光催化制氢中助催化剂表面氢氧复合反应的抑制

在光催化分解水产氢的过程中,Pt等助催化剂在催化产生氢的同时也会诱导催化氢气和氧气重新复合为水的逆反应,严重降低了悬浮体系光催化全分解水产氢的效率。本文综述了近年来在逆反应抑制方面的研究进展,总结和对比分析了各种抑制逆反应策略的特点,并对这些方法的应用于悬浮体系光催化全分解水制氢的前景进行了展望。     

光系统II杂化Z型水分解体系中产氢助催化剂上逆反应的抑制

光催化Z型水分解反应有望发展成为一种生产太阳氢能的有效方法.将具有优异水氧化性能的自然光系统Ⅱ与人工半导体产氢材料进行耦合,以构建生物-人工杂化光催化Z型水分解反应体系,对于深入理解自然光合作用原理和促进人工太阳能转化具有重要意义.由于Fe(CN)_6~(3-)可从光系统Ⅱ接受电子,因此氧化还原电对Fe(CN)_6~(3-/4-)成为研究光系统Ⅱ基杂化Z型水分解体系时常用的电子体递.然而,在该Z型水分解反应中,正向的产氢反应经常受到由Fe(CN)_6~(3-)引起的逆反应的阻碍,致使水分解过程中产氢产氧失衡,不能实现有效的全分解水反应.本文通过在光系统Ⅱ杂化Z型水分解体系中的人工光催化剂ZrO_2/TaON上沉积产氢助催化剂PtCrOx,有效抑制了逆反应的发生,从而使体系实现了全分解水反应.实验发现,在光催化剂ZrO_2/TaON上沉积金属Pt作为产氢助催化剂时,以Fe(CN)_6~(4-)为电子供体的光催化产氢半反应基本没有产氢活性,而当沉积氧化物PtCrO_x作为产氢助催化剂时,产氢半反应活性可提高至～35μmolh–1.进一步研究发现,这种产氢活性的差异主要是由于两种不同助催化剂对于Fe(CN)_6~(3-)引起的氢气氧化逆反应的催化行为不同.金属Pt表面对于氢气具有吸附和活化作用,光催化反应中产生的氢气和Fe(CN)_6~(3-)在Pt-ZrO_2/TaON催化作用下发生快速的氧化还原逆反应;而由于PtCrO_x表面对氢气的吸附和活化作用较弱,上述氢气氧化的逆反应在PtCrO_x-ZrO_2/TaON存在时不发生.此外,在产氢过程中,光生电子虽然迁移到助催化剂PtCrO_x上,但PtCrO_x中高氧化态的Pt~Ⅱ和Pt~Ⅳ并未被还原,因此使PtCrO_x-ZrO_2/TaON具有稳定的光催化产氢反应活性.基于PtCrO_x-ZrO_2/TaON在Fe(CN)_6~(4-)作为电子供体时有效的产氢半反应,我们以Fe(CN)_6~(3-/4–)作为电子递体,将光系统Ⅱ与PtCrOx-ZrO_2/TaON耦合构建了生物-人工杂化Z型全分解水体系,通过调节Fe(CN)_6~(3-)/4–的初始浓度,最终实现了杂化体系的全分解水反应,产氢和产氧活性分别为～20μmol H_2 h~(–1)和～10μmol O_2 h~(–1).这为理解和抑制以Fe(CN)_6~(3-)/4–作为电子递体的光系统Ⅱ-人工杂化Z型水分解体系中的逆反应提供了新的思路.     

