电纺法构筑高光催化活性的Z型TiO2/g-C3N4/RGO三元异质结

太阳能光催化技术广泛应用于处理环境污水中.Z型光催化剂体系具有较强的氧化还原能力,降低半导体的带隙,且使导带更负,价带更正,有效拓宽光生电子-空穴空间距离,抑制其复合,大大提高了光催化剂的催化性能,因此,构筑直接的Z型光催化体系已成为光催化领域的研究热点之一.TiO_2具有较好的光催化性能和良好的化学稳定性,但其禁带较宽,只能被太阳光中约占4%的紫外光激发,对太阳光中约占50%的可见光不响应,且光生电子-空穴易复合.g-C_3N_4是非金属光催化剂,具有较好的光催化活性,可见光吸收非常强,但比表面积较小,光生电子-空穴易复合.还原氧化石墨烯(RGO)具有大的比表面积和优异的传输载流子能力,可显著提高光催化剂的比表面积,同时降低电子空穴复合效率,从而在一定程度上改善光催化剂性能.大量研究证实, TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结的光催化性能明显优于单组份TiO_2, g-C_3N_4和二元TiO_2/g-C_3N_4光催化剂,但现有制备工艺复杂且耗时,因此,简易地构筑具有高光催化性能的Z型TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结仍具有挑战性.本文采用简易的直接电纺法构筑了高光催化活性的Z型TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结光催化剂,通过调节尿素的用量成功制备了一系列不同形貌的TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结.并采用X-射线衍射、红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外-可见漫反射吸收光谱、氮气吸附-脱附测试、光电化学测试和荧光光谱等技术对所制备样品的晶型、组成、形貌、光捕获能力、载流子分离能力、比表面积、光电流、阻抗、光降解性能以及羟基自由基的生成进行系统性测试.以罗丹明B为目标探针分子,考察了模拟太阳光下所制备的光催化剂的光催化活性,结果表明,尿素添加量为0.6g时,电纺构筑的TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结在60min具有99.1%的光催化降解效率,显著优于纯TiO_2, g-C_3N_4,二元TiO_2/g-C_3N_4以及制备的其它TiO_2/g-C_3N_4/RGO三元异质结光催化剂.基于光电化学测试、活性物种淬灭实验和荧光光谱分析测试羟基自由基等分析结果,提出了一个合理的Z型增强光催化活性机理.     

二氧化钛基Z型异质结光催化剂

二氧化钛(TiO_2)因廉价、无毒、化学性质稳定以及具有较强的光催化氧化还原能力,在光催化领域占据着重要的地位。然而,可见光利用率低以及光生电子-空穴对的快速复合是限制其应用的2个主要因素。二氧化钛基Z型异质结作为一种新型光催化剂,既改善了二氧化钛的2个缺陷,又表现出比TiO_2更强的氧化或还原能力。本文概括了TiO_2光催化剂、异质结光催化剂和TiO_2基Z型光催化剂的能带排列和电子传递原则,探讨了Z型异质结和type-Ⅱ异质结的异同点以及区分方法,并归纳总结了TiO_2基Z型异质结在光催化领域中的应用。     

石墨烯修饰三氧化钨/二氧化钛S型异质结增强的光催化产氢活性（英文）

太阳光驱动的光催化分解水产氢是利用太阳能解决当前能源危机和环境问题的理想策略.二氧化钛由于其稳定、环境友好和成本低等优点受到广泛研究,在光催化领域具有不可或缺的作用.然而,纯二氧化钛光催化剂具有光生电子-空穴复合率高、太阳能利用率低等缺点,使其在光催化产氢领域的应用受到限制.迄今为止,人们探索了多种改性策略来提高二氧化钛的光催化活性,如贵金属负载、金属或非金属元素掺杂、构建异质结等.通过复合两个具有合适能带排布的半导体来构建异质结可以大大提高光生载流子的分离,被认为是一种有效的解决方案.最近提出了一种新的S型异质结概念,以解释不同半导体异质界面载流子转移分离的问题.S型异质结是在传统Ⅱ型和Z型(液相Z型、全固态Z型、间接Z型、直接Z型)基础上提出的,但又扬长避短,优于传统Ⅱ型和Z型.通常,S型异质结是由功函数较小、费米能级较高的还原型半导体光催化剂和功函数较大、费米能级较低的氧化型半导体光催化剂构建而成.三氧化钨禁带宽度较小(2.4-2.8 eV),功函数较大,是典型的氧化型光催化剂,也是构建S型异质结的理想半导体光催化剂.根据S型电荷转移机制,三氧化钨/二氧化钛复合物在光辐照下,三氧化钨导带上相对无用的电子与二氧化钛价带上相对无用的空穴复合,二氧化钛导带上还原能力较强的电子和三氧化钨价带上氧化能力较强的空穴得以保留,从而在异质界面上实现了氧化还原能力较强的光生电子-空穴对的分离.同时,石墨烯作为一种蜂窝状碳原子二维材料,是理想的电子受体,在异质结光催化剂中能及时转移电子.而且,石墨烯具有较好的导热性和电子迁移率,光吸收强,比表面积大,可为光催化反应提供丰富的吸附和活性位点,已经被认为是一种重要催化剂载体和光电分解水产氢的有效共催化剂.本文采用简便的一步水热法制备石墨烯修饰的三氧化钨/二氧化钛S型异质结光催化剂.光催化产氢性能测试表明,三氧化钨/二氧化钛/石墨烯复合材料的光催化产氢速率显著提高(245.8μmol g^-1 h^-1),约为纯TiO2的3.5倍.高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱结果证明了TiO2和WO3纳米颗粒的紧密接触,并成功负载在还原氧化石墨烯(rGO)上.X射线光电子能谱中Ti 2p结合能的增加证实TiO2和WO3之间强的相互作用和S型异质结的形成.此外,复合材料中的rGO大大拓展了复合物的光吸收范围(紫外-可见漫反射光谱),增强了光热转换效应,而且rGO与TiO2之间形成肖特基结,促进了TiO2导带电子的转移和分离.总之,WO3和TiO2的S型异质结与TiO2和rGO之间的肖特基异质结的协同效应抑制了相对有用的电子和空穴的复合,有利于氧化还原能力较强的载流子的分离和进一步转移,加速了表面产氢动力学,于是增强了三元复合光催化剂的光催化产氢活性.     

