碳纳米管/半导体复合材料光催化研究进展

碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构,与半导体光催化剂结合能够增强催化剂的吸附能力、提高光催化效率、扩展光响应范围,而且有利于回收催化剂,极大地提高了半导体光催化剂的综合性能。本文首先分析了半导体光催化剂和碳纳米管的特点,总结了碳纳米管增强半导体光催化的机理,然后分别从复合材料制备方法、复合半导体种类和典型的应用三个不同角度,归纳总结了近年来碳纳米管/半导体复合材料光催化的研究进展,最后对其发展趋势作了展望。     

非贵金属助催化剂MXene在光催化领域应用的研究进展

环境友好型半导体光催化是当前最具前景的光催化技术之一,它不仅能够将太阳能转化为化学能以解决能源危机,还可以将污染物降解矿化从而解决环境问题.但是,传统的半导体光催化剂受限于光利用率低、光生载流子复合率高、稳定性较差等几个方面,无法达到理想的光催化效果.在半导体光催化剂上负载助催化剂是提升光催化效率的有效策略之一.负载助催化剂能够增强光生电荷在半导体与助催化剂界面间的传输,提供额外的催化活性位点,增强光捕获能力,因而被广泛应用于光催化剂的改性.目前广泛使用的贵金属助催化剂包括Au,Ag,Pt,Ru等,虽然这些贵金属助催化剂性能优异,但是它们存在储量少和成本高的问题,严重影响其规模化应用.因此,开展高效且成本低廉的非贵金属助催化剂的研究非常必要.近来,一种新型二维过渡金属材料(MXene)因其具有独特的二维层状结构、优异的导电性能、出色的光学和热力学性质而成为催化领域的研究热点.本文综述了有关非贵金属助催化剂MXene在光催化领域的最新研究进展,内容包括:(1)MXene材料的体相与表面结构特性;(2)薄层MXene的制备方法,例如氢氟酸刻蚀法、氢氟酸替代物刻蚀法以及熔融氟盐刻蚀法;(3)MXene基复合光催化剂的合成及改性策略,包括机械混合、自组装、原位氧化等;(4)MXene辅助增强光催化活性机理.论文还重点介绍了MXene作为助催化剂在光催化领域中的应用,包括光催化分解水产氢、光催化CO2还原、光催化固氮以及有机污染物的光催化降解.最后,论文分析了MXene基异质结光催化剂存在的问题与面临的挑战,并对MXene助催化剂的未来发展进行了展望.主要观点包括:(1)关于光催化分解水、空气净化、合成氨领域的研究较少,需要进一步开展;(2)MXene基异质结光催化剂的反应机理仍存在争议,需采用现代化仪器设备(包括原位表征技术)对其进行更为深入的探究;(3)目前,大多数MXene材料的制备都是通过强腐蚀性的氢氟酸或氢氟酸替代物刻蚀,开发环境友好且高效的MXene制备方法迫在眉睫;(4)阐明MXene表面终端基团的作用有助于提升MXene基复合光催化剂的性能;(5)引入新的改性策略如局域表面等离子体共振效应(LSPR)、缺陷调控、单原子催化(SAC)等来提高MXene基光催化剂的催化性能,是未来MXene基复合催化剂的发展方向.     

半导体/石墨烯复合光催化剂的制备及应用

首先分析了石墨烯和半导体光催化剂的特点,以及二者复合后可能具有的优越性质,接着介绍了石墨烯和半导体复合光催化剂的制备方法,归纳了石墨烯增强半导体光催化的机理,然后阐述了复合光催化剂在降解有机污染物、光催化分解水产氢、光催化还原CO2制有机燃料和光催化灭菌四个典型的应用,最后对半导体/石墨烯复合光催化剂未来的发展趋势提出了展望.     

TiO_2/SnO_2复合光催化剂的耦合效应

采用改进的 sol-gel技术制备 TiO_2/SnO_2耦合型半导体光催化剂 ,利用 XRD、气相色谱仪、粒度仪和表面光电压装置等研究了耦合型半导体光催化机理和光催化效率的影响因素 ,并通过降解甲醛探讨其在空气污染治理中的作用 .实验结果表明 ,添加 20％ (mol) SnO_2的复合半导体光催化剂 ,其光催化效率比纯 TiO_2高一倍以上 .据实验结果和粒子紧密堆积原理 ,提出强耦合效应和弱耦合效应的光催化反应模型 ,并用此模型较好地解释了 TiO_2/SnO_2复合型半导体光催化剂的光催化效率随 SnO_2含量变化规律 .     

