B原子掺杂调控CuIn纳米合金电子结构以实现电化学CO2还原宽电位活性(英文)

杂原子掺杂可以调节电子结构以调整中间体吸附并优化反应路径,是设计高效CO₂还原反应(CO₂RR)催化剂的有应用前景的方法.B原子是常用的掺杂剂,引入B原子可以有效打破*COOH和OCHO*中间体的吉布斯自由能线性关系,并且可以通过与CO₂中O原子结合来增强CO₂吸附能力.B掺杂碳材料、单金属和金属氧化物的研究结果表明, B原子掺杂催化剂的CO₂RR活性和/或选择性有明显提高,然而多数报道的单个活性位点的B掺杂催化剂仅表现出在相对狭窄的电位范围内的CO₂RR高性能,设计制备CO₂RR的宽电位高选择性催化剂仍是巨大挑战.研究表明,合金化是提供多种类的活性位点相互协调和增强催化剂固有活性,进而改善CO₂RR性能并调节产物分布的可行策略.引入B原子到合金中以调节电子结构,最终优化关键中间体吸附的活性位点,对于寻找具有宽电位窗口的先进催化剂具有重要意义.本文提出了一种通过B掺杂调节CuIn合金电子结构以实现宽电位高选择性的...     

过渡金属(Mo,Fe,Co和Ni)基催化剂在电催化还原二氧化碳还原中应用

近年来,全球二氧化碳排放量逐年增加, 对人们赖以生存的生态环境已造成严重威胁, 因此将二氧化碳转化成高附加值的化学品和燃料受到前所未有的广泛关注. 与目前已开发的转化技术(如热催化和光催化等)相比, 电催化二氧化碳转化技术具有稳定的效率?可控的选择性?简单的反应单元和巨大的工业应用潜力, 是一种更为理想的转化技术之一. 从反应动力学来看, 目前的催化剂仍难以克服反应过程中高的能量屏障以及迟缓的反应速度. 另一方面, 电催化二氧化碳转化包含多个质子和电子的耦合过程, 反应过程包含多种路径, 反应产物往往是混合物. 在此背景下, 如何发展高催化效率和高选择性电催化剂成为目前研究的焦点. 在众多的电催化剂中, 贵金属及其合金展现出较高的电催化二氧化碳还原活性, 但储量小的缺点限制了其大规模的工业应用. 铜基材料可以把二氧化碳转化为附加值更高的产品. 然而, 铜基材料仍难以克服选择性差?失活严重和效率低等缺点. 作为一种更廉价的材料, 碳基催化剂具有价廉?比表面积大?导电性好?化学性质稳定以及优异的机械性能等优点在电催化二氧化碳还原中得到了广泛的研究. 然而, 单纯的碳催化剂对于二氧化碳分子活化以及吸附反应中间体能力较低, 导致了碳基材料催化电催化二氧化碳还原活性以及选择性较低. 因此, 开发出可实际应用的高效率和高选择性非贵金属电极材料是当前该技术研究中亟待解决的关键科学问题.过渡金属基化合物在能源转化中展现出巨大的应用潜力. 过渡金属价电子在d轨道, 而d轨道邻近费米能级, d轨道电子填充的变化使得d轨道中心与费米能级相对位置发生变化, 进而展现出多种催化活性. 电催化二氧化碳还原是一个多电子和质子耦合过程, 催化剂的本征活性由其表面电子结构决定. 在此背景下, 过渡金属基化合物价层电子轨道的多变性使其成为提高电催化二氧化碳还原效率和选择性的理想催化剂. 对于电催化二氧化碳还原, 不同中间体的标度关系是制约反应总效率的关键因素. N?rskov等研究发现, MoS2, MoSe2和Ni掺杂 MoS2催化剂上存在不同种类的活性位点. 不同的活性位点可以分别吸附反应中间体并使中间体的吸附过程相对独立, 从而有效打断中间体的标度关系. 2014,Salehi-Khojin等成功把MoS2应用在高效电催化二氧化碳还原中. 边缘Mo原子d带电子靠近费米能级的特性使其具有更高的电催化活性. 其它研究工作者通过引入掺杂物质, 进一步提高了MoS2的电催化二氧化碳还原性能. Fe位点在理论上虽然具有很高的电催化二氧化碳转化活性, 然而目前铁基催化剂的研究相对较少. Co基材料也可用于电催化二氧化碳转化.2016年, Xie等首次制备无机Co基材料用于电催化二氧化碳还原. 部分氧化的钴可以促进速控步骤反应进程, 进而降低整体反应的过电势. 基于此, 制备了超薄的Co3O4片层, 发现价电子轨道中心更靠近费米能级时, 电极材料展现出更高的催化活性. 进一步研究发现氧空穴的存在也可以减小速控步骤的能量屏障. 此外, Ni基材料也被证明具有高的催化二氧化碳转化活性. 目前这些研究工作对如何构建高性能电极材料在理论上给出了指导方向, 并且联系实验证明了方法的可行性. 受到这些工作的启发, 未来可将有巨大潜力的过渡金属基化合物化合物, 例如过渡金属氮化物?过渡金属磷化物?过渡金属碳化物和过渡金属硼化物等, 作为电催化剂研究其二氧化碳还原催化性能. 另外, 就目前的研究来看, 将二氧化碳有效地还原到特定的产物仍存在巨大的挑战. 如何优化过渡金属(Mo, Fe, Co和Ni)基催化剂价层d轨道结构, 促进反应中间体吸附过程, 将是解决催化活性和选择性这一科学问题的关键.     

