光催化分解水制氢用二元半导体光催化剂

光催化分解水制氢被认为是解决能源问题和环境问题的有效方法,但目前的光催化效率仍然较低,结合使用2种半导体物质是提高光催化活性的一种有效途径。本文分两种类型阐述了已报道的用于光催化分解水制氢反应的二元半导体体系。一种为将2种半导体复合于一体,另一种为将2种半导体分散加入到光催化反应液中的Z型体系。基于肖特基模型探讨了2种半导体复合于一体的二元体系的光催化作用机制,指出p型半导体和n型半导体复合制得的光催化剂更能很好地发挥各半导体的光催化氧化性能和光催化还原性能。分析了Z型体系的优点和缺点,指出对于Z型体系的放氢催化剂和放氧催化剂也可以分别再进行二元复合改性,以抑制光激发载流子的复合,提高整个体系的光催化效率。     

半导体悬浮体系光催化分解有机磷化合物

本文研究了半导体悬浮体系光催化分解有机磷化合物的条件,只有在光照、催化剂和氧同时存在的条件下才能有效地光催化分解有机磷化合物;测量了两种有机磷化合物在各种半导体催化剂上的分解速率,反应速率与催化剂的种类和表面性质有关;对光催化分解马拉硫磷的反应机理进行了初步探讨。     

光催化分解水制氢反应中助催化剂的作用及机理（英文）

近年来,随着一次能源过度消耗所带来的能源和环境问题日益突出,开发廉价、可持续的清洁能源备受关注.光催化分解水制氢可利用太阳能普遍率高和几乎免费等特点制取燃烧热值高、燃烧产物无污染的氢气能源.自从1972年日本的Fujishima教授和Honda教授首次发现TiO2单晶电极光催化分解水可以产生氢气以来,光催化制氢被认为是实现可持续制氢最有潜力的方法之一.有效地将太阳能转换为化学能的关键是设计高效的电荷分离和运输结构.然而,现有的大多数半导体光催化剂因缺少活性位点、光生载流子易复合等缺点而无法达到较高的转换效率.因此,如何提高半导体光催化产氢的转换效率是现阶段面对的重要问题.在众多解决方法中,助催化剂的引入可以为光催化制氢反应增加活性位点,促进光生载流子的有效分离,进而有效地提高半导体光催化产氢速率.本文总结了多种不同类型的助催化剂应用于光催化产氢研究的最新进展,详细讨论了助催化剂在增强光吸收、提供活性位点、增加催化剂稳定性和促进电荷分离等方面的作用,阐明了助催化剂在光催化分解水制氢中的反应机理,同时还提出了光催化制氢的未来研究和预测.本文将助催化剂分为以下几种类别进行讨论:(1)单一助催化剂,包括金属/合金、金属氧化物/氢氧化物、金属磷化物、金属硫化物、碳基材料等助催化剂材料;(2)双助催化剂;(3)Z-Scheme助催化剂;(4)MOFs助催化剂.近年来,助催化剂材料在光催化产氢中应用的发展趋势从当初价格昂贵的贵金属趋于价格相对低廉的非贵金属,从单一体系趋于更复杂的体系.虽然现阶段关于助催化剂与基底之间的匹配还需要进一步研究,但我们相信随着技术的发展,这些问题都可以迎刃而解.希望在不久的将来,可以精确设计和构建出具有高效光催化产氢活性的催化剂体系,开发出更多新的可再生清洁能源,从而缓解能源紧缺和环境恶化等棘手问题.     

