可见光铋系光催化剂的研究进展

当前工业发展导致了严重的能源和环境危机,光催化为这一难题提供了有效的解决方案.然而在实际应用中,传统氧化物光催化剂宽的带隙限制了它的可见光吸收,于是窄带隙光催化剂成为了研究的热点.其中铋系光催化剂以其高的可见光光催化活性引起了人们的广泛关注.因此本文介绍了铋系光催化剂的种类、制备、形貌、复合、性能等方面的研究现状,并展望了含铋可见光催化剂发展前景.     

高活性二氧化钛光催化剂的低温水热合成

 以硫酸钛和尿素为原料,通过水热方法制备了锐钛矿相纳米晶二氧化钛光催化剂. 用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和N2吸附-脱附对所得催化剂的结构进行了表征,并通过空气中丙酮的光催化氧化反应考察了其光催化活性. 结果显示,通过水热方法不需要经过任何热处理就能制备结晶良好的锐钛矿相TiO2粉末,160 ℃水热反应3 h或180 ℃水热反应2 h制备的二氧化钛光催化剂显示出高的光催化活性,其光催化活性比Degussa P25高3倍多. 这可能是由于该方法所制备的二氧化钛光催化剂具有高的比表面积和小的晶粒尺寸引起的.     

卤氧化铋化合物光催化剂

卤氧化铋,BiOX (X=Cl, Br, I)作为一种新型光催化剂,由于具有特殊的层状结构和合适的禁带宽度从而显示出优异的光催化性能。本文主要对微纳米卤氧化铋光催化剂的制备方法、形貌尺寸及光催化性能进行了综述。卤氧化铋的光催化活性普遍优于商品TiO₂ (P25)的光催化活性,并且随着卤素原子序数的增加光催化活性逐渐增强。此外,卤氧化铋光催化剂还具有很高的稳定性。借助于掺杂改性,卤氧化铋的光催化性能得到进一步改善;通过晶体结构和能带结构的设计合成可以得到高活性的卤氧化铋化合物光催化剂。最后,对卤氧化铋光催化剂今后的研究方向进行了展望。     

可见光催化水解制氢催化剂概述

实现太阳光光催化水解制氢一直被各国学者认为是最终解决能源和环境问题的最佳途径。有效地实现可见光催化水解制氢技术的关键在于光催化材料的制备及其改性。本文简要介绍了光催化水解制氢的发展现状、存在的困难及如何提高光分解水的效率,重点评述了现阶段研究比较多的光催化材料—TiO2类光催化剂、新型碳材料光催化剂、含氮或硫的光催化材料、双光子系统光催化材料。最后,结合现有的光催化水解现状对其未来的发展趋势及今后该领域的研究重点进行了展望。     

高光活性纳晶二氧化钛粉末的溶剂蒸发诱导结晶方法制备与表征

高光活性双相纳晶二氧化钛光催化剂通过溶剂蒸发诱导结晶方法制备, 然后在不同温度下对其进行热处理. 用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和BET比表面分析对二氧化钛光催化剂的结构进行了表征. 通过空气中丙酮的光催化降解对二氧化钛的光催化活性进行了表征. 结果显示: 溶剂蒸发能够促进二氧化钛在100℃晶化和相变. 当煅烧温度小于600℃, 二氧化钛粉末的孔径大小分布为双峰分布, 在700℃, 由于团聚体颗粒内的孔的坍塌, 其孔径大小分布为单峰分布, 它对应于团聚体颗粒间的孔. 所获得的二氧化钛光催化剂在100℃显示出高的光催化活性, 在400℃, 其光催化活性超过Degussa P25的光催化活性. 这可能是由于该方法所制备的二氧化钛光催化剂具有高的比表面积、小的晶粒尺寸和双峰孔径大小分布引起的.     

