酸铋晶体(BiVO4),利用硬模板法制备了介孔氮化碳材料(mpg-C3N4),运用超声分散的方法将二者复合,制得mpg-C3N4/BiVO4异质结光催化剂。文章考察了其在可见光条件下降解复方磺胺甲恶唑的效果,并探讨了影响降解效果的因素。

g-C3N4基异质结构光催化剂的研究

g-C3N4基异质结光催化剂由于有着独特的电子传导途径能显著提高载流子分离效率,降低光生电子-空穴复合率而成为近年研究的重要研究热点之一。本文综述了g-C3N4基异质结构光催化剂的设计及其特殊的光催化机理的研究进展。最后,阐述了g-C3N4基异质结构光催化剂当下的机遇和未来的挑战。

Bi_(2)S_(3)/BaTiO_(3)复合光催化剂的制备及其光催化性能的研究

由于BaTiO_(3)(BTO)面临着太阳能利用率低、光生载流子快速重组和稳定性差的问题,严重限制其在可见光下降解有机污染物。以BaTiO_(3)为基体采用简单的水热法在其周围制备了不同物质的量比的Bi_(2)S_(3)/BTO p-n异质结,以改善BaTiO_(3)的光催化性能。分别采用XRD、SEM、EDS、TEM、XPS、PL、UV-Vis DR、EIS、瞬态光电流响应等表征手段对样品的结构、形貌、表面价态以及光电性能进行分析。以RhB为模拟污染物,测试了复合材料的光催化活性和稳定性。结果表明,与单组分催化剂相比,Bi_(2)S_(3)/BTO复合材料的催化性能得到了显著提升。在可见光下照射150 min后,对RhB的降解率高达98.7%;经5个循环,降解率仍为86%。通过对光催化剂的机理研究表明羟基自由基、超氧自由基、光生空穴均在光催化反应中起作用,并提出了一种可能的p-n异质结光催化机理。

漂浮型Bi_(2)WO_(6)/C_(3)N_(4)/碳布S型异质结光催化材料用于高效净化水体环境

近年来,水污染成为人类生存面临的巨大危机,如何治理水污染,特别是如何有效去除水体中的抗生素和重金属存在着很多挑战.采用先进、绿色且高效的光催化技术可有效去除水污染,因而受到科研工作者的广泛关注,但粉末状光催化剂易团聚、难分离回收等问题限制了其工业应用.近年来,人们发现将粉末状光催化剂固定在柔性大表面积且电荷传导性能良好的碳布上可以有效克服上述缺点.g-C_(3)N_(4)具有高光还原活性、高稳定性和低成本的优点,因而在环境净化领域具有突出的应用潜力.但单一组分的C_(3)N_(4)/碳布仍存在氧化能力弱、光生载流子分离效率低等问题.将其与高光催化氧化活性且能带位置匹配的Bi_(2)WO_(6)共同构筑具有强内建电场和保留最大氧化还原能力的S型异质结,是一种有效策略,有望开发出高效、可回收的可见光光催化体系.本文以柔性、大的碳布为基底,通过热聚合-溶剂热法将C_3N4和富含氧空位的Bi_(2)WO_(6)原位生长在碳纤维上,制备出了富含氧空位的S型Bi_(2)WO_(6)C_(3)N_(4)/CF布状光催化剂,并用于可见光照射下高效光催化降解抗生素和还原Cr(VI).宏观图像、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)等结果表明,富含氧空位的Bi_(2)WO_(6)和C_(3)N_(4)纳米片均匀地生长在碳纤维上形成了2D/2D/1D分级易回收的布状结构.X射线光电子能谱(XPS)结果表明了Bi_(2)WO_(6)上氧空位、低价氧化态Bi^((3-x)+)和W^((5-x)+)的生成.与C_(3)N_(4)/CF(Bi_(2)WO_(6)CF)相比,Bi_(2)WO_(6)C_(3)N_(4)/CF在可见光照射下的光催化降解盐酸四环素和还原六价铬的效率分别提高了0.5(1.1)倍和30.2(19.8)倍.系统实验证明Bi_(2)WO_(6)C_(3)N_(4)/CF布状光催化剂较好的光催化性能归因于三个方面:(1)碳纤维编织而成的分级Bi_(2)WO_(6)C_(3)N_(4)/CF布结构可以暴露丰富的活性位点、促进污染物的富集以及加强界面电荷转移和空间分离;(2)缺陷工程协同S型光生载流子分离路径促进了电子和空穴的高效分离;(3)柔性可漂浮的布状结构赋予了其良好的易回收性和可循环利用性.此外,该布状光催化剂具有较好的环境普适性和毒性缓释作用,可以在不同影响因素下保持良好的光催化活性且降解中间产物毒性减弱.XPS结果中电子结合能的变化和功函数分析进一步确认了其S型光生载流子分离路径,并通过自由基捕获实验和电子自旋共振波谱仪系统研究了光催化反应机理:Bi_(2)WO_(6)C_(3)N_(4)/CF布状光催化剂通过S型光生载流子分离路径促进了超氧自由基和羟基自由基的生成,在降解盐酸四环素的过程中空穴和超氧自由基为主要活性物种,而在还原六价铬过程中电子和超氧自由基为主要活性基团.综上,本文采用缺陷工程结合碳布基底的S型异质结构筑策略,开发出高性能、易回收、稳定的漂浮型光催化体系,为高效净化水体环境提供了新思路.