纳米异质结光催化剂制氢研究进展（英文）

随着世界经济的迅猛发展,人们生活水平飞速提高的同时,能源短缺和环境污染成为当前人类可持续发展过程中的两大严峻问题.氢作为一种能源载体,能量密度高,可储可运,且燃烧后唯一产物是水,不污染环境,被认为是今后理想的无污染可再生替代能源.20世纪60年代末,日本学者Fujishima和Honda发现光照n-型半导体TiO_2电极可导致水分解,使人们认识到了利用半导体光催化分解水制氢可直接将太阳能转化为氢能的可行性,利用半导体光催化分解水制氢逐渐成为能源领域的研究热点之一.然而,单相光催化材料的光生电子和空穴复合仍然严重,光催化制氢效率低,无法满足实际生产需要;另外,单相光催化材料不能同时具备较窄的禁带、较负的导带和较正的价带.近年来,国内外学者在新型光催化材料的探索、合成和改性以及光催化理论等领域开展了大量研究工作.不断有不同种类的半导体材料被研究和发展为光催化分解水制氢催化材料.例如,具有可见光催化活性的阴、阳离子掺杂TiO_2,具有可见光下光解纯水能力的In_(0.9)Ni_(0.1)TaO_4,在256 nm紫外光辐照下量子效率达到56%的镧掺杂NaTaO_3,CdS以及(AgIn)_xZn_(2(1-x))S_2等.在现有的光催化材料中,单相光催化材料可以通过掺杂、形貌控制合成、晶面控制合成、染料敏化和表面修饰等提高其光催化活性.复合型光催化材料则能通过组合不同电子结构的半导体材料并调控其光生载流子迁移获得优异的光催化制氢性能,大幅拓展了光催化制氢材料的研究范围和提升了光催化制氢性能.构建异质结能够有效提高光生电子-空穴分离效率,促使更多的光生电子参与光催化制氢反应,提高其氧化还原能力,从而提高其光催化制氢效率.在I-型纳米异质结中,半导体A的价带高于半导体B,而导带则是前者高于后者,光照时,光生电子-空穴对的迁移速率是不同的,延长了光生电子的寿命,从而提高了材料的光催化活性.但是在I-型异质结中,电子和空穴都集中在B半导体上,这样光生电子-空穴对的复合几率仍然很高.II-型异质结中电子和空穴的富集处各不相同,因此使用范围也更广泛一些.光辐照激发时,光生电子从半导体B的导带迁移到半导体A的导带上,而空穴则从半导体A的价带向半导体B的价带上转移,从而形成了载流子的空间隔离,有效抑制其复合.但是,在这个类型的异质结中,光生电子转移到了相对位置较低的导带,而空穴则转移到相对位置较高的价带,这样就降低了光生电子的还原能力和空穴的氧化能力.pn型异质结中,在两种半导体相互接触时,由于电子-空穴对的扩散作用,两种半导体的能带发生漂移,其中p型上移,n型下移.而且在两种半导体异质结的界面处会产生空间电荷层,在这个电荷层的作用下,在异质结界面上形成内建电场.在合适波长的光源辐照的条件下,两种半导体同时被激发,光生电子在内建电场的作用下,从p型半导体快速迁移到n型半导体上,而n型半导体中留在价带上的空穴则快速迁移到p型半导体上,这样光生电子-空穴对就得到了有效的分离.在以Z型载流子迁移为主导的异质结构材料中摈弃了中间媒介,通过控制界面的载流子迁移使低能量的光生电子与空穴直接复合保留高能量的光生电子-空穴,从而提高了材料的光催化效率.本文介绍了纳米异质结光催化剂在设计合成方面的研究进展,总结了几种纳米异质结(I-型、II-型、pn-型及Z-型)的光催化原理及其在制取氢气方面的研究进展,并展望了研究发展方向.期望本文能够加深研究者对该领域的理解,为今后高效光催化材料的设计提供帮助和指导.     