光诱导双助催化剂在半导体表面的自发形成（英文）

半导体光催化体系的助催化剂在光生电荷分离和表面催化反应过程中扮演着重要的角色.然而,在反应条件下助催化剂的化学态是否发生改变尚不清楚.本文以钽酸钠为模型光催化剂,系统地研究了镍基助催化剂在光催化分解水反应中的化学态.结果发现,在光诱导条件下半导体钽酸钠单晶表面自发形成了金属镍和氧化镍双助催化剂.首先用传统的水热法合成只暴露单一晶面的六面体钽酸钠半导体单晶光催化剂和暴露不等同晶面的二十六面体钽酸钠半导体单晶光催化剂.原位光沉积结果显示,暴露不同晶面的二十六面体钽酸钠半导体单晶光催化剂存在晶面间的电荷分离现象,进一步利用该现象可以确定不同催化活性位上镍基助催化剂的作用.XPS结果显示,半导体钽酸钠单晶表面的镍基助催化剂存在的不同价态.高分辨透射电镜结果表明,不同晶面上的镍基助催化剂具有不同的形貌,并且通过晶格衍射条纹的对比确认了不同镍基助催化剂物种的归属和作用.将表面浸渍氧化镍的二十六面体钽酸钠半导体光催化剂用于全分解水测试发现,反应开始阶段H_2:O_2比值小于2:1,说明部分光生电子被消耗掉,用于还原氧化镍,生成了金属镍.将表面还原的金属镍光催化剂进行全分解水测试发现,反应开始阶段H_2:O_2比值大于2:1,说明部分光生空穴被消耗掉,用于氧化金属镍,生成了氧化镍,金属镍和氧化镍最终在反应的过程中达到了平衡.金属镍担载在{001}晶面上,起着还原助催化剂的作用,参与质子还原,释放出H_2;氧化镍担载在其他晶面上,扮演着氧化助催化剂,参与水的氧化,释放出O_2;金属镍和氧化镍共同促进了光催化全分解水反应,使反应活性达到了最高.这种双助催化剂的自发形成现象不仅存在于二十六面体钽酸钠单晶半导体表面,在六面体钽酸钠单晶半导体表面也同样存在,是一个普适性的现象.在六面体钽酸钠半导体单晶光催化剂表面同样可以发现不同形貌的镍基助催化剂,分别归属于金属镍和氧化镍.本文说明了助催化剂的化学态在光催化反应的条件下是可以发生改变的,并且光生电荷可以在半导体表面诱导双助催化剂的自发形成.     

光催化全解水助催化剂的设计与构建

能源和环境危机是当今社会面临的两大关键课题,利用太阳光驱动化学反应、将太阳能转化为化学能是解决上述问题的重要措施。通过光催化分解水是直接利用太阳能生产氢燃料的有效策略。光催化水分解过程可以分为三个基元步骤:光吸收、电荷分离与迁移、以及表面氧化还原反应。助催化剂可有效提高电荷分离效率、提供反应活性位点并抑制催化剂光腐蚀的发生,进而提高水分解效率。助催化剂也可以通过活化水分子以提高表面氧化还原动力学,进而提升整体光催化反应的太阳能转换效率。本文综述了助催化剂在光催化反应中的重要作用以及目前常用的助催化剂类型,详细说明了在光催化全解水过程中双助催化剂体系的构建及作用机理,并根据限制全解水的关键因素提出了新型助催化剂的设计策略。     

石墨相氮化碳在光催化苯甲醛氧化耦合制氢领域的研究进展

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)是一类非金属聚合物半导体材料, 具有良好的可见光响应、 优异的化学稳定性和可调节的能带结构, 在光催化分解水制氢、 空气净化、 环境修复等领域有着广阔的应用前景. 目前, g-C₃N₄光催化分解水的研究主要聚焦析氢半反应, 而牺牲试剂的氧化反应以及光生空穴则未被加以利用. 光催化苯甲醇氧化反应具有较高的选择性, 在光催化制氢的同时还能够获得苯甲醛. 我们结合最新国内外研究成果, 系统地综述了g-C₃N₄在光催化苯甲醇氧化耦合制氢方面的应用, 从分子改性、 显微结构及缺陷调控、 非金属元素掺杂、 金属负载和复合材料设计等5个方面介绍了g-C₃N₄光催化苯甲醇氧化提升性能的研究策略. 重点总结了g-C₃N₄的结构和光生载流子分离效率对催化性能的影响, 并对g-C₃N₄光催化苯甲醛氧化耦合制氢的后续发展进行了展望.     

