微球形CdIn2S4/ZnO复合材料的多模式光降解与光解水制氢

本文通过水热辅助水浴法制备了CdIn₂S₄/ZnO复合材料,并采用XRD、XPS、UV-Vis/DRS、SEM、N₂吸附-脱附等测试技术对复合材料的晶形结构和表面物理化学性质进行了表征。结果表明,相比于单体ZnO,微球形复合材料CdIn₂S₄/ZnO晶型结构更加优异,孔径分布更加均匀,比表面积明显增大,其光吸收范围拓展至可见光区。多模式光催化降解染料亚甲基蓝的实验结果显示,微球形复合材料CdIn₂S₄/ZnO的光催化活性优于单体ZnO和CdIn₂S₄,其中CdIn₂S₄与ZnO的比例为1：5时活性最好,其对不同有机污染物均具有光降解能力;另外,光解水制氢实验结果显示,在8 h内产氢量达到310.2 μmol/g,表明该复合材料具有优异的光解水制氢性能。     

花球状异质结构复合材料ZnS/ZnO/ZnWO4多模式光降解与光解水制氢

通过微波辅助水热两步法制备了复合材料ZnS/ZnO/ZnWO_4,并采用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UVVis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及N_2吸附-脱附等测试手段对其晶相结构、组成、形貌、表面物理化学性质及光吸收性能等进行了表征。结果显示,该复合材料呈现大小均匀的花球状结构,其花球是由立方晶相ZnS纳米颗粒、六方晶相ZnO与单斜晶相ZnWO_4纳米棒构成。微波的极化作用导致复合材料ZnO/ZnWO_4的晶粒尺寸、比表面积和孔体积较单体ZnWO_4明显变大。再次微波辐射复合ZnS后,复合材料ZnS/ZnO/ZnWO_4的晶粒尺寸进一步变大,同时二次微波作用导致其比表面积和孔体积由于花球内部的紧致而变小,但复合材料依旧保持花球状结构。以孔雀石绿为目标降解物,研究了花球状ZnS/ZnO/ZnWO_4增强的多模式光催化降解性能。而光解水制氢实验结果表明,ZnS/ZnO/ZnWO_4复合材料具有优异的产氢能力(376.9μmol·h~(-1)·g~(-1)),是市售P25的246.5倍,其增强的光解水制氢性能与复合材料优异的花球形貌、三元异质结构以及光催化反应中的多途径电子传递有关。     

MoS_2修饰ZnIn_2S_4微米球复合光催化剂的制备及光催化制氢活性增强研究(英文)

开发高效、稳定的半导体光催化材料是太阳能光催化制氢领域的研究热点,ZnIn_2S_4因其合适的能隙、带边电势位置以及稳定、低毒等优点而受到广泛关注.但在实际应用中,单纯的ZnIn_2S_4光催化制氢活性仍较低,主要原因是ZnIn_2S_4受激产生光生电子-空穴对后,载流子的传输、分离效果不理想,易在体相或表面复合;再者是单一的ZnIn_2S_4表面缺少催化反应产氢的活性位点.为提高催化活性,通常在催化剂的表面负载一定量的贵金属作为助催化剂,但由于贵金属成本高和稀缺性,限制了其实际的应用.因此,开发低成本、储量丰富、高效的非贵金属助催化剂来增强ZnIn_2S_4的光催化制氢活性具有显著意义.最近研究表明,具有层状结构的MoS_2可被作为一种非贵金属助催化剂应用于光催化制氢,且已取得了优异的光催化制氢效果.理论计算得出,暴露在MoS_2边缘的不饱和S原子具有与质子H+很强的键合作用,从而使其能够作为活性位点便利地产生氢气.因而将MoS_2负载于ZnIn_2S_4的表面,可进一步提高ZnIn_2S_4的光催化制氢活性.本文采用二步水热法制备了MoS_2负载于ZnIn_2S_4微球表面的MoS_2/ZnIn_2S_4复合光催化剂.采用X-射线衍射、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、Raman光谱、紫外-可见漫反射吸收光谱、氮气吸附-脱附测试和荧光光谱等技术对所得样品进行了表征.以乳酸作为牺牲试剂考察了MoS_2负载量对光催化制氢活性的影响.结果显示,当MoS_2含量为1 wt%时,MoS_2/ZnIn_2S_4复合光催化剂的光催化产氢活性最高,达343μmol/h,是单纯ZnIn_2S_4的14.9倍.此外,对1 wt%MoS_2/ZnIn_2S_4样品进行光催化制氢的长效循环测试表明,该样品在可见光下能够保持稳定、有效的光催化制氢性能.据此提出一个可能的增强光催化制氢活性机理:适量的MoS_2可以促进ZnIn_2S_4表面光生载流子的有效传输和分离,从而延长载流子的寿命.     

