结合动力学和热力学研究PtPd修饰Zn_(0.5)Cd_(0.5)S纳米棒体系的高效光催化产氢机理（英文）

硫化镉锌(Zn_(0.5)Cd_(0.5)S)纳米棒因其制备方法简单以及具有良好的光催化活性等优点,在光催化领域得到广泛的研究和应用.单一Zn_(0.5)Cd_(0.5)S存在光生电子与空穴易复合以及光腐蚀等问题,采用助催化剂修饰将有助于电荷分离与迁移,从而提高其光催化性能.本文将Pt Pd合金作为助催化修饰Zn_(0.5)Cd_(0.5)S纳米棒光催化材料,以提高可见光照射下的产氢速率,并对合金助催化剂提高催化活性的机理进行了深入研究.通过简单水热法合成Zn_(0.5)Cd_(0.5)S,采用化学还原沉积法制备Pt Pd/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S复合光催化材料.XRD结果表明,成功合成了Zn_(0.5)Cd_(0.5)S催化剂.TEM结果表明,Zn_(0.5)Cd_(0.5)S呈纳米棒状,测量得到Pt Pd合金的(111)晶面条纹间距为0.23 nm,说明合金成功负载到硫化镉锌上.XPS结果表明,Pt Pd/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S复合样品中Pt和Pd元素的峰值较Pt/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S和Pd/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S均发生了偏移,Pt和Pd元素化学结合环境发生改变,进一步证实合成了Pt Pd合金.光催化产氢实验结果表明,当Zn_(0.5)Cd_(0.5)S负载Pt Pd合金以后,光催化产氢速率大幅提升,其中负载量为1.0 wt%的Pt Pd/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S复合光催化材料的产氢速率最快,达到9.689 mmol·g~(–1)·h~(–1),分别是纯Zn_(0.5)Cd_(0.5)S,Pt/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S和Pd/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S的9.5,3.6和1.7倍.为了探究Pt Pd合金性能优于Pt的原因,本文结合化学反应热力学(DFT理论计算)和动力学(光致发光光谱、光电流响应、电化学阻抗谱和表面光电压谱)手段进行了详细研究.结果表明,PtPd二元贵金属合金具有与Pt相近的氢活性物种吸附能和d带中心,可以大大加速电荷转移,促进电荷分离,降低H_2生成的活化能.虽然Pt在热力学上有利于光催化产氢,但从催化反应动力学结果可知,PtPd合金在动力学上更有利于产氢,这与光催化产氢结果一致,即Pt Pd/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S复合材料催化活性高于Pt/Zn_(0.5)Cd_(0.5)S.综上,本文研究结果可为其他金属合金助催化剂的研究提供新思路.     

微波助离子液体中Y掺杂TiO_2光催化剂制备及微波强化光催化活性

在微波助离子液体介质中制备稀土元素Y掺杂改性TiO_2光催化剂,以提高催化剂的光催化降解活性,用XRD、SEM和BET等测试手段对催化剂结构进行表征;以甲基橙溶液和苯酚溶液为模拟污染物,分别在紫外光照(UV)和微波辐射-紫外光照(MW-UV)条件下考察TiO_2-Y催化剂的光催化活性;以对苯二甲酸作为荧光探针利用荧光技术检测TiO_2-Y催化剂表面所产生的羟基自由基,并对光催化降解反应进行动力学分析,探索了光催化降解反应机理.实验结果表明,通过优化反应条件后制得的TiO_2-Y催化剂具有较高光催化活性和热稳定性,在UV和UV-MW条件下降解甲基橙和苯酚溶液1.5h后,甲基橙降解率分别为98.3%和99.5%,苯酚降解率分别为97.5%和98.2%.荧光光谱分析表明,TiO_2-Y在MW-UV条件下产生的羟基自由基比UV条件下要多,因而微波辐照具有强化TiO_2-Y降解模拟污染物的作用;反应动力学数据分析表明,TiO_2-Y光催化降解甲基橙溶液反应呈现一级反应动力学规律,其表观速率常数K最大值为0.051 9min-1.     

