ZIF-8衍生的具有可控氧空位的ZnO对光催化去除NO的增强及毒性NO2形成的抑制

氧化锌作为一种半导体材料,具有合适的能带结构位置,高催化效率,低成本和环境可持续性,因而广泛用于光催化领域.然而,由于氧化锌的宽带隙,可见光吸收能力差以及光生电子-空穴对的快速复合,极大地影响了其光催化效率.通过引入氧空位调控光催化剂的结构被证明是一种可以改善光生载流子的分离,从而提高光催化性能的有效方法.本文以ZIF-8为前驱体,采用两步煅烧法合成了具有不同浓度氧空位分布的ZnO纳米光催化剂,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、电子顺磁共振(EPR)、荧光光谱仪(PL)等手段系统地分析了合成的光催化剂的理化性质,并评价了它们在可见光下光催化氧化去除NO反应性能.EPR结果表明,样品中氧空位的浓度取决于温度处理的过程.通过两步煅烧法得到氧化锌中氧空位的含量高于一步直接煅烧法所得的样品.此外,随着煅烧温度升高,合成的氧化锌晶格越完好,其氧空位含量越少.UV-Vis DRS结果表明,两步煅烧法合成的ZnO与商业的ZnO及一步法直接煅烧合成的ZnO相比,其吸光范围从紫外光拓展到了可见光,表现出了更加优异的吸光性能.光催化反应结果表明,与商业氧化锌和一步直接煅烧法所得样品相比,两步煅烧法合成的样品表现出了更优异的光催化去除NO性能,并抑制了中间产物毒性NO2的产生,促进了NO的深度氧化.具体反应路径为:在光照过程中,光生电子很容易被氧空位俘获,与O2反应产生更多的超氧自由基(·O2^-),从而将NO氧化成最终的产物硝酸盐.尤其有趣的是,先在350 ℃煅烧2小时再400℃煅烧1小时的两步法样品Z 350-400的NO去除效率分别比一步法样品Z 400(400℃煅烧)和商用ZnO高出1.5和4.6倍.这表明以MOF材料衍生的具有适当量氧空位的金属氧化物为一种高效去除NO的光催化剂具有很好的应用前景.     

二氧化钛光催化材料及其改性技术研究进展

二氧化钛(TiO2)光催化技术作为一种绿色、洁净、节能的技术,在污染物治理、光分解水制氢、抗菌环保等领域有着广泛的应用。然而TiO2材料本身大的禁带宽度(Eg=3.2eV)阻碍了其实际应用,进而导致其可见光利用率低、量子产率低。因此制备具有高量子产率且对可见光有快速响应能力的TiO2已成为当前光催化剂研究的关键课题。国内外关于TiO2光催化剂的改性技术逐渐完善并在制备方法、材料形貌和结构控制等方面有新的突破。本文综述了TiO2光催化的制备方法及其反应机理,总结了提高TiO2光催化性能的技术路线,阐明了针对TiO2改性的各种方法的原理及关键技术,同时对TiO2光催化技术存在的问题和发展前景进行了分析和展望。     

一维TiO2锐钛矿/金红石异相结的制备及光催化降解甲醛性能

TiO₂异相结主要通过高温方法制备,所制备材料的形貌和组成较难控制,尤其是在较低温度下一步制备一维TiO₂异相结仍具有一定的挑战性。采用简单、方便的一步水热法,在较低温度下(180℃)制备了一维纳米TiO₂异相结材料。X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析表明,制备的材料以一维金红石相TiO₂纳米棒(长度:(400±50)nm,直径:(60±5)nm)为基本结构,粒径分布均匀的锐钛矿相TiO₂纳米粒子(直径:(9.5±0.5)nm)高密度、单分散地负载在纳米棒上。通过控制水热反应时间成功调控了异相结中锐钛矿相TiO₂的含量(20%~50%),进而实现了其光催化降解HCHO性能的调控。实验结果表明,当锐钛矿相TiO₂的含量为33%时(TiO₂-24,水热时间24 h制备的样品),异相结光催化剂表现出最佳的HCHO降解性能:在低光强LED灯(波长为365 nm,光强为12.26 mW·cm^-2)照射下,浓度约为120 mg·L^-1的HCHO气体在25 min后的降解率达到了92%,实现了高效、快速地去除空气中的HCHO(矿化为CO₂)。稳态荧光光谱和光电化学测试表明,与其他水热时间的样品相比,TiO₂-24具有更高效的光生电荷分离和传输效率。一维TiO₂异相结不仅有利于光生电荷的传输,而且对电荷的分离具有定向驱动作用,使其具有较高的光催化降解HCHO性能。     