Ag-NaTaO_3-RGO复合物的合成及其改进的光催化制氢性能（英文）

以石墨粉,钽酸钠以及硝酸银为原料,通过三步合成法制备出一系列Ag-NaTaO_3-RGO复合材料。并对样品在紫外光照射下的光解水制氢活性进行了评价。结果表明:系列Ag-NaTaO_3-RGO复合材料均表现出较高的光解水制氢活性。其中,性能最优的0.2Ag-NaTaO_3-RGO的制氢速率分别是NaTaO_3,Ag-NaTaO_3,和NaTaO_3-RGO的5.64,1.97和1.48倍。对Ag-NaTaO_3-RGO复合材料光催化制氢性能改进的原因进行了探讨:(1)石墨烯具有优异的电子转移性能,能够有效阻止光生电子、空穴的复合。(2)银纳米颗粒充当电子陷阱,能够进一步提高电子空穴分离速率。(3)石墨烯的引入增强了复合物的光吸收性能。最后,根据所得实验数据,给出了Ag-NaTaO_3-RGO复合材料光催化制氢的反应机理。     

微波辅助快速制备2D/1D ZnIn_2S_4/TiO_2 S型异质结及其光催化制氢性能

能源危机的威胁在过去二十年里引起了全球性广泛关注。由于地球上具有丰富的太阳能和水资源,光催化分解水制氢被认为是获取绿色能源的一种有效途径。迄今为止,许多光催化剂已经得到了深入研究。其中,TiO_2以其无毒、化学稳定性高、形态可控、光催化活性强等优点得到了广泛的关注。特别是1D结构的TiO_2纳米纤维具有独特的一维电子转移轨迹,较大的吸附能力和较高的光生电子-空穴对(e~--h~+)传输速率等优点在光催化领域更是受到研究人员的青睐。尽管如此,TiO_2仍存在带隙大、光生电子-空穴对复合速率快等缺点,使其在制氢反应(HER)中效率不高。因此,构建高性能、经济、环保的光催化剂是实现太阳能高效转化的一大挑战。最近,各种提高TiO_2光催化活性的策略得到了广泛研究,包括与窄带隙半导体(如ZnIn_2S_4)的耦合等。另外,微波辅助合成技术以其成本低、设备简单、环境无污染、反应速度快等优点,已成为制备光催化半导体材料的一种重要手段。在本工作中,为解决TiO_2带隙宽(约3.2 e V)和电子-空穴对复合速率快等缺点,通过微波辅助合成技术快速地将2D结构的ZnIn_2S_4纳米片原位组装在TiO_2纳米纤维上,构筑2D/1D ZnIn_2S_4/TiO_2S型异质结。通过调节ZnIn_2S_4前驱体与TiO_2NFs的摩尔比,可以很容易地控制TiO_2纳米纤维上ZnIn_2S_4负载量。实验结果表明:相对于纯ZnIn_2S_4和TiO_2而言,ZnIn_2S_4/TiO_2异质结光催化剂在太阳光照射下的光吸收和制氢性能得到明显提高。在优化条件下,样品ZT-0.5 (ZnIn_2S_4与TiO_2的摩尔比为0.5)具有最佳制氢性能,达到8774mmol·g~(-1)·h~(-1),分别是纯TiO_2纳米纤维(3312mmol·g~(-1)·h~(-1))和ZnIn_2S_4 (3114mmol·g~(-1)·h~(-1))纳米片的2.7倍和2.8倍。基于实验结果,我们提出来一种在ZnIn_2S_4和TiO_2间形成的S型异质结机理,并很好地阐释了ZnIn_2S_4/TiO_2复合材料光催化制氢活性增强的原因。     