基于Ag_3PO_4的全固态Z型光催化体系研究进展（英文）

随着现代工业的迅猛发展,人类面临的能源危机和环境污染问题日益严重.光催化剂技术有望利用太阳能同时解决这两大问题,其关键在于设计高效的光催化体系.传统光催化材料TiO_2具有价廉、活性高及稳定性好等优点,然而其带隙宽(E_g=3.2 e V),仅能利用占太阳光谱约4%的紫外光,从而限制其利用太阳能.可见光占太阳光谱的40%以上,因此开发可见光响应的光催化材料成为光催化领域研究焦点.2010年,叶金花课题组报道了Ag_3PO_4在可见光照射下可高效分解水产氧及降解水体中有机污染物,从而使其迅速成为研究热点.Ag_3PO_4是目前为止报道的光量子效率最高的可见光响应的催化材料,带隙能在2.3~2.5 e V范围内,其高效的光催化活性归结于其独特的电子结构利于光生电荷的分离及转移.然而,由于Ag_3PO_4本身易光蚀,稳定性差,必然限制其实际应用.近年来,为在进一步提升Ag_3PO_4活性的基础上增强稳定性,研究者通过多种方法对其进行修饰,包括贵金属沉积、碳材料修饰、负载及半导体异质复合等.相对于前面几种修饰方法,半导体复合相对高效且成本低.半导体复合主要构成Ⅱ型异质结构和Z型光催化体系.Ⅱ型异质结构由于内建电场的存在可以促进光生电荷的定向转移,从而提高光生电荷的分离效率,进而提高光催化活性.然而,这种电荷的定向迁移会降低光生电荷的氧化还原能力.模拟绿色植物的光合作用过程,一种全固态Z型光催化体系应运而生,其是将两种导带和价带位置匹配的可见光驱动的催化剂分别作为光催化系统Ⅰ(PS Ⅰ)和光催化系统Ⅱ(PS Ⅱ),同时选用导电性能优良的材料(Ag,Au和RGO等)作为电子介体.可见光照条件下,PS Ⅰ和PS Ⅱ均被激发产生电子和空穴,PS Ⅱ导带上的电子通过电子介质与PS Ⅰ价带空穴复合,一方面抑制了PS Ⅰ和PS Ⅱ本身电子和空穴的复合,另一方面保留了PS Ⅰ导带电子的强还原性和PS Ⅱ价带空穴的强氧化性.另外,PS Ⅰ和PS Ⅱ紧密结合形成具有准连续能级的固-固接触界面,PS Ⅱ导带上的电子直接与PS Ⅰ价带空穴复合,形成无电子介体的直接Z型光催化体系.Ag_3PO_4价带顶相对靠下,氧化能力强,往往作为PS Ⅱ组分,其与导带顶相对靠上的催化剂(PS Ⅰ)构成Z型体系,这样Ag_3PO_4导带电子可与PS Ⅰ的价带空穴复合,减弱电子对Ag_3PO_4本身的还原,提高其稳定性;另一方面,Ag_3PO_4价带空穴可参与氧化反应.基于Ag_3PO_4的Z型体系主要以Ag作为电子介体,归因于在制备及光催化过程中原位产生的少量Ag可直接作为电子介体.此外,还原氧化石墨烯(RGO)也可作为电子介体,并且其存在可进一步提高Ag_3PO_4的稳定性.需要指出的是,基于Ag的等离子体共振效应,Ag_3PO_4基等离子体Z型光催化体系也受到关注.目前,Z型光催化体系处在发展阶段,必然存在一些问题,比如,Ⅱ型异质光催化体系与直接Z型光催化体系如何区分,有待进一步研究.另外,报道的基于Ag_3PO_4的Z型体系主要用来光催化降解水体中的有机污染物,催化剂的回收再利用受到限制,今后可开发磁性Ag_3PO_4基Z型体系,解决回收再利用的问题;另外,通过能带调控,可将基于Ag_3PO_4的Z型体系多用于光催化产氢、还原CO_2及处理有害气体.     