面式、经式异构体的钴-氨基硫脲配合物作为催化剂应用于可见光催化分解水产氢（英文）

近年来,作为替代贵金属铂催化剂的铁、钴和镍等非贵金属配合物分子催化剂,由于合成容易、结构调控方便以及具有良好的催化活性等特点,成为均相光催化分解水产氢领域的研究热点.其中,钴配合物具有结构简单、成本低廉、容易合成以及具有理想的氧化还原电位等优势,更是光催化分解水产氢领域的优先研究对象.由于稳定性及溶解度的问题,在已报道的研究工作中,大部分钴配合物测试环境均在有机溶剂或有机溶剂/水混合溶剂中.因此,寻找水溶性良好的钴配合物催化剂成为了目前的均相光催化分解水产氢领域的研究焦点之一.在此之前,氨基硫脲配合物已经广泛用于生物和制药等研究,例如:抗氧化、抗菌以及抗病毒等领域.而在人工光合产氢领域采用氨基硫脲配合物作为催化剂的例子则比较罕见.在该项研究中,我们报道了一对水溶性较好(40 mg mL~(–1),20°C)且具有几何异构特征的八面体钴-氨基硫脲配合物作为光、电催化质子还原产氢的分子催化剂.这对几何异构体分别为:面式异构体[Co(Htsc)_3]Cl_3·3H_2O(C1,Htsc=氨基硫脲配体)和经式异构体[Co(Htsc)_3]Cl_3·4H_2O(C2).我们将几何异构体C1和C2作为水还原分子催化剂,与有机光敏剂荧光素一起构筑了不含贵金属成分的光催化分解水产氢体系.在三乙胺作为牺牲剂及纯水环境中,体系展现出了良好的光催化制氢性能.可见光照15 h后,体系产氢相对于催化剂的TON接近900.对比实验结果表明,具有这对几何异构的C1和C2具有相似的光催化产氢性能,暗示其催化机理的相似性.汞中毒实验结果表明,光催化分解水产氢过程中并没有钴纳米胶体形成,可以确定这是一个均相光催化分解水产氢体系.在纯水环境下,我们将C1和C2与传统的钴配合物(钴肟配合物:[Co(dmgH)_2pyCl](dmg H=丁二酮肟,py=吡啶);联吡啶钴配合物:[Co(bpy)_3Cl_2](bpy=2,2'-联吡啶))的催化活性进行对比.结果表明,催化剂C1和C2展现出了较强的光催化产氢活性.此外,电催化实验表明,在乙腈中且乙酸作为质子源的条件下,C1和C2具有相同的电催化活性,过电位接近640毫伏,催化转化频率(TOF)为每秒210.同时,在pH=7的磷酸盐缓冲溶液中,C1和C2也同样表现出对水分子的电催化产氢性能,过电势为560毫伏.这是当前第一例具有几何异构体的分子催化剂对光、电催化产氢体系影响的工作.     

CO存在下Pt/TiO2催化剂光解水的性能

水的光催化分解在悬浮于水溶液里的各种Pt/TiO_2光催化剂上进行。当体系引入CO时,氢的产量大大提高,并得到了符合化学计量的氢和CO_2。实验证明氢和氧确实来源于水的光分解。TiO_2的预处理条件对于Pt/TiO_2的光催化活性影响很大,经过700℃氢气还原的TiO_2(锐钛矿)制成的催化剂性能较好。     

光催化完全分解水制氢研究进展

由完全分解水的特殊性出发,从材料的结构和能带设计以及材料的表面修饰等方面对完全分解水光催化剂的研制及其分解水产氢产氧性能进行了评述.介绍了Z型体系在完全分解水制氢方面的原理,以及目前已经开发出来的几个Z型体系.对光催化完全分解水研究中存在的问题进行了简单分析.     

光催化降解污染物制氢反应与原位红外表征

研究了在Pt/TiO2悬浮体系中单组分和双组分污染物为电子给体光催化分解水制氢反应. 比较了污染物甲醛、甲酸和草酸为电子给体光催化放氢反应效率，发现其活性为：草酸 >甲酸 >甲醛.原位ATR（衰减全反射）红外研究结果表明，光催化放氢活性与污染物吸附特性有关.还研究了草酸与甲酸双组分污染物体系的光解水放氢和污染物降解动力学，发现总的放氢和污染物降解速率与污染物组分在TiO2表面的吸附强度和溶液浓度有关.污染物在TiO2表面的竞争吸附决定了反应动力学.原位ATR-IR方法研究双组分混合物体系的吸附，直观地证实了上述结果.     

可见光还原制备Fe/g-C3N4复合催化剂的产氢研究

利用荧光素作为光敏剂,三乙醇胺(TEOA)作为牺牲剂,在大于420 nm的LED灯照射下,3价铁离子光催化还原生成零价铁纳米粒子分散在二维g-C3N4片上,并伴随着光催化分解水产氢,催化产氢效率达到5.97 μmol·h-1.光催化反应48 h后,催化活性没有明显降低.     

