从废水到新能源:光催化燃料电池的优化与应用

随着经济的飞速发展,社会对能源的需求日益扩大,对工业废水的无害化处理也提出了更高的要求。光催化燃料电池 (photocatalytic fuel cell, PFC) 在燃料电池中引入半导体光催化材料作为电极,实现了有机污染物高效降解和同步对外产电的双重功能,在废水无害化与资源化利用方面具有潜在的应用价值。半导体光催化电极是PFC系统高效运行的核心组件,增强其可见光响应和光生载流子分离是提高PFC性能的关键策略。反应器结构设计和运行参数优化也有利于改善PFC性能。本文从PFC基本原理和应用入手,综述了PFC在环境污染物资源化处理中的研究进展,并详细阐述了提高PFC的污染控制性能和产电效率的优化手段,为进一步设计高效稳定的PFC系统并实现其在水污染控制和清洁能源生产中的应用提供理论指导。     

超薄碳层包覆SiC新型光催化剂的制备表征及其产氢性能

利用浸渍和高温煅烧相结合的方法制备得到超薄碳层包覆的SiC纳米颗粒,研究了该无金属复合材料在可见光下的催化产氢性能。结果表明,超薄碳层的包覆使SiC的产氢效率达到35.4μmol·h~(-1)·g~(-1),是单独SiC颗粒的近6倍。采用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM),紫外可见漫反射光谱(DRS)和荧光光谱(PL)表征了复合物的结构、形貌和光谱特征,并结合光催化机理证明超薄碳层的包覆能增强SiC的光吸收能力,减少电子空穴复合,从而提升光催化产氢性能。     

Mo对脱合金制备的Ni-Mo电极骨架结构与析氢性能的影响

采用快速凝固结合脱合金化方法制备了不同Mo含量的纳米多孔Ni-Mo合金，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和N₂吸附-脱附分析等对多孔合金的物相、形貌结构及孔径分布进行了表征，并通过线性扫描伏安、Tafel斜率、交流阻抗和循环伏安等方法测试了多孔合金电极的电催化析氢性能.结果显示，多孔合金电极材料在50 mA/cm²电流密度下析氢过电位随着Mo含量的增加先降低后升高，Ni_2.5Mo_2.5合金析氢活性最强，过电位为218 mV，析氢过程由Volmer-Heyrovsky步骤控制，交换电流密度为0.29 mA/cm²，经1000周循环后的极化曲线基本保持原状，50 mA/cm²电流密度下过电位增加3.67%，表现出优良的析氢稳定性.     

三缺位硅钨酸盐纳米材料的调控形貌的合成及功能化

以三缺位Keggin型硅钨酸盐为前驱体,采用化学沉淀法成功合成出2例新型纳米材料M_3SiW_9(M=Cu.,Co.)。其中,Cu_3SiW_9表现为新颖的纳米晶须形貌,Co_3SiW_9表现为尺寸均一的球形纳米颗粒。经过一系列控制实验证明,通过掺杂不同类型的金属离子可以调控M_3SiW_9的形貌。我们对产生该现象的机理进行了合理推测。此外,使用荧光素钠作为掺杂剂可使Cu_3SiW_9纳米晶须具有优良的光致发光性能,测试表明,多酸并未淬灭荧光素钠的发光,复合材料在510 nm具有明显的发射波长。最后,我们对Cu_3SiW_9纳米晶须负载CdS量子点后的光催化产氢性质进行了研究。结果表明,当Cu_3SiW_9与CdS的质量比为1∶1时,复合材料的产氢效率约为纯CdS量子点的10倍。这也证实多金属氧酸盐的存在可以有效抑制CdS量子点光生电子与空穴的复合,从而大幅提高其光解水产氢的效率。     

