Impurity atom

气体分子与光催化剂之间的相互作用对于光催化反应的触发非常重要.对于Ti O2, ZnO和WO3等传统金属氧化物光催化剂上的水分解反应而言,已有许多报道研究了水分子在它们表面的吸附行为.结果表明,水分子与催化剂表面的原子形成了O–H…O氢键.石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种具有可见光响应且化学性质稳定的光催化剂,对其进行修饰以增强其分解水产氢性能的研究非常多.本文通过密度泛函理论计算,全面研究了水分子在均三嗪(s-triazine)基g-C3N4上的吸附情况.首先构建了一系列初始吸附模型,考察了各种吸附位和水分子的朝向.通过比较分析计算得到的吸附能,确定了一种最优的吸附构型,即水分子以竖直的朝向吸附于褶皱的单层g-C3N4表面.水分子中的一个极性O–H键与g-C3N4中一个二配位富电子的氮原子结合形成了分子间的O–H…N氢键.其中, H原子与N原子的间距为1.92?, O–H键的键长由0.976?增至0.994?.进一步通过计算Mulliken电荷,态密度和静电势曲线分析了该吸附体系的电子性质.结果发现在分子间氢键的桥接作用下, g-C3N4上的电子转移至水分子,由此导致g-C3N4的费米能级降低,功函数由4.21 eV增至5.30 eV.在该吸附模型的基础上,考查了不同的吸附距离.当水分子与g-C3N4的间距设为1至4?时,几何优化后总是能得到相同的吸附构型,吸附能和氢键长度也十分相近.随后,通过改变吸附基底g-C3N4的大小和形状,验证了这种吸附构型具有很强的重复性.将2?2单层g-C3N4吸附基底替换为2?2多层g-C3N4 (2至5层), 3?3和4?4单层g-C3N4,以及具有不同管径的单壁g-C3N4纳米管后,水分子的吸附能随着体系原子数的增多而增大,但吸附模型的几何结构和电子性质基本不变,包括O–H…N氢键的形成和键长,以及电子转移和增大的功函数.另外还研究了非金属元素(P, O, S, Se, F, Cl和Br)掺杂对吸附能的影响.构建模型时,杂质原子以取代二配位氮原子的方式进行掺杂,水分子放置于杂质原子上方.结果显示,引入杂质原子后水分子的吸附能增大,在理论上从吸附的角度解释了元素掺杂增强g-C3N4分解水活性.总之,本文揭示了一种在分子间氢键的作用下,具有高取向性的水分子吸附的g-C3N4构型,这有助于g-C3N4基光催化剂上水分解过程的理解和优化设计.     

g-C_3N_4碳位掺杂电学及光学性质的分析

使用第一性原理研究了C位掺杂的g-C3N4的电学性质和光学性质,掺杂原子为B、P、S.g-C3N4有C1位和C2位两种对称位碳原子,其中在C1位上的掺杂易于C2位,掺杂体系也较C2位稳定.相比于磷和硫在gC3N4上的掺杂,硼掺杂最易于进行.掺杂后体系的晶体结构之间差别较大,这与掺杂原子的大小以及电负性有关.由轨道布居分布可知,掺杂后的硼、磷、硫原子价电子发生了变化,表明掺杂原子发生了杂化,与相邻原子以强的共价键相连.掺杂原子与被取代的碳原子之间的价电子差异导致了能带的增加.在原来的体系中,掺杂后的体系出现了一条新的能带,因此导致实际带隙下降,表明了掺杂后的体系导电性能增强.对纯g-C3N4及掺杂g-C3N4的光学性质分析表明,g-C3N4的光学吸收主要在紫外光区,掺杂磷和硫后对g-C3N4的光吸收波长范围无改变,掺杂硼后的g-C3N4光吸收不再局限于紫外光区,而且延伸至可见光区和红外光区,并在红外光区有很强的吸收,表明g-C3N4掺杂硼后能大大地提高光催化效率.电子能量损失光谱和光导率谱以及介电常数都佐证了上述观点.     

PtMo催化剂抗SO2中毒机理的DFT研究

空气中的杂质气体如SO2能使燃料电池阴极催化剂Pt中毒,降低催化剂的活性和稳定性,而Mo原子的掺杂则能有效提高Pt催化剂的活性和抗SO2中毒性.据此我们采用密度泛函理论分析Mo掺杂提高Pt催化剂抗SO2毒性的原因,Pt与掺杂Mo之间的原子比为8：1.首先,分别计算SO2及解离中间物种S和SO3在Pt（111）和PtMo（111）表面的吸附构型,获得各物种的几何、电子构型.然后,通过比较各吸附物种在Pt（111）和PtMo（111）面的吸附能、键长、键角变化,分析吸附前后Pt（111）和PtMo（111）面分态密度、d带中心以及差分电子密度的变化.结果发现：Mo的掺杂明显减弱了Pt-S间的相互作用,降低SO2、S、SO3在PtMo（111）表面的吸附能;Mo减弱了SO2吸附对PtMo（111）体系电子构型的影响,使催化剂尽量保持原有的电子构型及活性.     

