纳米SiC基光催化剂研究进展

Industrialization undoubtedly boosts economic development and improves the standard of living; however, it also leads to some serious problems, including the energy crisis, environmental pollution, and global warming. These problems are associated with or caused by the high carbon dioxide (CO₂) and sulfur dioxide (SO₂) emissions from the burning of fossil fuels such as coal, oil, and gas. Photocatalysis is considered one of the most promising technologies for eliminating these problems because of the possibility of converting CO₂ into hydrocarbon fuels and other valuable chemicals using solar energy, hydrogen (H₂) production from water (H₂O) electrolysis, and degradation of pollutants. Among the various photocatalysts, silicon carbide (SiC) has great potential in the fields of photocatalysis, photoelectrocatalysis, and electrocatalysis because of its good electrical properties and photoelectrochemistry. This review is divided into six sections: introduction, fundamentals of nanostructured SiC, synthesis methods for obtaining nanostructured SiC photocatalysts, strategies for improving the activity of nanostructured SiC photocatalysts, applications of nanostructured SiC photocatalysts, and conclusions and prospects. The fundamentals of nanostructured SiC include its physicochemical characteristics. It possesses a range of unique physical properties, such as extreme hardness, high mechanical stability at high temperatures, a low thermal expansion coefficient, wide bandgap, and superior thermal conductivity. It also possesses exceptional chemical characteristics, such as high oxidation and corrosion resistance. The synthesis methods for obtaining nanostructured SiC have been systematically summarized as follows: Template growth, sol-gel, organic precursor pyrolysis, solvothermal synthesis, arc discharge, carbon thermal reduction, and electrospinning. These synthesis methods require high temperatures, and the reaction mechanism involves SiC formation via the reaction between carbon and silicon oxide. In the section of the review involving the strategies for improving the activity of nanostructured SiC photocatalysts, seven strategies are discussed, viz., element doping, construction of Z-scheme (or S-scheme) systems, supported co-catalysts, visible photosensitization, construction of semiconductor heterojunctions, supported carbon materials, and construction of nanostructures. All of these strategies, except element doping and visible photosensitization, concentrate on enhancing the separation of holes and electrons, while suppressing their recombination, thus improving the photocatalytic performance of the nanostructured SiC photocatalysts. Regarding the element doping and visible photosensitization strategies, element doping can narrow the bandgap of SiC, which generates more holes and electrons to improve photocatalytic activity. On the other hand, the principle of visible photosensitization is that photo-induced electrons move from photosensitizers to the conduction band of SiC to participate in the reaction, thus enhancing the photocatalytic performance. In the section on the applications of nanostructured SiC, photocatalytic H₂ production, pollutant degradation, CO₂ reduction, photoelectrocatalytic, and electrocatalytic applications will be discussed. The mechanism of a photocatalytic reaction requires the SiC photocatalyst to produce photo-induced electrons and holes during irradiation, which participate in the photocatalytic reaction. For example, photo-induced electrons can transform protons into H₂, as well as CO₂ into methane, methanol, or formic acid. Furthermore, photo-induced holes can convert organic waste into H₂O and CO₂. For photoelectrocatalytic and electrocatalytic applications, SiC is used as a catalyst under high temperatures and highly acidic or basic environments because of its remarkable physicochemical characteristics, including low thermal expansion, superior thermal conductivity, and high oxidation and corrosion resistance. The last section of the review will reveal the major obstacles impeding the industrial application of nanostructured SiC photocatalysts, such as insufficient visible absorption, slow reaction kinetics, and hard fabrication, as well as provide some ideas on how to overcome these obstacles.      

