TiO_2/Bi_2WO_6纳米异质结的制备及其可见光光催化性能

采用共沉淀法制备了不同Ti/Bi摩尔比的TiO_2/Bi_2WO_6纳米异质结可见光光催化剂.采用XRD、HR-TEM、XPS及UV-vis DRS测试技术对样品的晶相结构、微观形貌、组成及吸光性能等进行了表征分析.以MB模拟环境污染物,考察了TiO_2/Bi_2WO_6纳米异质结的可见光光催化活性.结果表明,当热处理温度为700℃,n(Ti)∶n(Bi)的比值为1∶5.4,可见光照射180 min时,TiO_2/Bi_2WO_6纳米异质结对MB的降解率达80.0%,是纯Bi_2WO_6的12倍.光催化活性的提高可归因于TiO_2与Bi_2WO_6复合后可以产生能带交叠效应,从而促进光生电子-空穴对的有效分离.     

Bi2WO6/UiO-66复合材料的制备及其光催化性能

通过水热法制备了一种复合光催化剂Bi_2WO_6/UiO-66,探究了模板剂乙酸(CH_3COOH)对Ui O-66形貌的影响和2种中心元素Bi与Zr的不同物质的量之比对光催化性能的影响。通过XRD、SEM、N_2吸附-脱附、UV-Vis DRS、XPS等对催化剂的物相、形貌、比表面积、光吸收性能、元素组成等进行表征。实验结果表明,当n_(Bi)∶n_(Zr)=2∶1时,Bi_2WO_6/UiO-66对罗丹明B(RhB)的光催化活性最高,可见光照射50 min后,RhB的相对浓度降低98.5%。经过5次循环利用实验,催化剂的光催化活性没有明显下降,说明复合光催化剂的稳定性高。根据自由基捕获实验证明了空穴(h~+)为光催化中起决定性作用的活性物质,结合电化学测试以及UV-Vis DRS表征提出了可能的光催化降解机理。     

离子交换法制备高光催化活性Bi_2WO_6@Bi_2S_3异质结纳米片（英文）

社会经济快速发展的同时,也带来了日益严峻的环境污染问题.半导体光催化氧化技术因节能环保而在环境领域有广阔的应用前景.作为最具有代表性的半导体光催化材料,TiO_2因为其禁带宽度(3.2 eV)比较大,只能被紫外光激发,因而对太阳能的利用率较低.作为一种最简单的含铋层状氧化物,Bi_2WO_6的禁带宽度(2.7 eV)相对较小,可以部分利用太阳光中的可见光,因而受到广大研究者的青睐.但是,Bi_2WO_6光催化材料的可见光响应范围较窄,仅能被波长小于450 nm的光激发,且激发后的光生载流子容易复合,导致光催化效率不高.因此,迫切需要对Bi_2WO_6光催化材料进行结构修饰与改性,采用拓展其光响应范围和抑制载流子复合,来提高其光催化活性.本文采用离子交换法原位合成了具有核-壳结构的Bi_2S_3@Bi_2WO_6纳米片,充分利用Bi_2S_3优良的可见光响应性能和半导体异质结光催化剂的构建,来提高Bi_2WO_6的光催化活性.结果表明,随着Na2S·9H2O用量从0增加到1.5 g,所得催化剂的光活性不断提高,X3B的降解速率常数由0.40×10~(-3) min~(-1)增加到6.6×10~(-3) min~(-1),催化剂活性提高了16.5倍.当进一步增加Na2S·9H2O的用量时(1.5.3.0 g),复合催化剂的光活性下降.这是由于过多Na2S·9H2O的引入导致在催化剂表面生成了没有光活性的NaBiS2层(Bi_2S_3+Na_2S=2NaBiS_2),占据了催化剂的活性位点,阻碍了染料分子与催化剂的直接接触.Bi_2WO_6@Bi_2S_3异质结纳米片光活性的提高,可归因于Bi_2S_3的敏化作用极大拓展了复合催化剂的光响应范围;另一方面,Bi_2WO_6和Bi_2S_3两者之间的半导体异质结效应有效促进了光生载流子在空间的有效分离,抑制了光生电子-空穴的复合,从而提高了复合催化剂的催化效率.本研究为其他半导体复合材料的原位生长制备提供了新的思路     

2D/0D氮化碳与MoS_2量子点直接Z型光催化剂的构筑及光催化性能(英文)

