硫氰根选择性吸附在g-C_3N_4/Ag表面增强其光催化制氢性能(英文)

作为一种无金属的新型半导体材料,g-C_3N_4因具有稳定的物理化学性质及合适的能带结构而引起人们的关注.理论上g-C_3N_4完全满足水分解的电势条件.然而研究发现,g-C_3N_4材料本身的光催化性能并不好,这主要是由于半导体材料被光激发后生成的自由电子和空穴还没来得及到达材料表面参与反应,就在材料体相内发生复合,导致电子参与有效光催化制氢反应的几率大大降低.同时还发现,将少量的贵金属,如Pt,Au,Pd作助催化剂修饰在该半导体表面,其光催化性能明显提高.但由于这些贵金属储量非常稀少,价格昂贵,导致它们的使用受到一定限制.而Ag作为一种价格远低于Pt,Au,Pd的贵金属,也得到了广泛的研究.研究表明,金属Ag储存电子的能力很好,因此可以有效地将半导体上生成的光生电子快速转移到Ag上面去,从而达到电子空穴快速分离的目的.但是在光催化制氢过程中,Ag吸附H~+的能力较弱,致使电子与H~+反应的诱导力较弱,使得Ag释放电子的能力较差.因此可以通过提高Ag表面对H~+的吸附强度,以加速Ag的电子释放,通过表面修饰来提高Ag助剂的光催化活性.研究发现,Ag纳米粒子表面与含硫化合物之间存在很强的亲和力.硫氰根离子(SCN~–)具有很强的电负性,容易吸附溶液中H~+离子,并且也易吸附在Ag纳米粒子的表面.因此可以利用Ag与SCN~–的作用来增强Ag释放电子的能力.本文采用光还原法将Ag沉积在g-C_3N_4半导体材料表面,然后通过在制氢牺牲剂中加入KSCN溶液,利用SCN~-与Ag的亲和力来提高光生电子参与光催化反应的效率.结果表明,在SCN~-存在的情况下,g-C_3N_4/Ag的光催化制氢性能显著提高.当制氢溶液中SCN~–浓度为0.3 mmol L~(–1)时,材料的光催化制氢性能达最大,为3.89μmol h~(–1),比g-C_3N_4/Ag性能提高5.5倍.基于少量的SCN~–就能明显提高g-C_3N_4/Ag材料的光催化性能,我们提出了一个可能性的作用机理:金属银和SCN~-协同作用,即银纳米粒子作为光生电子的捕获和传输的一种有效的电子传递介质,而选择性吸附在银表面的SCN~-作为界面活性位点有效地吸附溶液中的质子以促进产氢反应,二者协同作用,加速了g-C_3N_4-Ag–SCN~-三物种界面之间电荷的传输、分离及界面催化反应速率,有效抑制了g-C_3N_4主体材料光生电子和空穴的复合,因而g-C_3N_4/Ag–SCN复合材料的光催化制氢性能提高.考虑到其成本低、效率高,SCN~–助催化剂有很大的潜力广泛应用于制备高性能的银修饰光催化材料.     

石墨烯助剂与Ni(Ⅱ)活性位点协同增强TiO2制氢性能

采用水热法和低温浸渍法制备了电子助剂还原石墨烯(rGO)和界面活性位点Ni(Ⅱ)共修饰的高效TiO₂光催化剂(简称Ni(Ⅱ)/TiO₂-rGO)。制氢性能测试结果表明：相比于TiO₂和单独还原石墨烯复合的TiO₂,经还原石墨烯与Ni(Ⅱ)协同修饰后的TiO₂表现出更高的光催化制氢性能。其中,Ni(Ⅱ)/TiO₂-rGO(0.1 mol·L^-1)具有最高制氢性能,制氢速率达到77.0 μmol·h^-1,分别是TiO₂(16.4 μmol·h^-1)和TiO₂-rGO(28.0 μmol·h^-1)的4.70倍和2.75倍。还原石墨烯助剂与Ni(Ⅱ)活性位点协同增强制氢性能的原理是：还原石墨烯作为电子助剂可以快速捕获和传输电子,Ni(Ⅱ)作为界面活性位点可以从溶液中捕获H⁺,提高界面反应速率,2种助剂协同作用加快了TiO₂上的光生电子-空穴对的有效分离。     

骨架结构多孔TiO2薄膜增强染料敏化太阳能电池性能

以空心球状TiO₂为基体、以片状TiO₂为骨架,采用刮刀法制备了染料敏化太阳能电池的多孔TiO₂光阳极薄膜。光电转化效率测试结果表明,当作为骨架支撑材料的片状TiO₂含量为20wt%时,光阳极薄膜组装成太阳能电池的光电转化效率达到最高值4.53%,比商业P25制备的无孔无骨架TiO₂薄膜电池(4.06%)及无骨架结构的多孔TiO₂薄膜电池(4.17%)的性能均有显著提高。当片状TiO₂的最佳含量为20wt%电池薄膜厚度为33 μm时,太阳能电池光电转化效率进一步提升为7.06%。光电性能增强的原因是骨架结构有利于快速传输电子并增大染料吸附量。本研究通过设计制备具有骨架结构的多孔TiO₂薄膜为提高染料敏化太阳能电池性能提供了新的思路。     

