Z型光催化材料的研究进展

与植物光合作用相似, Z型光催化材料体系是由电子传输介质、光还原剂和光氧化剂组成的双光子体系, 其应用于光催化反应具有很大的优势: 借助双光子激发过程, 在不同光催化剂上分别完成氧化反应和还原反应, 有效促进了光生电荷的分离和迁移. Z型反应体系中的光催化剂只需分别满足各自的光激发过程和对应的半反应, 为光催化材料的选择和设计提供了很大的空间. 光催化还原位点和氧化位点分别在两个光催化半导体上, 还原和氧化过程相互分离, 可以有效抑制逆反应的发生. 同时, 催化材料光还原剂中的光生空穴被来自光氧化剂中的光生电子复合, 光催化体系的稳定性随之增强. Z型光催化材料体系, 表现出了宽光谱响应, 高稳定性, 高光生载流子的分离效率, 强氧化还原能力, 具有广阔的应用前景.     

单原子层FeS 半导体纳米片及其光催化还原二氧化碳应用

采用简单的溶剂热法制备了厚度约为1 .16 nm 单层超薄 FeS 纳米片, 其具有涵盖从近紫外至近红外的太阳光谱波段的优异光学吸收性能和干净均一的表面, 显微图像显示其具有超薄的片状结构, 晶面结构清晰, 物相测定证实合成的超薄 FeS 纳米片为单硫铁矿相, 物性测定及理论计算显示超薄 FeS 纳米片具有半导体的电子能带结构, 电子迁移率高, 全光谱光催化 CO2 还原到 CO 的产率约为260 μmol· g-1 · h-1 , 且具有很好的光催化稳定性,该研究为地球储量丰富的铁基材料应用于能源转化领域提供了可行的方向.     

TiO2对牛血清白蛋白的光催化降解的研究

报道了TiO2对牛血清白蛋白（BSA）的光催化降解。利用紫外-可见光谱（UV—Vis）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及高效液相色谱（HPLC）研究了降解过程并对降解终产物进行了分析。结果显示：在近紫外灯（365nm）照射下,BSA在5h内就可以被TiO2光催化完全降解为小碎片,延长反应时间到40h可使BSA完全矿化（93．5％）,其中C,N和S分别被矿化成CO2,NO3^-和SO4^2-而在仅有紫外灯或仅有TiO2存在的条件下,5h内仅有30％左右BSA被降解为小碎片,即使延长反应时间,也无法使BSA矿化成CO2和无机离子。     

CO2和C2H4光催化合成丙烯酸的Cu/ZnO-TiO2催化剂

采用溶胶凝胶法制备了金属负载的复合型固体材料Cu/ZnO TiO2,并用X射线衍射、透射电子显微术、BET比表面测试、红外吸收光谱、紫外可见漫反射光谱以及光催化反应等实验技术对固体材料的表面结构、光响应性能、化学吸附性能以及光反应性能进行了表征和评价.实验结果表明,制得的固体材料粒径约为10nm,晶体结构以锐钛矿型TiO2 为主; ZnO和TiO2 复合后部分地形成了Zn-O-Ti键联,提高了对250~400nm光的吸收强度;金属Cu的负载扩展了材料在可见光范围的吸收,且使其紫外吸收限发生蓝移;反应物在固体材料表面的吸附态是影响光反应结果的主要因素; CO2 卧式吸附态和C2H4 非解离双点吸附态是光合成丙烯酸的有效吸附态,100℃以下合成丙烯酸的选择性大于87%.     

高压下氢基超导体的研究进展

实现室温超导一直是人们长期追寻的梦想,寻找和合成出具有室温超导性的新材料已成为 凝聚态物理学家和材料物理学家的“圣杯”。近年来,随着理论和实验相继发现超导临界温度高于 200 K 的 H3S 和 LaH10,氢基超导体已逐渐成为实现室温超导的最佳候选,成为物理学、材料科 学等多学科研究的热点领域之一。在本文中,我们将概述超导材料的发展历史和几种典型超导材 料,重点介绍当前高压下氢基超导体的研究进展及面临的挑战,详细讨论中低压力范围氢基高温 超导体的设计思路,展望氢基超导体在低压甚至常压下实现高温乃至室温的可能性。     