三维花状Ni(OH)2包裹TiO2微米球用于光催化产氢

TiO_2具有合适的能带位置以及成本低、无毒、稳定性高等优点,但由于大的激子结合能(130 meV)以及电子-空穴复合严重,其光催化性能和效率较低.目前,负载助催化剂是一种比较有效的提高TiO_2光催化效率的方法.助催化剂可通过抑制电子与空穴的复合、降低激子结合能、提高界面电子传输速率来提高光催化性能.寻求新型、廉价、高效产氢的助催化剂是当前光催化研究的热点.近年来, Ni(OH)_2由于具有多变的形貌以及一定的光催化性能而被人们关注.并且Ni(OH)_2本身就是p型光催化剂,可与主体材料复合形成p-n异质结材料,其中由异质结形成的内建电场可起到促进电子与空穴分离的作用.基于此,本文采用简单的合成方法制备出新颖的三维花状Ni(OH)_2包裹TiO_2纳米结构微球,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等表征手段确定了目标产物被成功合成,并采用光催化产氢为探针反应研究了其光催化性能.结果表明, Ni(OH)_2包裹TiO_2纳米材料的产氢速率比纯TiO_2纳米材料提高了5倍.通过紫外-可见漫反射吸收光谱(DRS)与一系列对比实验发现, Ni(OH)_2拓宽了TiO_2的吸收光谱范围,催化活性的提高确实来源于引入的Ni(OH)_2.氮气吸脱附等温线和孔径分布分析表明, Ni(OH)_2壳的引入增大了催化剂的比表面积并且带来介孔,证实三维花状的纳米片界面为光催化产氢提供了更多的活性位点.电化学表征结果进一步证明,这种独特的p-n异质结促进了电子与空穴的分离和转移.基于元素分析和产氢活性结果,我们提出了可能的反应机理.     

解耦双回路气化系统中生物质催化水蒸气气化制富氢气体

为强化生物质气化过程中焦油转化和氢气富集,提出了一种新型解耦双回路气化系统(DDLG) 。该气化系统将气化过程解耦为燃料气化、焦油重整和半焦燃烧三个子过程,分别发生于三个独立的反应器,即气化反应器、重整反应器和燃烧反应器。其中,气化反应器和重整反应器并行布置,分别与燃烧反应器相连,形成两个平行的且可独立控制的双循环回路。以松木屑为原料及兼作为原位焦油重整催化剂的煅烧橄榄石为循环固体热载体,考察了反应条件对 DDLG 中松木屑气化性能的影响。结果表明,重整反应器从气化反应器中解耦,并辅以橄榄石催化剂,可实现焦油高效转化脱除。如气化反应器700℃、重整反应器 850℃和水蒸气与原料中碳的质量比(S/C) 1.2 反应条件下,产品气中焦油含量降低至13.9g /m~3,气体产率和H_2分别达到1.0m~3 /kg,和38.8%。     

氯代烷烃、硫粉和氢亚磷酸酯一步合成S-烷基硫磷酸酯

S-苄基硫磷酸酯和S-烷基硫磷酸酯在农药中有着重要的应用。 本文发展了一种无需催化剂,仅在碱作用下,氯代烷烃、硫粉以及氢亚磷酸酯三组份一步生成S-烷基硫磷酸酯的绿色经济方法,该反应可以在一步反应中同时构建磷—硫键和碳—硫键。 以苄氯及衍生物、硫粉、氢亚磷酸酯在碳酸铯的促进下,室温反应,共合成了17个S-苄基硫磷酸酯,产率为70%~99%。 同时,实现了脂肪链的氯代烃、硫粉和氢亚磷酸酯的反应,在三乙胺的促进下,在空气中60 ℃反应,共合成了13个S-烷基硫磷酸酯,产率为45%~93%。 本方法在合成上和工业上将具有较好的应用前景。     

苯并噻唑类荧光探针的合成及对N2H4·H2O和HSO-3的检测性能

以苯并噻唑为荧光团, 氰基乙酸乙酯为识别基团, 设计合成了对水合肼和亚硫酸氢盐具有双重检测能力的荧光探针3-(2-羟基-苯并噻唑)-2-氰基-丙烯酸乙酯(HBT-CN). 在二甲基亚砜/磷酸盐(体积比为1：4)的缓冲液中, 探针对水合肼和亚硫酸氢盐具有良好的选择性, 且荧光强度分别增强了5.6倍(500 nm)和7.5倍(458 nm). 结果表明, 在检测过程中, HTB-CN与水合肼发生了还原-缩合反应, 生成了醛腙, 在波长500 nm处发出黄绿色的荧光信号; HBT-CN与亚硫酸氢盐发生了亲核加成反应, 在波长458 nm处发出蓝色的荧光信号, 从而实现了对水合肼和亚硫酸氢盐的差异性定性与定量检测.