C-N共掺杂纳米TiO2的制备及其光催化制氢活性

采用TiCN粉末在空气气氛中不同温度下焙烧制得C-N共掺杂的纳米TiO2光催化剂. 利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)以及X射线光电子能谱(XPS)等手段对其进行了表征. XRD和XPS结果表明, TiCN中的C和N元素可以被O取代得到C-N共掺杂的TiO2. DRS结果表明, 所制得的C-N共掺杂的TiO2在可见光区域比P25表现出更强的光吸收性能. 以Na2S-Na2SO3体系为牺牲剂, 分别考察了不同温度下焙烧得到的C-N共掺杂的TiO2光催化分解水产氢的活性. 结果表明, 550 ℃焙烧得到的C-N共掺杂的TiO2在紫外光照射下具有最高的光解水产氢活性,产氢速率为41.1 μmol·h-1, 大于P25的光解水产氢活性(26.2 μmol·h-1). 在紫外-可见光照射下, 光解水产氢速率仅为0.2 μmol·h-1, 这可能是由于C-N掺杂引起的可见光范围的吸收对光催化分解水产氢活性的贡献较小.     

Cr2O3/C@TiO2核壳型复合材料的设计合成及其光催化产氢性能

随着社会经济的快速发展,能源危机和环境污染问题成为世界各国关注的焦点.通过光催化剂将太阳能用于污染物降解、分解水产氢、CO2还原及有机物合成等领域,是解决上述问题的理想途径.过渡金属氧化物TiO2因其稳定性高、催化活性好、制备简单等优点,被认为是最理想的光催化材料.然而,TiO2带隙较宽、光响应范围窄、光量子效率低等缺点限制了其实际应用.将碳或Cr2O3与TiO2结合形成复合结构已被证明可以有效提升其光催化性能.另一方面,金属离子的掺杂可以有效提高氧化钛的可见光响应.本文利用具有高比表面积的金属有机骨架材料MIL-101(Cr)纳米材料作为模板、镉源和碳源,首先在MIL-101(Cr)表面可控生长TiO2纳米颗粒,获得MIL-101(Cr)@TiO2复合结构;然后在氮气保护下碳化形成Cr2O3/C@TiO2核壳型复合材料.碳化后,制备的复合材料具有模板的八面体形貌和高比表面积,MIL-101(Cr)中的Cr元素一部分会形成Cr2O3,一部分会掺杂到TiO2中,使得TiO2的吸收边红移.此外,Cr2O3/C@TiO2中的C有利于光的吸收和载流子的分离.这种独特的纳米结构赋予Cr2O3/C@TiO2复合材料优异的光催化性能.在300 W氙灯照射下,该复合材料光解水产氢的速率为446μmol h?1 g?1,约为纯TiO2的4倍.在可见光照射下,Cr2O3/C@TiO2分解水产氢的速率为25.5μmol h?1 g?1.将获得的粉体催化剂制备成光电极发现,Cr2O3/C@TiO2在全幅光照射下的光电流密度在0.4 V(vs.Ag/AgCl)下达到2.3 mA/cm2,约为纯TiO2的3.5倍.Cr2O3/C@TiO2光催化产氢活性的提高一方面是由于Cr掺杂到TiO2中使得其具有可见光响应,另一方面MIL-101碳化获得的Cr2O3/C有效促进了光生载流子的分离.     

CeTiO4/g-C3N4复合材料的制备及其高效的光催化染料降解性能

采用简单固相法成功制备了CeTiO₄/g?C₃N₄?x(CTO/CN?x,x g为g?C₃N₄的添加量)复合材料,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、N₂吸附-脱附测试、紫外可见吸收光谱(UV?Vis)及电化学测试对材料进行表征。研究发现:CeTiO₄与g?C₃N₄层状纳米片紧密复合,并成功构建了界面异质结结构;形成CTO/CN?x复合相的光催化材料具有良好的可见光光响应性能,且光生空穴-电子对的分离和迁移率明显提高;通过太阳光模拟不同样品光催化降解有机污染物罗丹明B,降解140 min后复合材料CTO/CN?6表现出最高的光催化活性,反应速率常数为0.0202 min^-1。其活性增强的主要原因是异质结结构的构筑降低了CTO光生载流子的复合几率,提高了光生载流子的迁移速率。     