硼掺杂对K2La2Ti3O10光催化分解水制氢活性的影响

通过溶胶-凝胶法制备了层状钙钛矿复合氧化物K2La2Ti3O10 及B掺杂的K2La2Ti3O10, 并采用X射线衍射和紫外-可见漫反射光谱等对制得样品进行了表征. 以I-为电子给体,分别在紫外和可见光辐射下研究了所制得样品光催化分解水的产氢活性; 采用第一性原理,计算了B掺杂对K2La2Ti3O10 半导体能带结构和态密度的影响,从电子结构的变化揭示了掺杂引起光催化活性差异的原因. 结果表明, B的掺入能够提高K2La2Ti3O10 的光解水产氢活性且存在合适的B掺杂浓度. 当B与Ti的摩尔比为0.01∶1时,紫外光催化分解水产氢速率为151.7 μmol/(L·h), 比未掺杂B的K2La2Ti3O10 产氢速率提高166%; 当B与Ti的摩尔比为0.02∶1时,可见光催化分解水产氢速率为85.2 μmol/(L·h), 为未掺杂B的K2La2Ti3O10 产氢速率的5.2倍.     

两步水热法合成Sn_2Nb_2O_7纳米晶及其高效可见光分解水制氢性能（英文）

铌基半导体光催化材料因其具有独特的晶体结构和能带结构在光催化分解水制氢领域受到科研工作者的高度关注.然而,大多数铌基半导体光催化剂仅能够在紫外光驱动下实现光催化分解水制氢,具有可见光响应的铌基半导体光催化剂不仅数量少而且活性较低,因此发展新型纳米铌基半导体光催化剂并实现其高效可见光催化分解水产氢具有重要的学术和实用意义.具有烧绿石构型的Sn_2Nb_2O_7材料由于具有较窄的禁带宽度(2.4 e V)和合适的导带和价带电势在可见光催化分解水制氢方面引起了科研人员广泛的兴趣.然而,目前报道的利用高温固相法制备的块体Sn_2Nb_2O_7材料由于颗粒尺寸较大和比表面积较小而导致光催化活性较差.因此,发展一种简便高效的制备方法实现纳米Sn_2Nb_2O_7材料的可控制备进而提高其可见光催化活性仍具有一定的挑战性.我们发展了一种简便的两步水热合成方法实现了Sn_2Nb_2O_7纳米晶的可控制备.扫描电镜和透射电镜测试结果表明,通过两步水热法得到的Sn_2Nb_2O_7纳米颗粒具有较好分散度,其平均颗粒尺寸为20 nm.X射线衍射测试结果也进一步证明,通过两步水热法可以实现Sn_2Nb_2O_7纳米晶的可控制备.比表面积测试结果表明,Sn_2Nb_2O_7纳米晶的比表面积约为52.2 m~2/g,远远大于固相法制备的块体Sn_2Nb_2O_7材料(2.3 m~2/g).大量研究表明,大的比表面积有利于半导体催化材料催化活性的提升.通过考查所制备的Sn_2Nb_2O_7纳米晶的可见光分解水制氢能力,对其催化性能进行了评价.研究结果表明,以乳酸为空穴消耗剂,负载0.3wt.%Pt纳米颗粒作为助催化剂的Sn_2Nb_2O_7纳米晶表现出优异的可见光催化分解水产氢性能,其产氢速率是块体Sn_2Nb_2O_7材料的5.5倍.Sn_2Nb_2O_7纳米晶可见光催化分解水产氢性能提高的主要原因是其具有高分散度的纳米颗粒、较大的比表面积和更正的价带电势.首先,颗粒尺寸的纳米化能够显著减小光生电子和空穴的迁移距离,实现光生载流子快速迁移到催化剂表面进而参与催化反应;其次,大的比表面积能够提供更多的催化活性位点,进而有利于催化活性的提高;最后,X射线光电子能谱测试表明,Sn_2Nb_2O_7纳米晶具有更正的价带电势,研究表明,价带电势越正,其光生空穴氧化能力越强.在光催化分解水制氢过程中,具有较强氧化能力的光生空穴通过与空穴牺牲剂乳酸快速反应而被消耗掉,抑制了光生电子与空穴的复合,进而导致其具有较高的光催化产氢活性.     