大学化学实验电势-pH曲线测定探讨

大学化学实验电势-pH曲线测定中采用的电极反应S 2H 2e-=H2S(g)的电极电势表达式有误,导致所绘制的电势-pH曲线与教科书要求不符;没有给出电极反应FeY- e-= FeY2-的标准电极电势φθ,易使学生误将电极反应Fe3 e-=Fe2 的φθ=0.771V作为电极反应FeY- e-= FeY2-的φθ;仅从两个电极反应电极电势的差值来确定脱硫氧化-还原反应的最佳pH范围不够全面,应结合溶液中络合物的稳定性、液相催化湿法脱硫原理、脱硫溶液pH对H2S吸收反应的影响、对再生反应的影响和脱硫过程的经济性等多方面考虑,使学生有全面综合的认识.     

骨架结构多孔TiO2薄膜增强染料敏化太阳能电池性能

以空心球状TiO₂为基体、以片状TiO₂为骨架,采用刮刀法制备了染料敏化太阳能电池的多孔TiO₂光阳极薄膜。光电转化效率测试结果表明,当作为骨架支撑材料的片状TiO₂含量为20wt%时,光阳极薄膜组装成太阳能电池的光电转化效率达到最高值4.53%,比商业P₂₅制备的无孔无骨架TiO₂薄膜电池(4.06%)及无骨架结构的多孔TiO₂薄膜电池(4.17%)的性能均有显著提高。当片状TiO₂的最佳含量为20wt%电池薄膜厚度为33μm时,太阳能电池光电转化效率进一步提升为7.06%。光电性能增强的原因是骨架结构有利于快速传输电子并增大染料吸附量。本研究通过设计制备具有骨架结构的多孔TiO₂薄膜为提高染料敏化太阳能电池性能提供了新的思路。     

Cu(Ⅱ)助剂与石墨烯协同增强AgBr可见光光催化性能

采用简单、低温的溶液浸渍法制备了Cu(Ⅱ)助剂和石墨烯共修饰的高效AgBr可见光光催化剂。降解甲基橙的实验结果表明:经Cu(Ⅱ)助剂与石墨烯协同修饰后的AgBr表现出很好的降解性能,其中Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L^-1)/AgBr-rGO(0.5wt%)具有最高性能(rGO代表还原石墨烯),速率常数是0.02731 min^-1,是AgBr(0.00807 min^-1)的3.38倍、AgBr-rGO(0.5%)(0.01598 min^-1)的1.7倍、Cu(Ⅱ)(0.5 mol·L^-1))/AgBr(0.01519 min^-1)的1.8倍。Cu(Ⅱ)助剂与石墨烯复合协同作用增强光催化性能的原因是:Cu(Ⅱ)易于捕获光生电子,石墨烯比表面积大,可为Cu(Ⅱ)提供更多的还原位点,加快了AgBr上的光生电子-空穴对的有效分离。本研究可以为制备高性能AgBr光催化剂提供新的思路。     

高晶化g-C3N4光催化剂:合成、结构调控和光催化产氢(英文)

开发清洁和可再生的氢能是解决当前环境污染和能源短缺的有效途径之一.在众多制氢方法中,光催化分解水产氢被认为是最具潜力的方法之一.目前,研究者已开发了多种光催化材料,其中,石墨相氮化碳(g-C₃N₄)具有低成本、无毒、能带结构合适和理化性质优异等优点,在光催化产氢领域被广泛报道.然而,高温煅烧各种有机物前驱体制备的传统g-C₃N₄材料往往表现出严重的团聚和低结晶度,并具有大量的内部和表面缺陷,造成光生载流子的快速复合,导致光催化性能低.为了增强g-C₃N₄材料的光催化活性,制备具有高比表面积的g-C₃N₄纳米片被认为是有效的方法之一,如比较常用的方法有二次煅烧法和超声剥离法等.然而,由于g-C₃N₄纳米片是从传统g-C₃N₄光催化材料中剥离或脱层制备,因而仍然表现出低的结晶度,不利于光生电荷的有效分离和快速迁移,光催化活性的提高...     