表观遗传修饰核酸碱基的超快激发态动力学研究

核酸碱基的表观遗传修饰是生命体实现表观遗传功能的重要组成部分，可以直接参与调控细胞分化、基因表达等重要的生理过程。然而，核酸碱基的光稳定性会受表观遗传修饰的影响，相应的碱基可能成为紫外线诱导皮肤癌产生的重要突变位点。因此，研究表观遗传修饰对核酸碱基的光物理与光化学性质的影响具有十分重要的意义。本文综述了近年来本课题组利用超快时间光谱技术结合高精度的量子化学理论计算对一系列表观遗传修饰的核酸碱基激发态动力学性质的研究。研究表明，表观遗传修饰对碱基激发态性质的影响主要分为三个方面：显著增长ππ^∗1态的寿命、引入分子内电荷转移态、有效促进单重态到三重态系间窜跃。     

TiO2/丝光沸石光催化降解甲醛特性研究

使用吸附材料丝光沸石与一种常用光催化材料TiO2(德国Degussa公司生产P25)的混和材料光催化降解空气中微量甲醛,探讨了空气流速、甲醛进口浓度、紫外光波长和强度以及水蒸气浓度对光催化效果的影响。发现:增大空气流速会减小甲醛的转化率但提高其降解速率;在实验浓度范围内甲醛的光催化反应可近似为零次反应;在相同光强下使用杀菌灯降解甲醛的效果优于黑光灯;当水蒸气浓度大于4000 mg/cm3时,甲醛的转化率不受水蒸气浓度影响,当水蒸气浓度为零时材料活性明显降低。这些结果为此类混和光催化材料的应用提供了科学指导。     

甲醇与CO_2光催化反应机理的谱学研究

采用浸渍法制备了Ni-Ti-O/SiO2催化剂,在紫外光照射下,考察了甲醇和CO2光催化羰基化反应性能,并通过原位红外光谱,XPS和MS等表征分析了可能的反应机理。实验结果表明,Ni-Ti-O/SiO2催化剂对甲醇和CO2光催化作用较显著,在180min反应时间内,甲醇的转化率达到了24.9%,羰基化产物的选择性超过了60%;结合催化剂表征结果推断,O-C.-O-和CH3OC(O).或许是甲醇和CO2羰基化反应的重要中间体。     

系列二亚胺羰基Mn配合物光谱的密度泛函研究

CO₂还原始终是能源和环境领域的重要挑战。二亚胺羰基Mn配合物价格低廉,稳定性好,可调变性强,成为近年来光催化还原CO₂的热门催化剂。紫外-可见光谱和红外光谱研究有助于调控CO₂光还原催化剂性能。基于密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT),对系列二亚胺羰基锰配合物[Mn(bpy)(CO)₃Br],(简写为1),[Mn(phen)(CO)₃Br],(简写为2),[Mn(phen-dione)(CO)₃Br],(简写为3),[Mn(phen-dione)(CO)₃CH₃CN]⁺,(简写为4)(bpy=2,2′-bipyridine,phen=1,10-phenan-throline,phen-dione=phenanthroline-5, 6-dione)的紫外-可见光谱和红外光谱进行研究。基于TD-DFT方法,采用多种泛函,对紫外-可见光谱进行模拟。结果显示1和2主要有两个最...     

Ni纳米团簇修饰的板钛矿TiO_2准纳米立方块的制备及其光催化产氢性能（英文）

本文采用化学还原法制备了系列Ni纳米团簇(NCs)修饰的板钛矿TiO_2准纳米立方块(Ni/BTN).结果表明,Ni NCs的负载量和氧化态对Ni/BTN复合材料的光吸收、光催化活性和稳定性均存在显著的影响.在制备的系列Ni NCs负载产物中,0.1%Ni/BTN复合材料的光催化产氢活性(156μmol/h)最佳,为单纯的BTN产氢活性(36μmol/h)的4.3倍.进一步的研究结果表明,Ni NCs的超细尺寸(～2 nm)和高分散性有利于快速捕获BTN的光生电子,从而可缩短光生电荷的传输距离和提高BTN的光催化活性.结果证明了板钛矿TiO_2是一类潜在的高效光催化材料,为采用低成本Ni基助催化剂进一步提高其光催化性能的研究提供了重要的思路.     