一维Fe2O3/α-MoO3异质结的制备及其可见光光催化性能

利用沉积法获得了一维Fe_2O_3/α-MoO_3异质结光催化剂,通过XRD、SEM-EDS、STEM、XPS、UV-Vis-DRS等测试手段对其组成、形貌、光吸收性质进行了表征,同时在可见光区测试了光催化氧化降解罗丹明B溶液的性能。测试结果表明,Fe_2O_3修饰一维α-MoO_3纳米带可将其光响应扩展至可见光区域,提高光催化性能。1wt%Fe_2O_3/α-MoO_3异质结作为光催化剂时,光照40 min后罗丹明B降解率可达到99%,分别是纯α-MoO_3纳米带和纯Fe_2O_3的光催化活性的3.8倍和26倍。

p-n异质结BiVO_(4)/g-C_(3)N_(4)光阳极的制备及其光电化学水解性能

钒酸铋(BVO)可用于光电化学(PEC)水解产氢,但受限于其缓慢的表面水氧化动力学,在电极表面修饰单一的析氧助催化剂达不到理想的性能。本工作在BVO电极表面修饰FeNiO_(x)助催化剂可以显著降低起始电压,增强光电化学性能。此外,沉积g-C_(3)N_(4)后修饰FeNiO_(x)助催化剂得到的光电极具有更优异的性能。厚度适合的g-C_(3)N_(4)纳米片与BVO构成Ⅱ型p-n异质结,有效抑制了光生电子空穴的复合,促进了电极的电荷分离。电化学测试结果表明,沉积了g-C_(3)N_(4)后,电极的电荷分离效率达到88.2%,比BVO/FeNiO_(x)(60.6%)提升了近1.5倍。经过g-C_(3)N_(4)和FeNiO_(x)协同修饰的BVO/g-C_(3)N_(4)/FeNiO_(x)电极,表面电荷注入效率达到了90.2%,同时,在1.23 V(vs.RHE)条件下光电流密度达到4.63 mA·cm^(–2),是纯BVO(1.86 mA·cm^(–2))的2.48倍。本工作为开发制备高性能光阳极提供了一种有效的策略。

g-C_(3)N_(4)/Ag_(2)O复合光催化剂的制备及其近红外光催化性能

通过简易化学合成法制备了g-C_(3)N_(4)/Ag_(2)O_(p-n)异质结复合光催化剂,利用XRD、XPS、SEM、TEM、DRS等对所制复合材料的物相结构、微观形貌及光学性质进行表征,借助近红外光下催化降解罗丹明B(RhB)试验评价其光催化活性,重点探讨了g-C_(3)N_(4)/Ag_(2)O_(p-n)异质结复合材料的光催化降解机理。结果表明,当g-C_(3)N_(4)、Ag_(2)O质量比为1∶16时,所制g-C_(3)N_(4)/Ag_(2)O复合光催化剂具有最佳的近红外光催化性能且活性稳定;h+和·O-2活性自由基在近红外光催化降解过程中发挥了主要作用。

