用于光电化学氧化氯酸盐的钒酸铋光电阳极的合成与表征

采用便捷的涉及电沉积和退火过程的两步法在F掺杂的氧化锡基体上制备了高品质的多晶钒酸铋(BiVO4)薄膜,并运用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱、紫外-可见光吸收光谱和拉曼光谱表征了所制薄膜的形貌和结构特征.XRD和光学分析结果表明,BiVO4薄膜为纯相的单斜白钨矿晶相结构.将该薄膜通过电化学(EC),光化学(PC)和光电化学(PEC)过程用于水溶液中氯酸离子的多相氧化反应中.采用紫外-可见吸附光谱仪监测氯酸盐浓度的降低.结果发现,在光的照射下采用PEC法时,BiVO4可有效催化氯酸盐的氧化.氯酸盐氧化反应级数为1级,PEC过程的反应速率常数明显高于EC和PC过程的.同时,提出了基于形成了高氯酸离子的催化氧化氯酸盐的反应机理.     

电解液成分、厚度及表面改性对旋涂法制备的BiVO_4膜层光电化学性能的影响（英文）

采用旋涂法在FTO(SnO_2∶F)导电玻璃衬底上沉积得到BiVO_4多孔薄膜用以光解水,改变前驱体的浓度和旋涂次数以调控薄膜的厚度。研究了电解液成分、膜层厚度及表面改性等因素对刚经历过退火处理的BiVO_4薄膜光电化学(PEC)性能的影响。结果表明:通过在电解液中添加适量的空穴吞噬剂Na_2SO_3,或对表面进行Co-Pi改性均能有效改善BiVO_4薄膜的PEC活性。这些措施均能有效抑制固液界面处的载流子复合反应。经Co-Pi改性的BiVO_4薄膜在0.6 V(vs SCE)偏压下,0.1 mol·L~(-1) Na_2SO_4+0.1mol·L~(-1)Na_2SO_3的电解液中展现出最高的光电流密度(4.3 m A·cm~(-2))。此外,选用一个代表性BiVO_4薄膜作为光阳极制备了一个PEC生物传感器,在检测谷胱甘肽(GSH)上表现出比较高的灵敏度。本研究证实了BiVO_4薄膜的PEC性能严重依赖着光俘获效率和载流子输运过程。     

A photoelectrochemical cell for pollutant degradation and simultaneous H_2 eneration

A visible-light driven photoelectrochemical(PEC) cell comprised of nanostructured BiVO_4 photoanode and Pt cathode was established for organic compounds degradation with simultaneous H_2 generation.BiVO_4 electrode film fabricated by a simple drip-coating method showed a porous nanostructure and an intense absorption in visible light range. The PEC process possesses a rate of about 0.3207 h 1 for MO degradation, which is 8 times and 64 times faster than electrocatalytic(EC) and photocatalytic(PC)process, respectively. A simultaneous H_2 generation via the PEC process was also observed and a rate of 34.44 μmol h~(-1)cm~(-2) for H_2 generation was measured, which is 3 folds more efficient than the EC process. The nanostructured BiVO_4 photoanode shows outstanding PEC photocurrent density and recycle performance. The proposed PEC system would be a promising strategy for wastewater treatment and energy recovery with an outstanding stability and recyclability performance.     

BiVO4/CuBi2O4薄膜光电极的制备及光电性能

通过金属有机物分解法(MOD)协同光电化学沉积法, 将p型氧化物半导体CuBi₂O₄沉积在BiVO₄纳米薄膜上, 形成包覆性异质结结构, 制备了一种新型p-n异质结光阳极n-BiVO₄/p-CuBi₂O₄, 用于太阳能光电化学(Photoelectrochemical, PEC)水分解. 研究结果表明, 在1.23 V(vs. RHE)电势下, BiVO₄/CuBi₂O₄ 异质结光阳极表现出优良的PEC水氧化性能, 光电流密度达到2.8 mA/cm², 负载磷酸钴(Co-Pi)的BiVO₄/CuBi₂O₄/Co-Pi光电极, 光电流密度达到4.45 mA/cm², 分别为BiVO₄电极光电流密度的3.1倍和4.9倍. X射线衍射(XRD)、 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、 电化学阻抗谱(EIS)和能级结构图等结果也证实, BiVO₄/CuBi₂O₄和BiVO₄/CuBi₂O₄/Co-Pi复合电极材料在内建电场和能带弯曲作用下, 光吸收特性增强, 载流子界面转移电阻减小, 具有良好的光电化学性能与稳定性.     