CdS/石墨烯复合材料的制备及其可见光催化分解水产氢性能

以氧化石墨烯和CdS为原料, 在乙醇水溶液中采用CdS光催化还原法制备了CdS/石墨烯复合光催化材料, 并用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)和瞬态光电流等技术对复合材料的结构和光电性能进行了表征. 可见光照射下(λ≥420 nm), 研究了该复合材料光催化分解水产氢的性能. 结果表明, 可见光照射下CdS的光生电子可有效地还原氧化石墨烯, 得到CdS与石墨烯之间具有强相互作用力的CdS/石墨烯复合材料. 与CdS相比, 复合材料中石墨烯作为良好的电子受体和传递介质, 可明显加快CdS光生电子的迁移速率, 提高光生载流子的分离效率, 从而增强复合材料的光电性能和光催化分解水产氢的活性.     

高活性碳球修饰g-C_3N_4的制备及光催化性能

以葡萄糖为原料,采用水热法制备碳球,并采用湿化学法制备了碳球修饰的g-C_3N_4.其光催化降解2,4-二氯苯酚和光催化水产氢性能的测试结果表明,适量碳球的修饰可提高g-C_3N_4光催化降解2,4-二氯苯酚和光催化水产氢的活性.表面光电压谱、光致发光谱和光电化学测试结果表明,碳球修饰提高g-C_3N_4光催化活性的机制在于修饰在g-C_3N_4表面的碳球具有较好的导电性,可促进g-C_3N_4光生电子的转移,从而改善g-C_3N_4光生载流子的分离.     

原位合成具有高可见光催化活性的C3N4/CdS纳米复合材料

以硫氰酸铵和氯化镉为原料,采用无模板混合高温煅烧法一步合成氮化碳/硫化镉纳米晶(C3N4/CdS)的复合半导体材料。采用X射线衍射、傅立叶变换红外光谱和透射电镜等技术对其结构和形貌进行了表征。以有机污染物罗丹明B (RhB)为模拟污染物对复合催化剂的可见光催化活性进行测试。结果表明, C3N4/CdS复合材料中CdS以六方相纳米晶的形式均匀分散; CdS的复合基本不改变C3N4主体结构及聚合度;与纯C3N4相比,复合材料在可见区的光吸收能力有所增强。合适的能带匹配有利于光生载流子的迁移,抑制了其复合速率。在可见光照射下,复合半导体能够更加快速的降解有机污染物,且保持很好的稳定性。     

原位合成具有高可见光催化活性的C3N4/CdS纳米复合材料

以硫氰酸铵和氯化镉为原料,采用无模板混合高温煅烧法一步合成氮化碳/硫化镉纳米晶(C3N4/CdS)的复合半导体材料。采用X射线衍射、傅立叶变换红外光谱和透射电镜等技术对其结构和形貌进行了表征。以有机污染物罗丹明B (RhB)为模拟污染物对复合催化剂的可见光催化活性进行测试。结果表明, C3N4/CdS复合材料中CdS以六方相纳米晶的形式均匀分散; CdS的复合基本不改变C3N4主体结构及聚合度;与纯C3N4相比,复合材料在可见区的光吸收能力有所增强。合适的能带匹配有利于光生载流子的迁移,抑制了其复合速率。在可见光照射下,复合半导体能够更加快速的降解有机污染物,且保持很好的稳定性。     

