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.     

铥、镱共掺可见光响应型纳米TiO_2光催化剂的制备及性能表征

为了解决现有光催化剂对太阳光响应性能不佳且可见光响应型光催化剂制备条件苛刻等问题,研制了以TiO_2同时作为上转换材料基质和半导体光催化剂的光催化材料,并对不同n(Yb~(3+))∶n(Tm~(3+))掺杂下的光催化材料的上转换发光性能进行了研究。首先,设置一系列的n(Yb~(3+))∶n(Tm~(3+))比值,采用溶胶-凝胶法制备相应光催化材料。然后,对材料进行性能表征及降解实验,以亚甲基蓝为目标污染物,测试材料的实际催化降解效果。最后,通过分析材料的发光性能及降解性能,确定最优的n(Yb~(3+))∶n(Tm~(3+))比值。实验结果表明:当n(Yb~(3+))∶n(Tm~(3+))=4时,材料的发光性能最好,上转换现象最明显,可见光照射条件下的光催化降解效率最高,目标污染物降解率可达72.87%。所制备材料集上转换材料及光催化剂为一体,简化了制备程序,提高了能量利用效率。研制出的TiO_2∶1%Tm,4%Yb光催化材料最为理想,光谱响应范围向可见光区拓展,降解效果良好,能够实现对太阳光能量的高效利用。     

半导体光催化研究进展与展望

评述了目前半导体光催化在国内外的研究概况 ,并对存在的问题和未来的发展动向进行简要分析 .列举了近 30年来关于光催化研究的部分成果 ,内容涉及光催化剂的制备 (包括新催化剂的开发 ,TiO2 、ZnO、CdS等光催化剂的各种改性或修饰 )、光催化作用机理研究、光催化技术的工程化、光催化技术的各种应用研究和产品开发等等从基础到应用研究的各个方面 .总体上来看 ,半导体光催化基本上是一个没有选择性的化学过程 ,所以再进行大量的不同反应物的光催化活性的评价研究意义已不是很显著 ,认为未来的半导体光催化研究应该集中在机理的深刻认识、光响应范围宽和量子效率高的催化剂制备、半导体光催化技术工程化及新型光催化产品开发方面 .     

光学相关论题 光化学

O644.1 2006043789介孔TiO2的材料合成及其在光催化领域的应用=Synthe-sis of mesoporous Ti O2andits applicationin photocatalysis[刊,中]/范晓星(南京大学环境材料与再生能源研究中心.江苏,南京(210093)) ,于涛…∥功能材料.—2006 ,37(1) .—6-9介孔Ti O2材料被证明在降解有害气体、有机染料等方面具有比传统颗粒Ti O2更高的光催化活性。本文综述了介孔Ti O2材料的合成方法及其在光催化领域的应用。图3表1参19(严寒)O644.1 2006043790可用于光催化研究的脉冲放电流光光源=Pulsed dis-charge streamer lamp-house available for p…     

二维光催化材料的电子结构调控与应用研究进展(特邀)

首先综述了基于二维光催化剂的电子结构调控方式,包括厚度调节、元素掺杂、缺陷工程和异质结的设计等。其次,由于半导体异质结在减少光生电子空穴复合速度方面具有独特的优势,着重介绍了由二维材料与其它不同维数的半导体界面组成的异质结的研究进展。最后介绍了新型二维光催化材料在析氢、CO_2还原、固氮和污染物降解等方面的应用。总结文献可知,二维材料与块体材料相比,具有较高的比表面积、表面存在大量的活性位点、能更有效地分离催化剂中的载流子、合适的能带结构、可调节的光吸收区等特点。文末总结了目前的研究现状和面临的挑战,并展望了二维材料在光催化中的应用前景。     