近年来,光催化技术作为一种"绿色"技术,在解决环境问题和能源危机等方面有着广泛的应用.新型可见光响应的半导体光催化材料g-C_3N_4具有二维(2D)纳米片结构,合适的禁带宽度(Eg=2.7 eV),优异的化学稳定性和低廉成本得到广泛的研究.但是,g-C_3N_4光催化剂本身的光生电子-空穴对复合几率高以及可见光响应范围窄等缺点,使其在光催化领域应用中具有一定的局限性.因此,提高g-C_3N_4半导体材料的光催化活性成为近年的研究热点.众所周知,Z型光催化体系的构筑不仅使材料具有较强的氧化还原能力而且有利于其光生电子-空穴的有效分离.但传统Z型光催化体系由于贵金属的引入、复杂的反应体系限制了其在实际领域中的应用.因此,构筑无电子介体的直接Z型光催化体系成为光催化领域的研究热点之一.与块状材料相比,零维(0D)量子点材料具有带隙可调性,可见光和近红外区域的强光收集能力等性能,在光催化领域具有广阔的应用前景.MoS_2量子点具有优异的光学和电子性能,因此,在催化、荧光检测、生物成像领域有重要的应用价值.我们结合水热和微乳溶液法合成了直接Z型g-C_3N_4/MoS_2 QDs(2D/0D)复合光催化材料,并采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM),透射电子显微镜(TEM)以及紫外可见漫反射光谱(UV-vis)等表征方法对该催化剂的结构特征、微观形貌和光学性能进行分析.并研究了g-C_3N_4/MoS_2 QDs复合材料在可见光下的光催化性能.XRD,XPS结果表明,复合材料由g-C_3N_4,MoS_2组成.TEM和高斯分布结果表明,MoS_2 QDs具有良好的分散性,其尺寸小于5 nm,g-C_3N_4纳米片由具有皱纹和不规则折叠结构的薄层组成,在g-C_3N_4/MoS_2 QDs复合材料中可以看到少量的MoS_2量子点沉积在片状g-C_3N_4的表面上.光催化性能测试结果进一步表明,7%MoS_2 QDs/g-C_3N_4在可见光下具有优异的光催化性能:可见光照射12 min内,RhB的降解效率可达100%,降解速率常数是纯g-C_3N_4的8.8倍.为了进一步研究g-C_3N_4/MoS_2异质结光催化剂的光催化机理,用对苯醌、乙二胺四乙酸二钠和丁醇进行了自由基捕捉剂实验.结果表明,超氧自由基在降解有机染料过程中起主要作用,羟基自由基和空穴在增强的光催化性能中发挥相对较小的作用.通过光电流测试、材料价带导带位置计算以及·O_2~-和·OH定量实验结果并结合文献分析认为,MoS_2量子点和g-C_3N_4之间优良的界面接触以及由直接Z型结构产生的光生电荷载体的有效分离使其光催化性能得到显著提升.     

Bi_2WO_6/ZnO:一种在可见光下具有优良光催化性能的花状新型复合材料（英文）

印染废水具有水量大、色度高、难生化降解、有毒有害物质多等特点;另外抗生素废水的大量排放对水生和陆地生态系统带来了危害.光催化可有效降解有机物,因而被广泛研究和应用,其多以半导体作为光催化剂.ZnO因价廉、无毒、来源广、光催化活性高而广受关注.但是,由于其带隙较宽,只能被紫外光激发,对太阳光的利用率低,且易发生光腐蚀,光稳定性较差,从而大大降低了光催化活性,不利于其应用.将ZnO与其他半导体复合是改善其光催化活性的最有效方法之一.铋基光催化剂一直是光催化领域的研究热点,作为无机半导体纳米晶之一,Bi_2WO_6具有无毒性、适当的带隙和优异的光催化性能,因而得到广泛关注.本文将Bi_2WO_6复合到ZnO上以降低ZnO带隙能,提高其对太阳能的转换,降低电子-空穴的复合几率,促进电荷转移的有效分离,从而提高ZnO的光催化性能.本文采用两步水热法合成了一种异质结的花状Bi_2WO_6/ZnO复合材料.通过降解亚甲基蓝(MB)和四环素,研究了其光催化性能.结果表明,该Bi_2WO_6/ZnO复合材料对MB和四环素具有优异的光催化活性,对它们的光降解效率分别是纯ZnO的246和4500倍,相应地,对这两种污染物的光降解率分别是纯ZnO的120和200倍.活性因子捕获实验结果显示,超氧自由基在光催化降解过程中起主要作用,其次是羟基自由基和光生空穴.采用X射线衍射、透射电镜、扫描电镜、紫外-可见漫反射、N_2吸附脱附、X射线光电子能谱、荧光光谱、光电流等方法对材料的形态结构、孔结构、化学组成、带隙能、光吸收性质、载流子复合效率等进行了分析.复合后Bi_2WO_6/ZnO的形貌为微米尺寸纳米结构的花状绒球,直径约为4μm,带隙能量从3.2 eV降为2.6 eV.Bi_2WO_6/ZnO为介孔结构,复合后比表面积为原来的4.98倍.所制备的Bi_2WO_6/ZnO光催化剂比纯Bi_2WO_6和ZnO颗粒具有更高的瞬态光电流密度(约为4.5μA).综上,Bi_2WO_6和ZnO成功复合形成了异质结,降低了ZnO的禁带宽度,促进了电子和空穴的有效分离,从而提高了其光催化活性.     