BiVO_4/SBA-15催化剂的制备及其光催化氧化脱硫性能

采用水热后合成法制备了BiVO_4/SBA-15催化剂,利用XRD、SEM-EDS和N2吸附-脱附等手段对其进行表征分析,并在自制的光催化反应装置中对其静态光催化氧化脱硫性能进行了研究。结果表明,BiVO_4/SBA-15催化剂具有SBA-15分子筛的介孔孔道结构,BiVO_4均匀分布在SBA-15分子筛表面。BiVO_4/SBA-15催化剂具有良好的催化氧化脱硫性能,在BiVO_4负载量为15%、水热合成时间为18 h、530℃下焙烧3 h制备的BiVO_4/SBA-15催化剂,对模拟柴油的脱硫率可达95.6%。     

纺锤形BiVO_4微米管:低温离子熔盐合成及光催化性能

以Bi(NO_3)_3·5H_2O和NH_4VO_3为原料,以氯化胆碱和尿素组成的低温离子熔盐为反应介质,采用离子热合成法成功制备出了具有纺锤状外形的BiVO_4微米管。利用XRD,SEM,UV-Vis DRS,光催化测试等手段考察了BiVO_4颗粒的物相、形貌和光催化性能。结果表明,在离子熔盐环境下可以制备出结晶良好的BiVO_4纺锤形微米管,该BiVO_4微米管长10～15μm,直径为1.5μm左右,管壁厚约为200 nm。同时,研究了pH值对BiVO_4颗粒物相与形貌的影响,发现随着pH值的变化可分别合成出具有柱状、纺锤形微米管、柱状微米管和针柱状单斜相BiVO_4颗粒。光催化测试结果表明,这些单斜白钨矿BiVO_4颗粒在可见光范围都具有一定的光催化活性,其中纺锤状微米管对罗丹明B的降解效果最佳,可见光照射4.5h后罗丹明B的降解率可达到93%。     