花状微球Znln_2S_4/碳量子点复合物用于光催化还原Cr(Ⅵ)（英文）

六价铬Cr(Ⅵ)是废水中常见的重金属污染物,广泛应用于电镀、皮革制造、金属表面处理、纺织制造等领域.传统的处理方法有吸附、超滤、反渗透和凝固等.但是,这些方法均具有一定的缺陷,比如膜污染、高功耗、高运行和维护成本.Cr(Ⅲ)有较低毒性且易在水溶液中沉淀形成Cr(OH)_3,因此,将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)被认为是一种有效去除Cr(Ⅵ)的策略.近年来,半导体光催化技术广受关注,被用于去除有毒污染物、还原二氧化碳和分解水,并在光催化还原Cr(Ⅵ)领域取得一系列进展.但是,探索开发可见光响应的高效光催化剂仍是挑战.三元金属硫属元素化合物半导体具有独特的光电特性和催化活性,备受关注.尤其是窄带Znln_2S_4被认为是一种有潜力的可见光催化剂.但是,由于其较窄的光响应范围以及光生载流子短的寿命,使得它的催化活性很低.研究表明,控制形貌、掺杂贵金属和构筑异质结复合物能够提高Znln_2S_4的光催化活性.不幸的是,有关Znln_2S_4在光催化还原Cr(Ⅵ)中的应用还鲜有报道.本文通过构筑花状微球Znln_2S_4和碳量子点(CQDs)异质结,合成Znln_2S_4/CQDs复合物,获得高效光催化还原Cr(Ⅵ)活性的复合光催化剂.扫描电子显微镜和高分辨投射电子显微镜结果显示, Znln_2S_4/CQDs复合物是由花瓣自组装的花状微球结构, CQDs分散在Znln_2S_4花瓣上,形成很好的界面接触,有利于光催化过程的进行.紫外可见吸收光谱结果表明, Znln_2S_4/CQDs复合物在可见光区域展现了很好的吸收.随着CQDs含量的增加, Znln_2S_4/CQDs复合物的光吸收能力增加,有利于提高其催化活性.电化学阻抗谱、光电流响应曲线和原位电子顺磁共振谱结果表明, CQDs可以作为电子受体材料,促进光生载流子的转移,抑制其复合,从而延长光生载流子的寿命.通过光催化还原Cr(Ⅵ)的实验发现,与纯Znln_2S_4相比, Znln_2S_4/CQDs复合物具有增强的光催化活性,并且与CQDs的掺杂比例有关.在可见光照射40 min后,当CQDs的掺杂比例为0.5 wt%时, Znln_2S_4/CQDs复合物对Cr(Ⅵ)的还原率达到93%.Znln_2S_4/CQDs复合物优异的催化活性归因于其优异的光吸收,良好的界面电荷转移,和CQDs的下转换特性.另外,光催化还原Cr(Ⅵ)实验被循环3次后发现, Cr(Ⅵ)的还原率没有明显降低.同时, X射线衍射、扫描电子显微镜和光电子能谱结果表明,催化反应之后的Znln_2S_4/CQDs复合物的结构、形貌和组分均未发生变化,说明Znln_2S_4/CQDs复合物具有良好的稳定性.本工作以期为进一步设计具有理想功能的CQDs基复合材料提供有价值的信息.     