TiO2/SnO2复合光催化剂的耦合效应

采用改进的sol gel技术制备TiO2/SnO2耦合型半导体光催化剂,利用XRD、气相色谱 仪、粒度仪和表面光电压装置等研究了耦合型半导体光催化机理和光催化效率的影响因素, 并通过降解甲醛探讨其在空气污染治理中的作用.实验结果表明,添加20 ％(mol) SnO2的复 合半导体光催化剂,其光催化效率比纯TiO2高一倍以上.据实验结果和粒子紧密堆积原理,提 出强耦合效应和弱耦合效应的光催化反应模型,并用此模型较好地解释了TiO2/SnO2复合型半 导体光催化剂的光催化效率随SnO2含量变化规律.     

微波场助光催化氧化及其应用

从半导体光催化机理、微波制备光催化剂和微波场助光催化反应等几个方面,简述微波在光催化领域中应用的研究现状和进展,探讨了微波-紫外光的耦合对提高光催化量子效率的作用.     

二氧化钛基Z型光催化剂综述(英文)

TiO_2具有无毒、耐腐蚀、高稳定和低成本等特点,已被广泛应用于光催化领域.然而,TiO_2的禁带较宽,只能吸收仅占太阳光4%的紫外光部分,从而严重限制了TiO_2光催化材料对太阳光的有效应用.目前很多方法被用来提高TiO_2光催化效率,如金属/非金属掺杂、贵金属负载、异质结构建和与碳材料复合等,这些策略在提高光催化剂的光催化效率中,涉及到如何兼顾太阳光利用和光生空穴和电子氧化还原能力两者之间的平衡.通常,半导体禁带宽度越窄,半导体的光谱响应范围越宽、太阳光利用越多,但光生空穴和电子氧化还原能力越弱.因此,想要提高TiO_2的光催化性能,应考虑以下两个方面的平衡:即降低带隙宽度,拓展半导体的光谱响应范围;与之同时使价带电位更正,导带电位更负之间的平衡.然而,这两个点是相互矛盾的,因此很难在单组分光催化剂中同时实现这两点.然而,Z型光催化剂可以同时满足这两点要求,即:降低半导体的带隙,同时使导带更负,价带更正,因为Z光催化系统利用了两种半导体的优势,其电荷转移机制类似于自然界中绿色植物的光合作用,其中的载流子传输途径包括两步激发,类似于英文字母"Z",Z型光催化剂因此而得名.Z型光催化剂既能保留较高还原能力的光生电子和又能保留较高氧化能力的光生空穴,由于Z型光催化剂特有的优点,在光催化领域的应用越来越广泛.本文综述了TiO_2基Z型光催化剂的最新研究进展,其中包括:Z型光催化机理、应用范围和光催化活性改进方法.Z型光催化剂分为传统液相Z型光催化体系,全固态Z型光催化体系,以及最近几年发展起来的直接Z型光催化体系.它们的主要应用包括:光催化分解水产氢、二氧化碳还原制备太阳燃料、有机污染物光催化降解.论文进一步讨论了提高TiO_2基Z型光催化剂性能的方法,包括pH值调控、电子导体选择、助催化剂使用、掺杂改性、组织形貌控制、两种半导体质量比优化等.最后,提出了TiO_2基Z型光催化剂今后面临的挑战和发展前景展望.     