纳米异质结光催化剂制氢研究进展

随着世界经济的迅猛发展,人们生活水平飞速提高的同时,能源短缺和环境污染成为当前人类可持续发展过程中的两大严峻问题.氢作为一种能源载体,能量密度高,可储可运,且燃烧后唯一产物是水,不污染环境,被认为是今后理想的无污染可再生替代能源.20世纪60年代末,日本学者Fujishima和Honda发现光照n-型半导体TiO2电极可导致水分解,使人们认识到了利用半导体光催化分解水制氢可直接将太阳能转化为氢能的可行性,利用半导体光催化分解水制氢逐渐成为能源领域的研究热点之一.然而,单相光催化材料的光生电子和空穴复合仍然严重,光催化制氢效率低,无法满足实际生产需要;另外,单相光催化材料不能同时具备较窄的禁带、较负的导带和较正的价带.近年来,国内外学者在新型光催化材料的探索、合成和改性以及光催化理论等领域开展了大量研究工作.不断有不同种类的半导体材料被研究和发展为光催化分解水制氢催化材料.例如,具有可见光催化活性的阴、阳离子掺杂TiO2,具有可见光下光解纯水能力的In0.9Ni0.1TaO4,在256 nm紫外光辐照下量子效率达到56%的镧掺杂NaTaO3,CdS以及(AgIn)xZn2(1-x)S2等.在现有的光催化材料中,单相光催化材料可以通过掺杂、形貌控制合成、晶面控制合成、染料敏化和表面修饰等提高其光催化活性.复合型光催化材料则能通过组合不同电子结构的半导体材料并调控其光生载流子迁移获得优异的光催化制氢性能,大幅拓展了光催化制氢材料的研究范围和提升了光催化制氢性能.构建异质结能够有效提高光生电子-空穴分离效率,促使更多的光生电子参与光催化制氢反应,提高其氧化还原能力,从而提高其光催化制氢效率.在I-型纳米异质结中,半导体A的价带高于半导体B,而导带则是前者高于后者,光照时,光生电子-空穴对的迁移速率是不同的,延长了光生电子的寿命,从而提高了材料的光催化活性.但是在I-型异质结中,电子和空穴都集中在B半导体上,这样光生电子-空穴对的复合几率仍然很高.II-型异质结中电子和空穴的富集处各不相同,因此使用范围也更广泛一些.光辐照激发时,光生电子从半导体B的导带迁移到半导体A的导带上,而空穴则从半导体A的价带向半导体B的价带上转移,从而形成了载流子的空间隔离,有效抑制其复合.但是,在这个类型的异质结中,光生电子转移到了相对位置较低的导带,而空穴则转移到相对位置较高的价带,这样就降低了光生电子的还原能力和空穴的氧化能力.pn型异质结中,在两种半导体相互接触时,由于电子-空穴对的扩散作用,两种半导体的能带发生漂移,其中p型上移,n型下移.而且在两种半导体异质结的界面处会产生空间电荷层,在这个电荷层的作用下,在异质结界面上形成内建电场.在合适波长的光源辐照的条件下,两种半导体同时被激发,光生电子在内建电场的作用下,从p型半导体快速迁移到n型半导体上,而n型半导体中留在价带上的空穴则快速迁移到p型半导体上,这样光生电子-空穴对就得到了有效的分离.在以Z型载流子迁移为主导的异质结构材料中摈弃了中间媒介,通过控制界面的载流子迁移使低能量的光生电子与空穴直接复合保留高能量的光生电子-空穴,从而提高了材料的光催化效率.本文介绍了纳米异质结光催化剂在设计合成方面的研究进展,总结了几种纳米异质结(I-型、II-型、pn-型及Z-型)的光催化原理及其在制取氢气方面的研究进展,并展望了研究发展方向.期望本文能够加深研究者对该领域的理解,为今后高效光催化材料的设计提供帮助和指导.     