甲醛气体在ZnO表面光降解的机理研究（英文）

本文采用溶胶-凝胶法制备纳米氧化锌粒子,并对其降解气相甲醛的光催化活性进行研究。研究发现,在紫外光照射下,当水或氧气存在时,氧化锌可以将甲醛氧化生成二氧化碳;但是在两种不同气氛条件下的反应过程是不同的。气相水参与反应的过程中,首先是水分子被光活化生成羟基自由基,然后再与甲醛进行反应;而在氧气参与反应的过程中,是光活化的氧直接与甲醛反应,这一步骤在氧气参与的甲醛光催化降解反应中占据主导地位。这一反应机理的发现,对研究甲醛的光催化降解可能具有重要意义。     

半导体光催化剂的表面修饰

从半导体光催化剂表面修饰的类型、机理及效果出发，对其研究进展作了综合评述。     

反胶束笼对纳米氯化银反应性能的微环境限定

研究了反映束中直径为１０￣１７ｎｍ的ＡｇＣｌ微料与亚甲基蓝之间的作用，比较了阴离子型和非离子型表面活性剂组成的反胶束微环境的影响，讨论了亚甲基蓝在粒子上的吸附，二聚体形成的钠米ＡｇＣｌ粒子对亚甲基蓝荧光猝灭机制。     

吸附在银溶胶表面的2种卟啉化合物的荧光分析

研究了银溶胶对2种卟啉化合物——5,10,15,20-四对羟基苯基卟啉(简称T(4-HP)P)和5-羟基苯基-10,15,20-三苯基卟啉(HPTPP)的荧光猝灭行为,在5.0×10~6mol/L的T(4-HP)P,HPTPP溶液中分别加入1.5×10~(-4)mol/L的银胶后,两者的荧光猝灭效率都达90%以上,通过荧光猝灭曲线求得这2种卟啉与银胶之间表观作用常数分别为3.16×10~4(mol/L)~(-1),2.79×10~4(mol/L)~(-1),文中还讨论了银胶对T(4-HP)P,HPTPP荧光猝灭过程的动力学及2种卟啉分子与银胶之间的作用机理.     