可见近红外光响应直接Z型异质结光催化剂LaNiO3/CdS的产氢性能

通过冷凝-回流方式制备可见近红外光响应直接Z型LaNiO₃/CdS纳米复合物,在对其进行物理化学表征后将其应用于光解水产氢反应。在可见光照射下,LaNiO₃/CdS光催化剂在5 h的H₂产量达到737 μmol,其H₂产量是CdS的4.3倍(172 μmol)。光电化学测试证实,LaNiO₃/CdS之间异质结的构筑能有效地促进光生载流子在界面的迁移、分离,从而促进其光解水产氢效率和稳定性的提高。同时随着近红外光的引入,其产氢活性提高至996 μmol。在上转换荧光测试中,LaNiO₃在808 nm光激发下在406和628 nm显示出发射荧光,这表明其能在近红外光照射下产生光生载流子,从而进一步提高其光解水产氢效率。     

原位合成具有高可见光催化活性的C_3N_4/CdS纳米复合材料（英文）

以硫氰酸铵和氯化镉为原料,采用无模板混合高温煅烧法一步合成氮化碳/硫化镉纳米晶(C3N4/Cd S)的复合半导体材料.采用X射线衍射、傅立叶变换红外光谱和透射电镜等技术对其结构和形貌进行了表征.以有机污染物罗丹明B(Rh B)为模拟污染物对复合催化剂的可见光催化活性进行测试.结果表明,C3N4/Cd S复合材料中Cd S以六方相纳米晶的形式均匀分散;Cd S的复合基本不改变C3N4主体结构及聚合度;与纯C3N4相比,复合材料在可见区的光吸收能力有所增强.合适的能带匹配有利于光生载流子的迁移,抑制了其复合速率.在可见光照射下,复合半导体能够更加快速的降解有机污染物,且保持很好的稳定性.     

可见近红外光响应直接Z型异质结光催化剂LaNiO3/CdS的产氢性能

通过冷凝-回流方式制备可见近红外光响应直接 Z型 LaNiO₃/CdS纳米杂化物，在对其进行物理化学表征后将其应用于光解水产氢反应。在可见光照射下，LaNiO₃/CdS光催化剂在5 h的H₂产量达到737 μmol，其H₂产量是CdS的4.3倍(172 μmol)。光电化学测试证实，LaNiO₃/CdS之间异质结的构筑能有效地促进光生载流子在界面的迁移、分离，从而促进其光解水产氢效率和稳定性的提高。同时随着近红外光的引入，其产氢活性提高至996 μmol。在上转换荧光测试中，LaNiO₃在808 nm光激发下在406和628 nm显示出发射荧光，这表明其能在近红外光照射下产生光生载流子，从而进一步提高其光解水产氢效率。     

NiO改性C3N5光催化剂析氢性能研究（英文）

近年来,新型光催化剂氮化碳（C₃N₅）因其优异的光捕获性能和独特的二维结构备受关注。然而,较高的电子-空穴复合率严重影响其光催化性能。本研究采用水热法成功合成了氧化镍（NiO）改性的C₃N₅ p-n异质结纳米光催化剂。结果表明,9-Ni/C₃N₅纳米光催化剂在可见光照射下表现出优异的析氢性能,其析氢速率可高达357μmol/（g·h）,是纯C₃N₅的107倍。这主要归因于9-Ni/C₃N₅纳米光催化剂形成p-n异质结,有效促进了光生电子-空穴对的分离,从而提高了析氢效率。     

石墨相氮化碳纳米管的合成及光催化产氢性能

通过硬模板法,采用氰胺前驱物和二氧化硅纳米管(SiO₂-NTs)模板,合成石墨相氮化碳纳米管(CN-NTs)光催化剂。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、氮气吸附/脱附测试、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱、热重分析(TGA)等手段对CN-NTs催化剂的结构与性能进行表征。结果表明,CN-NTs的化学组成是石墨相氮化碳(g-C₃N₄),形貌为均匀的纳米管,且是介孔材料。与体相氮化碳(B-CN)和介孔石墨相氮化碳(mpg-CN)相比,CN-NTs的光吸收带边蓝移到440 nm,荧光发射谱的峰强减弱。在可见光(λ>420 nm)照射下,CN-NTs具有较高的光催化分解水活性,产氢速率为58 μmol/h,且表现出良好的光催化活性稳定性和化学结构稳定性。研究结果表明纳米管状结构能有效促进g-C₃N₄半导体激子解离,提高光生电子-空穴的分离效率,进而显著优化g-C₃N₄的光催化产氢性能。     