Bi2WO6量子点(QDs)修饰Bi2MoO6-xF2x异质结的构筑及其催化活性增强机理

采用简单沉积-沉淀法合成了Bi_2WO_6@Bi_2MoO_(6-x)F_(2x)(BWO/BMO_(6-x)F_(2x))异质结,借助XRD、XPS、TEM、SEM、EDS、UV-Vis-DRS、PC和EIS等测试技术对其组成、形貌、光吸收特性和光电化学性能等进行系统表征,并以模型污染物罗丹明B(Rh B)的光催化降解作为探针反应来评价Bi_2WO_6@Bi_2MoO_(6-x)F_(2x)异质结的光催化活性增强机制。形貌分析表明,所得Bi_2MoO_6微球由大量厚度为20~50 nm的纳米片组成;FE-SEM和HR-TEM分析表明,尺寸约为10 nm的Bi_2WO_6量子点均匀沉积在Bi_2MoO_(6-x)F_(2x)微球表面,形成新颖的Bi_2WO_6@Bi_2MoO_(6-x)F_(2x)异质结;与纯Bi_2MoO_6或者Bi_2WO_6相比,1∶1Bi_2WO_6@Bi_2MoO_(6-x)F_(2x)异质结表现出更好的光催化活性和光电流性质,其对RhB光催化降解的表观速率常数分别为纯BMO和BWO的6.4和11.6倍。PC和EIS图谱分析表明,Bi_2WO_6量子点表面沉积显著提高Bi_2MoO_(6-x)F_(2x)光生电子/空穴的分离效率和迁移速率;活性物种捕获实验证明了·O_2~-和h~+是主要的活性物种。根据实验结果,探讨了F-掺杂和Bi_2WO_6量子点之间的协同效应对Bi_2MoO_6的光催化活性的影响机制。     