Ag-NaTaO3-RGO复合物的合成及其改进的光催化制氢性能

以石墨粉,钽酸钠以及硝酸银为原料,通过三步合成法制备出一系列Ag-NaTaO₃-RGO复合材料。并对样品在紫外光照射下的光解水制氢活性进行了评价。结果表明：系列Ag-NaTaO₃-RGO复合材料均表现出较高的光解水制氢活性。其中,性能最优的0.2Ag-NaTaO₃-RGO的制氢速率分别是NaTaO₃,Ag-NaTaO₃,和NaTaO₃-RGO的5.64,1.97和1.48倍。对Ag-NaTaO₃-RGO复合材料光催化制氢性能改进的原因进行了探讨：（1）石墨烯具有优异的电子转移性能,能够有效阻止光生电子、空穴的复合。（2）银纳米颗粒充当电子陷阱,能够进一步提高电子空穴分离速率。（3）石墨烯的引入增强了复合物的光吸收性能。最后,根据所得实验数据,给出了Ag-NaTaO₃-RGO复合材料光催化制氢的反应机理。     

Ag-NaTaO3-RGO复合物的合成及其改进的光催化制氢性能

以石墨粉,钽酸钠以及硝酸银为原料,通过三步合成法制备出一系列Ag-NaTaO₃-RGO复合材料。并对样品在紫外光照射下的光解水制氢活性进行了评价。结果表明：系列Ag-NaTaO₃-RGO复合材料均表现出较高的光解水制氢活性。其中,性能最优的0.2Ag-NaTaO₃-RGO的制氢速率分别是NaTaO₃,Ag-NaTaO₃,和NaTaO₃-RGO的5.64,1.97和1.48倍。对Ag-NaTaO₃-RGO复合材料光催化制氢性能改进的原因进行了探讨：（1）石墨烯具有优异的电子转移性能,能够有效阻止光生电子、空穴的复合。（2）银纳米颗粒充当电子陷阱,能够进一步提高电子空穴分离速率。（3）石墨烯的引入增强了复合物的光吸收性能。最后,根据所得实验数据,给出了Ag-NaTaO₃-RGO复合材料光催化制氢的反应机理。     

Pt-M(M=Co,Ni,Fe)/g-C_3N_4复合材料构建及其高效光解水制氢性能（英文）

铂(Pt)是公认的优秀助催化剂:一方面,Pt能抑制光催化过程中光生载流子的复合;另一方面,Pt能降低光解水制氢反应过电势。尽管如此,高昂的价格和极低的丰度限制了Pt在光解水制氢中的应用。Pt基过渡金属合金在多种催化反应中呈现出卓越的催化性能,是潜在的助催化材料。在本工作中,我们利用Co、Ni、Fe等过渡金属部分取代贵金属Pt,并以乙二醇为还原剂,通过原位还原H_2PtCl_6和过渡金属盐制备了Pt-M/g-C_3N4_ (M=Co, Ni, Fe)复合材料。在可见光照射下,1%(w) Pt_(2.5)M/g-C_3N_4 (M=Co, Ni, Fe)均表现出比同样条件下Pt负载的复合材料更高或者相当的光解水制氢性能。其次,我们通过调节Pt/Co的原子比例以及Pt-Co合金的负载量进一步优化了光催化性能。结果显示:1%(w) Pt_(2.5)_Co/g-C_3N_4复合材料表现出最高的光解水制氢性能,是同样条件下Pt负载的1.6倍。电化学阻抗谱(EIS)和光致发光光谱(PL)表明光催化性能的提升得益于电子从g-C_3N_4向Pt_(2.5)Co的有效传输以及光生载流子复合被有效抑制。这一工作显示Pt基过渡金属合金在高效光解水制氢中具有潜在的应用前景,对于开发低成本、高效助催化剂具有一定的指导意义。     