光催化：电子的奇妙之旅

半导体光催化技术可以利用太阳能光催化分解水制备氢气和降解有机污染物以解决能源问题和环境污染问题,并且具有反应低能耗、低温深度反应和反应具有光谱性等优点,是解决环境和能源问题领域中最具有应用前景的新技术之一。本文通过将半导体光生电子拟人化,以电子先生的旅游视角介绍了光催化反应中电荷的转移过程,介绍了光催化技术在制氢和降解有机污染物领域中的应用。     

S-Scheme异质结光催化产氢研究进展（英文）

随着不可再生能源的大量消耗,能源短缺成为人类社会面临的重大挑战。在众多新能源制备技术中,光催化分解水制氢技术只需丰富的太阳能作为驱动力就可以实现分解水制氢,且制氢条件温和、绿色无污染,被认为是解决当前能源短缺危机的有效技术之一。光催化制氢技术的核心是光催化剂,因此发展高效稳定的光催化剂至关重要。然而,单组分光催化剂由于空穴-电子复合速度快、氧化还原能力有限、太阳能利用效率低等原因,通常只能呈现出有限的光催化分解水制氢活性。为此,科研人员做了大量改性研究,其中常见的改性策略有元素掺杂、助催化剂修饰、构建异质结等。通常,元素掺杂、助催化剂修饰等改性手段可以在一定程度上提高光催化剂的制氢活性,但并不能有效解决单相光催化剂的缺陷,导致其改性效果受到制约。然而,在两个或多个半导体之间构建异质结可以有效解决上述单组分光催化剂的缺陷。相较于当前流行的传统II型异质结和Z-型异质结,S-型异质结的电荷转移机制更为合理,受到科学家们的广泛关注与应用。因此,本文首先对S-型异质结光催化体系的发展背景进行介绍,包括传统II型异质结、全固态Z-型异质结和液相Z-型异质结光催化系统。随后对S-型异质结光催化机理...     

钙钛矿氧化物H1.9K0.3La0.5Bi0.1Ta2O7和Pt/WO3组成的Z体系下完全光解水性能

以质子化层状钙钛矿氧化物H_1.9K_0.3La_0.5Bi_0.1Ta₂O₇ (HKLBT)作为产氢催化剂, Pt/WO₃作为产氧催化材料进行Z 型体系下完全分解水反应. 考察了不同载流子传递介质及不同载流子浓度对反应活性的影响. 结果表明, 以Fe²⁺/Fe³⁺为载流子传递介质时可以实现水的完全分解(H₂/O₂体积比为2:1), 8 mmol·L^-1的FeCl₃作为初始载流子传递介质时, 产氢、产氧活性分别为66.8和31.8 μmol·h^-1, 氢氧体积比为2.1:1. 受光催化材料对载流子传递介质氧化还原速度的限制, 过高的载流子传递介质浓度并不能提高光催化活性.     

光催化分解水的研究进展

阐述了利用光催化剂分解水获取氢气的原理和国内外的研究进展,特别对近几年来在开发新型高效半导体催化材料及拓展对可见光的响应等方面的研究工作进行了评述, 阐述了光催化分解水在解决能源紧缺和环境污染等方面的应用前景和今后的研究方向.     

Metal-Organic Frameworks for Photocatalytic Water Splitting and CO2 Reduction

Photocatalytic water splitting and carbon dioxide (CO₂) reduction provide promising solutions to global energy and environmental issues. In recent years, metal-organic frameworks (MOFs), a class of crystalline porous solids featuring well-defined and tailorable structures as well as high surface areas, have captured great interest toward photocatalytic water splitting and CO₂ reduction. In this review, the semiconductor-like behavior of MOFs is first discussed. We then summarize the recent advances in photocatalytic water splitting and CO₂ reduction over MOF-based materials and focus on the unique advantage of MOFs for clarifying the structure-property relationship in photocatalysis. In addition, some representative characterization techniques have been presented to unveil the photocatalytic kinetics and reaction intermediates in MOF-based systems. Finally, the challenges, and perspectives for future directions are proposed.     