二维介孔超薄Cd_(0.5)Zn_(0.5)S纳米片:形成机制及光催化分解水制氢性能（英文）

太阳光驱动的光催化分解水产氢是一种绿色制氢技术,并以氢为载体可实现太阳能向化学能的转化.目前开发高效、稳定的可见光催化剂仍是本领域的研究热点.在各类光催化材料中,Cd_(0.5)Zn_(0.5)S固溶体比Ti O_2及g-C_3N_4具有更优异的光催化产氢活性,但它一般为团聚了的纳米颗粒或纳米微球,表面积小,比表面反应迟缓,从而限制了其实际应用.通常,超薄多孔二维结构光催化剂具有高比表面积,能够为反应物分子与催化剂之间提供大量接触界面并促进传质,此外,特定晶面暴露赋予了其大量不饱和配位表面原子,使反应物分子更容易在催化剂表面吸附活化,提升表面催化反应动力学.本文首先采用乙二胺与水的混合溶液制备了无机有机杂化的硫化锌-乙二胺(记为:Zn S(en)_(0.5)).随后,分别以Zn S(en)_(0.5)为硬模板、以乙二醇为反应介质、氯化镉为镉源,通过溶剂热阳离子交换得到了无机有机杂化的Cd_(0.5)Zn_(0.5)S(en)_x中间产物.最后,将Cd_(0.5)Zn_(0.5)S(en)_x在纯水中进行水热反应脱除晶格内乙二胺分子得到了2D介孔超薄Cd_(0.5)Zn_(0.5)S纳米片.TEM测试发现,纳米片表面存在大量孔洞,其主要源于Cd_(0.5)Zn_(0.5)S(en)_x的相变过程及其晶格内乙二胺分子的逃逸导致的晶格畸变.AFM观察结果表明,最终产物Cd_(0.5)Zn_(0.5)S纳米片厚度约为1.5 nm;其比表面积可达63.5 m~2/g,几乎是相应纳米颗粒的两倍.以三乙醇胺(TEOA)为牺牲剂时,Cd_(0.5)Zn_(0.5)S纳米片的产氢速率达到19.1 mmol·h~(-1)·g~(-1),是相应纳米颗粒的两倍多.即使在纯水中,Cd_(0.5)Zn_(0.5)S纳米片产氢速率仍可达到1395μmol·h~(-1)·g~(-1),超过了目前所报道的未加修饰的光催化剂的活性.其优异的活性源于其独特的结构优势,包括载流子迁移距离的缩短、表面不饱合原子及比表面积的增大.但在纯水中其严重的光腐蚀仍然亟待克服.此外,为进一步增强其活性,通过机械复合的方法得到了Ni Co_2S_4/Cd_(0.5)Zn_(0.5)S二元复合光催化剂,其在TEOA为牺牲剂时制氢速率可达62.2 mmol·h~(-1)·g~(-1),在纯水制氢速率达到2436μmol·h~(-1)·g~(-1).电化学、UPS及EPR分析表明,Ni Co_2S_4与Cd_(0.5)Zn_(0.5)S纳米片间形成了肖特基接触,进一步促进了载流子分离能力,提高了复合物的产氢活性.以本工作为基础,还可制备其他高活性的CdZnS-基功能光催化材料用于太阳能转化或其他领域.     

光纤负载g-C_3N_4/TiO_2薄膜催化剂的制备及其降解间二甲苯性能研究

采用研磨-煅烧技术制备不同g-C_3N_4含量的g-C_3N_4/TiO_2复合粉末催化剂,以模拟太阳光光催化降解气相间二甲苯实验评价催化剂活性.结果表明:当g-C_3N_4含量为60%时,g-C_3N_4/TiO_2-60的降解效果最佳.以此为代表,采用溶胶-凝胶-浸渍-提拉方法 ,制备光纤负载g-C_3N_4/TiO_2薄膜光催化材料,应用于气相间二甲苯的降解.通过X射线粉末衍射(XRD)、紫外可见漫反射(UV-Vis/DRS)及高分辨透射电镜(TEM)对催化剂进行表征.采用光电化学实验、自由基捕获实验探究其光催化机理.结果表明:模拟太阳光光照120min后,光纤负载g-C_3N_4/TiO_2-60薄膜光催化材料对气相间二甲苯的降解率为94%,经过3次循环使用后降解活性无明显变化.光在光纤中的有效传播、光生电子和空穴的快速产生、迁移以及反应体系中形成的·O2-,·OH和hVB+3种活性物种是光纤负载薄膜催化剂实现高效降解气相间二甲苯的原因.     