半导体复合TiO2纳米光催化剂

对近年来利用半导体复合TiO2纳米光催化剂进行了介绍。总结了复合TiO2纳米光催化剂的制备、复合物的种类、光催化机理以及影响半导体复合TiO2光催化性能的因素。     

贵金属负载光催化剂在丙炔光催化水解反应中的研究(Ⅲ)

利用三种不同负载方法制备了含有不同贵金属的TiO2光催化剂,通过测试其XPS和光催化活性和选择性发现,TiO2光催化剂在丙炔和水的光催化水解反应中,由于贵金属的存在,有利于促进发生加氢反应,导致丙烯的生成量增加.Pt,Ru,Rh,Pd和Ag负载在TiO2上,在紫外线照射下(λ>270nm),Pd负载的TiO2光催化剂表现出最高的光催化活性.光催化活性和负载贵金属所处的氧化状态有密切的关系,贵金属完全被还原到0价是提高光催化活性的必要条件.     

TiO2/AC复合光催化剂对苯和丁醛的气相光催化降解机理

 利用溶胶-凝胶并水热处理法制备了TiO2光催化剂和TiO2/AC复合光催化剂,在静态光催化反应器中研究了苯和丁醛的气相吸附和光催化降解,利气相色谱分析确定了生成的中间体. 结果表明, TiO2/AC复合光催化剂比TiO2光催化剂具有较强的吸附能力和较高的光催化活性; 在TiO2和TiO2/AC上,苯(或丁醛)光催化降解产生相同的中间体,表明在两种催化剂上发生的光催化反应遵循相同的机理,进而讨论了其可能的光催化氧化途径.     

光催化技术简介

介绍了光催化反应原理,光催化剂TiO2的晶体结构,以及光催化技术存在的主要问题,如量子产率偏低、光谱响应范围窄、催化剂分离和回收难、高浓度废水透光率低、光催化剂失活等,并简要分析了光催化剂的研究现状。     

纳米TiO2-x光催化膜中的缺陷结构与性能关系初探

半导体TiO2由于具有较大的禁带宽度(TiO2Eg=3.2eV),常用作光化学降解反应的催化剂.利用溶胶-凝胶技术(Sol-Gel)制备薄膜型光催化剂,特别是在石英板或石英反应管壁上制备纳米级TiO2光催化剂膜已成为这一领域的研究热点[1].制备高活性光催化剂的突出问题是如何增加光生电子与空穴的产额,减少它们的复合几率,同时提高光催化膜的表面吸附能力.本实验采用溶胶-凝胶法制备出纳米级无机非整比TiO2-x膜,经过可控气氛热处理后,可在膜表面形成较多亚稳相氧空位(缺陷),为催化剂膜表面提供了更多的吸附中心和反应活性位,因此表现出较高的光催化反应活性[2].     

Active sites of silica-based quantum photocatalysts for non-oxidative reactions

Various photocatalytic reactions have been developed in recent years. Among them, non-oxidative reactions by silica-based quantum photocatalysts are quite unique. Pure silica materials, especially mesoporous silica evacuated at high temperature, were found to promote olefin metathesis upon photoirradiation at room temperature. A kind of surface defect on silica was generated through dehydroxylation at high temperature before the photoreaction, which can be photoexcited to form the first surface intermediate. On the other hand, non-oxidative direct methane coupling was revealed to proceed on silica materials and silica-based quantum photocatalysts. Also in these cases, evacuation at high temperature was required for the activation of catalyst before the reaction. The active sites and feature of silica-based quantum photocatalysts for these non-oxidative reaction systems are summarized and discussed.*To whom correspondence should be addressed. E-mail: h-yoshida@esi.nagoya-u.ac.jp     