过渡金属(Mo,Fe,Co和Ni)基催化剂在电催化还原二氧化碳还原中应用（英文）

近年来,全球二氧化碳排放量逐年增加,对人们赖以生存的生态环境已造成严重威胁,因此将二氧化碳转化成高附加值的化学品和燃料受到前所未有的广泛关注.与目前已开发的转化技术(如热催化和光催化等)相比,电催化二氧化碳转化技术具有稳定的效率、可控的选择性、简单的反应单元和巨大的工业应用潜力,是一种更为理想的转化技术之一.从反应动力学来看,目前的催化剂仍难以克服反应过程中高的能量屏障以及迟缓的反应速度.另一方面,电催化二氧化碳转化包含多个质子和电子的耦合过程,反应过程包含多种路径,反应产物往往是混合物.在此背景下,如何发展高催化效率和高选择性电催化剂成为目前研究的焦点.在众多的电催化剂中,贵金属及其合金展现出较高的电催化二氧化碳还原活性,但储量小的缺点限制了其大规模的工业应用.铜基材料可以把二氧化碳转化为附加值更高的产品.然而,铜基材料仍难以克服选择性差、失活严重和效率低等缺点.作为一种更廉价的材料,碳基催化剂具有价廉、比表面积大、导电性好、化学性质稳定以及优异的机械性能等优点在电催化二氧化碳还原中得到了广泛的研究.然而,单纯的碳催化剂对于二氧化碳分子活化以及吸附反应中间体能力较低,导致了碳基材料催化电催化二氧化碳还原活性以及选择性较低.因此,开发出可实际应用的高效率和高选择性非贵金属电极材料是当前该技术研究中亟待解决的关键科学问题.过渡金属基化合物在能源转化中展现出巨大的应用潜力.过渡金属价电子在d轨道,而d轨道邻近费米能级,d轨道电子填充的变化使得d轨道中心与费米能级相对位置发生变化,进而展现出多种催化活性.电催化二氧化碳还原是一个多电子和质子耦合过程,催化剂的本征活性由其表面电子结构决定.在此背景下,过渡金属基化合物价层电子轨道的多变性使其成为提高电催化二氧化碳还原效率和选择性的理想催化剂.对于电催化二氧化碳还原,不同中间体的标度关系是制约反应总效率的关键因素.N?rskov等研究发现,MoS_2,MoSe_2和Ni掺杂MoS_2催化剂上存在不同种类的活性位点.不同的活性位点可以分别吸附反应中间体并使中间体的吸附过程相对独立,从而有效打断中间体的标度关系.2014年,Salehi-Khojin等成功把MoS_2应用在高效电催化二氧化碳还原中.边缘Mo原子d带电子靠近费米能级的特性使其具有更高的电催化活性.其它研究工作者通过引入掺杂物质,进一步提高了MoS_2的电催化二氧化碳还原性能.Fe位点在理论上虽然具有很高的电催化二氧化碳转化活性,然而目前铁基催化剂的研究相对较少.Co基材料也可用于电催化二氧化碳转化.2016年,Xie等首次制备无机Co基材料用于电催化二氧化碳还原.部分氧化的钴可以促进速控步骤反应进程,进而降低整体反应的过电势.基于此,制备了超薄的Co_3O_4片层,发现价电子轨道中心更靠近费米能级时,电极材料展现出更高的催化活性.进一步研究发现氧空穴的存在也可以减小速控步骤的能量屏障.此外,Ni基材料也被证明具有高的催化二氧化碳转化活性.目前这些研究工作对如何构建高性能电极材料在理论上给出了指导方向,并且联系实验证明了方法的可行性.受到这些工作的启发,未来可将有巨大潜力的过渡金属基化合物化合物,例如过渡金属氮化物、过渡金属磷化物、过渡金属碳化物和过渡金属硼化物等,作为电催化剂研究其二氧化碳还原催化性能.另外,就目前的研究来看,将二氧化碳有效地还原到特定的产物仍存在巨大的挑战.如何优化过渡金属(Mo,Fe,Co和Ni)基催化剂价层d轨道结构,促进反应中间体吸附过程,将是解决催化活性和选择性这一科学问题的关键.     