纳米SiC基光催化剂研究进展

工业化无疑促进了经济的发展,提高了生活水平,但也导致了一些问题,包括能源危机、环境污染、全球变暖等, 其中这些所产生问题主要是由燃烧煤炭、石油和天然气等化石燃料引起的。光催化技术具有利用太阳能将二氧化碳转化为碳氢化合物燃料、从水中制氢、降解污染物等优点,从而在解决能源危机的同时避免环境污染,因此被认为是解决这些问题的最有潜力的技术之一。在各种光催化剂中,碳化硅(SiC)由于其优良的电学性能和光电化学性质,在光催化、光电催化、电催化等领域具有广阔的应用前景。本文首先系统地阐述了各种SiC的合成方法,具体包括模板生长法、溶胶凝胶法、有机前驱物热解法、溶剂热合成法、电弧放电法,碳热还原法和静电纺丝等方法。然后详细地总结了提升SiC光催化活性的各种改性策略,如元素掺杂、构建Z型(S型)体系、负载助催化剂、可见光敏化、构建半导体异质结、负载炭材料、构建纳米结构等。最后重点论述了半导体的光催化机理以及SiC复合物在光催化产氢、污染物降解和CO₂还原等领域的应用研究进展,并提出了前景展望。     

金属卤化物钙钛矿光催化的研究进展

太阳能驱动光催化反应降解污染物、制备化学燃料或其他高附加值产品是绿色化学和可再生能源研究的重要方向.近年来,在传统的金属氧化物半导体材料之外,金属卤化物钙钛矿类化合物凭借其优异的光电特性也被逐步应用于高效光催化反应中.这篇文章综述了以铅卤钙钛矿为主的金属卤化物钙钛矿材料近年来在光催化领域的研究进展,总结了金属卤化物钙钛矿材料在光（电）催化产氢、CO₂还原反应和有机物高附加值转化反应中的应用与反应机制及其关键挑战,最后展望了高效稳定的金属卤化物钙钛矿光催化剂的发展方向和前景.     

TiO2表面电子结构及其光催化活性

利用ＨＣｌ和ＨＣｌＯ４对不同方法制备的ＴｉＯ２进行了表面修饰,发现经强酸修饰后ＴｉＯ２的光催化活性有明显提高,其中ＨＣｌ的修饰效果好于ＨＣｌＯ４。     

二氧化钛光催化杀灭肿瘤细胞的研究

应用二氧化钛光催化的方法在体外对宫颈癌细胞进行了杀灭试验,结果显示,二氧化钛在光照下对宫颈癌细胞有明显的杀灭作用。当二氧化钛浓度为２００μｇ／ｍｌ,紫外光照时间为５０ｍｉｎ时,其杀灭肿瘤细胞的效果最好。     

掺杂TiO2光催化膜材料的制备及其灭菌机理

采用sol-gel技术制备了掺杂TiO2膜,考察了制备条件对溶胶稳定性的影响,并从TiO2光催化反应的角度分析了膜功能材料的灭菌机理.结果表明,溶胶化过程中温度对掺杂胶体形成速度及胶体粒径分布影响很大,40℃时制备周期短,胶体稳定.TiO2膜材料的灭菌本质在于其光照激活后产生的自由基OH·和O-2·直接攻击细菌的细胞,致使细菌蛋白质变异或脂类分解,从而杀灭细菌并使之分解.TiO2膜功能材料的灭菌效果与TiO2晶相组成直接相关,其灭菌率随膜层中锐钛矿含量的增加而提高.     

多孔二氧化钛对三氯甲烷光催化氧化的影响

报道 了以多孔 二氧化钛 为光催 化剂光催 化降解 水环境中 三氯甲烷 的一些 结果． 在所选定的实验 条件下 经１５ ｈ 光照, Ｃ Ｈ Ｃｌ３ 光催 化分解率 可达８０ ％ 左右 ． 此 结果 有利 于今 后进 一步 开展实用性 光催化 净化反应 器的研制     

超临界干燥法制备TiO2气凝胶

以钛酸四丁酯为原料,采用溶胶-凝胶过程及及超临界干燥法制备了TiO2气凝胶,并通过XRD,BET和TEM等方法对所得样品进行了表征.结果表明,该法制备的TiO2气凝胶具有很高的比表面积(488 m2/g),平均粒径为4.6nm,具有锐钛矿型晶体结构.经400℃煅烧2 h所得的纳米粉体,其锐钛矿型晶体结构更为明显,平均粒径6.7 nm,比表面积158 m2/g.     