二氰胺钴、镍调控钒酸铋界面载流子传输及光催化产氧研究（英文）

光催化水分解反应是解决当前世界范围严峻的能源与环境问题的一种有效途径.光催化分解水过程可以分为产氢和产氧两个半反应.产氧反应过程复杂,动力学缓慢,是光催化分解水的限速步骤,因此需要探索性能优异的水氧化催化剂(WOCs)来提高产氧半反应的效率.钒酸铋近年来被广泛研究并应用于光催化产氧领域.钒酸铋拥有合适的带宽(2.4 eV)以及较好的稳定性,但是其应用受到其严重的电子空穴复合率、较低的电荷传输能力以及较差的反应动力学的限制.以往研究表明,通过构建复合光催化体系可以有效促进光生电荷的分离与传输,提高材料的光催化性能.因此,我们提出构建新型的BiVO_4/M(dca)_2(M=Co,Ni)复合体系,其中,BiVO_4作为光敏化剂,M(dca)_2作为水氧化催化剂.红外测试和紫外可见测试的结果表明,M(dca)_2通过物理吸附的方式附着在BiVO_4表面,形成BiVO_4/M(dca)_2复合光催化剂体系.复合体系的产氧活性相较于纯BiVO_4有明显的提升.光催化产氧测试结果表明,BiVO_4/Co(dca)2和BiVO_4/Ni(dca)_2复合体系的产氧活性分别可达508.1和297.7μmol/(h·g),而纯BiVO_4的产氧活性只有252.2μmol/(h·g).进一步的稳定性测试结果表明,BiVO_4/Co(dca)2复合体系在30 h的测试过程中能够保持稳定的活性.ICP-MS和XPS的表征结果证明了催化过程中分子催化剂良好的稳定性,排除了反应过程中生成氧化物进而促进产氧活性的可能.对该复合体系的一系列电化学表征证明,M(dca)_2有效改善了BiVO_4/电解液界面的电荷传输性能,从而促进了光催化产氧性能.其中,莫特-肖特基测试表明,M(dca)_2的加入增大了能带弯曲,提高了空穴传递的驱动力,阻抗谱的测试证明了复合体系具有较低的界面电阻,有利于载流子的迁移.通过对复合体系光生载流子分离和注入效率的表征,可以证明,在BiVO_4/M(dca)_2复合体系中,光生空穴能够有效地从BiVO_4迁移到M(dca)_2,进而参与光催化产氧反应并且光催化活性有明显的提升.其中,由于Co(dca)2能够更加有效地改善BiVO_4/电解质的水氧化反应动力学过程,其活性显著优于BiVO_4/Ni(dca)_2体系和纯BiVO_4.此外,基于实验结果和各项表征,我们进一步提出了BiVO_4/Co(dca)2光催化产氧反应的反应机理:光照条件下,BiVO_4中电子跃迁至导带,进而被牺牲剂消耗,而价带上的空穴则传递至分子催化剂进行化学反应,其中,分子催化的反应机理遵循水亲核攻击的模型.     

NiFe双氢纳米粒子有效提高BiVO_4光阳极光电化学水分解性能（英文）

近年来,太阳能驱动的光电化学水分解作为一种高效、环保、可持续的技术,已经引起了广泛的关注.为了更好地使用光电化学技术将太阳能转化为化学能,至关重要的是提高光电极材料的光吸收和光转化效率.BiVO_4禁带宽度(Eg=2.4–2.5 eV)小,具有很好的可见光响应能力,因此BiVO_4光电极材料引起了广泛关注.但是,当单独BiVO_4作为光电阳极材料时,电子-空穴对分离弱、载流子传输慢,从而使BiVO_4不能很好地在光电化学水分解中发挥作用.为了缓解或解决此类限制性因素,本课题组通过水热法合成了NiFe双氢纳米粒子,并将其负载于BiVO_4电极表面,光电催化分解水实验表明其产氢效率得到大幅度提高.同时制备了Ni(OH)_2/BiVO_4和Fe(OH)2/BiVO_4电极并用于研究NiFe/BiVO_4电极的反应机理.在上文基础上,本文采用电子扫描电镜(SEM)、高分辨投射电镜(HRTEM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)等表征手段和线性扫描伏安法(LSV)和电流时间(I-t)等对其光电化学活性进行了测试,研究了NiFe/BiVO_4电极在发生水氧化时的反应机理.SEM结果表明,Ni(OH)_2是以纳米片组成的纳米球负载于多孔BiVO_4表面;而当Fe(OH)2负载于BiVO_4表面时,BiVO_4的纳米尺寸减小;NiFe-LDH纳米粒子负载于BiVO_4表面时,可以明显看见BiVO_4纳米颗粒表面包裹着一层更小的纳米粒子.这证明了Ni(OH)_2,Fe(OH)2和NiFe-LDH纳米粒子均成功负载于BiVO_4表面.这也得到HRTEM结果的确认.UV-Vis DRS结果表明NiFe-LDH纳米粒子能有效拓宽BiVO_4的吸收边,从而增加对可见光的吸收,增加了对光的利用率.LSV测试结果表明,暗反应条件下Ni(OH)_2/BiVO_4比NiFe/BiVO_4和Fe(OH)2/BiVO_4电极的起始电位更低,说明Ni(OH)_2有更好的传输电子性能;而在光照条件下,在同一电位时NiFe/BiVO_4比Ni(OH)_2/BiVO_4和Fe(OH)2/BiVO_4电极的光电流值更高.值得注意的是,此时Ni(OH)_2/BiVO_4比Fe(OH)2/BiVO_4电极的光电流值低,这又说明Fe(OH)2比Ni(OH)_2对光更敏感.因此当NiFe-LDH纳米粒子负载于BiVO_4表面时,不仅提高了BiVO_4光电极的光吸收效率,而且加速了载流子的传输从而抑制了光生电子-空穴的复合,使反应过程中的量子效率得到提高     

