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1.
稀土掺杂TiO_2光催化剂的制备及产氢性能研究   总被引:1,自引:0,他引:1  
采用溶胶-凝胶法制备了稀土掺杂的系列光催化剂RE/TiO_2(La/TiO_2,Eu/TiO_2,Y/TiO_2,Pr/TiO_2, Nd/TiO_2,Sm/TiO_2,Gd/TiO_2),XRD晶相结构表征分析表明稀土离子的掺杂有效抑制了TiO_2晶粒的增长.分别考察了不同酸、醇为牺牲剂时RE/TiO_2对光催化产氢性能的影响.实验结果表明:以乙醇为牺牲剂时,稀土的掺杂均提高了光催化产氢性能;以乙酸为牺牲剂时, 只有铕和镧的掺杂提高了光催化活性.以La/TiO_2为光催化剂,甲醇、乙醇和正丙醇为牺牲剂,光催化产氢活性顺序为: 乙醇>甲醇>正丙醇;以Eu/TiO_2为光催化剂,以甲酸、乙酸和丙酸为牺牲剂,光催化产氢活性依次为: 甲酸>丙酸>乙酸;因此,牺牲剂的选择对光催化产氢活性有重要的影响.  相似文献
2.
合成了2个新配体4-(4-硫代乙酸)甲苯基-6-苯基-2,2’-联吡啶HC^N^N(PhCH2SCOCH3)(L3)和6-(4-硫代乙酸)甲苯基-2,2’-联吡啶HC^N^N(CH2SCOCH3)(L5)及其发光的铂(Ⅱ)配合物ClPtC^N^N(PhCH2SCOCH3)(C3)和ClPtC^N^N(CH2SCOCH3)(C5).通过1H NMR谱和质谱对它们的结构进行了表征,采用X射线单晶衍射分析确定了C3的晶体结构.利用紫外-可见吸收光谱、发射光谱及激发态寿命测定研究了它们的光物理性质和电化学性质,以及配合物作为光敏剂在光催化制氢中的应用.通过系列配合物产氢效率的比较,揭示了它们的产氢效率和激发态寿命的关系.  相似文献
3.
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.  相似文献
4.
江静  曹少文  胡成龙  陈春华 《催化学报》2017,(12):1981-1989
利用半导体光催化技术将太阳能转化为清洁化学能源是解决能源危机和环境问题的最有潜力的途径之一.过去几十年,许多半导体包括氧化物、硫化物和氮化物均表现出光催化活性.然而,半导体光催化的实际应用仍然受制于其较低的太阳能转化效率.解决上述问题的方法之一是发展高效的可见光光催化制氢材料.近年来,石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种聚合物半导体材料,受到了光催化研究人员的广泛关注.g-C3N4具有可见光吸收能力、合适的导带价带位置、良好的热稳定性和化学稳定性,且制备方法简单和结构易调控,是一种极具潜力的光催化制氢材料.然而g-C3N4仍然仅能吸收波长450 nm以下的光,且其光生电子和空穴极易复合,因而光催化制氢效率较低.目前,研究人员采用了多种改性方法来增强g-C3N4的光催化性能,其中通过元素掺杂进行能带结构调控是一种非常有效的策略.而碱金属原子(Li,Na和K)被认为可有效进入g-C3N4的内部结构,通过引入缺陷来拓宽g-C3N4的光吸收范围和提高光生电荷的分离效率.不过到目前为止,尚未见系统的比较研究来深入理解不同碱金属元素掺杂的g-C3N4在可见光光催化制氢中的性能差异.本文采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附测试、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)、时间分辨荧光光谱(TRPL)、X射线光电子能谱(XPS)、光电化学测试和光催化制氢测试等表征和测试手段比较研究了不同碱金属元素掺杂的g-C3N4在结构、光学性质、能带结构、电荷转移能力和光催化性能等方面的差异.XRD结果表明,碱金属掺杂可导致g-C3N4的层间距离增大,且碱金属原子半径越大,g-C3N4的层间距离越大.氮气吸附-脱附测试结果表明,碱金属掺杂可提高g-C3N4的比表面积,其中Na掺杂的最高.UV-vis DRS和XPS谱结果表明,依Li,Na,K的顺序,碱金属掺杂导致g-C3N4带隙逐渐变窄,使得可见光吸收能力逐渐增强,且其导带和价带位置逐渐下移.TRPL和光电化学测试结果显示,碱金属掺杂有效抑制了g-C3N4的光生载流子复合和促进了光生载流子的转移,其中Na掺杂的g-C3N4的光生载流子利用效率最高.可见光光催化制氢实验表明,碱金属掺杂显著提升了g-C3N4的光催化性能,其中以Na掺杂的g-C3N4性能最佳,其产氢速率(18.7μmol h–1)较纯的g-C3N4(5.0μmol h–1)可提高至3.7倍.由此可见,g-C3N4的掺杂改性是一个对其微结构和能带结构的优化调控过程,最终获得最优的光催化性能.  相似文献
5.