Ni纳米粒子作为电子转移剂和NiSx作为产氢界面活性位协同增强 TiO2光催化制氢性能

作为一种传统的半导体光催化材料, TiO_2因具有低价易得、无毒性及稳定性好等优势而一直受到研究者的关注.理论上, TiO_2的能带结构可满足分解水制氢的条件.然而,研究发现TiO_2本身的光催化制氢性能较低,主要是由于TiO_2被光激发后生成的电子和空穴尚未到达材料表面参与反应,就在其体相内发生复合,导致电子参与有效光催化制氢反应的几率较低.近年来,为提高TiO_2的制氢性能,研究者主要通过半导体耦合、元素掺杂、形貌调控和助剂修饰等方式对TiO_2进行改性.其中,助剂表面修饰由于用量少、条件温和并且对主体材料结构影响很小而成为一种常见和有效的改性手段.最常用的电子助剂是贵金属如Au, Ag, Pt和Pd.当TiO_2表面沉积微量的贵金属纳米粒子时,导带上的光生电子被贵金属捕获并迅速转移,将H~+在贵金属表面发生界面还原反应生成H_2,从而有效提高了制氢效率.除了贵金属电子助剂外,还有一些价格较低、产量丰富的非贵金属如Co, Cu, Ni和Bi等也可以作为电子助剂应用于光催化制氢,在提高制氢性能的同时也降低了光催化剂的成本.但在大多数情况下,这些金属材料(除贵金属Pt以外)本身都不能作为有效的界面催化活性位点,表现出较低的界面析氢速率,导致金属-半导体光催化材料的产氢活性低.因此,进一步对金属表面进行改性、增加界面催化活性位点、促进其界面产氢催化反应,对于提高金属-半导体光催化材料的制氢性能非常重要.在金属作为电子传输介质修饰半导体材料的制氢过程中,电子传输介质快速转移光生电子和有效捕获溶液中的H+直接进行界面催化还原反应生成H_2这两个步骤都十分关键.在制备金属-半导体光催化材料时,对于通常的金属材料本身都不能作为界面催化活性位点、缺乏有效的界面产氢活性位点的问题,可通过在金属表面进一步修饰作为界面催化活性位点的基团或离子来解决.本文采用先将Ni纳米粒子光沉积在TiO_2表面、再在水热条件下在Ni纳米粒子表面生成NiS_x的两步法合成了以Ni作为电子转移介质、以NiS_x作为界面催化活性位点共修饰的高效TiO_2光催化剂(称为TiO_2/Ni-NiS_x).研究结果表明,优化后的TiO_2/Ni-NiS_x光催化的最高制氢速率(223.74μmolh~(-1))分别是纯TiO_2, TiO_2/Ni和TiO_2/NiS_x样品的22.2, 8.0和2.2倍.性能增强的原因是Ni纳米粒子作为电子传输体、NiS_x作为界面催化活性位点同时提高了光生电子的转移速率和界面催化反应速率,即Ni和NiS_x两者协同作用增强了TiO_2光催化制氢性能.这种非贵金属助剂和界面活性位点协同作用的方法为设计高制氢性能催化剂提供了新的思路,并有望在光催化领域得到应用.     

新型核壳Ag@AgSeX纳米粒子析氢助剂:原位表面硒化以提升TiO2的光催化产氢活性

纯相光催化材料的产氢性能主要受限于较低的电荷分离效率和缓慢的界面催化反应速率.表面负载助催化剂因其能够实现快速转移光生电子和提供界面催化活性中心被认为是促进电荷分离和提升界面催化反应的有效手段.贵金属类材料,尤其是金属铂(Pt),被认为是光催化产氢领域的理想助剂,但储量低和价格昂贵严重制约了其大规模实际应用.因此,发展低成本的产氢助剂对未来光催化产氢技术的发展至关重要.金属银(Ag)是一种优异的导电金属材料,其高电导率(6.3×10⁷ S m^–1)能够在光催化产氢反应中快速转移光生电子,从而极大地抑制光生电子-空穴对的复合.与金属Pt相比,Ag作为助剂在光催化体系中的析氢活性并不理想,这主要归因于Ag表面缺乏有效的产氢活性位点,使得界面催化产氢反应速率受到极大限制,最终表现出较低的光催化产氢活性.因此,优化Ag表面性质并提供丰富的界面产氢活性位点对于提升Ag助剂的光催化产氢活性具有重要意义.本文采用原位表面/界面工程策略对金属Ag助剂进行改性,以设计高效的Ag修饰光催化材料.首先通过一步光沉积方法制备了Ag纳米粒子修饰的TiO₂光催化材料,然后,将金属Ag纳米粒子表面部分原位硒化为非晶态AgSe_x,成功制备了新型核壳结构Ag@AgSe_x助剂修饰的TiO₂光催化剂(TiO₂/Ag@AgSe_x).X射线衍射、高分辨透射电镜、X射线光电子能谱等表征结果表明,所得结构为Ag@AgSe_x助剂的核壳结构.光催化结果表明,TiO₂/Ag@AgSe_x光催化剂具有比TiO₂和TiO₂/Ag更高的光催化产氢速率,其中TiO₂/Ag@AgSe_x(20μL)表现出最高的光催化产氢速率,是TiO₂/Ag样品的2.4倍.结合原位X射线光电子能谱和密度泛函理论计算结果认为,TiO₂/Ag@AgSe_x光催化剂的高效产氢活性可以归因于金属Ag核和非晶AgSe_x壳的协同机制,即具有优良导电性的金属Ag核可以有效且快速地转移光生电子,而非晶态AgSe_x壳可以提供大量的产氢活性中心,最终实现高效的电荷分离效率和快速的界面催化反应,显著提升TiO₂的光催化产氢活性.综上,本文为构建高效的Ag改性光催化剂以及开发经济高效的太阳能转换助催化剂提供了新的思路.