Synthesis of carbon nitride hollow microspheres with highly hierarchical porosity templated by poly (ionic liquid) for photocatalytic hydrogen evolution

Hydrogen, as a sustainable and clean energy, has been considered as a promising candidate to replace fossil fuels. And it is meaningful to fabricate the photocatalysts to drive photocatalytic water splitting leading to hydrogen production. Herein, a facile approach was developed by the means of the template effect of poly (ionic liquid) and self-assembly of cyanuric acid and melamine through hydrogen bonds, to obtain carbon nitride hollow microspheres with highly hierarchical porosity. The influence of poly (ionic liquid) concentration on the structure and photocatalytic activity of as-prepared carbon nitride was investigated. The optimized carbon nitride hollow microspheres possessed the multiple porous channels and improved surface area (71 m²/g) due to the decomposition of poly (ionic liquid) and cyanuric acid-melamine supramolecular aggregates. Moreover, the as-prepared carbon nitride hollow microspheres exhibited a remarkable catalytic activity in the photocatalytic hydrogen evolution reaction under visible light irradiation. Especially, the sample CN-0.02 exhibits the highest hydrogen evolution rate (90.1 μmol h⁻¹). The outstanding photocatalytic activity is attributed to the high specific surface area, broad light absorption range and fast separation rate of photogenerated electron–hole pairs. This novel method opens up a new way toward the development of highly-active photocatalysts for water splitting.     

泡沫状氮化碳的制备及其可见光分解水产氢性能

以三聚氰胺为前驱体,价格低廉、来源广泛的海泡石作为硬模板,制备出具有特殊空腔结构的泡沫状氮化碳。 通过透射电子显微镜、X射线粉末衍射、傅里叶变换红外光谱、N₂吸附-脱附、紫外可见漫反射光谱及荧光光谱等手段对样品的表面形貌和结构等物理性质进行表征,以光解水产氢性能考察其光催化活性,并通过电化学测试手段考察其光生电荷传输和分离情况。 结果表明,聚多巴胺能起到粘接剂作用,改善了前驱体与模板的结合,制备出的泡沫状氮化碳具有更大的比表面积;随模板用量增加,氮化碳的比表面积增大,当聚多巴胺改性海泡石与三聚氰胺质量比为2:1时,泡沬状氮化碳比表面积可达389.2 m²/g,其可见光产氢速率约为1061.87 μmol/(g·h),较体相氮化碳和未经多巴胺改性海泡石制备的氮化碳分别提高了7和2.6倍。 这表明大比表面积的泡沫状氮化碳为光催化反应提供了更多的活性位点,改善了多相光催化反应的传质扩散过程,提高了光生电子-空穴的分离效率,其特殊的空腔结构能有效地提高光的利用率,从而提高其光催化活性。     