PFOS在锐钛型TiO2表面吸附行为的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法对全氟辛烷磺酸(PFOS)在锐钛型TiO2表面的化学吸附和物理吸附行为进行了研究,其中化学吸附包含双齿双核(BB)和单齿单核(MM)在内的4种可能的吸附构型.吸附能(Eads)及反应吉布斯自由能(ΔGads)的计算结果表明,PFOS分子易于与TiO2表面发生氢键作用吸附;化学吸附表现为PFOS分子与TiO2表面的水分子(H2O)和羟基(—OH)反应,且与取代—OH相比,H2O取代相对更容易发生,其中,MM1构型(取代一个表面水分子)为化学吸附中的优势构型.PFOS在锐钛矿表面吸附的热力学稳定性和反应自发性顺序如下:H-Bonded(氢键吸附)>MM1(取代一个表面水分子)>BB1(取代两个表面水分子)>MM2(取代一个表面羟基)>BB2(取代一个表面水分子和一个表面羟基).成键结构分析表明,TiO2表面H2O/—OH官能团与PFOS上的磺酸基之间形成了中等强度的氢键;在化学吸附过程中,电荷从PFOS分子向TiO2表面发生转移,生成Ti—O—S化学键,电荷转移主要来自PFOS分子的O和F原子.     

一维配位聚合物{[Co(dpa)(H2O)4]·(dpdo)·(H2O)}n(H2dpa=2,2’-联苯二酸,dpdo=N,N’-二氧化-4,4’-联吡啶)的晶体结构和光谱性质

采用水热合成法制备了一个一维配位聚合物{[Co(dpa)(H2O)4].(dpdo).(H2O)}n(1)(H2dpa=2,2′-联苯二酸,dpdo=N,N′-二氧化-4,4′-联吡啶),通过红外光谱、紫外光谱、元素分析、XRPD、TGA和X-射线单晶衍射进行了表征。Co(Ⅱ)原子采取了畸变的八面体构型,6个配位氧原子分别来自于2个dpa2-配体和4个配位水分子。每一个dpa2-配体桥联2个Co髤中心,每一个Co(Ⅱ)原子与2个dpa2-配体配位进而形成了21螺旋链结构。借助溶剂水分子的连接作用,螺旋链之间通过多种O-H…O氢键作用形成了2D网格,通过dpdo和2D网格之间多种类型的氢键作用形成了三维超分子结构。测定了室温下聚合物1的固体荧光光谱。     

卟啉修饰g-C3N4提高光催化产氢活性研究

半导体光催化制氢是一种可实现持续制备和储存氢气的绿色技术.石墨相氮化碳(g-C3N4)是研究广泛的光催化剂,但其仍存在光利用率低、光生电子和空穴易复合等问题,制约着光催化产氢的性能.利用给电子卟啉修饰g-C3N4,构建了四(4-羧基)苯基卟啉(TCPP)以共价/非共价方式修饰g-C3N4的催化剂.卟啉共价修饰g-C3N4(gC3N4-TCPP0.1)及非共价复合结构(TCPP0.1/g-C3N4)光催化产氢速率分别为6 997和5 399μmol·g-1·h-1,较g-C3N4分别提高了53%和18%. TCPPx/g-C3N4异质结加强了界面接触,促进了电荷转移,增强了可见光吸收能力,进而提高了光催化制氢性能. g-C3N4-TCPPx中, TCPP的接枝拓展了共轭结构,优化了电子结构,增大了分子偶极,促进了电荷分离,共价桥键为电荷传输提供了通道.     

水分子在MoO3原子簇模型表面吸附的密度泛函研究

利用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在LANL2DZ基组上,计算了水分子吸附前后MoO3原子簇模型物的优化几何构型和电子结构,并进行了二级Mφller-Plesset微扰(MP2)相关能计算.结果表明,当水分子吸附于模型分子后,由于占据了MO5+空位,从原来留有空位的MoO5H4模型转变为MoO5H4·H2O模型的正八面体构型,水分子的氧通过占据在π键轨道中的电子向中心原子Mo的d轨道配位而被吸附,且水分子在模型物质表面呈吸附状态后,体系最稳定,能量最小,吸附过程不必翻越能垒,该过程放热91.39kJ/mol(MP2相关能校正),研究结果对催化剂的使用、失活和再生有较好的指导意义.     