微波超声强化银掺杂TiO_2催化剂光催化活性的研究

在[Bmim]PF6离子液体介质中,用溶胶凝胶-微波干燥法制备银掺杂TiO_2光催化剂TiO_2-Ag.以甲基橙为有机污染物,用微波超声组合仪分别在微波(MW)、紫外(UV)、紫外-微波(UV-MW)和超声-紫外-微波(UT-UV-MW)4种条件下降解甲基橙溶液,考察银掺杂对催化剂降解甲基橙的影响,以提高催化剂光催化性能.分别用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、热重-差示扫描量热分析(TG-DSCDTG)、固体紫外可见分析(Uv-vis)和红外分析(IR)对TiO_2-Ag催化剂进行测试表征.结果表明,优化条件下制备TiO_2-Ag催化剂在UV、UV-MW和UT-UV-MW条件下降解甲基橙35 min后,甲基橙的降解率分别为88.05%、93.98%和99.84%;降解甲基橙55min后,甲基橙的降解率分别为98.79%、99.05%和99.90%.在UTUV-MW条件下降解25min后,降解率接近100%.表明TiO2-Ag催化剂具有较高的光催化降解活性,微波超声协同作用加快光催化降解反应进行.催化剂的结构分析表明,银掺杂抑制了二氧化钛晶相的转变,使相变温度升高,稳定性增强;同时,催化剂向可见光区扩宽了光响应范围,提高了量子效率,从而光催化性能得以提高.     

拓扑相变制备具有拓宽可见光响应范围的Ti~(3+)自掺杂3D空盒状TiO_2（英文）

TiO_2广泛用作半导体光催化材料,但由于自身对光利用率低(只吸收紫外光)、禁带宽度较大、光生载流子复合率极高,限制了它在相关领域的应用.为此,设计了Ti~(3+)离子自掺杂来克服TiO_2半导体材料的上述缺点,进而提高其光催化活性.在不引入其他元素的情况下,以TiOF_2为原料,Zn粉为还原剂,在水热条件下采用拓扑相变法原位制备了具有可见光响应的Ti~(3+)自掺杂空盒状TiO_2(记为Ti~(3+)/TiO_2)催化剂材料.掺杂金属离子可以改变半导体TiO_2的结晶度和产生晶格缺陷,形成电子或空穴的捕获中心,影响电子-空穴对的复合;同时,掺杂金属离子产生的晶格缺陷有利于Ti~(3+)和氧空位的形成,有利于提高TiO_2的量子效率.Ti~(3+)掺杂是一种既清洁又未引入其他金属离子的掺杂改性方法,它能有效保持催化剂的结构和形貌不受其他金属离子的影响.总之,金属离子掺杂有效拓展了TiO_2的光吸收范围,并极大地提高了TiO_2的光催化活性.本文研究了不同量的还原剂对催化剂空盒状TiO_2结构形貌影响,以及在可见光下光催化降解罗丹明B反应性能,发现Ti~(3+)/TiO_2催化剂均拥有非常好的光催化活性,其中R0.25催化剂在可见光下120 min,RhB降解率达到96%,是TiO_2的4倍多.且可循环使用5次的光催化循环降解实验后,表现出较高的稳定性.催化剂经过Ti~(3+)自掺杂后,对催化剂自身的空盒状结构形貌并无很大的影响,随着还原剂Zn粉的量增加,Ti~(4+)还原形成Ti~(3+)数量增加,导致形成更多的氧空位.皆为锐钛矿型TiO_2,与未掺杂Ti~(3+)的TiO_2比较发现,自掺杂Ti~(3+)的TiO_2的(105)XRD衍射峰越来越尖锐,(004)衍射峰越来越宽.随着还原剂Zn粉质量的逐渐增加,催化剂的光响应范围拓宽到可见光区,且逐渐增强.这说明Ti~(3+)的掺杂不仅提高了TiO_2在可见光的响应能力,也提高了TiO_2在紫外光范围的响应能力.另外,掺杂后的TiO_2禁带宽度的减小,使其价带上的电子更容易被可见光激发,产生更多的电子-空穴对参与光催化反应,从而提高TiO_2的光催化效率.     