具有异质结的铋系光催化剂研究进展（英文）

由于人类面临的能源危机与环境污染问题日益严重,光催化技术作为最有可能解决这两大问题的技术而备受关注.其中,光催化剂是光催化技术的核心.开发具有宽光谱响应、高载流子分离效率的光催化剂既是研究热点也是难点.铋系光催化剂具有较强的可见光吸收能力.但是,提高铋系光催化剂对入射光的吸收效率、降低光生载流子复合效率仍是提高其光催化活性的关键.目前主要通过以下策略来解决这些问题:(1)贵金属负载,(2)半导体复合,(3)金属/非金属掺杂,(4)碳材料修饰,(5)铋金属负载等.最后还简要探讨了具有异质结的铋系光催化剂的发展趋势及其潜在应用.采用贵金属负载于铋系光催化剂(构建肖特基结),可以通过等离子体共振效应拓宽铋系光催化剂的光吸收范围,同时贵金属还能有效转移半导体上的光生电子,促进光生载流子的有效分离.但是,采用贵金属负载存在昂贵、容易发生团聚等不足.通过半导体之间构建紧密异质结,不仅可以调节所制备复合催化剂的能带结构,满足不同光催化反应的要求,而且由于内电场的存在可以促进光生载流子定向转移,从而提高光生载流子的分离效率.除此之外,通过杂原子掺杂可以在原子层面上构建异质结结构,也能有效抑制光生载流子的复合.近年来,通过与具有较好导电性能的碳材料复合,可以快速转移铋系半导体上产生的光子,提高光催化剂的活性和量子效率.铋纳米颗粒具有与贵金属类似的性能,通过采用铋金属对铋系半导体进行负载也可以发生等离子体共振效应,从而可以提高铋系半导体的活性.最后,作者展望了铋系半导体复合光催化剂发展的三个重要方向:(1)创制非化学计量比的铋系半导体复合光催化材料;(2)通过与还原能力更强的半导体构建复合光催化材料,实现光催化CO_2还原制备有机物和光催化全解水的应用中去;(3)充分利用铋系半导体化合物具有较强氧化能力的优点,将其应用于光催化有机物合成中,比如光催化甲苯类有机物选择性氧化等.     

设计和制备能量转换和环境净化的高效异质结光催化剂

在过去的几十年中,光催化由于具有将太阳能转化为清洁氢化学能和降解各种污染物的广泛应用前景,因而引起了人们广泛关注.近期,很多研究表明,两个具有相匹配电子能级结构的半导体形成接触良好的异质结,可以有效地促进电荷转移和抑制光生电子(e–)和空穴(h+)的复合,从而显著提高光催化剂的活性和稳定性.本文主要讨论了异质结对半导体光催化剂的促进作用;分析了异质结对一些典型光催化剂如TiO2,ZnO和Ag基半导体等光催化性能的影响;讨论了异质结光催化剂的制备方法和对光催化过程影响的基本机理;最后,提出了设计和理解异质结促进光催化反应机理所面临的挑战.     

TiO2／SnO2复合光催化剂的耦合效应

采用改进的 sol-gel技术制备ＴiO2/SnO2耦合型半导体光催化剂,利用ＸＲＤ、气相色谱仪、粒度仪和表面光电压装置等研究了耦合型半导体光催化机理和光催化效率的影响因素,并通过降解甲醛探讨其在空气污染治理中的作用。实验结果表明,添加20％（mol)SnO2的复合半导体光催化剂,其光催化效率比纯TiO2高一倍以上。据实验结果和粒子紧密堆积原理,提出强耦合效应和弱耦合效应的光催化反应模型,并用此模型较好地解释了TiO2/SnO2复合型半导体光催化剂的光催化效率随SnO2 含量变化规律。     

结合(光)电化学方法研究光催化降解污染物反应

半导体光催化在环境保护和未来新能源开发等领域中具有重要的作用和意义. 由于参与光催化反应的主体是光生载流子,并涉及光生电子和空穴的界面转移与复合,(光)电化学方法是研究光催化反应微观动力学和机理的重要手段. 本文主要介绍本课题组应用这类研究方法在液相光催化去污方面所获得的部分研究结果,并对今后研究重点提出了某些看法.     

Recent advances in round-the-clock photocatalytic system: Mechanisms,characterization techniques and applications

Solar energy-driven semiconductor photocatalysis has gathered increasing interest in the field of energy and environmental applications. However, a vital problem that limits its application is that photocatalysis requires a continuous light source to perform redox reaction. The ability of keeping catalytic activity in the dark has been the ultimate goal for the wide application of photocatalysis. More and more efforts have been paid to develop photocatalysts to perform photocatalytic reactions under both light and dark conditions, which is so called “round-the-clock photocatalytic system” (RTCPS). RTCPS with an ability of energy storage can work well under both daytime and nighttime, which widely used in the removal of heavy metal ion, the degradation of organic pollutant, disinfection and hydrogen generation. The important potential of RTCPS necessitate timely reviews of the recent advances to streamline efforts. Thus, this review aimed to summarize the recent advances in RTCPS, including the mechanism, characterization techniques and applications. Moreover, future challenge and research direction on the mechanistic study, material design and potential applications are also discussed.     