基于Ag3PO4的全固态Z型光催化体系研究进展

随着现代工业的迅猛发展,人类面临的能源危机和环境污染问题日益严重.光催化剂技术有望利用太阳能同时解决这两大问题,其关键在于设计高效的光催化体系.传统光催化材料TiO2具有价廉、活性高及稳定性好等优点,然而其带隙宽(Eg=3.2 eV),仅能利用占太阳光谱约4%的紫外光,从而限制其利用太阳能.可见光占太阳光谱的40%以上,因此开发可见光响应的光催化材料成为光催化领域研究焦点.2010年,叶金花课题组报道了Ag3PO4在可见光照射下可高效分解水产氧及降解水体中有机污染物,从而使其迅速成为研究热点.Ag3PO4是目前为止报道的光量子效率最高的可见光响应的催化材料,带隙能在2.3~2.5 eV范围内,其高效的光催化活性归结于其独特的电子结构利于光生电荷的分离及转移.然而,由于Ag3PO4本身易光蚀,稳定性差,必然限制其实际应用.近年来,为在进一步提升Ag3PO4活性的基础上增强稳定性,研究者通过多种方法对其进行修饰,包括贵金属沉积、碳材料修饰、负载及半导体异质复合等.相对于前面几种修饰方法,半导体复合相对高效且成本低.半导体复合主要构成II型异质结构和Z型光催化体系.II型异质结构由于内建电场的存在可以促进光生电荷的定向转移,从而提高光生电荷的分离效率,进而提高光催化活性.然而,这种电荷的定向迁移会降低光生电荷的氧化还原能力.模拟绿色植物的光合作用过程,一种全固态Z型光催化体系应运而生,其是将两种导带和价带位置匹配的可见光驱动的催化剂分别作为光催化系统I(PS I)和光催化系统II(PS II),同时选用导电性能优良的材料(Ag,Au和RGO等)作为电子介体.可见光照条件下,PS I和PS II均被激发产生电子和空穴,PS II导带上的电子通过电子介质与PS I价带空穴复合,一方面抑制了PS I和PS II本身电子和空穴的复合,另一方面保留了PS I导带电子的强还原性和PS II价带空穴的强氧化性.另外,PS I和PS II紧密结合形成具有准连续能级的固-固接触界面,PS II导带上的电子直接与PS I价带空穴复合,形成无电子介体的直接Z型光催化体系.Ag3PO4价带顶相对靠下,氧化能力强,往往作为PS II组分,其与导带顶相对靠上的催化剂(PS I)构成Z型体系,这样Ag3PO4导带电子可与PS I的价带空穴复合,减弱电子对Ag3PO4本身的还原,提高其稳定性;另一方面,Ag3PO4价带空穴可参与氧化反应.基于Ag3PO4的Z型体系主要以Ag作为电子介体,归因于在制备及光催化过程中原位产生的少量Ag可直接作为电子介体.此外,还原氧化石墨烯(RGO)也可作为电子介体,并且其存在可进一步提高Ag3PO4的稳定性.需要指出的是,基于Ag的等离子体共振效应,Ag3PO4基等离子体Z型光催化体系也受到关注.目前,Z型光催化体系处在发展阶段,必然存在一些问题,比如,II型异质光催化体系与直接Z型光催化体系如何区分,有待进一步研究.另外,报道的基于Ag3PO4的Z型体系主要用来光催化降解水体中的有机污染物,催化剂的回收再利用受到限制,今后可开发磁性Ag3PO4基Z型体系,解决回收再利用的问题;另外,通过能带调控,可将基于Ag3PO4的Z型体系多用于光催化产氢、还原CO2及处理有害气体.     

新型光催化异质结:S型异质结

太阳能是最丰富的清洁和可再生能源,光催化技术在太阳能利用中具有很大潜力,这有赖于高效半导体光催化剂的设计制备.然而,单一光催化剂效率很低,主要是光生电子和空穴的强库伦吸引力导致它们快速复合.此外,单一光催化剂也很难同时具有宽光谱吸收和足够的氧化还原能力.为了解决这一问题,构建异质结光催化剂成为一种有效途径,因为它可以实现光生电子和空穴在空间上的有效分离.针对传统的Ⅱ型和Z型异质结在动力学和热力学方面的缺陷,2019年由武汉理工大学余家国教授团队提出梯形异质这一新型异质结概念.对于Ⅱ型异质结,热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.而Z型异质结系统主要包括传统、全固态和直接Z型异质结三种类型.对于前两种异质结,它们的界面电子转移存在理论问题.传统Z型异质结利用氧化还原电对,而电子受体和给体更容易从与其具有较大的电势差的半导体接受或给予电子.全固态Z型异质结利用导体,比如导电金属或碳材料,取代氧化还原电对,从而使其应用范围由液态扩展到固态.然而通过进一步分析,它的电荷传输也有漏洞.首先,界面的肖特基势垒抑制电荷持续传输,此外,全固态Z型异质结中的导体与传统Z型中氧化还原电对的作用如出一辙.因此,传统Z型的问题在这里也依旧存在.总的来说,Ⅱ型、传统和全固态Z型都面临相同的问题,就是光生电子和空穴拥有较弱的还原和氧化能力,而S型异质结则与它们截然不同.该异质结由氧化型和还原型光催化剂组成,内建电场、能带弯曲和库仑力三大作用促使氧化型的光生电子与还原型的光生空穴复合,同时阻止氧化型的光生空穴与还原型的光生电子转移.最终,电子和空穴分别具有高的还原和氧化能力.由于其优越性,S型异质结在各种光催化应用中引起了广泛的兴趣,包括产氢、二氧化碳还原、污染物降解和灭菌等领域.而S型异质结机理可以用X射线光电子能谱、电子顺磁共振和原子力显微镜进行表征.S型异质结崭露头角,未来发展可期.     