如何提高光催化制氢量子产率是太阳能分解水制氢研究的重点和焦点. Zn-Cd-S固溶体因具有窄的带隙宽度及合适的导带和价带位置而显示了广阔的应用前景. 然而, 两方面的问题限制了其规模化应用: (1)往往需负载Pt, Pd, Ru和Rh等贵金属助催化剂才能获得可观的光催化性能; (2)传统合成技术通常采用硫代乙酰胺、硫脲及硫化钠等昂贵且有毒的化学试剂作硫源. 与上述硫源相比, 生物小分子L-胱氨酸分子中含有-COOH、-NH2及-SH基团, 这些基团易于与金属阳离子配位, 因此能够有效调控硫源释放S2-的速度, 硫化物的形貌、尺寸以及取向能够灵活地得到调控. 另外, 在强碱或强酸性介质中, L-胱氨酸具有良好的水溶性, 因此材料的合成可选择在水介质中, 这对光催化过程是非常关键的, 有利于改善材料在光催化反应过程中的稳定性. 基于此, 本文以经济环保的生物小分子作硫源, 制备了高效、稳定且有可见光响应的纳米硫化物光催化体系, 旨在发展环境友好、条件温和、成本低廉、操作简单和易于工业化生产的绿色制备技术, .以L-胱氨酸为硫源和结构导向剂, 采用水热合成技术在温和条件下制备了立方相结构的Zn-Cd-S固溶体光催化剂, 采用XRD, TEM, HRTEM, XPS, UV-vis及N2吸附等手段表征了其结构和形貌. 结果表明, 随Zn含量增加, 其带隙在2.11-3.19 eV间连续可调. 在可见光(λ > 420 nm)照射、无助催化剂和Na2S/Na2SO3水溶液为牺牲剂的条件下研究了其光催化制氢的性能. 其中Zn0.9Cd0.1S具有最佳的光催化活性, 其产氢速率约为4.4 mmol h -1g -1(无助催化剂, 远高于CdS), 且显示优良的稳定性及抗光腐蚀能力. 通过经验公式计算得出了其能带结构示意图, 结果表明, ZnxCd1-xS固溶体的导带和价带的位置随着Zn含量的增加而向更负的导带和更正的价带移动. 固溶体导带电位更负促进更有效的氢产生, 电位价带更正导致电荷更容易发生转移. Zn0.9Cd0.1S高的光催化活性可能归因于中等的导带边缘和最合适的带隙. 最后利用光电流及交流阻抗阐明了其光生电子-空穴对的分离及迁移机理. 与CdS相比, Zn-Cd-S固溶体的形成促进了光生载流子在界面间的传输, 抑制了其快速复合, 从而大幅度改善了光催化活性及稳定性. 该硫化物纳米晶的绿色制备技术期望可推广到其它硫化物可见光光催化体系.  相似文献
6.
