TiO2／CdS复合半导体光催化剂降解甲基橙实验

半导体光催化技术利用太阳能在室温下将有机污染物氧化成H2O，CO2或无机离子等，无二次污染，具有传统的高温、常规催化技术及吸附技术无法比拟的优势。目前，存在3个关键的技术难题制约着TiO2光催化剂大规模的工业应用：（1）量子效率低；（2）太阳能利用率低；（3）保持高活性并将其均匀负载比较困难。因此，研究者在TiO2改性方面做了大量的研究工作。     

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.     

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。     

Pt／TiO2粉末的结构和性能

TiO2半导体光催化技术是一种新型的环境污染物净化技术。传统的TiO2光催化剂太阳能利用率和光量子利用率低，限制了光催化技术的工业化应用。因此缩短催化剂的禁带宽度使吸收光谱向可见光谱扩展和抑制TiO2光生电子与空穴的复合是提高太阳能利用率的技术关键。掺杂可在半导体表面引入缺陷位置或改变结晶度，影响电子与空穴的复合或拓展光的吸收波段，从而影响TiO2的光催化活性。由于金属元素掺杂TiO2的催化活性强烈地依赖于TiO2的价态、结构以及金属元素与TiO2之间的细微作用，文中采用溶胶凝胶法制备纳米Pt/TiO2粉末，     

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 .     

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。     

黑色二氧化钛制备与太阳能利用

<正>二氧化钛作为重要的新能源和环境保护材料,在光催化、太阳能发电、太阳能集热等方面被广泛应用。然而,二氧化钛的太阳能利用面临巨大的挑战,主要原因在于光吸收范围窄、电子-空穴对的分离效率低。二氧化钛只能吸收太阳光谱中约5%的紫外光,而无法利用可见光和近红外光的能量;本征电导率只有约10~(-10)S/cm,不利于光生电子-空穴对的分离和传输。这些问题严重影响了二氧化钛在能源与环境领域的广泛应用,无法充分利用太阳能。     

拓展光催化材料光谱响应的研究进展

光催化技术在解决能源短缺和环境污染问题方面有重要的应用前景,引起了人们的广泛关注。宽光谱响应和高量子效率是实现光催化材料大规模应用的前提。本文介绍了近年来紫外、可见和近红外光催化方面的最新进展,阐述了拓展光响应范围和促进载流子分离的有效途径,总结了光催化材料发展所面临的问题,并对其发展趋势进行了展望。     

Cu-Fe-TiO2/膨润土复合光催化剂的表征及性能

以膨润土为载体,用溶胶-凝胶法制备了不同焙烧温度的Cu-Fe双金属掺杂的TiO2/膨润土复合光催化剂,采用XRD、TG-DSC和N2吸附技术对其结构进行了表征,通过光催化降解直接天蓝染料废水,考察了焙烧温度对催化剂光催化性能的影响.结果表明,当焙烧温度高于300℃时,催化剂中出现了锐钛矿型TiO2,掺杂的Cu2+、Fe3+可能进入了TiO2晶格取代了部分Ti4+,使其晶格产生了一定程度的畸变,形成了复合半导体,拓宽了TiO2的光谱响应范围,并且Cu2+、Fe3+掺杂的TiO2复合半导体进入了蒙脱石层间,与膨润土成功复合,增大了催化剂的比表面积并改善了催化剂的孔体积,提高了光催化剂活性和再生性.     

TiO2光催化剂的光谱研究

采用sol-gel法制备了纳米TiO2光催化剂,运用FTIR,FT－Ranam,DSR等光谱技术对催化剂进行了表征,以光催化解油酸作为模型反应考察光催化活性。实验结果表明,催化剂的烧结温度对催化剂的晶相结构、半导体能带结构、光吸收性能及光催化活性均产生显著的影响,当烧结温度为400℃时,TiO2光催化剂具有最好的表观吸光度,最大的吸收带边,以及最佳的光催化活性。     

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.     

光催化二氧化碳还原研究进展

21 世纪以来，随着CO2 为主的温室气体排放量不断增加，寻求新型能源来构建低碳型社会的诉求越来越迫切。其中以太阳能驱动转化CO2 为碳氢燃料的技术，可将CO2 转化成甲烷、甲醇、甲酸或C2+ 等高附加值的碳氢燃料，是实现全球碳平衡的有效途径之一，具有巨大潜力。半导体材料是决定光催化还原CO2 过程进行的重要因素之一，因此探索和开发高效光催化功能材料是当今研究的主要方向。本文综述了近几年来作者课题组在光催化还原CO2 为碳氢燃料方面的重要研究进展，主要涉及TiO2 基系列光催化材料，V、W、Ge、Ga、C3N4 基等系列光催化材料的结构组分调控。     

光沉积Ru和RuO2的锐钛矿TiO2纳米片的光解水产氧

采用水热法以HF作为结构调控剂合成了主要暴露（001）面的锐钛矿TiO₂纳米片,通过光沉积方法分别合成了负载Ru和RuO₂物种的光催化剂。利用X射线衍射、透射电镜和氢气程序升温还原等分析表征了催化剂的结构性质。通过光解水产氧反应来研究催化剂的催化性能,详细考察了Ru含量、负载方式以及氧化和还原处理等因素的影响,光解水产氧速率的差异证明了Ru物种在不同晶面的电荷-空穴分离效应。与负载单一助催化剂的Ru/TiO₂和RuO₂/TiO₂样品相比,活性最优的0.5%Ru-1.0%RuO₂/TiO₂样品由于负载了双助催化剂,其催化活性得到更大的提高,证实了在锐钛矿TiO₂上的晶面电荷-空穴分离效应.     