太阳能光催化制氢的科学机遇和挑战

面对人类对能源的需求持续增长,以及化石能源的日益枯竭和其带来的环境污染问题,太阳能成为主要的可再生清洁能源的来源。讨论了利用太阳能催化生氢或消耗二氧化碳,探索在半导体基光催化剂表面的光催化反应和光化学反应。半导体材料被认为是最有前景的光催化剂,其材料合成是发展先进催化剂的核心。减少电荷重新复合,是提高太阳能转化为化学能的关键,关系到太阳能的转换效率。研究结果发现了提高光催化制氢的关键因素,通过Pt-PdS/CdS催化体系使其量子效率提高到93%,提供了发展高效催化剂体系的方法。     

Core–Shell Structured Nanocomposites for Photocatalytic Selective Organic Transformations

Core–shell structured nanocomposites, a type of talented functional materials with unique microstructure and properties, have shown great promise as photocatalysts for various applications, including photocatalytic degradation of pollutants, water splitting for hydrogen production, and selective organic transformations. The synthesis and utilization of efficient core–shell nanoarchitectured photocatalysts for selective organic synthesis are at the center of our research efforts and the focus of this minireview. Specifically, semiconductor‐based core–shell nanocomposites, including metal–semiconductor, semiconductor–semiconductor, semiconductor–shell (graphene and SiO₂) as photocatalysts/cocatalysts for selective oxidation of alcohols, reduction of nitro organics and carbon dioxide for synthesis of fine chemicals, and redox‐combined selective synthesis of pipecolinic acid are summarized. It is hoped that this minireview can make a contribution to catalyzing the development of smart core–shell nanostructures in the field of photocatalytic selective organic transformations for solar energy conversion.     

Rational design of photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting and CO2 reduction

Solar energy has promising potential for building sustainable society. Conversion of solar energy into solar fuels plays a crucial role in overcoming the intermittent nature of the renewable energy source. A photoelectrochemical (PEC) cell that employs semiconductor as photoelectrode to split water into hydrogen or fixing carbon dioxide (CO₂) into hydrocarbon fuels provides great potential to achieve zero-carbon-emission society. A proper design of these semiconductor photoelectrodes thus directly influences the performance of the PEC cell. In this review, we investigate the strategies that have been put towards the design of efficient photoelectrodes for PEC water splitting and CO₂ reduction in recent years and provide some future design directions toward next-generation PEC cells for water splitting and CO₂ reduction.     

基于密度泛函理论的CO2吸附微观机理比较研究

为探究吸附法捕获CO₂过程中的微观机理和吸附剂材料间的作用关系,基于密度泛函理论方法,综合比较了典型吸附剂包括煤基官能团、Fe、限域离子液体、Na₂CO₃、SrTiO₃与CO₂的吸附过程和差异性.根据不同计算策略,着重分析比较了吸附能、结构优化参数、吸附构型以及原子分布等参数.结果表明,化学吸附中CO₂分子与吸附面呈平行关系时通常吸附能最大;在一种材料的同类型官能团中,吸附能大小与氧原子的数量呈正相关关系;吸附过程中C-O键的伸长活化会生成一种重要的中间产物CO₂^-.提出在探寻CO₂吸附材料时可以在含氧原子较多的官能团、活性金属表面等方面进一步探究.最后对基于密度泛函理论的CO₂的吸附机理的进一步研究方向进行了展望.     

掺镧TiO2纳米薄膜材料的制备与光催化性能研究

用溶胶-凝胶法研究了掺镧TiO_2纳米薄膜材料。在钛醇盐溶液前驱体中,通过提拉方式镀膜在玻璃上,从而形成自净玻璃。论文对不同的掺镧量、不同的聚乙二醇加入量以及不同镀膜次数的TiO_2材料的透光性、光催化降解性分别进行了测试和研究,并对相关机理进行了探讨。研究表明:对于单层膜的TiO_2材料,掺镧与不掺镧对透光性的影响不大,但掺镧后光催化活性大大提高;对于单层膜的TiO_2材料,随着聚乙二醇的增多,透光率整体呈下降趋势,催化活性先增加后减小。对于多层膜的TiO_2材料,随着层数增加,在紫外光区,透光性变化不大,在可见光区,透光性有所下降。在两层膜后,层数的增多对催化活性影响不大。由实验知:在100mL基体溶液中,当掺入0.5gLa(NQ_3)_3·nH_2O,加入0.2g聚乙二醇,镀膜两层时,透光性好且光催化活性也高。     

金属离子对纳米TiO2悬浊液的光催化性能影响的光谱研究

以钛氧有机物为前驱体,利用微乳液法制备了纳米TiO2微晶。用X射线衍射(XRD)和红外光谱(FTIR)等测试技术对产物进行了表征,并就纳米TiO2悬浊液中加入金属离子后光催化降解甲基橙溶液进行了初步的研究。光谱分析表明,纳米TiO2悬浊液中加入Bi3 离子后对甲基橙溶液的光催化降解有很大的促进作用,Bi3 与TiO2质量比为1∶8及TiO2的浓度为1.6g·L-1时光催化活性最佳。     