Bi4V2O11/石墨烯异质结光催化剂的制备及其在降解抗体污染物中应用

发展和设计高效、廉价和稳定的光催化剂用于抗生素污染物降解仍然存在巨大的挑战。 本文通过一种便捷的水热方法制备了Bi₄V₂O₁₁/石墨烯复合材料并用于可见光下抗生素污染物光催化降解。 通过自由基追踪实验,确认了光催化降解过程中活性物质为h⁺和·OH基团。 根据实验结果,提出了相应的反应机理。 石墨烯的引入可以有效地促进光生电子-空穴对的分离,从而增强光催化活性。 该复合催化剂展现出良好的活性和稳定性。 该方法以石墨烯为载体制备了光催化降解材料,为高性能光催化剂的制备提供了参考。     

铌酸锰-还原氧化石墨烯复合光催化剂的构建以及可见光下降解亚甲基蓝

通过水热法和光还原方法成功地制备了铌酸锰-还原氧化石墨烯复合光催化剂。这种复合光催化剂可以明显地提高光催化降解亚甲基蓝的光催化活性,降解效率在60 min内达到了78.2%,是单体铌酸锰降解效率的2倍。通过活性物质捕获实验的研究,增强的光催化性能可以归因于还原氧化石墨烯加速了光生电子-空穴的分离效率,进而解决了低光催化活性的问题。     

铌酸锰-还原氧化石墨烯复合光催化剂的构建以及可见光下降解亚甲基蓝

通过水热法和光还原方法成功地制备了铌酸锰-还原氧化石墨烯复合光催化剂。这种复合光催化剂可以明显地提高光催化降解亚甲基蓝的光催化活性,降解效率在60 min内达到了78.2%,是单体铌酸锰降解效率的2倍。通过活性物质捕获实验的研究,增强的光催化性能可以归因于还原氧化石墨烯加速了光生电子-空穴的分离效率,进而解决了低光催化活性的问题。     

含二吡啶[3,2-a：2’,3’-c]并吩嗪-2-羧酸的Co(Ⅱ)配合物的合成、晶体结构及光催化性能研究

本文利用二吡啶[3,2-a:2',3'-c]并吩嗪-2-羧酸(HDPPZC)作为有机配体在水热条件下制备了配合物[CoCl_0.5(H₂O)_0.5(HDPPZC)₂](PW₁₂O₄₀)_0.5·3.5H₂O (1),利用X-射线单晶衍射、元素分析、紫外可见吸收光谱和差热分析对该化合物的结构进行了表征。单晶结构分析表明该晶体属于三斜晶系,P1 空间群,晶胞系数a=1.036 0(2) nm,b=1.564 0(3) nm,c=1.656 0(3) nm,α=80.99(3)°,β=84.93(3)°,γ=85.44(3)°,V=2.6339(9) nm³,Z=1。配合物1是由零维离散结构通过氢键和π-π堆积形成的二维超分子结构。本文还研究了该化合物对罗丹明B的光催化降解性质。     

含二吡啶[3,2-a∶2’,3’-c]并吩嗪-2-羧酸的Co(Ⅱ)配合物的合成、晶体结构及光催化性能研究

本文利用二吡啶[3,2-a∶2’,3’-c]并吩嗪-2-羧酸(HDPPZC)作为有机配体在水热条件下制备了配合物[CoCl_0.5(H₂O)_0.5(HDPPZC)₂](PW₁₂O₄₀)_0.5·3.5H₂O (1),利用X-射线单晶衍射、元素分析、紫外可见吸收光谱和差热分析对该化合物的结构进行了表征。单晶结构分析表明该晶体属于三斜晶系,P1空间群,晶胞系数a=1.036 0(2) nm,b=1.564 0(3) nm,c=1.656 0(3) nm,α=80.99(3)°,β=84.93(3)°,γ=85.44(3)°,V=2.6339(9) nm³,Z=1。配合物1是由零维离散结构通过氢键和π-π堆积形成的二维超分子结构。本文还研究了该化合物对罗丹明B的光催化降解性质。     