TiO2纳米管阵列负载不同形貌Cu2O薄膜的制备及光电性能研究

本论文采用阳极氧化法在金属钛基底上制备高度有序的TiO2纳米管阵列薄膜,然后采用脉冲电流法在TiO2纳米管阵列上沉积Cu2O,从而制备出Cu2O-TiO2纳米管阵列异质结复合薄膜。借助X射线衍射仪(XRD),场发射扫描电子显微镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段,详细探讨了Cu2O沉积过程中电解液的不同扰动方式(静止、磁力搅拌和超声搅拌)对复合薄膜物相和形貌的影响。实验结果表明电解液的扰动方式会影响Cu2O沉积过程中的离子扩散和微区化学环境,从而影响Cu2O的形貌。通过漫反射紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和光电流性能测试可知所制备的负载Cu2O型TiO2纳米管阵列薄膜具有显著的可见光响应效应。     

咪唑四氟硼酸盐离子液体中磷钼酸掺杂聚吡咯薄膜修饰电极的制备及其电催化活性

以1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)离子液体作为介质,利用电化学方法在铂电极表面制备了磷钼酸掺杂聚吡咯薄膜;采用扫描电子显微镜观察了所制备的薄膜的形貌,利用热重分析评价了其热稳定性,利用循环伏安法测定了其电化学活性和对甲醇的电催化氧化活性.结果表明,与传统的硫酸溶液相比,以BMI-MBF4离子液体作为反应介质制备的修饰电极的表面形貌更均匀,电化学活性和对甲醇的电催化氧化活性更强.     

四磺酸酞菁钴-DDAB表面活性剂薄膜电极的电化学与电化学催化研究

四磺酸酞菁钴配合物阴离子(CoPcTS_4-)在水溶液中可借助离子交换进入阳离子表面活性剂双十二烷基二甲基溴化铵(DDAB)薄膜,从而形成CoPcTS_4-DDAB薄膜电极.循环伏安法表明,该薄膜电极在pH7.0的空白缓冲溶液中十分稳定,有两对准可逆的还原氧化峰,其中第一对峰的E_pc1=-0.28V,E_pa1=-0.18V(vs.SCE),为中心离子Co(II)Co(I)的还原氧化峰;第二对峰的E_pc2=-1.30V,E_pa2=-1.18V,为酞菁环的还原氧化峰.应用循环伏安法估计了该薄膜体系的电荷传递扩散系数D_ct和表观非均相电极反应速率常数k^o'.CoPcTS_4-DDAB薄膜电极可用于对三氯乙酸(TCA)的电化学催化还原.催化电流与TCA浓度在4×10^-5～1×10^-3molL范围内成线性关系.     

退火温度对CdSe纳米薄膜的形成及光电性能影响

在室温下,采用循环伏安法在ITO上沉积CdSe纳米薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、紫外-可见(UV-VIS)分光光度计以及电化学工作站对不同温度退火后的CdSe纳米薄膜的晶体结构、形貌、光学性能、光电化学性能进行表征和测试。结果表明,退火温度对CdSe纳米薄膜的形貌和性能起到关键性作用。薄膜表面平整、厚度均匀,且由呈纳米颗粒状的立方相CdSe构成;经退火后,CdSe纳米颗粒出现不同程度的长大现象,Se含量随退火温度的升高而减少。紫外-可见吸收光谱表明随着退火温度的升高,CdSe纳米薄膜对可见光的吸收发生红移,表明禁带宽度逐渐减小,表现出量子尺寸效应。通过光电流测试表明随着退火温度的升高,CdSe薄膜的光电响应效应显著提高。     