钾离子掺杂对石墨型氮化碳光催化剂能带结构及光催化性能的影响

以双氰胺和氢氧化钾为原料制备了能带可控的钾离子掺杂石墨型氮化碳(g-C3N4)光催化剂,并与碱处理的g-C3N4及g-C3N4/KOH复合催化剂进行了对比。采用X射线衍射(XRD)光谱、紫外-可见(UV-Vis)光谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、N2吸附、电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、荧光(PL)光谱、X 光电子能谱(XPS)等分析手段对制备的催化剂进行了表征。结果表明,钾离子含量对氮化碳催化剂的价带及导带位置有显著影响。此外,钾离子的引入抑制了氮化碳晶粒的生长,提高了氮化碳的比表面积以及对可见光的吸收,降低了光生电子-空穴对的复合几率。以染料罗丹明B的降解为探针反应系统研究了钾离子掺杂对g-C3N4在可见光下催化性能的影响,研究了光催化反应机理。结果表明,钾离子掺杂后氮化碳的光催化性能显著提高。制备的钾离子掺杂氮化碳催化剂表现出良好的结构及催化稳定性。     

Fe-P共掺杂石墨相氮化碳催化剂可见光下催化性能研究

采用双氰胺、硝酸铁和磷酸氢二铵为原料制备Fe-P共掺杂石墨相氮化碳(g-C3N4).使用X射线衍射光谱(XRD)、N2吸附、紫外可见光谱(UV-Vis)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、荧光光谱(PL)、X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对制备的催化剂进行了表征.结果表明,引入掺杂剂可以抑制g-C3N4的晶粒生长,提高催化剂比表面积,降低带隙能,抑制光生电子和空穴的复合.在可见光下降解罗丹明B的实验表明Fe-P共掺杂g-C3N4的反应速率常数是纯g-C3N4的6倍.我们推测了P和Fe可能的掺杂态以及光催化反应机理.     

N2O…HOCl复合物结构和性质的理论研究

分别在DFT-B3LYP和MP2/6-311++G**水平上求得HOCl + N2O复合物势能面上的六种(S1, S2, S3, S4, S5和S6)和四种(S1, S2, S4和S5)构型. 频率分析表明,其中的S1和S3为过渡态,其它为稳定构型. 在复合物S3, S5 和S6中,HOCl 单体的σ*(5O-6H)作为质子供体,与N2O单体中作为质子受体的3O原子相互作用,形成氢键结构,而在氢键复合物S2中, 质子受体为N2O单体中的端1N原子;复合物S1中,HOCl分子的σ*(5O-4Cl)作为质子供体与N2O分子中的端1N原子(质子受体)相互作用,形成卤键结构,而复合物S4中的卤键结构的质子受体为N2O分子中的端3O原子. 经B3LYP/6-311++G**水平上的计算,考虑了基组重叠误差(BSSE)校正的单体间相互作用能在-1.56 ~ -8.73 kJ·mol-1之间. 采用自然键轨道理论(NBO)对两种单体间相互作用的本质进行了考查,并通过分子中原子理论(AIM)分析了复合物中氢键和卤键键鞍点处的电子密度拓扑性质.     

硫氰根选择性吸附在g-C_3N_4/Ag表面增强其光催化制氢性能(英文)

作为一种无金属的新型半导体材料,g-C_3N_4因具有稳定的物理化学性质及合适的能带结构而引起人们的关注.理论上g-C_3N_4完全满足水分解的电势条件.然而研究发现,g-C_3N_4材料本身的光催化性能并不好,这主要是由于半导体材料被光激发后生成的自由电子和空穴还没来得及到达材料表面参与反应,就在材料体相内发生复合,导致电子参与有效光催化制氢反应的几率大大降低.同时还发现,将少量的贵金属,如Pt,Au,Pd作助催化剂修饰在该半导体表面,其光催化性能明显提高.但由于这些贵金属储量非常稀少,价格昂贵,导致它们的使用受到一定限制.而Ag作为一种价格远低于Pt,Au,Pd的贵金属,也得到了广泛的研究.研究表明,金属Ag储存电子的能力很好,因此可以有效地将半导体上生成的光生电子快速转移到Ag上面去,从而达到电子空穴快速分离的目的.但是在光催化制氢过程中,Ag吸附H~+的能力较弱,致使电子与H~+反应的诱导力较弱,使得Ag释放电子的能力较差.因此可以通过提高Ag表面对H~+的吸附强度,以加速Ag的电子释放,通过表面修饰来提高Ag助剂的光催化活性.研究发现,Ag纳米粒子表面与含硫化合物之间存在很强的亲和力.硫氰根离子(SCN~–)具有很强的电负性,容易吸附溶液中H~+离子,并且也易吸附在Ag纳米粒子的表面.因此可以利用Ag与SCN~–的作用来增强Ag释放电子的能力.本文采用光还原法将Ag沉积在g-C_3N_4半导体材料表面,然后通过在制氢牺牲剂中加入KSCN溶液,利用SCN~-与Ag的亲和力来提高光生电子参与光催化反应的效率.结果表明,在SCN~-存在的情况下,g-C_3N_4/Ag的光催化制氢性能显著提高.当制氢溶液中SCN~–浓度为0.3 mmol L~(–1)时,材料的光催化制氢性能达最大,为3.89μmol h~(–1),比g-C_3N_4/Ag性能提高5.5倍.基于少量的SCN~–就能明显提高g-C_3N_4/Ag材料的光催化性能,我们提出了一个可能性的作用机理:金属银和SCN~-协同作用,即银纳米粒子作为光生电子的捕获和传输的一种有效的电子传递介质,而选择性吸附在银表面的SCN~-作为界面活性位点有效地吸附溶液中的质子以促进产氢反应,二者协同作用,加速了g-C_3N_4-Ag–SCN~-三物种界面之间电荷的传输、分离及界面催化反应速率,有效抑制了g-C_3N_4主体材料光生电子和空穴的复合,因而g-C_3N_4/Ag–SCN复合材料的光催化制氢性能提高.考虑到其成本低、效率高,SCN~–助催化剂有很大的潜力广泛应用于制备高性能的银修饰光催化材料.     