新型光催化异质结:S型异质结

太阳能是最丰富的清洁和可再生能源,光催化技术在太阳能利用中具有很大潜力,这有赖于高效半导体光催化剂的设计制备.然而,单一光催化剂效率很低,主要是光生电子和空穴的强库伦吸引力导致它们快速复合.此外,单一光催化剂也很难同时具有宽光谱吸收和足够的氧化还原能力.为了解决这一问题,构建异质结光催化剂成为一种有效途径,因为它可以实现光生电子和空穴在空间上的有效分离.针对传统的Ⅱ型和Z型异质结在动力学和热力学方面的缺陷,2019年由武汉理工大学余家国教授团队提出梯形异质这一新型异质结概念.对于Ⅱ型异质结,热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.而Z型异质结系统主要包括传统、全固态和直接Z型异质结三种类型.对于前两种异质结,它们的界面电子转移存在理论问题.传统Z型异质结利用氧化还原电对,而电子受体和给体更容易从与其具有较大的电势差的半导体接受或给予电子.全固态Z型异质结利用导体,比如导电金属或碳材料,取代氧化还原电对,从而使其应用范围由液态扩展到固态.然而通过进一步分析,它的电荷传输也有漏洞.首先,界面的肖特基势垒抑制电荷持续传输,此外,全固态Z型异质结中的导体与传统Z型中氧化还原电对的作用如出一辙.因此,传统Z型的问题在这里也依旧存在.总的来说,Ⅱ型、传统和全固态Z型都面临相同的问题,就是光生电子和空穴拥有较弱的还原和氧化能力,而S型异质结则与它们截然不同.该异质结由氧化型和还原型光催化剂组成,内建电场、能带弯曲和库仑力三大作用促使氧化型的光生电子与还原型的光生空穴复合,同时阻止氧化型的光生空穴与还原型的光生电子转移.最终,电子和空穴分别具有高的还原和氧化能力.由于其优越性,S型异质结在各种光催化应用中引起了广泛的兴趣,包括产氢、二氧化碳还原、污染物降解和灭菌等领域.而S型异质结机理可以用X射线光电子能谱、电子顺磁共振和原子力显微镜进行表征.S型异质结崭露头角,未来发展可期.     

S. Wageh a,*, Ahmed A. Al‐Ghamdi a,Rashida Jafer a,Xin Li b,#, Peng Zhang c

太阳能是最丰富的清洁和可再生能源,光催化技术在太阳能利用中具有很大潜力,这有赖于高效半导体光催化剂的设计制备.然而,单一光催化剂效率很低,主要是光生电子和空穴的强库伦吸引力导致它们快速复合.此外,单一光催化剂也很难同时具有宽光谱吸收和足够的氧化还原能力.为了解决这一问题,构建异质结光催化剂成为一种有效途径,因为它可以实现光生电子和空穴在空间上的有效分离.针对传统的II型和Z型异质结在动力学和热力学方面的缺陷, 2019年由武汉理工大学余家国教授团队提出梯形异质这一新型异质结概念.对于II型异质结,热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.热力学和动力学分析表明光生载流子的转移机理不正确.而Z型异质结系统主要包括传统、全固态和直接Z型异质结三种类型.对于前两种异质结,它们的界面电子转移存在理论问题.传统Z型异质结利用氧化还原电对,而电子受体和给体更容易从与其具有较大的电势差的半导体接受或给予电子.全固态Z型异质结利用导体,比如导电金属或碳材料,取代氧化还原电对,从而使其应用范围由液态扩展到固态.然而通过进一步分析,它的电荷传输也有漏洞.首先,界面的肖特基势垒抑制电荷持续传输,此外,全固态Z型异质结中的导体与传统Z型中氧化还原电对的作用如出一辙.因此,传统Z型的问题在这里也依旧存在.总的来说, II型、传统和全固态Z型都面临相同的问题,就是光生电子和空穴拥有较弱的还原和氧化能力,而S型异质结则与它们截然不同.该异质结由氧化型和还原型光催化剂组成,内建电场、能带弯曲和库仑力三大作用促使氧化型的光生电子与还原型的光生空穴复合,同时阻止氧化型的光生空穴与还原型的光生电子转移.最终,电子和空穴分别具有高的还原和氧化能力.由于其优越性, S型异质结在各种光催化应用中引起了广泛的兴趣,包括产氢、二氧化碳还原、污染物降解和灭菌等领域.而S型异质结机理可以用X射线光电子能谱、电子顺磁共振和原子力显微镜进行表征.S型异质结崭露头角,未来发展可期.     