双金属/TiO2纳米管复合结构中增强的光电流

将传统半导体材料与金属微纳结构相结合,利用其表面等离激元共振效应,可有效地增强复合结构的光电转换效率,使其广泛地被用于光电化学和光电探测等领域.本文以氧化铝纳米管为模板,采用原子层沉积技术制备出高有序的TiO2纳米管,并通过电子束热蒸发技术在大孔径的纳米管薄膜中分别负载金、铝和双金属金/铝纳米颗粒,形成金属纳米颗粒/TiO2纳米管复合结构.研究结果表明,相对于纯TiO2纳米管,Au/TiO2复合纳米管在568 nm的可见光照射下,其光电流密度约有400%的提高;在365 nm紫外光照射下,Al/TiO2复合纳米管的光电流提高约50%;同时负载双金属Au和Al纳米颗粒的TiO2纳米管在整个紫外-可见光区域光电流均显著增强.     

磷烯基二维范德瓦尔斯异质结的理论表征

本文基于单层黑磷和蓝磷,理论设计出二维范德瓦尔斯异质结、能带结构、态密度、Bader电荷布局、电荷密度差分图及光吸收谱等,计算结果表明它是典型的第二型异质结,有利于光生载流子分离,且可见光捕获能力显著增强.内禀的界面极化电场能有效阻止光生电子-空穴的复合.表明磷烯基二维范德瓦尔斯异质结是一类性能优异的光解水催化剂.     

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.     

Role of Nanoparticles in Photocatalysis

The aim of this review paper is to give an overview of the development and implications of nanotechnology in photocatalysis. The topics covered include a detailed look at the unique properties of nanoparticles and their relation to photocatalytic properties. Current applications of and research into the use of nanoparticles as photocatalysts has also been reviewed. Also covered is the utilization of nanoparticles in doped, coupled, capped, sensitized and organic–inorganic nanocomposite semiconductor systems, with an effort to enhance photocatalytic and/or optical properties of commonly used semiconductor materials. The use of nanocrystalline thin films in electrochemically assisted photocatalytic processes has been included. Finally, the use of nanoparticles has made a significant contribution in providing definitive mechanistic information regarding the photocatalytic process.     

Applications and functions of rare-earth ions in perovskite solar cells

The emerging perovskite solar cells have been recognized as one of the most promising new-generation photovoltaic technologies owing to their potential of high efficiency and low production cost. However, the current perovskite solar cells suffer from some obstacles such as non-radiative charge recombination, mismatched absorption, light induced degradation for the further improvement of the power conversion efficiency and operational stability towards practical application. The rare-earth elements have been recently employed to effectively overcome these drawbacks according to their unique photophysical properties. Herein, the recent progress of the application of rare-earth ions and their functions in perovskite solar cells were systematically reviewed. As it was revealed that the rare-earth ions can be coupled with both charge transport metal oxides and photosensitive perovskites to regulate the thin film formation, and the rare-earth ions are embedded either substitutionally into the crystal lattices to adjust the optoelectronic properties and phase structure, or interstitially at grain boundaries and surface for effective defect passivation. In addition, the reversible oxidation and reduction potential of rare-earth ions can prevent the reduction and oxidation of the targeted materials. Moreover, owing to the presence of numerous energetic transition orbits, the rare-earth elements can convert low-energy infrared photons or high-energy ultraviolet photons into perovskite responsive visible light, to extend spectral response range and avoid high-energy light damage. Therefore, the incorporation of rare-earth elements into the perovskite solar cells have demonstrated promising potentials to simultaneously boost the device efficiency and stability.     

原位核磁共振技术研究共催化剂类型以及光照波长对甲醇光催化重整产物的影响

本文采用原位核磁共振的方法研究了在真实固-液环境中共催化剂类型以及光照波长对甲醇光催化重整产物及光解水产氢产率的影响.结果发现,不同贵金属担载的锐钛矿型二氧化钛催化剂对甲醇光催化重整产物的产量和产率有着不同程度的影响,但是对其动力学特征影响不大.光照波长对甲醇光催化重整产物的产量也影响较大.通过对比甲醇氧化产率与产氢产率,发现共催化剂的种类对光催化反应速率及氧化还原能力起重要作用,且共催化剂的种类会影响体系氧化和还原能力之间的协同性.     

扫描电化学显微镜在功能材料分析中的应用

扫描电化学显微镜是一种扫描探针技术,利用微电极检测发生在固／液、液／液或者气／液界面反应物或者反应产物的连续变化。这里将对该技术原理进行详细说明。过去我们工作主要都集中在固定化酶的活性成像。最近研究的领域开始拓展到与能源转变相关材料上,如染料敏化太阳能电池和（生物）燃料电池的氧气催化还原。起初的尝试已经扩展到如何扩宽研究材料的范围和成像模式的应用范围。扫描电化学显微镜的反馈和产生～收集模式已被用于研究染料敏化太阳能电池半导体／电解质界面的光激发染料阳离子再生过程。现在开始关注更多的与太阳能的再生,燃料电池或染料敏化太阳能电池相关的复杂反应,这些复杂的反应包括外部质量传输过程、内部质量和电荷传输过程、多孔物质反应中心的本身活性等。