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利用太阳能光解水制氢和降解有机污染物对解决能源和环境问题具有重要意义，而可见光响应催化剂的研制是实现太阳光高效利用的关键。本文从可见光响应光催化剂的设计思路出发，从电子能带结构、固溶体结构和微观复合结构三方面介绍了目前光催化剂的研究进展和发展方向。     

高吸水性树脂溶胀热力学及吸水机理

分析了高吸水性树脂吸水的热力学本质，探讨了Flory公式的意义，通过简化的Flory公式得到吸水率与外部溶液离子强度的简单关系。同时，对高吸水性树脂在与水的相互作用以及溶胀过程进行了探讨，并以此为基础解释了一些吸水、保水现象。     

碱性电解质中BiVO4膜电极的光电化学性质

采用刮刀法制备了压制BiVO4膜电极,研究了电极在0 1 mol/L NaOH中的光电化学性质. 发现相对于中性电解质,其在碱性电解质中的光电流增大,稳定性提高. 结合循环伏安分析中间产物的还原特性,认为光催化氧化水作用是通过四空穴亲核反应历程进行的. pH值升高有利于亲核反应,过氧化物中间产物累积较少. 在较高的偏压的碱性溶液中,光氧化水的机制可能涉及铋的中间物质.     

氟改性纳米TiO2的制备及其光催化降解甲基橙机理

采用简易的沉淀-氟化-回流晶化法在低温下制备了氟改性纳米TiO₂ (F-TiO₂), 并通过透射电镜(TEM), X射线衍射(XRD), 傅里叶变换红外(FTIR)光谱, X射线光电子能谱(XPS)和漫反射光谱(DRS)等表征手段研究了粉末的形貌、晶型、元素形态和光吸收性质. 结果表明: 实验制得的F-TiO₂为椭圆形纳米颗粒, 粒径为5-8 nm; 氟离子能够有效抑制板钛矿相TiO₂的生成, 并同时提高锐钛矿相TiO₂的晶化度; 修饰的氟主要分布在TiO₂表面, 以化学吸附态为主, 并伴有少量的间隙氟. 光催化降解甲基橙的实验表明, 氟离子改性的TiO₂同时具有较高的全谱和可见光催化活性. 通过碱洗和焙烧的对照实验分析可知, F-TiO₂在可见光下降解甲基橙的机理是源于一种由TiO₂表面吸附氟和间隙氟共同增强的染料敏化降解作用.     

盐酸溶液处理钒酸铋增强可见光催化活性及其机理

采用盐酸水溶液处理BiVO₄ 的方法获得增强的光催化活性. 在0.1 mol·L^-1 酸溶液中浸渍反应6 h,BiVO₄ 的可见光催化降解苯酚的活性提高了3.5 倍. 采用X 射线衍射(XRD), 扫描电镜(TEM)和漫反射光谱(DRS)等表征手段研究处理后样品的晶相组成和表面形貌, 结合不同酸和氯化物处理的对照实验, 结果表明,在H⁺和Cl^-的协同作用下, BiVO₄表面部分溶出并以BiOCl 沉积, 形成了表面具有凹陷沟壑的BiVO₄颗粒与片状结构BiOCl 的复合物. 采用悬浮液光电压法测定BiOCl 平带电位, 通过BiVO₄和BiOCl 的能带分析及其混合颗粒的光催化活性测试, 确证二者间不存在颗粒间电子转移效应. 增强的光催化活性主要归因于BiVO₄表面形成了有助于光生电荷迁移的凹凸不平结构. 这种表面处理方法有望成为一种增强半导体化合物光催化活性的有效途径.     