等离激元效应在光催化体系中的集成为实现广谱光吸收提供了一个新的途径,然而等离激元热电子的较低迁移率和不确定扩散方向使得其光催化效率仍较低.等离激元金属与n型半导体接触后,其界面间会形成肖特基结.在特定波长太阳光照射下,等离激元金属将其表面等离子体能量聚集在表面自由电子上,进而产生热电子.当这些热电子具有的能量高于肖特基势垒时,热电子便可注入到半导体导带上.与此同时,半导体上的电子可以通过肖特基接触发生回流,与金属上的空穴复合,进而降低半导体-等离激元金属复合材料的光催化性能.因此,为了提高光催化效率,如何调控等离激元热电子迁移和充分利用等离激元效应是一个重要挑战.本文尝试将"表面异质结"与肖特基结相结合的复合结构,得以有效地调控等离激元热电子的迁移.在该复合结构中,金纳米颗粒和铂纳米颗粒分别作为等离激元吸光单元和助催化剂,集成在TiO_2纳米片表面.其中"表面异质结"是由TiO_2纳米片的两种不同表面晶面所构成,我们选择由{001}和{101}两组晶面组成的TiO_2纳米片作为半导体衬底.该结构中的{001}晶面导带能级高于{101}导带能级,因而电子由高能级的{001}流向低能级的{101}晶面,可以用来引导等离激元热电子从可见光响应的金纳米颗粒向TiO_2进行高效转移.通过巯基丙酸的桥联作用,将等离激元Au纳米颗粒锚定在TiO_2纳米片的{001}晶面上,获得Au-TiO_2{001}样品.另一方面,利用TiO_2纳米片自身光生电荷导向性光沉积,得到与{101}晶面结合形成的Au-TiO_2{101}样品.我们对两组样品进行光电流和光催化产氢实验对比,确认在"表面异质结"诱导下Au-TiO_2{001}样品中Au产生的光生热电子可以更好地注入到TiO_2纳米片导带上.我们进一步通过光沉积Pt纳米颗粒来判定光生电子所能到达的区域,验证了以上结论.与此同时,肖特基结由铂纳米颗粒与TiO_2纳米片所形成,可以促使电子由TiO_2向铂纳米颗粒进行转移,而避免发生向金纳米颗粒的反向迁移,从而在Au-TiO_2体系中实现高效的单向载流子转移.基于该设计,等离激元光催化剂实现了明显改善的全谱光催化产氢性能.本文为全谱光催化的复合结构理性设计提供了一个新的思路.  相似文献
7.
Explorative solid‐state chemistry led to the discovery of the two new compounds Ga5B12O25(OH) and In5B12O25(OH). Extreme synthetic conditions within the range of 12 GPa and a temperature of 1450 °C realized in a Walker‐type multianvil apparatus resulted in the formation of an unprecedented tetragonal structure with the exclusive presence of condensed BO4 tetrahedra, forming cuboctahedral cavities. Doping of these cavities with Eu3+ in In5B12O25(OH) yielded in an orange–red luminescence. Photocatalytic tests of In5B12O25(OH) revealed a hydrogen production rate comparable to TiO2 but completely co‐catalyst free.  相似文献
8.
本文以氯离子配位的4-(4-甲基-苯基)-6-苯基-2,2′-联吡啶铂(Ⅱ)配合物为光敏剂,Co(dmgH)2pyCl为催化剂,三乙醇胺(TEOA)为电子牺牲体,在pH为8.5的乙腈/水混合溶剂中构建了光致产氢体系.体系光照(λ>400nm)19h后产氢量达到1.8mL,反应的转换数(TON)达到804(vs.光敏剂).  相似文献
9.
本文合成了一种水溶性的Pt(II)-Salen配合物(Salen=双5-磺酸钾水杨醛合邻苯二胺席夫碱),将其用于光催化制氢.研究发现在光催化制氢体系中仅存在Pt(II)-Salen配合物和三乙胺(TEA)而没有额外加入催化剂时,在可见光照射下有氢气产生.进一步的研究表明,Pt(II)-Salen配合物在体系中既是光敏剂,又是催化剂Pt纳米粒子的前体.同时,制氢体系中除了TEA外没有使用有机溶剂.该结果为简化多组分制氢体系提供了新思路.  相似文献
10.
TiO2@Ni(OH)2 core-shell microspheres were synthesized by a facile strategy to obtain a perfect 3D flower-like nanostructure with well-arranged Ni(OH)2 nanoflakes on the surfaces of TiO2 microspheres; this arrangement led to a six-fold enhancement in photocatalytic hydrogen evolution. The unique p-n type heterostructure not only promotes the separation and transfer of photogenerated charge carriers significantly, but also offers more active sites for photocatalytic hydrogen production. A photocatalytic mechanism is proposed based on the results of electrochemical measurements and X-ray photoelectron spectroscopy.  相似文献
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