增强可见光催化活性的Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂的制备（英文）

全球工业化进程的加快使人们饱受环境污染问题的困扰.半导体光催化技术作为一种高效、绿色、有潜力的新技术,在环境净化方面有着广阔的应用前景.Bi2O4是近年来新开发出的一种铋基光催化剂,在环境净化方面已有一些研究.但是,单体光催化剂通常存在光响应范围窄、光生载流子复合率高等问题,这些不足限制了Bi2O4的进一步应用.因此,需要通过适当的改性来拓宽其光响应范围和提高其载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.构建Z型异质结被认为是提高光催化剂光生载流子分离效率并进一步提高光催化活性的有效方法.MoO3是一种宽禁带的n型半导体,具有独特的能带结构、光学特性和表面效应,是一种非常有前景的半导体光催化剂.虽然MoO3材料的光生载流子复合率高,带隙(2.7-3.2 eV)大,不利于其参与光催化反应,但MoO3与其他合适的半导体配位形成复合材料后能够有效提高其光生载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.本研究采用简单的水热法制备了一种新型Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂,SEM和TEM分析结果表明,MoO3和Bi2O4紧密结合在一起.X射线光电子能谱分析表明,MoO3和Bi2O4之间存在很强的界面相互作用,这有助于电荷转移和光生载流子的分离.光致发光光谱、电阻抗和光电流测试也证明了MoO3/Bi2O4复合光催化剂的光生载流子分离效率更高,形成了更强的光电流.通过在可见光下降解RhB溶液评价了所合成光催化剂的光催化性能.15%MoO3/Bi2O4(15-MB)复合光催化剂表现出了最佳的可见光催化活性,在40 min内对10 mg/L RhB溶液的降解率达到了99.6%,其降解速率是Bi2O4的2倍.此外,15-MB复合光催化剂在经过五次循环降解RhB溶液后仍保持良好的光催化活性和稳定性,表明MoO3/Bi2O4复合光催化剂具有较强的应用潜力.通过自由基捕获实验确定了光催化反应中主要的活性自由基为 O2-和h+.通过莫特-肖特基测试和带隙计算得到MoO3和Bi2O4的价带和导带位置.最后,根据实验和分析结果提出了Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂在可见光下降解RhB溶液的机理.本研究为设计铋基Z型异质结光催化剂用于高效去除环境污染物提供了一种有前景的策略.     

活性碳载体对TiO2光催化降解Cl2CHCOOH性能的影响

研究了活性碳(AC)载体对TiO₂光催化降解Cl₂CHCOOH性能的影响.结果表明,加入AC载体能提高TiO₂的光催化反应速度,而且AC加入方法及含量有明显影响.本文探讨了TiO₂光催化性能提高的原因.     

宽带隙p区金属氧化物/氢氧化物对苯的光催化降解(英文)

苯具有高毒性和致病性,是空气中常见的一种挥发性有机污染物,对健康和环境危害大.以TiO2为代表的半导体光催化氧化技术是一种理想的环境治理技术,已广泛应用于一般室内挥发性有机物(VOCs)的去除.然而在处理苯等难降解有机污染物时,由于在催化剂表面生成难被降解的聚合物中间产物,往往导致TiO2光催化剂的失活.开发可在常温下使用的降解苯系污染物的高效光催化剂对于推广光催化技术在苯污染治理中的应用具有重大的意义.最近我们研究所开发出一系列宽带隙p区金属氧化物/氢氧化物光催化剂,它们对苯系污染物的光催化降解显示出很好的活性和稳定性,是一类极具应用前景的降解苯系污染物的新型光催化剂.在这篇文章中,我们总结这类宽带隙p区金属氧化物/氢氧化物光催化剂的制备及其光催化降解苯的活性,对其不同于TiO2的光催化机理,及其结构和光催化性能之间的关系进行初步的探讨.     

Carbonated ferric green rust as a new material for efficient phosphate removal

Novel TiO(2)/carbon nanocomposites were prepared through the pyrolysis of TiO(2)/poly(furfuryl alcohol) hybrid materials, which were obtained by the sol-gel method, starting from titanium tetraisopropoxide (TTIP) and furfuryl alcohol (FA) precursors. Six different TiO(2)/C samples were prepared based on different TiO(2) nanoparticle sizes and TiO(2)/FA ratios. All of the samples were characterized using X-ray diffraction, infrared, and Raman spectroscopy. The results indicated effective FA polymerization onto the TiO(2) (anatase) nanoparticles, polymer conversion to disordered carbon following the pyrolysis, and a simultaneous TiO(2) anatase-rutile phase transition. The resulting TiO(2)/carbon composites were used as photocatalysts in the advanced oxidative process (AOP) for the degradation of reactive organic dyes in aqueous solution. The results indicate excellent photocatalytic performance (degradation of 99% of the dye after 60 min) with several advantages over traditional TiO(2)-based photocatalysts.     