热电子驱动氧化钨/石墨化氮化碳S-型异质结实现宽光谱光催化产氢活性

近年来,等离子体材料因具有独特的局域表面等离子体共振(LSPR)效应,可实现可见光到近红外范围内光利用,因此引起人们的广泛关注.利用等离子体材料(贵金属或重掺杂半导体材料)合理构建异质结构,可以同时拓宽光催化剂的光谱响应范围,抑制载流子的复合,从而提高光催化活性.在已报道的等离子体半导体中,WO3–x具有无毒、价廉以及光谱响应宽等优异特性.本文通过将一维等离子体W18O49纳米线负载到2D g-C3N4纳米片上,构建了WO3–x/HCN S型异质结光催化剂.在可见光下光催化产氢活性测试中,纯相质子化氮化碳(HCN)的产氢活性相对较低,为259μmol·g?1·h?1,而W18O49/HCN复合材料的产氢活性显著高于HCN,其中性能最优的W18O49/HCN复合材料产氢速率为892μmol·g?1·h?1,约为HCN的3.4倍.在550 nm单色光照射下,W18O49/HCN复合材料的产氢速率仍有41.5μmol·g?1·h?1,纯相HCN和W18O49均未有H2生成.在420,450,520 nm处测得的W18O49/HCN复合材料的表观量子效率分别为6.21％,1.28％和0.14％.W18O49纳米线起着扩展光吸附和热电子供体的双重作用,使WO3–x/g-C3N4具有宽光谱响应的光催化分解水活性.等离子体W18O49纳米线可以产生热电子,热电子转移到HCN的导带(CB),参与水还原反应,实现宽光谱的光催化产氢活性.利用固体紫外测试确定了W18O49/HCN复合材料能带结构,与传统的WO3催化剂相比,W18O49在500–1200 nm处表现出明显的尾部吸收,这是由于W18O49大量的氧空位引起的LSPR效应.而W18O49/HCN异质结具有比HCN更长的吸收边.通过第一原理密度泛函理论模拟计算了W18O49和HCN的功函数,分别为5.73和3.95 eV.因此,当HCN与W18O49结合形成紧密的界面时,电子会从做功函数小的HCN向做功函数大的W18O49移动,直至达到费米能级平衡,形成内建电场.此外,由于电子数量的减少,HCN的能带边缘向上弯曲,而由于电子的捕获,W18O49能带边缘向下弯曲,这种向上与向下的能带弯曲是S型结构的典型特征之一,这也与XPS测试结果相吻合.W18O49/HCN异质结内建电场驱动WO3–x中导带(CB)的电子向g-C3N4的价带(VB)移动.在该设计中,效率低的电子和空穴被重新组合并排出,而具有高氧化还原能力的功能电子和空穴则被保留下来.不仅如此,S-scheme有望同时引导光生电子和热电子运动,从而避免逆电荷传递,有利于热电子的有效利用.W18O49和g-C3N4匹配的带隙所产生的S-scheme可以导致较强的氧化还原能力和较高的光诱导电荷迁移速率.对HCN与W18O49/HCN光电性能的测试结果表明,1D/2D W18O49/HCN异质结的构建可以充分改善光生电子-空穴对的分离和迁移,进而表现出更好的光催化活性.电子自旋共振结果也证实了W18O49/HCN中S型电荷转移机制.     