光激发电荷在光催化氧化还原反应中的全利用（英文）

光催化转化CO₂为碳氢燃料，分解水产氢，选择性有机合成，还原N₂为NH₃，降解毒害的有机污染物等对解决能源环境问题有重要意义。早在1972年，研究者利用TiO₂通过光催化实现了全面分解水产氢和产氧。由于低的可见光利用率，严重的载流子复合和过高的水氧化能垒导致光催化全面水分解的效率极低。由于氢相对于氧更具有经济价值，因此牺牲剂辅助的光催化产氢被大量研究。由于牺牲剂可以快速的消耗光生空穴，有效降低了氧化端的能垒，光催化产氢的效率相比于光催化水分解的效率提高了3–4个量级。然而，牺牲剂的使用不仅导致了光生空穴的浪费，成本的提高，还导致了潜在的环境问题。近些年，研究者通过将光催化还原反应和光催化氧化反应结合在一起实现了电子空穴的全面利用，并改进了氧化和还原的效率。同时，电子空穴的全面利用也有效的促进了电荷的分离并提高了催化剂的稳定性。然而，由于全面氧化还原的设计难度大，反应过程复杂，因此光催化全面氧化还原的机理尚不够明确，仍然需要大量的探索。在这篇综述中，首先从光捕获、光激发电荷分离、氧化还原反应的热力学和...     

A Hydrogen Farm Strategy for Scalable Solar Hydrogen Production with Particulate Photocatalysts

Scalable solar hydrogen production by water splitting using particulate photocatalysts is promising for renewable energy utilization. However, photocatalytic overall water splitting is challenging owing to slow water oxidation kinetics, severe reverse reaction, and H₂/O₂ gas separation. Herein, mimicking nature photosynthesis, a practically feasible approach named Hydrogen Farm Project (HFP) is presented, which is composed of solar energy capturing and hydrogen production subsystems integrated by a shuttle ion loop, Fe³⁺/Fe²⁺. Well‐defined BiVO₄ crystals with precisely tuned {110}/{010} facets are ideal photocatalysts to realize the HFP, giving up to 71 % quantum efficiency for photocatalytic water oxidation and full forward reaction with nearly no reverse reaction. An overall solar‐to‐chemical efficiency over 1.9 % and a solar‐to‐hydrogen efficiency exceeding 1.8 % could be achieved. Furthermore, a scalable HFP panel for solar energy storage was demonstrated under sunlight outdoors.     

喹嗪并[3,4,5,6-ija]喹啉衍生物的合成及其光解水制氢性能

设计、合成了一系列4,5,9,10-四芳基喹嗪并喹啉衍生物,并在均相光解水制氢体系中研究其光敏活性。研究结果表明,二氯化钯是其有效制氢的催化剂,还原淬灭是光敏剂的主要淬灭途径。通过光电物理化学性能研究表明,这类喹嗪并喹啉衍生物的取代基效应明显,而甲氧基有利于提高其荧光量子效率,最高可达0.48;同时供电子甲氧基取代基能明显提高光敏剂制氢性能,光敏剂3e的制氢总转换数(TON)可达341。     

Biohybrid Organic Heterostructure Based on Chlorophyll-Bacteriochlorophyll Aggregates for Ecofriendly Hydrogen Production

Hydrogen energy is an abundant, clean, sustainable and environmentally friendly renewable energy source. Therefore, the production of hydrogen by photocatalytically splitting water on semiconductors has been considered in recent years as a promising and sustainable strategy for converting solar energy into chemical energy to replace conventional energy sources and to solve the growing problem of environmental pollution and the global energy crisis. However, highly efficient solar-driven photocatalytic hydrogen production remains a huge challenge due to the poor visible light response of available photocatalytic materials and the low efficiency of separation and transfer of photogenerated electron-hole pairs. In the present work, organic heterojunction structures based on bacteriochlorophyll (BChl) and chlorophyll (Chl) molecules were introduced and used for solar-driven photocatalytic hydrogen production from water under visible light. Also, noble metal-free photocatalyst was successfully constructed on Ti₃C₂T_x nanosheets by simple successive deposition of Chl and BChl, which was used for the photocatalytic splitting water to hydrogen evolution reaction (HER). The results show that the optimal BChl@Chl@Ti₃C₂T_x composite has a high HER performance with 114 μmol/h/g_cat, which is much higher than the BChl@Ti₃C₂T_x and Chl@Ti₃C₂T_x composites.     