不同晶相LaPO_4纳米棒对光催化性能的影响

稀土磷酸盐在光学材料、激光材料等许多领域有着广泛的利用,具有较大的开发前景。通过水热法制备出不同晶相的LaPO_4纳米棒,重点研究了其在光催化领域的应用,并对其结构以及紫外漫反射光谱进行了分析讨论。研究表明水热温度是影响其晶相的一个关键因素,120℃时为六方相,160℃时为六方与单斜混合相,而温度提高至180℃时为单斜相。不同晶相LaPO_4对紫外光吸收没有明显的区别,且各晶相下均为纳米棒结构。通过光催化降解亚甲基蓝(MB)来研究不同晶相LaPO_4光催化活性区别,发现单斜相的LaPO_4纳米棒具有更高的光催化活性。研究进一步发现,单斜相的LaPO_4纳米棒可促进荧光量子效率降低,提高了光生电子及空穴的分离效率,因而光催化降解MB活性较高。此外,利用活性物种捕获实验,确定了单斜相LaPO_4在光催化降解过程中起主要作用的活性物种为羟基自由基。     

Synthesis and photocatalysis properties of ZnO structures with different morphologies via hydrothermal method

The special flower-like and sheet-like ZnO structures were successfully synthesized by hydrothermal method. The samples were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). The photocatalytic activity of different morphologies of ZnO structures was evaluated by degradating of methyl orange (MO). The photocatalytic degradation process was monitored in terms of decolorization and total organic carbon (TOC) removals. The results indicated that the flower-like ZnO structures were consisted of numerous flower-like aggregates with the size of 2 μm. The sheet-like ZnO nanostructures were obtained by increasing the reaction time. They exhibited higher photodegradation efficiencies under UV light irradiation than flower-like ZnO structures due to the blue shift of the band gap. The photodegradation could be described as the pseudo-first-order kinetics with apparent rate constants ranging from 1.17 × 10⁻² to 3.42 × 10⁻² min⁻¹, which were based on the morphology of the structures. The photodegradation was faster than the mineralization, indicating that the accumulation of by-products were resistant to photocatalytic degradation.     

单原子Pt吸附于不同原子暴露终端BiOBr{001}面的第一性原理研究

基于密度泛函理论(density functional theory, DFT)的第一性原理方法研究了暴露不同原子终端的BiOBr{001}表面以及单原子Pt吸附于BiOBr{001}-BiO不同位置的几何构型、电子结构、光学性质和电荷转移.计算结果表明:BiOBr{001}面BiO终端暴露可诱导产生表面态且价带和导带能级向低能方向移动,光氧化性增强,尤其导带下方出现的表面态能级有助于光生电子-空穴对的分离和迁移,光吸收显著增强,且BiOBr{001}面BiO终端的功函数远低于贵金属Pt,有利于电荷定向转移.其次,单原子Pt吸附于BiOBr{001}-BiO为基底的表面,在禁带中间诱导产生杂质能级, Pt吸附于穴位时吸附能最小,光响应能力最好且电荷转移量最大,吸附于顶位和桥位时,形成开放性的贫电子区域,因此可预测穴位为Pt原子的吸附位点,预示其良好的降解有机污染物效果, Pt吸附于BiOBr{001}-BiO的顶位和桥位,具有潜在的CO_2还原或固氮等领域应用.     

Characterization and photocatalytic activity of Zn–TiO2/AC composite photocatalyst

Activated carbon (AC) supported Zn²⁺–TiO₂ photocatalyst was prepared by sol–gel method. The prepared samples were characterized by X-ray diffraction, scanning electron micrograph, nitrogen absorption, diffuse reflectance UV/VIS and X-ray photoelectron spectroscopy. Using toluene as a pollution target, the photocatalytic activity of photocatalyst was evaluated. The results showed that prepared photocatalyst was obviously helpful for the removal of toluene in air. The photocatalytic degradation of toluene by Zn²⁺–TiO₂/AC reached 100% for 40 min and remained 75% after 160 min, while degradation by TiO₂ was only 30%. It indicated that the photocatalytic activity of prepared photocatalyst was enhanced. It is due to Zn²⁺-doping increased the oxidation and reduction of hole–electron pairs, which was the important factor in heterogeneous photocatalysis.