Ag/TiO2纳米材料的制备和光致变色性能研究

 采用光催化还原法在不同温度热处理的TiO2薄膜表面沉积Ag纳米颗粒,制备了Ag/TiO2纳米薄膜材料。通过UV-Vis吸收光谱表征对比了不同温度热处理的TiO2对Ag粒子光催化沉积的影响,发现500℃退火处理TiO2薄膜较利于Ag纳米粒子的光催化沉积;在650 nm红色激光照射下,500℃退火处理的Ag/TiO2样品具有明显的光致变色现象,对此变色过程中涉及的机理进行了讨论,且发现随着Ag纳米颗粒光催化沉积时间的增长,Ag/TiO2薄膜光致变色的响应速率提高,但Ag纳米颗粒过多会抑制Ag/TiO2薄膜的变色响应速率。     

晶体塑性有限元在材料动态响应研究中的应用进展

作为连续尺度上描述各向异性非均质材料弹塑性变形的重要模拟工具,晶体塑性有限元能够有效预测材料的宏观力学性能,在工程设计方面起着重要的作用。在实际工程应用中,许多晶体材料在高应力、高变形率、高温等极端条件下服役,此时各向异性非均匀的微介观结构演化是理解材料动态响应的关键,这给晶体塑性有限元带来了巨大的机遇和挑战。首先简要综述了晶体塑性有限元的原理和方法,然后着重介绍其在材料动态响应中的应用,最后展望其在材料动态响应模拟方面的发展方向。     

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。     

太赫兹波段超材料的制作、设计及应用

本文从制作方法、结构设计和材料选择几方面综述了超材料在太赫兹波段的电磁响应特性和潜在应用。首先,介绍了获得不同维度、具有特异电磁响应以及结构可调超材料的各种微加工制作方法,进而分析和讨论了超材料的电磁响应特性。文中指出,结构设计可以控制超材料的电磁响应特性,如各向异性、双各向异性、偏振调制、多频响应、宽带响应、不对称透射、旋光性和超吸收等。超材料的电磁响应依赖于周围微环境的介电性质,因而可用于制作对环境敏感的传感器件。此外,电光、磁光、相变、温度敏感等功能材料的引入可以获得光场、电场、磁场、温度等主动控制的太赫兹功能器件。最后,简单介绍了超材料在太赫兹波段进一步发展所面临的机遇和挑战。     

ABPXs的多刺激响应行为光谱研究

近年来,多刺激响应材料在基础研究和应用领域得到了广泛关注。Aminobenzopyranoxanthenes(ABPXs),作为一种常见的酸碱响应材料被熟知。研究结合吸收光谱及荧光光谱,针对四种具有顺反异构结构的ABPXs物质在光和力的刺激下的响应行为进行了深入研究与分析。该类材料在压力传感器、防伪等方面具有潜在应用。     

GGA+U方法研究C-Al掺杂GaN的电子结构和光学性质

本文用密度泛函理论的第一性原理，研究了C单掺、Al单掺、C-Al共掺GaN体系的电子结构及光学性质.通过分析发现，与本征GaN相比，掺杂后体系都发生了晶格畸变，其中C-Al共掺GaN体系，较容易形成且禁带宽度明显减小，形成了P型半导体，显著降低了电子跃迁所需要的能量；另外，该共掺体系的静介电常数最大，极化能力最强，介电虚部的主峰向低能区域偏移，并且吸收光谱在可见光范围内产生了红移现象，这都体现了C-Al共掺可以拓展GaN体系对可见光的响应范围.因此，C-Al共掺将有望提高GaN体系的光催化性能.     

石墨烯/BiOI纳米复合物电子结构和光学性质的第一性原理模拟计算

光催化材料在解决能源短缺和环境污染等问题方面具有广泛的应用前景,本文通过构建BiOI纳米薄膜并将其与石墨烯复合起来,得到具有较高的比表面积和良好的光催化活性的纳米复合物光催化材料.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法分别计算了单层和双层BiOI纳米片及其与石墨烯复合结构的电子结构和光学性质,并考虑了BiOI中的Bi,O,I三种空位缺陷对电子结构和光学特性的影响.计算结果表明,由于BiOI和石墨烯之间的相互作用,在石墨烯和BiOI界面处自发发生电荷转移,形成电子-空穴对,且石墨烯衬底可有效提高BiOI对可见光的光吸收,提高其光催化活性.对空位缺陷的计算表明,Bi空位缺陷可促进石墨烯和BiOI之间的电荷转移,形成更多的层间电子-空穴对;相反,O和I空位缺陷则抑制层间电荷转移,减少电子-空穴对的生成.     