NiS助催化剂的硫调控光沉积合成及其增强g-C3N4的光催化产氢性能

作为一种非金属聚合半导体,石墨相氮化碳(g-C3N4)具有特殊的能带结构、可见光响应能力以及优良的物理化学性质以及生产成本低等特点,因而已成为目前光催化领域的研究热点.然而,由于g-C3N4被光激发的电子与空穴极易复合,导致g-C3N4材料的光催化性能并不理想.而助剂修饰是实现光生载流子有效分离以提高光催化活性的有效途径.众所周知,贵金属Pt可以作为光催化产氢的反应位点,但高昂的成本限制了它的实际应用.所以,开发高效的非贵金属助剂很有必要.近年来,NiS作为优良的电子助剂在光催化领域受到广泛关注.大量研究表明,NiS可以作为g-C3N4的产氢活性位点用于提高其光催化产氢性能.NiS助剂主要是通过水热、煅烧和液相沉淀的方法修饰在g-C3N4的表面上.相较而言,助剂的光沉积方法具有一些独特的优势,例如节能、环保、简易并且能够实现其原位牢固地沉积在光催化剂的表面.然而g-C3N4光生电子和空穴强还原和氧化能力容易导致像Ni^2+的还原和S^2-的氧化等副反应发生,因此NiS助剂很难光沉积在g-C3N4材料表面.本文采用硫调控的光沉积法成功合成了NiS/g-C3N4光催化材料,该法利用g-C3N4在光照条件下产生的光生电子结合S以及Ni^2+生成NiS,然后原位沉积在g-C3N4表面.由于E0(S/NiS)(0.096 V)比E0(Ni^2+/Ni)(-0.23 V)更正,所以NiS优先原位沉积在g-C3N4表面.因此,硫调控的光沉积法促进了NiS的生成,并抑制了金属Ni等副反应的形成.通过X射线光电子能谱分析NiS/g-C3N4的表面化学态,表明该方法能成功地将NiS修饰在g-C3N4的表面,这也得到透射电镜和高分辨透射电镜结果的证实.光催化产氢的结果表明,NiS/g-C3N4光催化剂实现了良好的光催化性能,其最优产氢速率(244μmol h^?1 g^?1)接近于1 wt%Pt/g-C3N4(316μmol h^?1 g^?1).这是因为硫调控的光沉积法实现NiS助剂在g-C3N4表面的修饰,从而促进光生电子与空穴的有效分离,进而提高光催化制氢效率.此外,在该方法中,NiS的形成通常在g-C3N4光生电子的表面传输位点上,因此也能够使NiS提供更多的活性位点以提高界面产氢催化反应速率.电化学表征结果也进一步证明NiS/g-C3N4光催化剂加快了电子与空穴的分离和转移.更重要的是,这种简易且通用的方法还可以实现CoSx,CuSx,AgSx对g-C3N4的助剂修饰,并且都提高了g-C3N4的光催化产氢性能,表明该方法具有一定的普适性,为高效光催化材料的合成提供了新的思路.     

NiS2助剂修饰g-C3N4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究

g-C3N4是一种新型的稳定的半导体光催化材料,它可以通过热缩聚法、固相反应法、电化学沉积法和溶剂热法等制备.g-C3N4禁带宽度约为2.7 eV,吸收边在460 nm左右,具有合适的导带位置,可用作可见光响应制氢的光催化材料,但在实际应用中g-C3N4光催化性能较低,其原因可归纳为:(1)g-C3N4在吸收光子产生电子和空穴对后,光生载流子的传输速率较慢,容易在体相或表面复合,致使g-C3N4的量子效率较低;(2)材料在合成过程中易于结块,使g-C3N4的比表面积远小于理论值,严重削弱了g-C3N4光催化材料的制氢性能.目前已有很多关于g-C3N4改性的报道,但一些方法对材料的处理过程耗时较长或者合成过程较难控制.用助剂改性是提高光催化制氢活性的半导体材料的主要策略之一.合适的助剂可改进电荷分离和加速表面催化反应,从而提高光催化剂的制氢活性.虽然稀有金属或贵金属,如铂、金和银可大大提高g-C3N4的制氢速率,但由于其昂贵和稀缺性,因而应用严重受限.因此,开发成本低、储量丰富、高性能助剂来进一步提高制氢性能具有重要意义.NiS2来源丰富、价格低廉.它可在酸性和碱性的环境保持相对较高的稳定性,且其表面电子结构表现出类金属特性.但它较难与半导体光催化剂形成强耦合和界面,通常需要水热等条件下合成.实验表明,g-C3N4表面存在着大量的含氧官能团及未缩合的氨基基团,为表面接枝提供了丰富的反应活性位点,因而可利用g-C3N4表面均匀分布的含氧官能团等和Ni2+结合,再原位与S2?反应,从而在g-C3N4上负载耦合紧密的NiS2助剂,进一步提高复合材料的光催化制氢活性.本文采用低温浸渍法制备了NiS2/g-C3N4光催化剂.NiS2助剂在温和的反应条件下与g-C3N4光催化剂复合,可以防止催化剂结构的破坏,同时使得助剂均匀地分散,并紧密结合在催化剂表面,从而大大提高光催化剂的制氢性能.该样品制备过程为:(1)通过水热处理制备含氧官能团和较大比表面积的g-C3N4;(2)添加Ni(NO3)2前驱体后,Ni2+离子由于静电作用紧密吸附在g-C3N4表面;(3)在80oC加入硫代乙酰胺(TAA),可在g-C3N4的表面紧密和均匀形成助剂NiS2.表征结果证实成功制备NiS2纳米粒子修饰的g-C3N4光催化剂.当Ni含量为3 wt%,样品表现出最大的制氢速率(116μmol h?1 g?1),明显高于纯g-C3N4.此外,对NiS2/g-C3N4(3 wt%)的样品进行光催化性能的循环测试结果表明:该样品在可见光照射下可以保持一个稳定的、有效的光催化制氢性能.根据实验结果,我们提出一个可能的光催化机理:即NiS2促进了物质表面快速转移光生电子,使g-C3N4光生电荷有效分离.基于NiS2具有成本低和效率高的优点,因而有望广泛应用于制备高性能的光催化材料.     