可见光光催化降解抗生素研究进展

随着抗生素废水在水体和陆地生态系统的肆意排放,抗生素污染已成为当今世界重要的环境问题。由于抗生素废水具有生物毒性大、含有抑菌物质等特点,传统的物理吸附法、生物处理法在处理这类难降解有毒有机废水,尤其是含残留微量抗生素的废水时效果较差。为了解决抗生素废水所引起的环境危机,人们尝试了许多方法。近年来,光催化技术作为一种适用范围广、反应速率快、氧化能力强、无污染或少污染的处理抗生素废水的方法受到人们广泛关注。半导体材料在太阳光照射下,可产生具有较强氧化作用的羟基或超氧自由基,从而起到降解抗生素分子的作用。然而,传统的光催化处理抗生素废水光催化剂主要局限于 TiO2半导体,它存在太阳光谱吸收范围窄、光生电荷复合率高等问题,严重制约其工业化应用。因此,人们一直致力于开发高效、稳定的可见光响应型光催化剂。本文根据光催化技术的基本原理,综述了目前几种基于不同策略设计开发可见光光催化降解抗生素废水的新型光催化剂的方法。
　　离子掺杂改性宽带隙半导体是开发高效可见光光催化剂的常用方法。通过过渡金属离子或非金属离子掺杂改性,可以使传统的 TiO2和SrTiO3等紫外光催化剂吸收带边发生红移,响应可见光,从而显著提高可见光下光催化剂降解抗生素的效率。然而必须注意的是,掺杂的金属离子本身会成为电子-空穴复合点位,因此,过量的掺杂金属或非金属离子可能会降低其光催化活性。考虑到单一半导体材料在光催化反应中存在的光生载流子容易复合、可见光利用率低等问题,构建异质结构复合光催化体系,通过不同半导体之间的协同作用,促进光生电荷的分离与转移,是获得高效光催化体系的重要策略之一。典型的 II型异质结光催化剂,当不同的半导体紧密接触时,由于异质结两侧能带等性质的不同会形成空间电势差,从而有利于光生载流子的分离,光催化效率提高。作为一种复合光催化体系,表面等离子体共振增强型光催化体系近年来引起了国内外学者的广泛关注。 Ag, Au和Pd金属纳米粒子在吸收光后其表面发生等离共振,随后等离子体发生衰减,把聚集的能量转移到半导体材料的导带。这个过程产生的高能电子(热电子),逃离贵金属纳米粒子而被与其接触的半导体收集,从而形成金属-半导体肖特基接触。形成的肖特基结可以显著提高光催化的光生电荷分离效率,从而提高光催化降解抗生素活性。
　　目前,与传统物化法/生化法相比,光催化技术用于处理抗生素废水具有十分明显的技术优势,在水处理方面有着很好的应用前景。针对目前光催化体系存在的光生载流子容易复合的巨大挑战,今后,构筑高效复合光催化体系(例如石墨烯基二维复合光催化剂在光生电荷分离、太阳光利用率等方面已展现出较好的综合性能)将成为高效光催化降解抗生素催化剂研发的重要方向之一。     

NaTaO3:Cu/W的结构和可见光催化制氢性能

采用高温固相法合成了可见光响应的Cu和W共掺杂NaTaO3光催化剂NaTaO3: Cu/W, 研究了Cu与W的摩尔比和共掺杂量(摩尔分数)对NaTaO3: Cu/W晶体结构、形貌、光吸收性质和可见光催化分解甲醇水溶液制氢活性的影响规律. 结果表明, Cu, W分别以Cu(Ⅱ)和W(Ⅵ)存在于\{NaTaO3: Cu/W中; Cu, W共掺杂不改变NaTaO3的晶体结构, 但能引起晶格畸变, 减小表面台阶间距; 当固定Cu与W的摩尔比, 增大共掺杂量时, 进入NaTaO3晶格的掺杂离子逐渐增多, 使(020)晶面的衍射峰逐渐向高角度方向移动, 光吸收边红移; 进一步增大共掺杂量, (020)晶面衍射峰则向低角度方向移动. 说明过量的掺杂离子不能有效进入晶格, Cu, W对NaTaO3的掺杂存在最大值; 当Cu与W的摩尔比为1: 2, 1: 3和1: 4时, 最大共掺杂量分别为8%, 6%和4%; NaTaO3: Cu/W在最大共掺杂量时光催化制氢活性明显提高. 其中, NaTaO3: Cu/W的光催化制氢活性在Cu与W的摩尔比为1: 4, 共掺杂量为4%时达到最佳值. 结果表明, Cu, W共掺杂NaTaO3可在一定程度上实现电荷平衡, 降低光生电子和空穴的复合几率, 从而提高光催化活性.