K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O的形貌可控合成及光催化性能

钽酸盐光催化材料往往具有较高的光催化活性.近年报道的钽酸盐光催化剂主要采用传统高温固相法制备,该方法不可避免地导致高温烧结,使合成的钽酸盐颗粒较大,比表面积较小,而且该方法具有不可克服的晶体转变、结晶度差、分解、挥发和纯度低等缺点,使制备的光催化剂活性较低.而纳米材料由于粒径小,提高了电子和空穴的扩散速度,大大降低了电子和空穴在材料内的复合几率,从而使光催化材料活性大幅提高.此外,粒径减小也使表面原子迅速增多,减小了光的漫反射,同时也使光吸收不易达到饱和,有利于提高光吸收效率.因此,制备纳米材料是提高半导体光催化剂活性的有效手段.目前,采用湿化学的溶液合成方法能在较低温度下获得粒度小且均匀、计量比准确的光催化剂粉末,但是合成钽酸盐光催化剂的水溶性钽前体即乙醇钽(或氯化钽)价格昂贵,而且对潮湿极端敏感易水解,使产物纯度降低,不适合工业化生产.近年来,尽管有文献报道以Ta2O5为原料利用水热、溶胶-凝胶和共沉淀等方法制备钽酸盐,但其合成条件苛刻,合成步骤复杂,合成周期较长,耗能大,产物产量较低且不均匀,很难实现产物的形貌控制来筛选出适合光催化反应的材料.目前关于纳米钽酸盐光催化材料形貌控制方面的研究鲜有报道,主要是由于Ta2O5极难溶解,很难实现液相合成.因此,纳米钽酸盐光催化材料的可控制备是研究的难点.我们发展了熔盐-水热制备钽酸盐新方法,实现了K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O的可控制备.利用熔盐法制备一种可溶性钽酸盐前驱体,再通过水热法在液相进一步反应制得纳米钽酸盐光催化材料K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O,通过控制反应条件实现了纳米钽酸盐K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O的形貌调控,得到了纳米球、微球、去顶八面体形貌和类似榴莲形貌等不同形貌,而利用其它制备方法很难控制钽酸盐的形貌.另外,研究了制备材料吸附和光催化降解罗丹明B的性能,发现该材料光催化活性与形貌直接相关.表征结果表明,制备样品的X射线衍射(XRD)谱图尖锐,结晶较好,其各衍射峰位置均与K2Ta2O6一致,为纯相烧绿石结构,属于立方晶系,空间群为Fd3m.通过分析合成材料的元素组成及含量,确定K：Na：Ta比例近似为1.9：0.1：2.为了进一步研究属于烧绿石型化合物K1.9Na0.1Ta2O6·2H2O的结构,对不同形貌材料进行了红外光谱测试,所有样品在450–1000 cm–1的谱峰可归属于(K, Na)–O和Ta–O键的振动,3300 cm–1左右为晶体结构中水的羟基伸缩振动峰,1720 cm–1左右是晶体结构中水的弯曲振动峰.可以看出,不同形貌材料的红外谱图吸收带宽度和位置十分相似,只存在小的偏移和变化,进一步表明不同形貌的材料具有相似的晶体结构,与XRD结果一致.差热-热重分析确定了结构中所含结晶水数量近似为2.光催化性能测试结果表明,具有纳米球形貌的材料比表面积较大,因而光催化活性最高.     

苯基巯基四氮唑在TiO2悬浮液中的光降解

本文研究了１－苯基－５－巯基四氮唑光降解过程。研究结果表明，在光照条件下，ＰＭＴ在ＴｉＯ２悬浮液中可被完全降解无机化。介质的酸碱性对降解的速度，降解的程度有很大影响。     

Ag/AgCl/ZIF-8复合材料的制备及其对NO光催化氧化性能的研究

采用室温沉淀法合成菱形十二面体晶体结构ZIF-8(一种Zn金属有机框架材料), 然后通过光还原沉积法将Ag/AgCl纳米颗粒沉积于ZIF-8表面, 得到Ag/AgCl/ZIF-8复合光催化剂, 通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、比表面积测试法(BET)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)等一系列表征手段对其晶体结构、形貌、比表面积及吸光性能等进行了表征. 以低浓度NO作为目标去除污染物, 系统研究了Ag/AgCl/ZIF-8复合材料对NO的可见光催化氧化性能, 并对其反应机理进行了深入分析. 结果表明: (1) Ag/AgCl/ZIF-8复合材料中Ag⁰表面等离子体共振(SPR)效应增强了可见光的吸收; (2) ZIF-8具有大的比表面积, 使其能富集更多的氧分子和NO分子, 促进生成超氧自由基和NO光催化氧化; (3) 复合材料中光生空穴能够转移到AgCl的表面氧化Cl^-为Cl⁰, Cl⁰具有强氧化性, 一方面促进了NO光催化氧化, 另一方面有效抑制了光生电子-空穴的复合, 提高了催化剂的稳定性.