Applications of nanomaterials in the different fields of photosciences

Current developments in nanostructured materials and nanotechnology will have profound impact in many areas such as energy technologies and biomedical applications. These include solar cells, energy storage, environmental control, tissue engineering, bioprobe, biomarking, cancer diagnosis, cancer therapy, and drug delivery. Our recent work covers a wide range of nanomaterials research for a variety of applications including to produce organic-inorganic nanocomposites which will be used in for constructing light emitting diodes, photovoltaic cells, future organic solar cells etc, biomedicine and photocatalytic. In this article the chief scientific and technical aspects of nanotechnology are introduced and some of its potential applications have been discussed.     

SnO2量子点/石墨烯复合结构的合成及其光催化性能研究

本文以SnCl₄·5H₂O和氧化石墨烯为先驱物, 乙醇水溶液为溶剂, 采用一种简单的水热法一步合成了具有可见光催化活性的SnO₂量子点(约3–5 nm)与石墨烯复合结构, 利用透射电子显微镜(TEM), 高分辨透射电子显微镜(HRTEM), X射线衍射仪(XRD), 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对其结构进行了表征, 利用紫外可见吸收光谱(UV-vis)分析了其光学性能, 罗丹明-B染料为目标降解物研究了SnO₂量子点/石墨烯复合结构可见光催化性能. 结果表明: 与纯SnO₂、纯石墨烯相比, 复合结构显示出了很高的可见光催化活性. 通过对其结构进行分析, 我们提出了SnO₂量子点/石墨烯复合结构的形成机制及其可见光催化活性机理.     

BiOCl1-xIx及BiOBr1-xIx固体溶液的制备、表征及性能研究

在太阳光照射下,利用半导体光催化去除污染物是最绿色、有效的方法之一,其核心问题是获得高效光催化剂。目前研究最多的光催化剂是TiO₂和ZnO等,但由于其禁带宽度大故不能充分利用太阳光,从而限制了其实际使用。除了对TiO₂等改性以改进其可见光催化活性外,开发其他材料作为光催化剂也是解决的重要途径。铋基化合物半导体由于原材料丰富、种类多、太阳光响应性好及优良的光催化活性而成为重要研究对象。其中卤氧铋系化合物[BiOX, X=Cl, Br, I]由于层状结构特点而具有良好的光催化活性,但单独使用时光催化效率较低。研究表明,BiOX间能通过形成固体溶液(即彼此呈分子分散的固体混合物)进一步改善其光催化降解污染物的能力。本文利用低温湿化学法,以Bi₂O₃为铋源,在醋酸溶液中加入一定比例的KI/KBr或KI/KCl水溶液,室温下反应0.5 h,分别得到片状结构的BiOCl_1-xI_x和BiOBr_1-xI_x固体溶液。X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析结果表明,所合成的BiOCl_1-xI_x和BiOBr_1-xI_x样品结晶性良好,且能在x=0～1的范围内形成固体溶液。透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)测得所制备的固体溶液呈不规则的薄片状。X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)测试进一步证明了其表面元素组成及化学状态。紫外-可见漫反射光谱(diffuse reflectance spectroscopy, DRS)分析表明,随着碘元素含量的增加,固体溶液的吸收边界发生红移、禁带宽度减小,故可见光吸收能力增强、产生的载流子数目将增加。在可见光激发下对甲基橙(methyl orange, MO)降解的光催化性能研究表明,BiOCl_0.25I_0.75及BiOBr_0.25I_0.75拥有最高的光催化活性。循环实验表明,BiOCl_0.25I_0.75及BiOBr_0.25I_0.75都具有较高稳定性。光催化机理研究发现,这些卤氧铋样品光催化降解MO过程中的活性物种主要为空穴和超氧离子自由基。结合其能带结构,认为固体溶液的形成不但增加了可见光吸收能力,而且调变了其能带结构,相对于BiOI而言,固体溶液的形成降低了价带电位,提高了导带电位,因而增强了光生电子的还原能力及空穴的氧化能力,故催化性能提高。该工作的创新之处在于：采用的固体溶液制备方法,避免了高温水热法或加入表面活性剂等,而且所制备的BiOCl_1-xI_x和BiOBr_1-xI_x固体溶液,尤其是BiOCl_0.25I_0.75和BiOBr_0.25I_0.75,在可见光激发下对MO具有良好的降解能力,且催化剂的重复使用及稳定性良好,有望在环境治理中得到应用。     