退火温度对CdSe纳米薄膜的形成及光电性能影响

在室温下,采用循环伏安法在ITO上沉积CdSe纳米薄膜。利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、紫外-可见(UV-VIS)分光光度计以及电化学工作站对不同温度退火后的CdSe纳米薄膜的晶体结构、形貌、光学性能、光电化学性能进行表征和测试。结果表明,退火温度对CdSe纳米薄膜的形貌和性能起到关键性作用。薄膜表面平整、厚度均匀,且由呈纳米颗粒状的立方相CdSe构成;经退火后,CdSe纳米颗粒出现不同程度的长大现象,Se含量随退火温度的升高而减少。紫外-可见吸收光谱表明随着退火温度的升高,CdSe纳米薄膜对可见光的吸收发生红移,表明禁带宽度逐渐减小,表现出量子尺寸效应。通过光电流测试表明随着退火温度的升高,CdSe薄膜的光电响应效应显著提高。     

氮氧自由基电催化氧化盐酸伪麻黄碱的电化学行为及其电化学动力学性质

运用循环伏安法(CV)、计时电流法(CA)在玻碳电极(GCE)上研究了以氮氧自由基(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-哌啶-1-氧自由基,TEMPOL)为均相电子转移媒体电催化氧化盐酸伪麻黄碱(PEH)的电化学行为及其电化学动力学性质.研究结果表明,PEH在GCE上的电化学氧化过程十分迟缓,不易直接发生电化学氧化反应.而在TEMPOL存在时PEH在0.641 V处出现了一个不可逆的氧化峰,且峰电流大幅度增加,表明TEMPOL对PEH的电化学氧化具有良好的电催化作用.在5～1 000 mV/s扫描速度范围内,氧化峰电流(Ipa)与扫描速率平方根(v1/2)呈线性关系,此催化氧化反应是一受扩散控制的电极过程.测定了电催化氧化反应动力学参数:电子转移系数α为0.72,催化反应速率常数k为(2.26±0.05)×103(mol/L)/s.催化体系氧化峰电流与PEH浓度在2.0×10-5～2.0×10-3mol/L范围内呈良好的线性关系,检出限为1.0×10-5mol/L.     

Ta/Al-Fe2O3薄膜电极的制备及其光电催化降解亚甲基蓝性能

采用简单的涂滴法制备出新型的Al、Ta 共掺杂的三元铁氧化物(Ta/Al-Fe₂O₃)可见光响应型光催化薄膜. 运用X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见(UV-Vis)光谱等手段对其进行了表征, 考察了其光电化学性能, 并研究了复合电极光电催化降解亚甲基蓝(MB)废水的反应性能. 由表面谱学分析可知, Ta 和Al 成功掺入Fe₂O₃中, Ta 会改变催化剂表面Al 和O的化学环境. 在可见光照射下的光电催化(PEC)反应中, Ta/Al-Fe₂O₃降解MB的反应速率约为Al-Fe₂O₃的2 倍, 光电催化共作用的效果优于单纯光催化作用(PC)和电催化(EC)作用的效果.结果表明, Ta掺杂有利于提高Ta/Al-Fe₂O₃薄膜的光电催化活性.     

含离子液体［bmim］Cl的反应介质中马肝醇脱氢酶的催化特性

 研究了马肝醇脱氢酶(HLADH)在含离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯酸盐(［bmim］Cl)的反应介质中的催化特性. 以乙醇为底物时,该酶在［bmim］Cl含量≤0.15 g/ml的体系中的活力高于在不含离子液体的体系中的活力; 离子液体浓度过高(＞0.15 g/ml)对酶活性有明显的抑制作用. 反应温度和pH对含离子液体的反应介质中酶活力的影响规律与不含离子液体时的规律相似. 与不含离子液体的反应介质相比, HLADH在含0.05 g/ml ［bmim］Cl的体系中催化乙醇氧化的活化能下降,酶反应的Vmax和Km均升高. 反应体系中低浓度(≤0.1 g/ml)的离子液体能提高酶的热稳定性,但高浓度(＞0.1 g/ml)的离子液体可降低酶的热稳定性. 紫外二阶导数光谱显示,在含不同浓度离子液体的反应介质中酶分子构象的变化有较大的差异.     