Bi_2WO_6/ZnO:一种在可见光下具有优良光催化性能的花状新型复合材料（英文）

印染废水具有水量大、色度高、难生化降解、有毒有害物质多等特点;另外抗生素废水的大量排放对水生和陆地生态系统带来了危害.光催化可有效降解有机物,因而被广泛研究和应用,其多以半导体作为光催化剂.ZnO因价廉、无毒、来源广、光催化活性高而广受关注.但是,由于其带隙较宽,只能被紫外光激发,对太阳光的利用率低,且易发生光腐蚀,光稳定性较差,从而大大降低了光催化活性,不利于其应用.将ZnO与其他半导体复合是改善其光催化活性的最有效方法之一.铋基光催化剂一直是光催化领域的研究热点,作为无机半导体纳米晶之一,Bi_2WO_6具有无毒性、适当的带隙和优异的光催化性能,因而得到广泛关注.本文将Bi_2WO_6复合到ZnO上以降低ZnO带隙能,提高其对太阳能的转换,降低电子-空穴的复合几率,促进电荷转移的有效分离,从而提高ZnO的光催化性能.本文采用两步水热法合成了一种异质结的花状Bi_2WO_6/ZnO复合材料.通过降解亚甲基蓝(MB)和四环素,研究了其光催化性能.结果表明,该Bi_2WO_6/ZnO复合材料对MB和四环素具有优异的光催化活性,对它们的光降解效率分别是纯ZnO的246和4500倍,相应地,对这两种污染物的光降解率分别是纯ZnO的120和200倍.活性因子捕获实验结果显示,超氧自由基在光催化降解过程中起主要作用,其次是羟基自由基和光生空穴.采用X射线衍射、透射电镜、扫描电镜、紫外-可见漫反射、N_2吸附脱附、X射线光电子能谱、荧光光谱、光电流等方法对材料的形态结构、孔结构、化学组成、带隙能、光吸收性质、载流子复合效率等进行了分析.复合后Bi_2WO_6/ZnO的形貌为微米尺寸纳米结构的花状绒球,直径约为4μm,带隙能量从3.2 eV降为2.6 eV.Bi_2WO_6/ZnO为介孔结构,复合后比表面积为原来的4.98倍.所制备的Bi_2WO_6/ZnO光催化剂比纯Bi_2WO_6和ZnO颗粒具有更高的瞬态光电流密度(约为4.5μA).综上,Bi_2WO_6和ZnO成功复合形成了异质结,降低了ZnO的禁带宽度,促进了电子和空穴的有效分离,从而提高了其光催化活性.     

三元NiS/CQDs/ZnIn2S4光催化体系的合理设计及其产氢性能

氢气是一种清洁能源,利用半导体光催化技术将水转化成氢气是解决全球能源危机和环境污染问题的有效途径之一.开发高效的光催化体系以实现水分解产氢是目前能源领域中的一个研究热点.六方相的ZnIn_2S_4 是一种三元金属硫化物,因其具有能够吸收可见光的窄带隙(约2.4 eV)和良好的化学稳定性,在光催化产氢方面得到了较好应用.在半导体光催化产氢体系中,往往需要加入助催化剂来提供产氢活性位并降低产氢反应的过电位,这种半导体/助催化剂体系中光催化产氢效率不仅取决于助催化剂的组成和结构,还受二者界面之间光生电子传输效率的影响.我们课题组前期研究发现,NiS作为一种廉价的非贵金属助催化剂能够提高ZnIn_2S_4 在可见光下的光催化产氢活性.考虑到碳量子点(CQDs)是一种具有良好导电能力的纳米材料,并已被负载于半导体光催化剂上来促进半导体表面光生电子的传输,本文将CQDs作为光生电子传输的"桥梁"引入到NiS/ZnIn_2S_4 体系中,用来促进光生电子从ZnIn_2S_4 到NiS的定向传输,从而提高其光催化产氢效率.实验首先合成Ni S/CQDs复合材料,然后在其存在下进行ZnIn_2S_4 的自组装制得Ni S/CQDs/ZnIn_2S_4 .利用X射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、傅立叶红外光谱、X射线光电子能谱和紫外-可见漫反射光谱对催化剂的组成、结构及光学性质进行了详细表征,考察了其在可见光下以三乙醇胺(TEOA)为牺牲剂时的光催化分解水产氢性能.结果表明,含有CQDs的NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 光催化剂在光照5 h后的产氢总量达到142μmol,分别为相同条件下ZnIn_2S_4 和NiS/ZnIn_2S_4 产氢总量的5.5和1.6倍.相比于通过将Ni S沉积在预先合成的CQDs/ZnIn_2S_4 上所获得的CQDs/NiS/ZnIn_2S_4 光催化剂, NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 显示出更优越的光催化产氢活性.TEM观测发现,在NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 中CQDs与ZnIn_2S_4 和NiS均有明显的接触,表明CQDs作为"桥梁"连接了ZnIn_2S_4 和NiS,这种结构有利于光生电子由ZnIn_2S_4 至NiS定向传输.而CQDs/NiS/ZnIn_2S_4 光催化剂中的CQDs和NiS没有直接接触.电化学交流阻抗实验发现, NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 中电子的传导能力比CQDs/NiS/ZnIn_2S_4 中的强,说明相比于CQDs/NiS/ZnIn_2S_4 ,在NiS/CQDs/ZnIn_2S_4 中的CQDs更有效地促进了光生电子由ZnIn_2S_4 至NiS定向传输.该研究提供了一种以CQDs作为促进光生电子定向传输的"桥梁"来构筑高效产氢光催化体系的方法.     