光催化CO2转化为碳氢燃料体系的综述

传统化石能源燃烧产生CO₂引起的地球变暖和能源短缺已经成为一个严重的全球性问题. 利用太阳光和光催化材料将CO₂还原为碳氢燃料, 不仅可以减少空气中CO₂浓度, 降低温室效应的影响, 还可以提供碳氢燃料, 缓解能源短缺问题, 因此日益受到各国科学家的高度关注. 本文综述了光催化还原CO₂为碳氢燃料的研究进展, 介绍了光催化还原CO₂的反应机理, 并对现阶段报道的光催化还原CO₂材料体系进行了整理和分类, 包括TiO₂光催化材料, ABO₃型钙钛矿光催化材料, 尖晶石型光催化材料, 掺杂型光催化材料, 复合光催化材料, V、W、Ge、Ga基光催化材料及石墨烯基光催化材料. 评述了各种材料体系的特点及光催化性能的一些影响因素. 最后对光催化还原CO₂的研究前景进行了展望.     

光催化CO_2转化为碳氢燃料体系的综述

传统化石能源燃烧产生CO2引起的地球变暖和能源短缺已经成为一个严重的全球性问题.利用太阳光和光催化材料将CO2还原为碳氢燃料,不仅可以减少空气中CO2浓度,降低温室效应的影响,还可以提供碳氢燃料,缓解能源短缺问题,因此日益受到各国科学家的高度关注.本文综述了光催化还原CO2为碳氢燃料的研究进展,介绍了光催化还原CO2的反应机理,并对现阶段报道的光催化还原CO2材料体系进行了整理和分类,包括TiO2光催化材料,ABO3型钙钛矿光催化材料,尖晶石型光催化材料,掺杂型光催化材料,复合光催化材料,V、W、Ge、Ga基光催化材料及石墨烯基光催化材料.评述了各种材料体系的特点及光催化性能的一些影响因素.最后对光催化还原CO2的研究前景进行了展望.     

MoS_3 loaded TiO_2 nanoplates for photocatalytic water and carbon dioxide reduction

Photocatalytic water splitting and carbon dioxide reduction provide us clean and sustainable energy resources. The carbon dioxide reduction is also the redemption of the greenhouse effect. MoS_3/TiO_2 photocatalysts based on TiO_2 nanoplates have been synthesized via a hydrothermal acidification route for water and carbon dioxide reduction reactions. This facile approach generates well dispersed Mo S3 with low crystallinity on the surface of TiO_2 nanoplates. The as-synthesized MoS_3/TiO_2 photocatalyst showed considerable activity for both water reduction and carbon dioxide reduction. The thermal treatment effects of TiO_2 , the loading percentage of MoS_3 and the crystalline phase of TiO_2 have been investigated towards the photocatalytic performance. TiO_2 nanoplate synthesized through hydrothermal reaction with the presence of HF acid is an ideal semiconductor material for the loading of MoS_3 for photocatalytic water and carbon dioxide reduction simultaneously in EDTA sacrificial solution.     

Photocatalytic reduction of CO<Subscript>2</Subscript> over TiO<Subscript>2</Subscript> based catalysts

At present, carbon dioxide is considered the largest contributor among greenhouse gases. This review covers the current state of problem of carbon dioxide emissions from industrial and combustion processes, the principle of photocatalysis, existing literature related to photocatalytic CO₂ reduction over TiO₂ based catalysts and the effects of important parameters on the process performance including light wavelength and intensity, type of reductant, metal-modified surface, temperature and pressure. Presented at the 34th International Conference of the Slovak Society of Chemical Engineering, Tatranské Matliare, 21–25 May 2007.     