具有可见光增强芬顿活性的Ⅱ型2D/2D Cu_2ZnSnS_4/Bi_2WO_6异质结（英文）

高级氧化工艺(AOPs)是一种处理有机污染物的极具吸引力的技术.大量的前期研究工作集中在通过芬顿反应(Fenton)降解有机污染物.然而,芬顿反应需要在酸性条件下进行,必须在其过程中进行预处理.同时,反应后产生的含铁污泥需要进一步处理以满足排放要求,从而限制了芬顿反应的发展.作为另一种AOPs,光催化技术因反应条件温和、操作简单和选择性好等优点受到广泛关注.研究表明,各种铁基和铜半导体光催化材料形成光-芬顿(Photo-Fenton)系统,可有效解决芬顿反应中高价金属离子/低价金属离子的循环问题.为了充分利用芬顿氧化技术和光催化氧化技术在降解有机污染物方面的各自优势,构建具有宽太阳光谱响应的新型光芬顿催化剂具有重要意义.由于其独特的层状结构和优越的有机物光催化性能, Bi_2WO_6作为结构最为简单的钙钛矿型层状氧化物,其禁带宽度为2.6–2.8 eV,可响应可见光,已成研究最多的光催化材料之一.研究表明,将Bi_2WO_6与合适的助催化剂耦合以构建异质结是提高光生载流子分离效率、拓宽Bi_2WO_6可见光响应范围的一种有效策略.在众多的窄带隙半导体助催化材料中,Cu_2ZnSnS_4作为一种p-型窄带隙半导体,可以响应可见光甚至近红外光.近年来,已经广泛报道了Cu2ZnSnS4可以作为与其他半导体光催化剂进行结合以提高光催化活性的有效助催化剂.在本文中,新型Cu_2ZnSnS_4/Bi_2WO_6(CZTS/BWO)异质结构通过简单的二次溶剂热法构建.异质结的成功形成得到了一系列表征方法的证实,比如XPS和HR-TEM.光催化活性结果表明,制备的CZTS/BWO异质结对有机污染物的降解具有优异的光催化性能,特别是当CZTS相对于异质结中BWO的质量分数为2%时.此外,加入过氧化氢(H_2O_2)可进一步提高染料和抗生素的降解效率.增强的光催化和光芬顿降解性能主要是由于BWO的引入,其提供了更多的活性位点,扩展了太阳光谱响应范围并加速了Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的循环.催化剂的催化活性在经过四次循环实验后并没有显著降低.最终我们合理假设了光催化和光-芬顿催化机理.本项研究可为设计新型光-芬顿催化剂提供新的视角,即共同利用光催化活性和芬顿活性进行废水中残留有机物的净化.     

水热法制备Pr掺杂Bi_2WO_6三维花状微球的光催化性能（英文）

通过水热法制备稀土Pr掺杂Bi_2WO_6三维花状微球,利用XRD、SEM、N2吸附-脱附、紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱对所制备的光催化材料进行表征。通过降解亚甲基蓝评价样品的光催化活性。结果表明,1.0%Pr-Bi_2WO_6样品的可见光催化活性最佳,降解率达到95%。Pr掺杂提高了催化剂的可见光吸收性能并且能够束缚光生电子使得电子空穴对有效分离从而获得强氧化物质。对其光催化降解做出了合理的解释。     

Bi_2WO_6/TiO_2纳米管异质结构复合材料的多模式下的光催化活性比较（英文）

以TiO_2纳米管为模板,采用多组分自组装结合水热法制备Bi_2WO_6/TiO_2纳米管异质结构复合材料。通过多种技术如X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS),N2吸附-脱附,扫描电镜(SEM),高分辨透射电镜(HRTEM)和紫外可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)考察所制备样品的组成、结构、形貌、光吸收和电子性质。Bi_2WO_6纳米片或纳米粒子分布在TiO_2纳米管上,形成异质结构。随后,通过在紫外、可见和微波辅助光催化模式下降解染料罗丹明B(Rh B)来评价复合催化剂的光催化活性。与TiO_2纳米管和Bi_2WO_6相比,Bi_2WO_6/TiO_2-35纳米管在多模式下表现出更优异的光催化活性。与紫外和可见降解模式相比,Bi_2WO_6/TiO_2-35纳米管在微波辅助光催化模式下对Rh B的降解效率最高。这种增强的光催化活性源于适量Bi_2WO_6的引入、纳米管独特的形貌特征和降解模式所引起的增强的量子效率。降解过程中的活性物种被证明是h+,·OH和·O2-自由基。而且,在微波辅助光催化模式下,可产生更多的·OH和·O2-自由基。     

Bi_2WO_6/TiO_2纳米复合材料对乙烯的光催化降解

采用乙二醇溶剂热法制备了Bi_2WO_6/Ti O_2纳米复合材料,并利用X射线衍射仪(XRD),透射电子显微镜(TEM),扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对其进行了表征.结果表明,纳米Ti O_2附着在Bi_2WO_6表面,通过两者表面基团的相互作用形成了异质结构;与单一Bi_2WO_6相比,Bi_2WO_6/Ti O_2的晶粒尺寸更小,比表面积更大,具有更高的光催化活性.对乙烯的光催化降解结果表明,Bi_2WO_6/Ti O_2在可见光和模拟太阳光下均表现出较强的光催化降解乙烯活性,在可见光下催化降解乙烯的速率常数(K'值)可达9.312×10~(-4)min~(-1),相比Bi_2WO_6和Ti O_2分别提高了89.34%和884.25%.     