基于Ag3PO4的全固态Z型光催化体系研究进展

随着现代工业的迅猛发展,人类面临的能源危机和环境污染问题日益严重.光催化剂技术有望利用太阳能同时解决这两大问题,其关键在于设计高效的光催化体系.传统光催化材料TiO2具有价廉、活性高及稳定性好等优点,然而其带隙宽(Eg=3.2 eV),仅能利用占太阳光谱约4%的紫外光,从而限制其利用太阳能.可见光占太阳光谱的40%以上,因此开发可见光响应的光催化材料成为光催化领域研究焦点.2010年,叶金花课题组报道了Ag3PO4在可见光照射下可高效分解水产氧及降解水体中有机污染物,从而使其迅速成为研究热点.Ag3PO4是目前为止报道的光量子效率最高的可见光响应的催化材料,带隙能在2.3~2.5 eV范围内,其高效的光催化活性归结于其独特的电子结构利于光生电荷的分离及转移.然而,由于Ag3PO4本身易光蚀,稳定性差,必然限制其实际应用.近年来,为在进一步提升Ag3PO4活性的基础上增强稳定性,研究者通过多种方法对其进行修饰,包括贵金属沉积、碳材料修饰、负载及半导体异质复合等.相对于前面几种修饰方法,半导体复合相对高效且成本低.半导体复合主要构成II型异质结构和Z型光催化体系.II型异质结构由于内建电场的存在可以促进光生电荷的定向转移,从而提高光生电荷的分离效率,进而提高光催化活性.然而,这种电荷的定向迁移会降低光生电荷的氧化还原能力.模拟绿色植物的光合作用过程,一种全固态Z型光催化体系应运而生,其是将两种导带和价带位置匹配的可见光驱动的催化剂分别作为光催化系统I(PS I)和光催化系统II(PS II),同时选用导电性能优良的材料(Ag,Au和RGO等)作为电子介体.可见光照条件下,PS I和PS II均被激发产生电子和空穴,PS II导带上的电子通过电子介质与PS I价带空穴复合,一方面抑制了PS I和PS II本身电子和空穴的复合,另一方面保留了PS I导带电子的强还原性和PS II价带空穴的强氧化性.另外,PS I和PS II紧密结合形成具有准连续能级的固-固接触界面,PS II导带上的电子直接与PS I价带空穴复合,形成无电子介体的直接Z型光催化体系.Ag3PO4价带顶相对靠下,氧化能力强,往往作为PS II组分,其与导带顶相对靠上的催化剂(PS I)构成Z型体系,这样Ag3PO4导带电子可与PS I的价带空穴复合,减弱电子对Ag3PO4本身的还原,提高其稳定性;另一方面,Ag3PO4价带空穴可参与氧化反应.基于Ag3PO4的Z型体系主要以Ag作为电子介体,归因于在制备及光催化过程中原位产生的少量Ag可直接作为电子介体.此外,还原氧化石墨烯(RGO)也可作为电子介体,并且其存在可进一步提高Ag3PO4的稳定性.需要指出的是,基于Ag的等离子体共振效应,Ag3PO4基等离子体Z型光催化体系也受到关注.目前,Z型光催化体系处在发展阶段,必然存在一些问题,比如,II型异质光催化体系与直接Z型光催化体系如何区分,有待进一步研究.另外,报道的基于Ag3PO4的Z型体系主要用来光催化降解水体中的有机污染物,催化剂的回收再利用受到限制,今后可开发磁性Ag3PO4基Z型体系,解决回收再利用的问题;另外,通过能带调控,可将基于Ag3PO4的Z型体系多用于光催化产氢、还原CO2及处理有害气体.     

Photophysics and electrochemistry relevant to photocatalytic water splitting involved at solid–electrolyte interfaces

Direct photon to chemical energy conversion using semiconductor–electrocatalyst–electrolyte interfaces has been extensively investigated for more than a half century. Many studies have focused on screening materials for efficient photocatalysis. Photocatalytic efficiency has been improved during this period but is not sufficient for industrial commercialization. Detailed elucidation on the photocatalytic water splitting process leads to consecutive six reaction steps with the fundamental parameters involved: The photocatalysis is initiated involving photophysics derived from various semiconductor properties(1: photon absorption, 2: exciton separation). The generated charge carriers need to be transferred to surfaces effectively utilizing the interfaces(3: carrier diffusion, 4: carrier transport). Consequently, electrocatalysis finishes the process by producing products on the surface(5: catalytic efficiency, 6: mass transfer of reactants and products). Successful photocatalytic water splitting requires the enhancement of efficiency at each stage. Most critically, a fundamental understanding of the interfacial phenomena is highly desired for establishing "photocatalysis by design" concepts, where the kinetic bottleneck within a process is identified by further improving the specific properties of photocatalytic materials as opposed to blind material screening. Theoretical modeling using the identified quantitative parameters can effectively predict the theoretically attainable photon-conversion yields. This article provides an overview of the state-of-the-art theoretical understanding of interfacial problems mainly developed in our laboratory.Photocatalytic water splitting(especially hydrogen evolution on metal surfaces) was selected as a topic,and the photophysical and electrochemical processes that occur at semiconductor–metal, semiconductor–electrolyte and metal–electrolyte interfaces are discussed.     