负偏压下（Ni-Mo）/TiO2膜电极光电催化降解罗丹明B的性能和机理

用复合电沉积方法制备了(Ni-Mo)/TiO2薄膜电极,以扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman Spectra)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)对薄膜的表面形貌、晶相结构和光谱特性进行了表征,在负偏压和可见光作用下,以罗丹明B为模拟污染物研究了薄膜的光电催化性能.采用电化学技术和向溶液中加入活性物种捕获剂的方法对薄膜光电催化降解机理进行了探索.结果表明:(Ni-Mo)/TiO2薄膜是由粒径为50～100 nm的TiO2纳米粒子相和纳米晶Ni-Mo固溶体相构成的复合薄膜.薄膜具有较高的光电催化活性,在-0.4 V偏压和可见光照射下反应60 min,复合薄膜光电催化罗丹明B(c=5 mg/L)的降解率是多孔TiO2(P25)/ITO纳米薄膜的1.56倍.复合薄膜电极中Ni-Mo纳米晶合金对溶解氧和激发电子还原反应的催化作用是光电催化降解活性提高的重要原因.通过调节外加偏压,可以控制电极溶液界面间染料与活性氧化物种的存在形式及其相互作用,是研究可见光催化降解反应历程的有效方法.在负偏压和可见光作用下,羟基自由基和染料正离子自由基对染料的光电催化降解有决定性作用.     

CdS和CdSe薄膜的制备及其光电化学性质

本文采用简易的化学水浴沉积法和自牺牲模板法制备CdS、CdSe薄膜,对两种薄膜进行了XRD表征,比较了两种薄膜的紫外吸收光谱并研究了CdS、CdSe薄膜作为太阳能电池中的光阳极时所产生的光电流和光电压,对两种薄膜的电化学性能进行了比较.     

电化学法制备部分还原氧化石墨烯薄膜及其光电性能

提供了一种快速制备氧化石墨烯(GO)薄膜的方法, 并通过调节GO薄膜的含氧量来调控其能级结构.采用阳极电泳及阴极电化学还原联用的方法在F掺杂SnO₂(FTO)导电玻璃上制备出不同层数及含氧量的GO薄膜, 并通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外可见(UV-Vis)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱及电化学分析对样品进行表征. 用20-350 s 不同时间电泳沉积得到层数约为77-570层的GO薄膜. 经过不同时间阴极还原的GO薄膜的禁带宽度为1.0-2.7 eV, 其导带位置及费米能级也随之改变. GO作为p型半导体, 与FTO导电膜之间会形成p-n 结, 在光强为100 mW·cm^-2的模拟太阳光照射下, 电泳300 s 且电化学还原120 s时GO薄膜阳极光电流密度达到5.25×10^-8 A·cm^-2.     

纳米CoFe2O4催化剂催化转化乙醇制氢

采用溶胶-凝胶法制备了纳米CoFe_2O_4催化剂并用于乙醇裂解和部分氧化制氢反应. CoFe_2O_4催化剂对乙醇催化裂解反应表现出较低的催化活性, 其主要原因可能是催化剂表面积碳以及催化剂粒径的长大. 而纳米CoFe_2O_4催化剂对乙醇部分氧化制氢反应具有良好的催化性能. TPR和XRD结果表明尖晶石结构的CoFe_2O_4相在乙醇部分氧化反应过程中发生了结构变化, 部分生成了CoFe合金相. 另外, 催化剂的粒径没有明显增大. 推测纳米CoFe_2O_4催化剂具有良好催化性能是尖晶石结构的CoFe_2O_4和合金相的协同作用所致.