1-癸烯光催化氢甲酯化反应中醋酸钠的促进作用

研究了以Ｃｏ（ａｃａｃ）２催化剂,通过光促进,在常温常压下１－癸烯的氢甲酯化反应,经实验证实,通过添加醋酸钠可提高反应的产率,而且还能有效地抑制反应中主要副产物正癸烷的生成,从而大大地提高了反应的选择性。     

国产二氧化钛在光催化降解染料废水中的应用

研究了 几种国 产和进口 二氧化钛 在光催 化降解染 料污染 物方面的 应用． Ｘ 射线 衍射 及扫描电镜 分析结果 表明,锐 钛矿型含 量高以 及粒径 小的 二氧 化钛 能很 好地 催化 降解 有机 染 料． 不同结构染 料的降 解难易顺 序为： 酞菁类 ＞ 蒽醌类 ＞ 单偶氮 类; 降解 速度 与吸 附有 直接 关系 ． 搅 拌分散体系 和糊状 体系的实 验结果表 明,难于 生物降 解的高浓 度直接耐 晒大红 ４ Ｂ Ｓ 工业 染料 废水 可被光催化 降解并 矿化,国产 催化剂 可重复利 用多次 ,光源可采 用太阳 光．     

载钛中孔二氧化硅分子筛的光催化性能研究

分别 以单一 Ｔｉ Ｏ２ 纳米粒 子及不 同 Ｔｉ Ｏ２ 覆 盖率的中 孔分 子筛（ Ｔｉ Ｏ２／ Ｈ Ｍ Ｓ） 和微 孔分 子筛（ Ｔｉ Ｏ２／ Ｎａ Ｙ） 为光催 化剂,以２ ,４ ,６三氯苯 酚（ Ｔ Ｃ Ｐ） 为 降解对象 ,考察了 两类分子 筛担 载 Ｔｉ Ｏ２ 的光催化性 能． 结 果表明 ： 在钛 含量相 同的 条 件下 , Ｔｉ Ｏ２／ Ｈ Ｍ Ｓ 的光 催 化活 性 高于 Ｔｉ Ｏ２／ Ｎａ Ｙ 和 单一 Ｔｉ Ｏ２ 的光催 化活性; Ｔｉ Ｏ２ 负载量 较低时 , Ｔｉ Ｏ２／ Ｈ Ｍ Ｓ 即可 显示 有高 的光 催化 活性, 且其 光催 化活性随着 中孔分 子筛孔径 的增大而 升高     

微波光导技术在光催化研究中的应用

介绍了微波光导法的基本原理及其在光催化研究中的应用。组装了频率域瞬态微波光导测量系统,在频率域测量了不同电导率的硅单晶的微波光导响应,发现在测量的频率范围内微波响应幅度基本不变,且电阻率大的样品信号明显大于电阻率小的样品,此结果与文献接近,表明测量仪器性能良好。从二氧化钛薄膜的微波光导响应的幅度随光强调制频率的增加下降,由下降的转折点频率可求得其电荷转移速率约为０．１５ｍｓ＾－１,分析了单晶样品与     

二氧化钛溶胶粒度分布与光谱特征

利用粒子解胶法由工业粉体制备了四种不同粒度分布的纳米ＴｉＯ２溶胶。发现解胶酸度可有效控制纳米ＴｉＯ２溶胶粒子种的尺寸及尺寸分布,在它们特征化的吸收光谱中,发现吸收上升边发生了很大的蓝移并出现明显的激子峰。     