一步水热法制备MoS_(2)/Ni_(3)S_(2)@NF析氧催化剂

采用一步水热法成功制备了MoS_(2)/Ni_(3)S_(2)@NF异质结催化剂.通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对所制备电极的物相和微观形貌进行表征,表面粗糙的核壳MoS_(2)/Ni_(3)S_(2)异质结均匀紧密地分布在镍网(NF)表面.在1 mol·L^(-1)的KOH电解液中,运用线性扫描伏安测试(LSV)、电化学交流阻抗(EIS)、计时电位和计时电流等方法对电极的电催化析氧(OER)性能进行了测试.结果表明,驱动10 mA·cm^(-2)电流密度,仅需134 mV过电势;其Tafel斜率为55.2 mV·dec^(-1);经过15 h计时电位测试,电流密度保持率高达93.5%.在300、400、500 mA·cm^(-2)电流密度连续测试45 h的结果耐久性表明,MoS_(2)/Ni_(3)S_(2)@NF具有较好的大电流密度工作耐久性.

碳酸氧铋复合氮化碳同型异质结光催化降解四环素

以尿素、三聚氰胺为前驱体,采用高温固相法制备了卷曲纳米片状多孔石墨烯型氮化碳g-C_(3)N_(4)(UMCN)同型异质结材料,然后将UMCN与Bi(NO_(3))_(3)、Na_(2)CO_(3)在液相中通过自组装法,制备了BiO_(2)CO_(3)(BOC),又与UMCN复合制备了BOC/UMCN光催化剂,考察了它们对四环素的吸附性能和光催化降解性能,探究了光催化剂投加量、四环素初始浓度、pH、无机阴离子等因素对光催化降解性能的影响,同时采用纯三聚氰胺制备了g-C_(3)N_(4)(记为MCN)进行对比。研究结果表明,MCN和UMCN对四环素基本没有吸附作用,BOC对四环素具有良好的吸附性能,BOC/UMCN对四环素的吸附性能有显著提高。在光催化性能方面,对四环素的光催化性能,依次为UMCN>MCN>BOC。BOC与质量比为30%的UMCN复合形成的光催化剂BOC/UMCN-30,对四环素的去除率最高,达到94.1%,吸附去除率为49.7%,光催化降解率为44.4%。该复合光催化剂对四环素的去除,是吸附和光催化降解协同作用的结果。

Z-scheme V2O5-Ag2O/g-C3N4异质结制备及其可见光催化性能

采用原位生长法制备V2O5,并将其与Ag2O/g-C3N4水热复合制备V2O5-Ag2O/g-C3N4复合光催化剂.利用XRD、FT-IR、SEM和UV-Vis DRS等方法对样品的形貌结构及光学性质进行表征.结果表明,V2O5成功掺杂在Ag2O/g-C3N4上,与Ag2O/g-C3N4相比,复合材料对可见光的吸收范围增大;在可见光照射180min后,V2O5掺杂量为15%的复合材料对亚甲基蓝(MB)的降解率达到99.10%.经过3次循环降解后,复合材料对MB的降解率保持85%以上,表明其具有良好的稳定性.通过掩蔽实验推测,空穴(h^+)是光催化体系中主要的活性物质,其光催化性能增强的机理是Ag2O与g-C3N4复合界面形成p-n异质结,并与V2O5之间的复合过程符合Z-scheme可见光驱动机制,有效阻碍了光生电子-空穴对的复合,促进活性物质的产生.

In_(2)O_(3)/ZnIn_(2)S_(4)异质结的制备及其降解有机染料性能研究

为了降低光生载流子的复合、提高光催化性能,采用水热晶化法制备了纳米薄片状In_(2)O_(3)与花球状ZnIn_(2)S_(4)异质结催化剂,并应用于光催化降解有机染料罗丹明B。结果表明,相比于纯In_(2)O_(3)和ZnIn_(2)S_(4)催化剂,In_(2)O_(3)/ZnIn_(2)S_(4)催化剂的活性有较大程度的提升;In_(2)O_(3)和ZnIn_(2)S_(4)质量比为1∶1的催化剂具有最好的光催化降解效果,光催化降解135 min时罗丹明B的降解率达到90.0%;其光催化反应的速率常数是纯ZnIn_(2)S_(4)的1.9倍,且符合拟一级动力学。In_(2)O_(3)/ZnIn_(2)S_(4)优异的光催化活性归因于In_(2)O_(3)和ZnIn_(2)S_(4)之间形成了异质结,加速了光生载流子迁移与分离。