B掺杂TiO2/AC光催化剂的制备及活性

以硼酸和钛酸丁酯为主要原料，以活性炭(AC)为载体。用溶胶-凝胶法制备了B掺杂TiO2／AC光催化剂．用X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射吸收光谱(UV—VIS)对制得的光催化剂进行了表征．以甲基橙水溶液的光催化脱色反应和氧化乐果水溶液的光催化降解反应。考查了不同B掺杂TiO2／AC光催化剂的活性．结果表明，所有B掺杂TiO2／AC光催化剂均为锐钛矿晶相．B的掺杂未导致TiO2／AC光催化剂的吸收带边发生明显的移动．当B-TiO2质量分数分别为2．0％和2．5％时，TiO2／AC光催化剂的活性有明显的提高．B-TiO2质量分数2．0％时活性最高．但是，当B-TiO2质量分数分别为1．5％和3．0％时。TiO2／AC光催化剂的活性降低．B的缺电子特性可能改变了TiO2能带中的电子密度，使光催化反应中光生电子和空穴的俘获方式发生变化；同时。B的缺电子特性也会使光催化剂表面的Lewis酸强度增强，导致表面吸附OH-数量和目标反应物的吸附方式发生变化．这些可能是B-TiO2／AC光催化剂活性发生变化的主要原因．     

中空全固态Z型异质结光催化剂的研究进展

中空结构材料由于比表面积大、密度低和电荷传输距离短等特点,在光催化反应中具有巨大的应用价值. Z型光催化剂具有宽光谱响应、高稳定性、高光生载流子的分离效率以及强氧化还原能力等优点,受到了广泛关注.然而,由于Z型多元组分和中空结构不稳定,设计并制备高效稳定的中空全固态Z型光催化剂仍是一大挑战.本文综合评述了近年来中空全固态Z型光催化剂的种类、构筑策略及性能等方面的研究进展,并进一步展望了其在未来应用中面临的问题与挑战,最后归纳总结了其设计与发展方向,为高效稳定光催化剂的设计提供了思路.     

Visible‐Light‐Active Elemental Photocatalysts

Seeking visible‐light‐active photocatalysts for efficient solar‐energy conversion has become an intensifying endeavor worldwide. In this concept paper, general requirements for finding new visible‐light‐active photocatalysts are briefly introduced, and recent progress in exploring elemental photocatalysts for clean‐energy generation and environmental remediation are reviewed. Finally, opportunities and challenges facing elemental photocatalysts are discussed.     

二氧化钛基Z型光催化剂综述(英文)

TiO_2具有无毒、耐腐蚀、高稳定和低成本等特点,已被广泛应用于光催化领域.然而,TiO_2的禁带较宽,只能吸收仅占太阳光4%的紫外光部分,从而严重限制了TiO_2光催化材料对太阳光的有效应用.目前很多方法被用来提高TiO_2光催化效率,如金属/非金属掺杂、贵金属负载、异质结构建和与碳材料复合等,这些策略在提高光催化剂的光催化效率中,涉及到如何兼顾太阳光利用和光生空穴和电子氧化还原能力两者之间的平衡.通常,半导体禁带宽度越窄,半导体的光谱响应范围越宽、太阳光利用越多,但光生空穴和电子氧化还原能力越弱.因此,想要提高TiO_2的光催化性能,应考虑以下两个方面的平衡:即降低带隙宽度,拓展半导体的光谱响应范围;与之同时使价带电位更正,导带电位更负之间的平衡.然而,这两个点是相互矛盾的,因此很难在单组分光催化剂中同时实现这两点.然而,Z型光催化剂可以同时满足这两点要求,即:降低半导体的带隙,同时使导带更负,价带更正,因为Z光催化系统利用了两种半导体的优势,其电荷转移机制类似于自然界中绿色植物的光合作用,其中的载流子传输途径包括两步激发,类似于英文字母"Z",Z型光催化剂因此而得名.Z型光催化剂既能保留较高还原能力的光生电子和又能保留较高氧化能力的光生空穴,由于Z型光催化剂特有的优点,在光催化领域的应用越来越广泛.本文综述了TiO_2基Z型光催化剂的最新研究进展,其中包括:Z型光催化机理、应用范围和光催化活性改进方法.Z型光催化剂分为传统液相Z型光催化体系,全固态Z型光催化体系,以及最近几年发展起来的直接Z型光催化体系.它们的主要应用包括:光催化分解水产氢、二氧化碳还原制备太阳燃料、有机污染物光催化降解.论文进一步讨论了提高TiO_2基Z型光催化剂性能的方法,包括pH值调控、电子导体选择、助催化剂使用、掺杂改性、组织形貌控制、两种半导体质量比优化等.最后,提出了TiO_2基Z型光催化剂今后面临的挑战和发展前景展望.     