在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu2O/g-C3N4异质结膜

近几十年来,光电化学分解水制氢作为一种洁净的、能持续利用太阳能的技术受到极大关注.在众多光催化材料中,p型半导体氧化亚铜(Cu2O)被认为是最有前途的可见光光电分解水材料之一.理论上,它的光能转换为氢能的效率可达到18.7%.然而,目前所报道的Cu2O光转换效率远远低于此值;同时,纯Cu2O在光照条件下的稳定性较差.研究表明,Cu2O与其它半导体复合可以增强其光电转换效率和提高稳定性.如Cu2O和能带匹配的石墨相氮化碳(g-C3N4)复合后,光催化性能和稳定性都有较大提高.但目前所报道的Cu2O/g-C3N4复合物几乎都是粉末状催化剂,不便于回收和重复使用.本文首先采用电化学方法在FTO导电玻璃上沉积Cu2O薄膜,采用溶胶凝胶法制备g-C3N4纳米颗粒材料,然后采用电化学法在Cu2O薄膜表面沉积一层g-C3N4纳米颗粒,得到了Cu2O/g-C3N4异质结膜.分别利用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和光电化学分解水实验分析了Cu2O/g-C3N4异质结的组成结构、表面形貌、光吸收性能及催化剂活性和稳定性.XRD和HRTEM表征显示,本文成功合成了Cu2O/g-C3N4异质结材料,SEM图表明g-C3N4纳米颗粒在Cu2O表面分布均匀,大小均一.可见光光电化学分解水结果显示,异质结薄膜的光电化学性能比纯的Cu2O和g-C3N4薄膜材料有极大提高.当在Cu2O表面沉积g-C3N4的时间为15 s时,得到样品Cu2O/g-C3N4-15异质结膜,其在–0.4 V和可见光照射条件下,光电流密度达到了–1.38 mA/cm2,分别是纯Cu2O和g-C3N4薄膜材料的19.7和6.3倍.产氢速率也达到了0.48 mL h–1 cm–2,且产氢和产氧的速率之比约为2,说明此异质结材料在可见光作用下能全分解水.经过三次循环实验,光电化学分解水的效率仅降低10.8%,表明该材料具有良好的稳定性.根据UV-Vis表征和光电化学性能对比,Cu2O/g-C3N4-15的光电性能最好,但其光吸收性能并不是最好,说明光电化学性能与光吸收不是成正比关系,主要是由于Cu2O和g-C3N4两个半导体相互起到了协同作用.机理分析表明,Cu2O/g-C3N4异质结薄膜在光照下,由于两者能带匹配,Cu2O的光生电子从其导带转移到g-C3N4的导带上,g-C3N4价带上的空隙转移到Cu2O的价带上,从而降低了光生电子和空隙的复合,提高了其光催化性能.由于g-C3N4的导带位置高于H2O(或H+)还原为H2的电势,Cu2O的价带位置低于H2O(或OH–)还原为O2的电势,所以在外加–0.4 V偏压和可见光照射条件下,Cu2O/g-C3N4能全分解水,光生载流子越多,光电化学分解水的速率越大.综上所述,在Cu2O薄膜上沉积g-C3N4后得到的异质结薄膜具有高效的光能转换为氢能性能.     

Supramolecular formation of large hydrogen-bonded rings in the structures of two amino acid derivatives

Two new amino acid derivatives N-(2-oxopyrrolidin-1-ylmethyl)-l-valine (PMV) and N,N-bis(2-oxopyrrolidin-1-ylmethyl)-β-alanine (PMA) were synthesized and their structures were determined by single crystal X-ray crystallography. The geometry and conformation of both molecular aggregates and their hydrogen bond networks are not similar. In the PMV crystal structure, PMV and the solvent water molecule are linked by O–H⋯O intermolecular hydrogen bonds resulting in two ring motifs R₁₂¹²(48) and R₄⁴(22). A three-dimensional supramolecular structure is formed by hydrogen bonds N–H⋯O between the layers. In the PMA crystal structure, each water molecule connects three PMA molecules through O–H⋯O intermolecular hydrogen bonds, and a ring motif R₄⁴(24) is formed in the structure. But there is no hydrogen bond interaction between the layers, in which van der Waals' interaction is involved only.     