In_2O_3三维纳米结构的控制合成及高效光解水产氢活性研究（英文）

开发高效、稳定光解水催化剂,对于缓解能源危机和环境污染问题具有重要意义。本工作中,通过简易水热策略制备了三维纳米结构的In_2O_3光催化剂,该光催化剂在三维结构上具有合适的自组装程度。为了研究合适的自组装程度对光催化制氢活性的影响,我们利用该催化剂在可见光和模拟太阳光下进行光催化产氢活性测试。结果发现,In_2O_3-150(水热温度为150°C样品)的光催化活性最佳,这可能是由于其在三维结构上具有合适的自组装程度,这种合适的自组装程度有利于光在催化剂内部的反射以及气体的溢出。通过光催化循环测试,In_2O_3-150表现出优异的光催化稳定性。本工作突出了控制In_2O_3三维纳米结构自组装程度的重要性,并探讨了其在可见光和模拟太阳光下制氢的性能及机理。     

MoSe2/ZnO/ZnSe复合物用于高效可见光催化还原Cr（Ⅵ）（英文）

半导体光催化还原Cr(VI)为Cr(III)被认为是一种能够解决环境和能源问题的绿色技术.典型光催化剂ZnO和TiO2在还原重金属离子和二氧化碳,降解有机污染物,分解水等领域均已被证明是一种有潜力的光催化剂.但是,它们窄的太阳能吸收范围和快的光生载流子复合限制了其实际应用.因此,探索能够响应可见光的高效光催化剂是非常急切的课题.研究表明,引入窄带半导体构筑异质结复合光催化剂是一种提高ZnO和TiO2可见光催化活性的有效途径.随着二维石墨烯研究的热潮,具有类石墨烯结构的材料,如过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W,Nb,Ta,Zr;X=S,Se)以其独特的“三明治夹心”层状结构受到了研究者的高度重视.在这些MX2材料中,MoS2是间接带隙半导体,能带为1.2 eV,并且随着层数的减小,能带增加到1.8 eV,因此,它对可见光具有很好的吸收能力.MoS2具有比表面积大、吸附能力强、反应活性高等优异的物理和化学性能,被广泛应用于光催化、制氢反应、太阳能电池及锂离子电池等领域.类似于MoS2,MoSe2也应该是一种具有潜力的窄带光催化剂.不幸的是,对于MoSe2在光催化还原Cr(VI)中的应用,还鲜有报道.本文基于ZnO,ZnSe和MoSe2构筑复合光催化剂,由于它们存在阶梯型的能级结构,使得此复合物能够展现优异的可见光催化性能,这是一种提高ZnO可见光催化活性的有效方法.扫描电子和高分辨透射电子显微镜结果显示,ZnO和ZnSe纳米颗粒分散在二维MoSe2片周围,形成很好的界面接触,有利于光生电子-空穴对的快速转移和分离,促进光催化反应的进行.紫外可见吸收光谱结果表明,MoSe2/ZnO/ZnSe(ZM)复合物在可见光区域展现了很好的吸收.电化学阻抗谱和光电流响应曲线结果表明,ZM复合物中光生载流子复合被有效抑制,延长了其寿命.光催化还原Cr(VI)的实验结果发现,与纯ZnO相比,ZM复合物展现了优异的光催化活性.在可见光照射180 min后,ZM复合物对Cr(VI)的还原率达到100%.优异的光催化活性归因于其优异的可见光吸收、阶梯型能级结构和光生载流子的有效转移.光催化重复性实验和X射线衍射图结果表明,在光催化反应之后ZM复合物的结构没有发生变化,具有良好的稳定性.本工作可为进一步设计具有理想功能的二维复合光催化剂提供有价值的信息.     