光催化分解水体系和材料研究

利用太阳光光催化分解水制取氢气是一种环境友好的再生能源制备技术.本文介绍了近年来在光催化分解水方面的一些研究工作,对目前国内外光催化分解水制取氢气和氧气的一些基本评价体系、光催化剂类别进行了整理分类,重点描述了光催化制氢原理、光催化分解水体系、光催化制氢材料类型、光催化设计等工作.对未来光催化分解水的研究工作进行了展望.     

Photocatalytic mechanisms of modified titania under visible light

Heterogeneous photocatalysis with titania under visible light has increasingly been a focus for research. Metal or non-metal doping, surface sensitization, semiconductor coupling, precious metal deposition and increasing crystal defects have been used to enhance the photocatalytic activity of titania under visible light. Based on the research results of different modification methods in recent years, some mechanisms from the excitation, bulk diffusion and surface transfer of photoinduced charge carriers, such as band gap modification, changing the excitation path, promoting the separation of photogenerated charge carrier, improving the surface adsorption and reaction, and synergistic effects, for photocatalysis under visible light are discussed and the development trend in this field is predicted.     

New insight into daylight photocatalysis of AgBr@Ag: synergistic effect between semiconductor photocatalysis and plasmonic photocatalysis

Noble metal nanoparticles (NPs) are often used as electron scavengers in conventional semiconductor photocatalysis to suppress electron-hole (e(-)-h(+) ) recombination and promote interfacial charge transfer, and thus enhance photocatalytic activity of semiconductors. In this contribution, it is demonstrated that noble metal NPs such as Ag NPs function as visible-light harvesting and electron-generating centers during the daylight photocatalysis of AgBr@Ag. Novel Ag plasmonic photocatalysis could cooperate with the conventional AgBr semiconductor photocatalysis to enhance the overall daylight activity of AgBr@Ag greatly because of an interesting synergistic effect. After a systematic investigation of the daylight photocatalysis mechanism of AgBr@Ag, the synergistic effect was attributed to surface plasmon resonance induced local electric field enhancement on Ag, which can accelerate the generation of e(-)-h(+) pairs in AgBr, so that more electrons are produced in the conduction band of AgBr under daylight irradiation. This study provides new insight into the photocatalytic mechanism of noble metal/semiconductor systems as well as the design and fabrication of novel plasmonic photocatalysts.     

全固态Z-Scheme光催化材料应用于二氧化碳还原和光催化分解水研究进展

由两种不同的半导体催化剂和电子传输介质建立的Z-Scheme光催化体系,通过在可见光照射下分别在两种半导体催化剂上进行氧化反应和还原反应,实现两步法光催化分解水和二氧化碳还原.相较于离子型Z-Scheme光催化体系,全固态Z-Scheme光催化体系具有适用范围广、无副反应、光源利用率高等特性,具有更加广阔的应用前景.在此,我们简述了Z-Scheme光催化体系的反应机理,综述了全固态Z-Scheme光催化体系在光催化分解水和光催化还原CO₂领域的应用,并对未来全固态Z-Scheme光催化体系的发展进行了展望.     

A short review on recent progress of Bi/semiconductor photocatalysts: The role of Bi metal

Bi/semiconductor photocatalysts have extensively been applied in the production of hydrogen, CO₂ reduction and environmental remediation in recent years. This short review summarizes the role of Bi metal as a plasma photocatalyst and cocatalyst. As a cocatalyst, Bi metal can be electron/hole trappers, charge transfer mediators, or oxygen vacancy coordinators. In addition, the preparation methods of the Bi/semiconductor photocatalysts are also reviewed. Challenges and future research directions related to Bi/semiconductor photocatalysts are discussed and summarized, including the use of advanced characterization techniques to refine the reaction mechanism, the difficulties of preparing Bi single atom catalyst, and the improvement of the reduction ability of Bi-based photocatalysts. This review helps understand the reaction mechanisms of the composite photocatalytic systems containing Bi metal and proposes new perspectives for designing the photocatalysts which can control air pollution via a reductive process.