球磨法制备Tm3+和Tm2O3掺杂TiO2及光催化活性研究

为了提高TiO_2的光催化活性,优化球磨工艺,采用球磨法制备稀土金属Tm掺杂TiO_2光催化剂,在300W中压汞灯光照下,对模拟染料亚甲基蓝(MB)溶液进行降解,考察稀土金属Tm以离子态或氧化物掺杂TiO_2的光催化活性,探究球磨中掺杂比、球料比对TiO_2光催化活性的影响,并用XRD、UV-vis DRS、SEM-EDS等对催化剂进行表征。结果表明,Tm~~(3+)的存在可以诱导TiO_2产生晶格畸变,Tm~2O_3/TiO_2和Tm~~(3+)/TiO_2对可见光产生响应,禁带宽度分别降低至2. 97 eV和3. 05 eV。当催化剂投入量为0. 2 g·L~(-1),亚甲基蓝(MB)溶液浓度为25 mg·L~(-1),Tm~~(3+)/TiO_2和Tm~2O_3/TiO_2的最佳掺杂比分别为2. 5%和3%、球料比为4:1、球磨转速为500rpm时,Tm~~(3+)/TiO_2、Tm~2O_3/TiO_2和纯TiO_2的一级反应速率常数分别可达0. 0689 min~(-1)、0. 0562 min~(-1)和0. 0263min~(-1)。     

大豆蛋白改性TiO_2的制备及其可见光催化性能

采用溶胶-凝胶法制备了系列大豆蛋白改性TiO_2复合催化剂.通过元素分析、粒度分析、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)、电化学等方法对所制备的样品进行了表征,以亚甲基蓝为目标降解物,研究了大豆蛋白改性TiO_2的可见光催化性能.结果表明,大豆蛋白改性可以一步实现C、N、H多种非金属元素共掺杂;相比纯TiO_2,改性后复合催化剂的比表面积增大;所有样品均为锐钛矿相;煅烧温度为400℃时,复合催化剂的可见光吸收发生明显红移,其禁带宽度较纯TiO_2窄化了0.32 e V;大豆蛋白改性后,复合材料的光电流密度增大;在可见光照射下,光催化反应2 h时,大豆蛋白改性TiO_2的亚甲基蓝降解效率最高可达79.4%.     

生物质C-N-P自掺杂TiO_2的超声辐照同步合成及光电化学性能分析

采用溶胶-超声辐照技术,同步合成了生物质C-N-P自掺杂TiO_2复合催化剂。以亚甲基兰(MB)为目标污染物,考察了该复合催化剂的可见光催化活性,并分析了样品的表面化学组成及其光电化学性能。实验结果表明,在可见光照射下进行光催化反应80min时,复合催化剂对亚甲基蓝的降解效率可达98%;相比纯TiO_2,复合样品的光电流密度增大,电化学阻抗环半径减小,Zeta-电位值增大,光催化活性明显提高。     

MoS_2负载量对MoS_2/TiO_2光催化降解苯酚效率的影响及其作用机理研究

通过水解法制备TiO_2纳米颗粒,与经过超声处理后的MoS_2片层纳米材料复合制备MoS_2/TiO_2纳米催化剂,考察不同MoS_2负载量对其光催化降解苯酚效率及路径的影响。XRD、SEM、EDS、FT-IR和UV-vis DRS等表征结果表明,复合催化剂主要由锐钛矿型TiO_2和MoS_2组成;剥离后的MoS_2呈现薄片层状结构,均匀地分散在TiO_2纳米颗粒当中。光催化降解苯酚性能测试结果显示,对于MoS_2/TiO_2催化剂,MoS_2负载量的提高有利于光催化降解苯酚效率的提高;当MoS_2负载量为27%时,复合M o S2/TiO_2纳米颗粒的光催化性能最佳,反应80 min后可将苯酚完全降解。通过对苯酚降解过程中生成中间产物跟踪发现,MoS_2负载量的提高有利于促进中间产物苯醌、对苯二酚以及邻苯二酚的生成,进而提升了MoS_2/TiO_2复合材料的光催化性能。