主客体结构纳米半导体光催化的界面钉住效应

研究 了主客体 纳米结构 Ｚｎ Ｓ 半导 体在 光 催化 甲 醇水 溶液 产 氢同 时产 乙 二醇 反应 中 的界面“钉 住效应”． 认为在 主体 β环 糊精（ β Ｃ Ｄ） 分子 包覆作用 下,客体 Ｚｎ Ｓ 的 界面 能带 被钉 住; 溶液酸碱性 的变化, 在很大程 度上通过 改变溶 液相中各 种氧化 还原电 对来 间接 影响 客体 的界 面电 荷输出行为 ． 由此 观点出发 ,并结合 已有的 光电实验 结果,解 释了主 客体 包容 物 Ｚｎ Ｓ／ β Ｃ Ｄ 的 最高 光催化产氢 活性发 生在溶液 ｐ Ｈ ＝ １０ ～１１ 的实 验现象．     

中孔二氧化钛的合成和表征

以长链 烷基胺 表面活性 剂为模板 剂,在室 温下直 接水解 钛酸 四丁 酯制 备中 孔 Ｔｉ Ｏ２ , 并以 Ｔ Ｇ Ｄ Ｔ Ａ, Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ, Ｘ Ｒ Ｄ, Ｔ Ｅ Ｍ 和 Ｂ Ｅ Ｔ 等 方法对它 进行了 表征． Ｘ Ｒ Ｄ 分析 表明 , 以 十二 烷基 胺和十八烷 基胺为模 板剂制 得的中孔 Ｔｉ Ｏ２ , 其孔 径分别 为２９ ｎ ｍ 和３３ ｎ ｍ ． 经３５０ ℃热处 理的 Ｔｉ Ｏ２样品的 比表面积 为２３０ ｍ ２／ ｇ , 而 经５００ ℃热处 理的 Ｔｉ Ｏ２ 样品的中 孔结构 被破坏,由 六边 形相 转变成锐钛 矿型, 经７００ ℃热处 理时转变 成金红 石型结构     

水面石油污染物的光催化降解

制备了漂浮负载型ＴｉＯ２光催化剂,并用ＸＲＤ,ＢＥＴ,ＴＥＭ和ＳＥＭ等方法进行了表征。研究了这类催化剂对水面石油污染物的光催化降解,实验结果表明,掺杂Ｆｅ＾３＋的ＴｉＯ２光催化剂具有高的光催化活性,经高压汞灯照射８ｈ,水面原油降解７５％。     

二氧化钛基固体超强酸的结构及其光催化氧化性能

采用溶胶－凝胶法制备了多孔性,大比表面积的ＳＯ４＾２－／ＴｉＯ２固体超强催化剂,运用ＸＲＤ,ＢＥＴ比表面积测定,ＸＰＳ和ＵＶ－Ｖｉｓ反射光谱等技术对该催化剂的结构,表面状态以及半导体特征进行了表征,并通过ＣＨ３Ｂｒ,Ｃ６Ｈ６和Ｃ２Ｈ４等典型有机物的气相光催化氧化反应。     

甲酸存在下硝酸根在二氧化钛表面光催化还原成氨

用甲酸作空穴清除剂,研究了ＴｉＯ２水悬浮体系中硝酸根光催化还原氨的反应。与草酸作空穴清除剂相比,甲酸加速硝酸根的还原更显著。研究了硝酸根和甲酸根的浓度效应及ｐＨ效应。实验结果表明,硝酸根在ＴｉＯ２表面的吸附是加附是加速该光催化还原反应的重要因素。     

TiO2薄膜的吸附能力对罗丹明B光降解过程的影响

采用浸涂的方法在玻璃表面制备了ＴｉＯ２薄膜。Ｘ射线衍射和Ｒａｍａｎ光谱结果表明,薄膜全部由脱钛矿组成。通过罗丹明Ｂ的光降解实验考察了薄膜的催化活性,结果表明,薄膜的吸附性与罗丹明Ｂ的降解途径有很大的影响。     

O2-在CdS表面复合氧化物层中的积聚及其对Pt/CdS（T）光催化活性的影响

Pt/CdS经短时间高温空气处理后,CdS表面覆盖有一层氧化物(CdO-Cd(OH)2);在储存过程中,表面层中的Cd(OH)2进一步与空气中的CO2反应生成CdCO3,并有O2-在表面层中积累.O2-可起e-CB和h+VB复合中心的作用,导致Pt/CdS(T)光催化活性的降低.