Z型复合催化剂g-C3N4/Vo-ZnO光催化活性的研究

随着科学技术的不断进步和经济的快速发展,人类对自然资源的需求量越来越大,在开发利用自然资源的同时,大量的有机污染物也随之进入自然环境.这些物质不仅污染环境、破坏生态,更对人类的生活和健康带来了巨大的威胁.研究证实,半导体光催化剂在光照条件下可以破坏有机污染物的分子结构,最终将其氧化降解成CO2、H2O或其它不会对环境产生二次污染的小分子,从而净化水质.近年来,有关光催化降解有机污染物的报道日益增多. ZnO作为一种广泛研究的光催化降解材料,因其无毒、低成本和高效等特点而具有一定的应用前景.但是ZnO较大的禁带宽度(3.24 eV)导致其只能吸收紫外光部分,而对可见光的吸收效率很小,极大地制约了其实际应用.除此之外, ZnO受光激发产生的电子-空穴分离效率较低、光催化过程中的光腐蚀严重也是制约其实际应用的重要因素.为了提高ZnO的光催化活性和稳定性,本文合成了用g-C3N4修饰的氧空位型ZnO(g-C3N4/Vo-ZnO)复合催化剂,在有效调控ZnO半导体能带结构的同时,通过负载一定量的g-C3N4以降低光生电子-空穴对的复合速率和反应过程中ZnO的光腐蚀,增强催化剂的光催化活性和稳定性.本文首先合成前驱体Zn(OH)F,然后焙烧三聚氰胺和Zn(OH)F的混合物得到g-C3N4/Vo-ZnO复合催化剂,并采用电子顺磁共振波谱(EPR)、紫外-可见光谱(UV-vis)、高分辨透射电镜(HRTEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等表征了它们的结构及其性质. EPR结果表明,ZnO焙烧后具有一定浓度的氧空位,导致其禁带宽度由3.24 eV降至3.09 eV,因而提高了ZnO对可见光的吸收效率. UV-vis结果显示, Vo-ZnO复合g-C3N4后对可见光的吸收显著增强. HRTEM和FT-IR结果均表明, g-C3N4纳米片和Vo-ZnO颗粒之间通过共价键形成了强耦合,这对g-C3N4/Vo-ZnO复合催化剂中光生载流子的传送和光生电子-空穴对的有效分离起到重要作用.可见光催化降解甲基橙(MO)和腐殖酸(HA)的实验进一步证明, g-C3N4/Vo-ZnO复合材料具有较好的光催化活性,优于单一的g-C3N4或Vo-ZnO材料.同时还发现, g-C3N4的负载量对光催化活性有显著影响,当氮化碳的负载量为1 wt%时,所制材料具有最高的光催化活性：可见光照射60 min后,MO降解率可达到93%, HA降解率为80%.复合材料光催化活性的增强一方面是因为氧空位的形成减小了ZnO的禁带宽度,使得ZnO对可见光的吸收能力大大增强;另一方面, g-C3N4和Vo-ZnO的能带符合了Z型催化机理所需的有效能带匹配,使得光生电子-空穴对得到了有效的分离,从而提高了光催化活性.降解MO的循环实验表明, g-C3N4/Vo-ZnO催化剂具有很好的稳定性且不容易发生光腐蚀.与此同时,我们对比了用不同方法制备的g-C3N4/ZnO材料的催化性能.结果显示,本文制备的g-C3N4/Vo-ZnO复合材料具有更好的降解效率.总体而言,对于降解有机污染物, g-C3N4/Vo-ZnO可能是一个更为有效可行的催化体系.此外,本文也为设计与制备其他新型光催化剂提供了一条新的思路.     

Engineering oxygen into ultrathin graphitic carbon nitride: synergistic improvement of electron reduction and charge carrier dynamics for efficient photocatalysis

The fast separation rate of photogenerated carriers and the high utilization of sunlight are still a major challenge that restricts the practical application of carbon nitride (g-C₃N₄) materials in the field of photocatalytic hydrogen (H₂) evolution. Here, ultrathin oxygen (O) engineered g-C₃N₄ (named UOCN) was successfully obtained by a facial gaseous template sacrificial agent-induced bottom-up strategy. The synergy of O doping and exfoliating bulk into an ultrathin structure is reported to simultaneously achieve high-efficiency separation of photogenerated carriers, enhance the utilization of sunlight, and improve the reduction ability of electrons to promote photocatalytic H₂ evolution of UOCN. As a proof of concept, UOCN affords enhanced photocatalytic H₂ evolution (93.78 μmol h^?1) under visible light illumination, which was significantly better than that of bulk carbon nitride (named CN) with the value of 9.23 μmol h^?1. Furthermore, the H₂ evolution rate of UOCN at a longer wavelength (λ = 450 nm) was up to 3.92 μmol h^?1 due to its extended light absorption range. This work presents a practicable strategy of coupling O dopants with ultrathin structures about g-C₃N₄ to achieve efficient photocatalytic H₂ evolution. This integrated engineering strategy can develop a unique example for the rational design of innovative photocatalysts for energy innovation.     