用于光催化能量转换的Z-型异质结的研究进展

Inspired by the photosynthesis of green plants, various artificial photosynthetic systems have been proposed to solve the energy shortage and environmental problems. Water photosplitting, carbon dioxide photoreduction, and nitrogen photofixation are the main systems that are used to produce solar fuels such as hydrogen, methane, or ammonia. Although conducting artificial photosynthesis using man-made semiconducting materials is an ideal and potential approach to obtain solar energy, constructing an efficient photosynthetic system capable of producing solar fuels at a scale and cost that can compete with fossil fuels remains challenging. Therefore, exploiting the efficient and low-cost photocatalysts is crucial for boosting the three main photocatalytic processes (light-harvesting, surface/interface catalytic reactions, and charge generation and separation) of artificial photosynthetic systems. Among the various photocatalysts developed, the Z-scheme heterojunction composite system can increase the light-harvesting ability and remarkably suppress charge carrier recombination; it can also promote surface/interface catalytic reactions by preserving the strong reductive/oxidative capacity of the photoexcited electrons/holes, and therefore, it has attracted considerable attention. The continuing progress of Z-scheme nanostructured heterojunctions, which convert solar energy into chemical energy through photocatalytic processes, has witnessed the importance of these heterojunctions in further improving the overall efficiency of photocatalytic reaction systems for producing solar fuels. This review summarizes the progress of Z-scheme heterojunctions as photocatalysts and the advantages of using the direct Z-scheme heterojunctions over the traditional type Ⅱ, all-solid-state Z-schemel, and liquid-phase Z-scheme ones. The basic principle and corresponding mechanism of the two-step excitation are illustrated. In particular, applications of various types of Z-scheme nanostructured materials (inorganic, organic, and inorganic-organic hybrid materials) in photocatalytic energy conversion and different controlling/engineering strategies (such as extending the spectral absorption region, promoting charge transfer/separation and surface chemical modification) for enhancing the photocatalytic efficiency in the last five years are highlighted. Additionally, characterization methods (such as sacrificial reagent experiment, metal loading, radical trapping testing, in situ X-ray photoelectron spectroscopy, photocatalytic reduction experiments, Kelvin probe force microscopy, surface photovoltage spectroscopy, transient absorption spectroscopy, and theoretical calculation) of the Z-scheme photocatalytic mechanism, and the assessment criteria and methods of the photocatalytic performance are discussed. Finally, the challenges associated with Z-scheme heterojunctions and the possible growing trend are presented. We believe that this review will provide a new understanding of the breakthrough direction of photocatalytic performance and provide guidance for designing and constructing novel Z-scheme photocatalysts.      

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.     

可见光响应光解水制氢的半导体光催化剂

研究开发可见光响应的光催化剂一直是光解水制氢的首要目标，近年来通过能带调控等手段实现光催化剂的可见光化被广泛研究，并取得了令人注目的进展。本文综述了通过能带调变实现可见光化的各种手段，包括TiO₂掺杂特别是阴离子掺杂、能响应可见光的新型固溶体和单相光催化材料的开发以及Z-形反应系统的构筑，并且通过电子结构的分析阐述其可见光化的机理。     

基于WO3?x量子点和TiO2构建高效Z型光催化产氢催化剂

TiO2具有高效、廉价、无毒及光化学稳定性好等优点,因而被广泛应用于光能转化和利用领域,如太阳能电池、光催化分解水制氢和环境污染物降解等.但是,TiO2仍然存在一些缺陷制约了其应用,其中,最关键的问题是光生电荷分离效率低.因此,人们对其进行了掺杂、异质结构建和Z型结构建等来解决这一问题,其中Z型结近年来备受关注.全固体Z型结的构建目前主要有两种方式:PSI-C-PSII和PSI-PSII.前者PSI与PSII间要插入中间导电层(如Au、rGO等)来实现界面欧姆接触;后者则无中间层,而是基于界面设计来实现欧姆接触.本文以构建PSI-PSII Z型结为目标,以TiO2和WO3为基础半导体材料,采用原位溶剂热生长的方法构建WO3量子点/TiO2结构,借助氢气还原反应在界面处引入氧缺陷.采用透射电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱研究了复合晶体结构,采用X射线光电子能谱、紫外可见光谱和荧光光谱等手段研究了Z型结的界面结构和能带结构.结合光催化分解水产氢活性来建立Z型结结构与光催化性能的关联关系.表征结果表明,在TiO2上进行原位溶剂热成核反应可点缀WO3量子点,并且量子点粒径随W前驱体用量的增加而变大.两种半导体材料为TiO2锐钛矿和WO3晶体结构,且WO3的XRD特征峰和Raman特征吸收峰会随W前驱体用量增加而变大.通过对WO3/TiO2进行氢气还原处理,使其表面形成大量W5+和氧缺陷,一方面提高了催化剂对可见光的吸收,另一方面在界面形成欧姆接触,实现了Z型结构的构建.Z型结构实现了光催化分解水产氢反应,其中WTH10光催化活性最好.本文为新型Z型光催化剂的设计和构建提供了新思路和策略.     

Direct electrospinning method for the construction of Z-scheme TiO2/g-C3N4/RGO ternary heterojunction photocatalysts with remarkably ameliorated photocatalytic performance

A series of Z-scheme TiO₂/g-C₃N₄/RGO ternary heterojunction photocatalysts are successfully constructed via a direct electrospinning technique coupled with an annealing process for the first time. They are investigated comprehensively in terms of crystal structure, morphology, composition, specific surface area, photoelectrochemical properties, photodegradation performance, etc. Compared with binary TiO₂/g-C₃N₄ and single-component photocatalysts, ternary heterojunction photocatalysts show the best photodegradation performance for RhB under stimulated sunlight. This can be attributed to the enlarged specific surface area (111.41 m²/g), the formation of Z-scheme heterojunction, and the high separation migration efficiency of photoexcited charge carriers. A potential Z-scheme mechanism for ternary heterojunction photocatalysts is proposed to elucidate the remarkably ameliorated photocatalytic performance based on active species trapping experiments, PL detection test of hydroxyl radicals, and photoelectrochemical properties.