Introduction to the Performance and Mechanism of Various Photocatalytic Materials Compounded with Carbon Dots

With their unique optical and electronic properties, carbon dots (CDs) are showing great momentum in many fields such as biosensing, imaging, drug delivery, and photocatalysis. Due to their efficient light harvesting, extraordinary upconversion photoluminescence, and excellent photoinduced electron transfer capabilities, the combination of CDs with photocatalytic materials will promote light absorption resulting in increased generation of electron-hole pairs and faster photogenerated electron transfer, effectively suppressing the rate of electron-hole pair complexation and thus improving photocatalytic activity. In this paper, the mechanism of CDs photocatalysis and various photocatalytic materials such as TiO₂, Bi-based, CdS, and g-C₃N₄ complexed with CDs are reviewed. It is hoped that research into CDs in the field of photocatalysis will be advanced and that CDs will be used more widely in environmental and energy applications.     

卤氧化铋与半导体光催化剂偶合研究新进展

两种半导体耦合能够形成异质结而使系统的电荷分离效率得到提高,扩展对光谱吸收范围,以便提高其光催化性能。半导体耦合在制备过程中容易受到制备方法、反应温度等影响,引起耦合半导体晶体结构和表面性质发生变化,从而使得其光催化量子效率增大。主要从以下三个方面进行了论述,(1) 卤氧化铋-氧化物偶合体系, 将半导体材料与BiOX进行复合,能够形成高效异质结型结构能提高光催化降解污染物光催化性能; (2)AgX-BiOX偶合体系, 与纯净的AgI或BiOI相比,复合光催化材料AgI/BiOI在可见光下具有更高的光催化反应活性。(3)卤氧化铋与其它化合物偶合体系,Bi₂S₃与BiOX进行偶合后,光生电子在两种催化剂中进行迁移,提高了电子与空穴分离效率,因而偶合物的光催化性能得到提高。另外,本文综述了近年来国内外半导体耦合制备方法、影响其光催化性能的因素、提高可见光利用效率的最新研究进展,并提出在半导体耦合研究中所要解决的主要问题及今后努力方向。     

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。     

Sc与C掺杂MgS电子结构与光学性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对Sc、C单掺以及共掺MgS体系的稳定性、电子结构和光学性质进行了研究,结果表明：与本征MgS体系相比,掺杂后体系的结合能仍为负值,表明掺杂体系均处于稳定状态,其中Sc-C共掺MgS体系的结合能最小,说明Sc-C共掺体系最稳定。掺杂后体系的禁带宽度均减小,表明电子由价带跃迁至导带的能量减小;此外,掺杂体系在低能区均发生了明显的红移现象,表明Sc、C掺杂能够有效的拓宽体系对可见光的响应范围。其中,Sc-C-MgS体系在费米能级附近产生了杂质能级且带隙宽度较小,在可见光范围内的吸收系数最优,可推测Sc-C共掺杂可作为提高MgS体系光催化活性的有效手段。