可见光响应的氯掺杂TiO2的制备、表征及其光催化活性

 采用HCl水解钛酸四丁酯制备了可见光响应的氯掺杂TiO2光催化剂,并用X射线衍射线、透射电子显微镜、 X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射吸收光谱等测试手段对其结构进行了表征. 结果表明,氯元素的引入降低了无定形相向锐钛矿转变以及锐钛矿向金红石相转变的温度. 300 ℃焙烧的氯掺杂TiO2吸收波长拓展到可见光区,且XPS证实氯元素以阴离子形式存在于TiO2晶格中. 苯酚降解实验表明, 在大于400 nm的可见光照射下, 300 ℃焙烧的氯掺杂TiO2具有最佳的光催化活性, 120 min时苯酚的降解率达到42.5%.     

用于太阳光催化反应的空位工程

空位是一种点缺陷,广泛存在于非化学计量比的半导体光催化材料的晶格中.不同于其它研制复杂结构和组成的新型光催化剂的策略,空位工程设计方法可以基于传统的,由丰量元素组成的光催化剂进行表面或体相晶格的空位调控,以获得宽谱响应的高效光催化材料.该方法具有不引入杂质元素、成本低廉、方法简便等优点,且通过表面化学吸附作用可以耦合热催化和光催化过程,以实现增强的选择性光催化反应.空位的表征技术包括元素分析,扫描隧道显微镜,催化发光,光致发光或顺磁共振等直接和间接观测技术.近期正电子湮没谱发展成为一种研究空位的重要手段.这种方法可以区分不同位置(如体相和表面)和不同形式(如单一空位或联合空位)的空位并确定其相对浓度,从而用于探索空位影响光催化活性的规律.氧、氮、硫和卤素原子空位均属于阴离子空位.氢化处理法可以在光催化剂晶格中形成高浓度氧空位,并导致纳米材料表面层的晶格混乱.处理后光催化剂的光学吸收拓展到近红外区,电子给体浓度大大提高,促进了电子输运和界面电荷的迁移与分离;然而,可见光区的吸收对增强的光催化活性没有贡献.氧空位还可以作为活性位点吸附和解离反应物,促进电子从催化剂到吸附质间的转移,甚至直接参与到光催化和光化学反应中.富含氧空位的WO3可以耦合热催化和光催化反应促进CO2的选择性还原,或者利用近红外光活化分子氧并选择性氧化胺.氮空位是含氮的n型半导体光催化材料的本质属性.石墨氮化碳中的氮空位有助于促进电荷分离,同时可以作为化学吸附位用于选择性吸附,活化和还原氮气,因此富含氮空位的光催化剂在还原含氮化合物方面具有应用潜力.由于卤素原子在层状卤氧化铋的层间以较弱的范德华力存在,该类化合物容易形成卤原子空位.通过热处理碘氧化铋可以获得活性增强的含碘空位化合物.空位的出现导致带隙变宽和价带下移,光生空穴氧化能力提高,从而获得更好的光催化活性.传统的n型半导体光催化剂中难以形成阳离子空位.理论研究表明,含阳离子空位的TiO2具有一系列优点,包括电子传输性能提高,载流子复合受到抑制等.并且钛空位可以作为表面活性位促进水的吸附和离解,从而提高光解水效率.含钛空位的p型TiO2可以通过焙烧甘油化的前驱体制备,钛空位的出现使得光解水和催化降解有机物活性均大幅提高.含碳空位的石墨氮化碳不仅表现出增强的光催化活性,同时能够提高氧吸附并促进两电子还原氧气产生H2O2的反应过程.铋空位能够有效提高铋基光催化剂BiPO4和Bi6S2O15的活性.二维纳米材料的晶面和厚度可以影响表面空位的组成和浓度.BiOCl纳米片的表面是以铋空位为主,而超薄的BiOCl纳米片则是以铋氧联合空位为主,从而表现更优异的光催化活性.最近研究者在含空位的高性能光催化剂制备以及性能调控规律方面取得了长足进展,今后还将继续发展先进的表征技术,进一步研究空位的调控和稳定化手段,并全面理解空位对光催化反应的影响基本规律.空位工程将在半导体光催化技术中发挥更加重要的作用.