C3N5光催化制氢性能的系统研究

基于半导体的光催化制氢是解决当前日益增长的能源危机与环境污染等问题的有效选择之一.长期以来,设计具有不同结构与吸光特性的有机及无机半导体材料,开发廉价高效的助催化剂,构筑半导体异质结体系,探索实用研究装置等均受到广泛研究.其中氮化碳材料在过去十年中吸引了较大关注,但其光催化性能受到带隙较宽(代表材料C3N4的带隙为~2.7 e V)的限制.近年来,富氮型氮化碳(C₃N₅)材料因带隙更窄,在光催化污染物去除、光电能源转化和气体传感等领域被广泛研究,但其光催化制氢性能的系统研究尚未见报道.本文以3-氨基-1,2,4-三唑为原料,通过热处理制备C₃N₅,并对其光催化制氢性能进行了系统研究.X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、CHNS元素分析及红外光谱等表征结果确认成功制备了C₃N₅材料.同时,采用化学还原法(Na BH4为还原剂)负载Pt助催化剂并未对C₃N₅的结构及形貌造成影响;XRD,TEM及XPS结果表明,Pt以单质形态分散在C₃N₅材料上.紫外可见漫反射光谱(DRS)分析表明,C₃N₅在400~600 nm范围的可见光区具有强吸收,对600~800 nm范围的近红外光区也有一定的吸收能力.对Pt-C₃N₅材料的光催化制氢反应条件进行优化,以获得较好的催化活性.循环测试及光照后样品的XRD及DRS表明,C₃N₅具有良好的光催化稳定性.对比实验结果表明,负载1.0wt%Pt助催化剂时,C₃N₅的制氢速率约为C3N4的2.2倍.分析结果表明,比表面积及导带位置不是造成两种氮化碳材料光催化性能差异的主要因素.DRS、荧光光谱及光电流行为实验结果表明,C₃N₅具备更宽的可见光吸收范围,更窄的带隙及更快的光生e-/h+分离效率.采用包括原位红外在内的系列表征手段对水分子在材料表面的吸附性能进行研究,发现C₃N₅表面可以吸附更多的水分子,有利于表面水还原反应的进行.综上,本文为富氮型氮化碳材料的开发及其较高光催化活性的内在机制研究提供了新的见解.     

Cl-诱导的含氧空位原子层厚Bi2WO6的可控合成及其深度氧化NO性能

开发具有高量子效率的半导体光催化材料是极具前景的解决能源短缺和环境污染问题的策略.在已报道的诸多光催化材料中,超薄二维(2D)材料表现突出,凭借其高效的载流子分离传输性能备受研究者的青睐.然而,苛刻的合成条件、缺乏表面活性位点等问题制约了其应用.因此,温和可控地合成具有大量活性位点的原子层厚2D材料具有重要的意义.作为典型的Aurivillius氧化物,Bi₂WO₆具有独特的层状晶体结构和合适的能带位置;另一方面,其表面Bi?O键的能量较低,氧原子在缺氧条件下经热处理容易逸出,进而产生氧空位.已知氧空位引入是调节半导体能带组成和电子结构的有效手段,不仅能改善其光电性能,而且能提供反应活性位点;因此,Bi₂WO₆是设计合成具有大量活性位点(氧空位)的原子层厚2D材料的理想平台.基于此,本文拟开发温和可控的合成策略,制备表面相对干净的含氧空位原子层厚Bi₂WO₆材料,并将其用于大气污染物NO的氧化去除.本文首先通过理论计算预测了卤素离子在调控Bi₂WO₆晶体生长和表面氧空位引入方面的作用,发现卤素离子尤其是Cl^-不仅能减小原子层厚Bi₂WO₆的表面能(γ),使其稳定存在;而且能降低Bi₂WO₆(001)晶面上氧空位生成能(ΔE).受此启发,我们设计了Cl^-辅助的溶剂热法,成功制备了含表面氧空位的原子层厚Bi₂WO₆材料;并利用高分辨透射电镜技术、X射线光电子能谱等考察了Cl^-的存在形式,及其调控Bi₂WO₆晶体生长和表面氧空位形成的机理:Cl^-因为静电作用吸附在[Bi2O₂]²⁺层上,一方面抑制Bi₂WO₆原子层堆积;另一方面,Cl^-与[Bi2O₂]2+层上Bi原子成键,削弱相邻的Bi?O键,利于O原子逸出形成表面氧空位.在此基础上,将设计合成的含氧空位的原子层厚Bi₂WO₆材料用于空气污染物NO的光催化去除.结果表明,Cl^-辅助合成的BWO-Cl可见光催化去除NO的效率高达64%;且其氧化NO至NO3?的选择性为98%.为了进一步分析BWO-Cl在NO氧化反应中的高活性和高选择性的原因,进行了理论计算与光电化学测试、活性物种分析、原位漫反射红外光谱(in-situ DRIFTs)等表征.结果表明,反应的高活性源于材料原子层厚2D结构及其表面丰富的氧空位对光电性质的改善;高选择性则归因于氧空位增强了Bi₂WO₆吸附活化O₂为?O₂^?的能力,促使NO沿着热力学有利的路径氧化至NO3?.该工作初步展示了卤素离子在调控Bi₂WO₆晶体生长及表面氧空位引入方面的重要作用,对设计合成高活性的原子层厚2D材料具有指导意义;与此同时,材料在NO氧化方面展现出的高活性与高选择性也为构建高效的NO去除体系提供了新思路.