Silver Quantum Cluster (Ag9)‐Grafted Graphitic Carbon Nitride Nanosheets for Photocatalytic Hydrogen Generation and Dye Degradation

We report the visible‐light photocatalytic properties of a composite system consisting of silver quantum clusters [Ag₉(H₂MSA)₇] (H₂MSA=mercaptosuccinic acid) embedded on graphitic carbon nitride nanosheets (AgQCs‐GCN). The composites were prepared through a simple chemical route; their structural, chemical, morphological, and optical properties were characterized by using X‐ray diffraction (XRD), energy dispersive X‐ray spectroscopy, transmission electron microscopy, UV/Vis diffuse reflectance spectroscopy, and photoluminescence spectroscopy. Embedment of [Ag₉(H₂MSA)₇] on graphitic carbon nitride nanosheets (GCN) resulted in extended visible‐light absorption through multiple single‐electron transitions in Ag quantum clusters and an effective electronic structure for hydroxyl radical generation, which enabled increased activity in the photocatalytic degradation of methylene blue and methyl orange dye molecules compared with pristine GCN and silver nanoparticle‐grafted GCN (AgNPs‐GCN). Similarly, the amount of hydrogen generated by using AgQCs‐GCN was 1.7 times higher than pristine GCN. However, the rate of hydrogen generated using AgQCs‐GCN was slightly less than that of AgNPs‐GCN because of surface hydroxyl radical formation. The plausible photocatalytic processes are discussed in detail.     

离子热处理合成氮缺陷石墨相氮化碳及其光解水制氢性能

以尿素和二氰二胺为原料热聚合得到石墨相氮化碳,分别采用直接二次煅烧和熔盐离子热后热处理在不同温度下对产物进行后热处理,得到氮缺陷氮化碳CN和CNS。利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、透射电镜(TEM)等手段对所制备样品进行表征和分析,探讨了不同热处理温度和加热方法对催化剂微观聚合结构的影响;同时以光解水制氢为测试方法,考察了催化剂的可见光催化性能。结果表明,熔盐离子热更有利于氮化碳的层间聚合,得到高结晶度材料;在面内七嗪聚合单元中引入氮缺陷,产生末端氰基,优化电荷密度分布,增强电荷流动性;克服粒子尺寸效应,扩展催化剂的光吸收范围;当后热处理温度为500℃时,制备的CNS-500表现出优异的光解水制氢活性,是同温度下直接热处理得到的催化剂的3.84倍。     

A [001]‐Oriented Hittorf's Phosphorus Nanorods/Polymeric Carbon Nitride Heterostructure for Boosting Wide‐Spectrum‐Responsive Photocatalytic Hydrogen Evolution from Pure Water

Red phosphorus is a promising photocatalyst with wide visible‐light absorption up to 700 nm, but the fast charge recombination limits its photocatalytic hydrogen evolution reaction (HER) activity. Now, [001]‐oriented Hittorf's phosphorus (HP) nanorods were successfully grown on polymeric carbon nitride (PCN) by a chemical vapor deposition strategy. Compared with the bare PCN and HP, the optimized PCN@HP hybrid exhibited a significantly enhanced photocatalytic activity, with HER rates reaching 33.2 and 17.5 μmol h^?1 from pure water under simulated solar light and visible light irradiation, respectively. It was theoretically and experimentally indicated that the strong electronic coupling between PCN and [001]‐oriented HP nanorods gave rise to the enhanced visible light absorption and the greatly accelerated photoinduced electron–hole separation and transfer, which benefited the photocatalytic HER performance.