Ternary chalcogenides XGaS2 (X = Ag or Cu) for photocatalytic hydrogen generation from water splitting under irradiation of visible light

Ternary chalcogenide silver gallium sulfide (AgGaS₂), which has an orthorhombic structure, was already synthesized. However, the feasibility of using the crystal for hydrogen production through photocatalytic water splitting has not been explored. Here, we systematically investigated the structural, electronic, optical, and transport properties of XGaS₂ (X = Ag or Cu) with orthorhombic structure by using the first principles calculations. The band alignments indicate that all calculated absolute potentials of the valence and conduction band edges met the requirement of photocatalytic water splitting reaction. The presence of 2.64 and 2.56 eV direct band energy gaps and obvious optical absorption within the visible light range imply that XGaS₂ can correspond to solar light. Moreover, the large electron mobility and the obvious differences between electron mobility and hole mobility were identified in XGaS₂ structures, which is beneficial to the photocatalytic performance of the water splitting reaction. The present findings can provide a helpful reference for developing novel photocatalytic materials with XGaS₂ for hydrogen generation from water splitting under irradiation of visible light.     

TiO_2纳米管阵列光电催化制氢研究进展

以TiO2纳米管阵列为光阳极组成的光电解池光电催化分解水是目前光催化制氢领域内研究最广泛的体系之一。本文综述了近年来TiO2纳米管阵列在光电催化分解水制氢领域的最新研究进展,重点阐述了提高TiO2纳米管阵列光电转换效率和产氢速率的方法,指出了目前存在的问题,并对今后的发展提出了展望。     

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.     

半导体光解水制氢研究:现状、挑战及展望

通过半导体光催化分解水反应实现太阳能向清洁能源氢能的转化,是解决人类面临的能源和环境危机的终极途径之一。该过程的关键是开发宽光谱响应、高效的光催化剂,到目前为止,调控能带结构、制备活性晶面、构建异质结构、负载助催化剂等诸多方法被广泛应用于扩展半导体材料的吸光范围和提高其光催化活性。本文介绍了半导体光解水制氢的基本原理,并综述了该领域的研究进展,重点关注提高半导体光催化活性的方法及其所面临的挑战和瓶颈问题,并结合相关课题组的研究工作提出可能的应对策略。     

半导体光解水制氢研究:现状、挑战及展望

通过半导体光催化分解水反应实现太阳能向清洁能源氢能的转化,是解决人类面临的能源和环境危机的终极途径之一。该过程的关键是开发宽光谱响应、高效的光催化剂,到目前为止,调控能带结构、制备活性晶面、构建异质结构、负载助催化剂等诸多方法被广泛应用于扩展半导体材料的吸光范围和提高其光催化活性。本文介绍了半导体光解水制氢的基本原理,并综述了该领域的研究进展,重点关注提高半导体光催化活性的方法及其所面临的挑战和瓶颈问题,并结合相关课题组的研究工作提出可能的应对策略。     

Surface Coating of Amorphous TiOx Enables Efficient Vapor-fed Photocatalytic Overall Water Splitting with Substantial Apparent Quantum Yield

Photocatalytic overall water splitting represents a promising strategy for sustainable hydrogen production. However, photocorrosion and dissolution of photocatalysts and cocatalysts are common concern for the solid-liquid phase reaction. Recently, the above issues could be addressed by Domen and coworkers, when the photocatalytic water splitting was conducted in the presence of water vapor, which dramatically restrain the undesired corrosion of the photocatalysts and cocatalysts. Besides, surface decoration of hygroscopic TiO_x layer promotes adsorption of water molecules and prevents the corrosion process. In addition, vapor-fed photocatalytic water splitting remains considerable apparent quantum yield compared with the liquid water photocatalytic overall water splitting at pressurized condition, which endows great potential in practical application.