增大石墨相氮化碳层间距提升光催化制氢性能

石墨相氮化碳是一类非金属聚合物,其光催化特性,特别是在光催化水分解反应中的应用引起了广泛关注.目前,块体石墨相氮化碳的光催化性能主要受比表面积较大、光子利用率较低等因素的制约.前期大量研究主要采用异质元素掺杂、负载助催化剂、设计缺陷、构建异质结构等策略来进一步提升光催化性能.石墨相氮化碳具有二维层状的晶体结构,理论上其形貌和显微结构会对光催化性能有显著影响.因此,本文从调节材料本征结构这一角度,报道了一种调控石墨相氮化碳层间距的方法.将三聚氰胺和氯化铵混合后,通过微波快速加热,利用氯化铵分解过程中释放氨气这一特性,破坏石墨相氮化碳层间的范德华力,增大其层间距并成功获得了薄片状结构.同时,微波加热可以实现快速升温,有效避免了电炉加热煅烧时间较长导致前驱体挥发的问题.采用扫描电子显微镜、氮气等温吸脱附曲线、X射线衍射、红外光谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、光催化制氢和电化学测试等表征手段,研究了不同氯化铵含量对石墨相氮化碳层间距的作用以及调控层间距对光催化活性的影响.通过扫描电子显微镜观察,与三聚氰胺加热所得到的块状结构相比,适量的氯化铵(氯化铵质量比为11％)和三聚氰胺在微波快速加热处理后可以获得薄片状结构.氮气等温吸脱附曲线进一步证实了显微结构的变化,薄片状结构和块体结构相比BET比表面积提升了2.1倍.X射线衍射分析证实随着氯化铵含量的增加,(002)衍射峰位置左移,意味着层间距逐渐增大.红外光谱则没有明显的变化,说明氯化铵和三聚氰胺共烧并不会改变石墨相氮化碳的化学结构.光催化制氢测试发现,添加适量的氯化铵和三聚氰胺共烧可以明显提升光催化制氢性能.与块体材料(4.67μmol h?1)相比,层间距增大后光催化活性提升了约5倍(23.6μmol h?1).结合紫外-可见吸收光谱和电化学莫特肖特基测试,我们发现层间距增大后可以显著提升石墨相氮化碳的可见光吸收性质,减小带宽,并获得更为合适的能级结构.且样品的导电性能得到改善,有利于电荷传输,光生电子空穴对的分离效率进一步提升.以上结果说明调控石墨相氮化碳的层间距是一种简单有效提升催化剂光催化性能的手段.     

增大石墨相氮化碳层间距提升光催化制氢性能

石墨相氮化碳是一类非金属聚合物,其光催化特性,特别是在光催化水分解反应中的应用引起了广泛关注.目前,块体石墨相氮化碳的光催化性能主要受比表面积较大、光子利用率较低等因素的制约.前期大量研究主要采用异质元素掺杂、负载助催化剂、设计缺陷、构建异质结构等策略来进一步提升光催化性能.石墨相氮化碳具有二维层状的晶体结构,理论上其形貌和显微结构会对光催化性能有显著影响.因此,本文从调节材料本征结构这一角度,报道了一种调控石墨相氮化碳层间距的方法.将三聚氰胺和氯化铵混合后,通过微波快速加热,利用氯化铵分解过程中释放氨气这一特性,破坏石墨相氮化碳层间的范德华力,增大其层间距并成功获得了薄片状结构.同时,微波加热可以实现快速升温,有效避免了电炉加热煅烧时间较长导致前驱体挥发的问题.采用扫描电子显微镜、氮气等温吸脱附曲线、X射线衍射、红外光谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、光催化制氢和电化学测试等表征手段,研究了不同氯化铵含量对石墨相氮化碳层间距的作用以及调控层间距对光催化活性的影响.通过扫描电子显微镜观察,与三聚氰胺加热所得到的块状结构相比,适量的氯化铵(氯化铵质量比为11％)和三聚氰胺在微波快速加热处理后可以获得薄片状结构.氮气等温吸脱附曲线进一步证实了显微结构的变化,薄片状结构和块体结构相比BET比表面积提升了2.1倍.X射线衍射分析证实随着氯化铵含量的增加,(002)衍射峰位置左移,意味着层间距逐渐增大.红外光谱则没有明显的变化,说明氯化铵和三聚氰胺共烧并不会改变石墨相氮化碳的化学结构.光催化制氢测试发现,添加适量的氯化铵和三聚氰胺共烧可以明显提升光催化制氢性能.与块体材料(4.67μmol h?1)相比,层间距增大后光催化活性提升了约5倍(23.6μmol h?1).结合紫外-可见吸收光谱和电化学莫特肖特基测试,我们发现层间距增大后可以显著提升石墨相氮化碳的可见光吸收性质,减小带宽,并获得更为合适的能级结构.且样品的导电性能得到改善,有利于电荷传输,光生电子空穴对的分离效率进一步提升.以上结果说明调控石墨相氮化碳的层间距是一种简单有效提升催化剂光催化性能的手段.     