Design of Advanced Functional Materials Using Nanoporous Single‐Site Photocatalysts

Nanoporous silica solids can offer opportunities for hosting photocatalytic components such as various tetra‐coordinated transition metal ions to form systems referred to as “single‐site photocatalysts”. Under UV/visible‐light irradiation, they form charge transfer excited states, which exhibit a localized charge separation and thus behave differently from those of bulk semiconductor photocatalysts exemplified by TiO₂. This account presents an overview of the design of advanced functional materials based on the unique photo‐excited mechanisms of single‐site photocatalysts. Firstly, the incorporation of single‐site photocatalysts within transparent porous silica films will be introduced, which exhibit not only unique photocatalytic properties, but also high surface hydrophilicity with self‐cleaning and antifogging applications. Secondary, photo‐assisted deposition (PAD) of metal precursors on single‐site photocatalysts opens up a new route to prepare nanoparticles. Thirdly, visible light sensitive photocatalysts with single and/or binary oxides moieties can be prepared so as to use solar light, the ideal energy source.     

含铁的柱撑膨润土光催化降解甲基橙

将两种含铁柱撑膨润土(Fe-Al-Bent和Fe-Bent)用作复相光催化剂, 表征结果证实它们具有很高的比表面积, 铁以高催化活性的α-Fe₂O₃存在于复相催化剂中. 以甲基橙为目标降解物, 考察了不同类型的催化剂、催化剂用量以及H₂O₂浓度对其降解的影响, 并与相应的均相Fenton反应进行了比较. 结果表明: 两种复相光催化剂的催化脱色性能和COD_Cr去除率都很高, 明显优于相应的均相Fenton反应, 且复合铁铝柱撑膨润土(Fe-Al-Bent)比单一的铁柱撑膨润土(Fe-Bent)催化性能更好, 此外它们还具有分离简单、重复使用性好等特点.     

具有高活性宽光谱响应的新型光催化材料

以二氧化钛为代表的传统光催化材料只能利用短波长的紫外光,太阳光利用率和量子效率低,其广泛应用受到极大限制．针对这一问题,近年来我们开展了一系列具有高活性和（或）宽光谱响应（包括紫外及可见光）的新型纳米光催化材料的研究．本文简要总结了相应工作的进展,并对可能影响光催化材料的活性和光谱响应的相关因素进行了探讨．     

Ln掺杂BiVO4(Ln=Eu、Gd、Er)光催化剂的制备和活性研究

采用水热合成法, 制备出Eu、Gd和Er掺杂的BiVO₄复合光催化剂,并采用X射线衍射、X射线光电子谱、扫描电子显微镜和紫外-可见漫反射光谱技术对其进行分析表征。通过可见光下降解水溶液中甲基橙分子来考察其光催化性能,结果显示掺杂的复合光催化剂活性都强于纯的BiVO₄,对掺杂复合光催化剂的催化活性增强机理进行了讨论和描述。     

紫外光照射下丙炔光催化水解反应的研究 Ⅰ．纳米二氧化钛光催化剂的性能

 采用5种不同的纳米二氧化钛为光催化剂,考察了它们在丙炔水解反应中的光催化活性,并用X射线衍射和漫反射紫外－可见吸收光谱技术进行了表征．研究了催化剂表面物理化学性质与在丙炔光催化水解反应中的构效关系．实验结果表明,纳米二氧化钛光催化剂能够引发丙炔的光催化水解反应,生成乙烷和乙烯等产物;锐钛矿相纳米二氧化钛具有较高的光催化活性,在晶型相同的情况下,影响光催化活性的主要因素是催化剂的粒径和比表面积．