非贵金属助催化剂Ni3N修饰g-C3N4用于可见光催化产氢的研究

近年来,利用太阳光光解水制氢被认为是解决当前能源短缺和环境污染问题的重要途径之一.众所周知,助催化剂可以有效的降低光催化产氢反应的活化能,提供产氢反应的活性位点,有效的促进催化剂中光生载流子的传输与分离,从而提高光催化剂产氢体系的反应活性和稳定性.然而,鉴于贵金属助催化剂(Pt, Au和Pd等)储量低、成本高,极大地制约了其应用.因而,开发出适用于光催化水分解制氢的非贵金属助催化剂尤为重要.石墨相氮化碳(g-C_3N_4)因其具有热稳定性、化学稳定性高以及制备成本低廉等优点,成为光催化领域研究的热点.然而,由于g-C_3N_4的禁带宽度(Eg=2.7 eV)较宽,致使其对可见光的响应能力较弱,并且在光催化反应过程中其光生电子-空穴对易复合,从而导致其光催化产氢活性较低.因此,如何开发出含非贵金属助催化剂的g-C_3N_4高效、稳定的太阳光催化分解水制氢体系引起了人们极大的关注.本文通过水热法-高温氨化法首次将非贵金属Ni_3N作为助催化剂来修饰g-C_3N_4,增强其可见光光催化性能(l420 nm).采用XRD、SEM、EDS、Mapping、UV-Vis、XPS和TEM等手段对Ni_3N/g-C_3N_4光催化体系进行了表征.结果表明, Ni_3N纳米颗粒成功的负载到g-C_3N_4表面且没有改变g-C_3N_4的层状结构.此外,采用荧光光谱分析(PL)、阻抗测试(EIS)和光电流谱进行表征,结果显示, Ni_3N纳米颗粒可有效促进催化剂中光生载流子的传输与分离,抑制电子-空穴对的复合.同时,将功率为300 W且装有紫外滤光片(λ420 nm)的氙灯作为可见光光源进行光催化产氢实验结果表明,引入了一定量的Ni_3N可以极大提高g-C_3N_4的光催化活性,其中, Ni_3N/g-C_3N_4#3的产氢量为～305.4μmol·h-1·g-1,大约是单体g-C_3N_4的3倍.此外,在450nm单色光照射下, Ni_3N/g-C_3N_4光催化产氢体系的量子效率能达到～0.45%,表明Ni_3N/g-C_3N_4具有将入射电子转化为氢气的能力.循环产氢实验表明, Ni_3N/g-C_3N_4在光催化产氢过程中有着较好的产氢活性和稳定性.最后,阐述了Ni_3N/g-C_3N_4体系的光催化产氢反应机理.本文采用的原料价格低廉,性能优异,制备简单,所制材料在光催化制氢领域展现出重要前景.     

异腈氮杂配铜配合物的合成及光解水制氢性能

设计、合成了供电子性能的异腈二齿配体,可与铜(Ⅰ)和1,10-菲咯啉衍生物发生反应,形成一类异腈氮杂配铜光敏剂4a~4h,并在光解水制氢体系研究了其光催化活性。实验结果表明,2,2′-二异腈基二苯硫醚与2,9位具有取代基的菲咯啉形成的杂配铜配合物具有一定的光敏活性,光解水制氢TON达168。结合这类配合物的光物理性能和光电性能研究,对这类配合物作为光敏剂的构效关系及其内在机理进行了初步地解释与探讨。     