水对甲醇在Rutile-TiO2(110)-(1 ×1)表面光催化解离的影响简

采用程序升温脱附方法研究了甲醇分子吸附在真空退火后的二氧化钛（110）表面的光催化过程,对比分析了单独吸附甲醇分子以及甲醇分子与水分子共吸附情况下的光催化解离过程. 结果表明,在二氧化钛（110）表面吸附的甲醇分子对共吸附水分子的光催化解离过程并没有直接的帮助作用. 共吸附状态下的水分子也同样没有影响到甲醇的光致解离过程,但是水分子的存在抑制了甲醇光解产物甲醛的光致脱附过程,同时促进了甲酸甲酯的形成.     

原位红外光谱法研究三氯乙烯在TiO2表面的光催化降解

通过原位红外光谱技术在线研究了三氯乙烯的直接光降解以及三氯乙烯在TiO2表面的气相光催化降解. 研究结果表明, UV/TiO2体系比UV体系具有更强的降解能力. 在三氯乙烯的光催化降解过程中, 发现有二氯乙酰氯、二氧化碳、一氧化碳、水、氯化氢和光气等中间产物生成. 根据反应结果, 分析了三氯乙烯在TiO2表面的气相光催化降解机理: 三氯乙烯在羟基自由基等作用下生成中间产物二氯乙酰氯, 二氯乙酰氯进一步发生自由基反应, 最终降解为二氧化碳、一氧化碳、水、氯化氢和光气.     

A Metal-Organic-Framework-Derived g-C3N4/α-Fe2O3 Hybrid for Enhanced Visible-Light-Driven Photocatalytic Hydrogen Evolution

As one of the most efficient systems for photocatalytic hydrogen evolution, the Z-Scheme system, consisting of different semiconductors with a reversible donor–acceptor pair, has attracted great attention. Considering the non-toxicity and low cost of photocatalysts, a series of g-C₃N₄/α-Fe₂O₃ hybrids were rationally constructed based on the Z-Scheme mechanism for the first time, using a metal-organic framework template approach that can fine tune the compositions and properties of the hybrids. An optimized hybrid, g-C₃N₄/α-Fe₂O₃-2, exhibited prominent photocatalytic water splitting performance with a visible light response. Under irradiation of visible light (λ>420 nm), the hybrid shows a high durability and superior hydrogen production rate of 2066.2 μmol g⁻¹ h⁻¹ from water splitting, which is approximately three times greater than that of bulk g-C₃N₄ because of the effective separation of photo-excited charge carriers by two narrow band gap semiconductors, tightly coupled with the Z-Scheme structural feature.     

Black Phosphorus-Based Semiconductor Heterojunctions for Photocatalytic Water Splitting

Solar-to-hydrogen (H₂) conversion has been regarded as a sustainable and renewable technique to address aggravated environmental pollution and global energy crisis. The most critical aspect in this technology is to develop highly efficient and stable photocatalysts, especially metal-free photocatalysts. Recently, black phosphorus (BP), as a rising star 2D nanomaterial, has captured enormous attention in photocatalytic water splitting owing to its widespread optical absorption, adjustable direct band gap, and superior carrier migration characteristics. However, the rapid charge recombination of pristine BP has seriously limited its practical application as photocatalyst. The construction of BP-based semiconductor heterojunctions has been proven to be an effective strategy for enhancing the separation of photogenerated carriers. This Minireview attempts to summarize the recent progress in BP-based semiconductor heterojunctions for photocatalytic water splitting, including type-I and type-II heterojunctions, Z-Scheme systems, and multicomponent heterojunctions. Finally, a brief summary and perspective on the challenges and future directions in this field are also provided.     

Modification strategies of TiO2 for potential applications in photocatalysis: a critical review

TiO₂ has received tremendous attention owing to its potential applications in the field of photocatalysis for solar fuel production and environmental remediation. This review mainly describes various modification strategies and potential applications of TiO₂ in efficient photocatalysis. In past few years, various strategies have been developed to improve the photocatalytic performance of TiO₂, including noble metal deposition, elemental doping, inorganic acids modification, heterojunctions with other semiconductors, dye sensitization and metal ion implantation. The enhanced photocatalytic activities of TiO₂-based material for CO₂ conversion, water splitting and pollutants degradation are highlighted in this review.