A Theoretical Study on Hydrogen‐Bonded Complex of Proflavine Cation and Water: The Site‐dependent Feature of Hydrogen Bond Strengthening and Weakening

The intermolecular hydrogen‐bonds between proflavine cation (PC) and water molecules are investigated by density functional theory (DFT) and time‐dependent density functional theory (TDDFT) methods. The ground‐state geometry optimizations, electronic excitation energies and corresponding oscillation strengths of the low‐lying electronically excited states for the isolated proflavine cation, the hydrogen‐bonded PC–H2O dimer and PC–(H2O)2 trimer are calculated. Intermolecular hydrogen bonds at the central site of proflavine molecule are found to be stronger than the peripheral site. The hydrogen bond N–H???O for the hydrogen‐bonded dimer are indicated to be weakened in the excited states, since the excitation energy is increased slightly comparing to the monomer. Hydrogen bonds of PC–(H2O)2 trimer with the same type as the dimer are strengthened in the excited state, which is demonstrated by the decrease of the excited energies. Thus, hydrogen bond strengthening and weakening are observed to reveal site dependent feature in proflavine molecule. Furthermore, the hydrogen bond at central site induces the blue‐shift of the absorption spectrum, while the ones at peripheral site induce red‐shift. Hydrogen bonds with the same type at peripheral and central sites of proflavine molecule provide different effects on the photochemical and photophysical properties of proflavine.     

化学镀法制备CoP量子点修饰g-C3N4用于光催化产氢（英文）

光催化分解水制氢被认为是解决当前能源危机和环境污染问题的重要途径之一.在众多光催化剂中,石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有高的热稳定性、高的化学稳定性、合适的能带位置以及成本低廉等优点,受到光催化领域研究者的广泛关注,成为研究热点.然而,由于g-C3N4的禁带宽度较大(Eg=2.7 eV),导致其对可见光的响应较差,而且光生电子-空穴对在其中易于复合,从而导致其光催化产氢活性较低.已有研究表明,助催化剂可以有效地促进催化剂中光生载流子的分离和传输,从而提高光催化剂的光催化活性和氢气的产生速率.目前使用最广泛的助催化剂多为贵金属(Au,Ag,Pt和Pd等),然而贵金属储量低、成本高,极大地限制了其实际应用.因而,开发适用于光催化水分解制氢的非贵金属助催化剂成为该领域的研究热点.其中,用非贵金属助催化剂修饰g-C3N4制备高效光催化剂分解水制氢技术引起了人们极大的兴趣.过渡金属磷化物(FeP,CoP,CuP,NiP等)是一种有效的光催化辅助催化剂.然而,这些金属磷化物的合成通常使用有毒的有机磷化合物和白磷或涉高温煅烧.特别是在传统水热法制备金属磷化物过程中会释放大量氢气,导致容器内压力过高,造成较大的安全问题.据报道,在这些磷化物中,磷化钴由于其合适的能带结构和较高的导电性,作为光催化分解水助催化剂受到了广泛关注.然而,截至目前,关于磷化钴作为助催化剂用于光催化的实用技术报道很少,特别是在温和条件下制备磷化钴修饰的g-C3N4复合光催化剂的研究还有待进行.本文研究了以CoP作为助催化剂来改进g-C3N4(制备g-C3N4/CoP),并用于光催化水裂解制氢气.复合光催化剂g-C3N4/CoP经由两步反应合成.第一步采用尿素热分解法制备g-C3N4,第二步通过化学镀法将CoP修饰在g-C3N4表面.采用XRD,TEM,UV-DRS和XPS等手段表征了g-C3N4/CoP光催剂的性质.结果表明,CoP以量子点(QDs)形式均匀分布在g-C3N4表面,显著提高了g-C3N4的光催化活性.不同CoP负载量的样品中,g-C3N4/CoP-4%表现出优异的光催化活性,H2生成速率为936μmol g^-1 h^-1,甚至高于4%Pt负载的g-C3N4(H2的生成速率仅为665μmol g^-1 h^-1).从紫外可见光谱上看,g-C3N4在451 nm达到吸收波长上限,但与CoP复合后,g-C3N4/CoP-4%的吸收波长上限延展到497 nm.此外,光致发光和光电流测试结果证实,将CoP量子点负载到g-C3N4上不仅可以降低光生电荷-空穴对的复合,而且可以改善光生e--h+对的转移,从而提高光催化剂的产氢性能.这项工作为开发高效的非贵金属助催化剂修饰g-C3N4的技术提供了一个可行策略,所制材料在光催化制氢领域显示出潜在的应用前景.