异腈氮杂配铜配合物的合成及光解水制氢性能

设计、合成了供电子性能的异腈二齿配体,可与铜（Ⅰ）和1,10-菲咯啉衍生物发生反应,形成一类异腈氮杂配铜光敏剂4a~4h,并在光解水制氢体系研究了其光催化活性。实验结果表明,2,2''-二异腈基二苯硫醚与2,9位具有取代基的菲咯啉形成的杂配铜配合物具有一定的光敏活性,光解水制氢TON达168。结合这类配合物的光物理性能和光电性能研究,对这类配合物作为光敏剂的构效关系及其内在机理进行了初步地解释与探讨。     

三维有序大孔复合材料AgZnO-TiO2的制备及微波辅助光催化性能

采用聚苯乙烯(PS)微球作为模板剂,经溶胶-凝胶及煅烧后处理等方法制备了三维有序大孔复合材料Ag/ZnO-TiO2. 通过傅里叶-红外光谱(FT-IR)、X 射线衍射(XRD)、X 射线光电子能谱(XPS) 、N2吸附-脱附测定和扫描电子显微镜配合X 射线能量色谱仪(SEM-EDS)等测试手段对其组成、结构及形貌等进行了表征. 结果显示,经PS微球处理后的Ag/ZnO-TiO2具有锐钛矿晶型结构,其Ag以单质形式存在. 该复合材料的孔结构排列整齐有序,孔壁为介孔结构,粒子堆积致密,平均孔直径约150 nm,属于三维有序大孔材料(3DOM). 在微波辅助光催化降解甲基橙等染料的实验研究中,该复合材料表现出较好的光催化性能,其活性明显高于P25等单体以及二元体系ZnO-TiO2     

二维Z型BCN/Sn3O4复合材料的光催化还原性能

分别以直接热聚合法和水热合成法制备得到二维硼掺杂氮化碳(BCN)和四氧化三锡(Sn₃O₄)半导体材料, 采用超声复合和煅烧复合两种方法构建了BCN/Sn₃O₄复合材料. 利用 X 射线衍射(XRD)、 紫外-可见漫反射(UV-Vis)光谱、 透射电子显微镜(TEM)等手段对所制备样品进行了表征和分析, 探讨了不同复合方法对催化剂微观结构及光电性质的影响; 以可见光下光解水制氢和活化氧制过氧化氢为模型反应考察了催化剂的光催化性能. 结果表明, BCN与Sn₃O₄能够形成二维面-面复合结构, 相比于超声复合法, 直接煅烧法更有利于有效界面的形成, 使得界面间产生Sn₃O₄到BCN的电荷迁移, 增强了BCN表面电荷密度, 并使复合材料具有更加优化的光电响应和光催化还原活性, 其中煅烧法得到的复合样品BCN/Sn₃O₄-3C(Sn₃O₄与BCN质量比为3%)表现出显著增强的光解水制氢及活化氧制过氧化氢的活性.     

光还原Pt掺杂三维有序大孔ZrO2复合材料的光降解与光解水制氢

采用胶晶模板技术结合光还原方法制备了Pt掺杂复合材料三维有序大孔Pt/ZrO2(3DOM Pt/ZrO2)。通过X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外–可见漫反射吸收光谱(UV–Vis/DRS)和氮气吸附–脱附等测试方法对纳米复合材料3DOM Pt/ZrO2的晶相、组成、结构、形貌以及表面物理化学性质等进行表征。结果表明,Pt掺杂复合材料3DOM Pt/ZrO2与单体ZrO2的晶相相一致,其形貌呈现三维有序大孔结构,且孔结构排列整齐有序,孔壁为介孔结构。经光还原作用后该复合材料中Pt主要以单质形式存在,并且均匀分布在三维有序复合材料表面。同时,与单体ZrO2相比,纳米复合材料3DOM Pt/ZrO2的BET比表面积显著增大,光吸收性能发生改变,在240–350 nm间呈现强吸收。另外,在多模式光降解实验中,3DOM Pt/ZrO2的光活性明显增强。同时,其光解水制氢性能差不多是P25的2.5倍。     

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.