利用Bi的SPR效应增强Bi_2WO_6的可见光催化NO氧化去除性能（英文）

作为大气中的典型污染物之一,化石燃料燃烧产生的NO不仅会引起酸雨,还会影响人体呼吸系统.半导体光催化技术可以利用太阳能和空气中的氧气来分解环境污染物,因而得到了国内外学者的广泛关注.作为最具代表性的半导体光催化材料,TiO_2虽然具有较强的氧化能力和优异的生物相容性,但是其禁带宽度较大(3.2 eV)而只能被紫外光激发,无法充分利用太阳能.因此,开发新型可见光响应的半导体催化材料具有重要意义.Bi_2WO_6是一种独特的具有层状结构半导体光催化材料,因其具有可见光响应性能而受到了广泛关注;但是可见光响应范围窄(禁带宽度2.6?2.8 eV)以及其较快的光生载流子复合,导致Bi_2WO_6其光催化效率不高,迫切需要采取有效措施对Bi_2WO_6进行改性.贵金属(诸如金和银)纳米粒子可见光区的表面等离子体效应(SPR),可以用来增强半导体材料的可见光催化性能.但是,贵金属的价格昂贵,难以满足实际需求.近来的研究发现,非贵金属Bi同样具有类似的表面等离子体效应.因此,本文选用以乙二醇为还原剂,通过低温还原Bi(NO_3)_3的方式,在花球Bi_2WO_6表面,成功制备了沉积了Bi纳米球复合光催化次材料.本文用NO的可见光催化氧化来评价Bi/Bi_2WO_6复合材料的光催化性能的可见光催化性能,所使用的光源为可见光LED灯(λ400 nm).结果发现:(1)单一组分的Bi金属和Bi_2WO_6前驱体花球均表现出非常差的光催化活性,NO去除率分别仅为7.7%和8.6%;(2)随着Bi纳米球的负载量从0增加至10 wt%,复合材料Bi/Bi_2WO_6的NO去除效率从12.3%稳定增加至53.1%至20 wt%时开始降低.这可能是由于Bi纳米球阻碍了Bi_2WO_6对光的吸收;(3)改性后的Bi/Bi_2WO_6具有良好的可见光催化稳定性,循环使用在五次后其活性变化不大.光催化机理研究结果显示,Bi/Bi_2WO_6增强的可见光NO去除性能归因于Bi纳米球的SPR效应.在可见光照射下,Bi纳米球的SPR效应产生的电场可以显著促进Bi_2WO_6的光生载流子分离效率.同时,Bi纳米球可以快速转移Bi_2WO_6导带上的光生电子,生成超氧游离基(·O_2~?),从而抑制了光生电子和空穴的复合.Bi_2WO_6表面的空穴可以被表面吸附水捕获,产生羟基自由基(·OH).在活性氧物种·OH和·O_2~?的不断进攻作用下,NO最终被氧化.本文为宽禁带半导体的非贵金属敏化,提升其可见光催化性能解决环境问题提供了新思路.     

ZnCuAl-LDH/Bi_2MoO_6纳米复合材料的构建及其可见光催化降解性能（英文）

本工作采用稳态共沉淀法制备了ZnCuAl-LDH/Bi_2MoO_6 (LDH/Bi_2MoO_6)纳米复合材料,并研究了所得材料在可见光下降解污染物罗丹明B (RhB)的光催化性能。结果表明,所得LDH/Bi_2MoO_6纳米复合材料比单纯的ZnCuAl-LDH和Bi_2MoO_6具有显著提高的光催化活性和较好的稳定性。光催化性能的提高得益于异质结的形成以及高的比表面积,从而有利于光生电子-空穴对的有效分离和更多光催化活性位点的暴露。研究发现,在光降解过程中,所产生的·OH和O_2~(·-)是主要的反应性物种,而e~-和h~+的贡献较少。基于实验结果,提出了一种可能的光催化机制。本工作提供了一种制备基于LDH和(或)Bi_2MoO_6纳米复合材料的方法,所得LDH/Bi_2MoO_6纳米复合材料可望作为一种可见光光催化剂,在净化环境和缓解资源短缺方面有潜在应用。     

g-C3N4/Bi2O2CO32D纳米片复合材料的制备及可见光催化性能研究

采用自组装和化学沉淀法分别制得两种可见光驱动复合材料石墨相氮化碳/碳酸氧铋(g-C_3N_4/Bi_2O_2CO_3).采用X射线衍射光谱(XRD),紫外可见光谱、扫描电镜(SEM)、N_2吸附、电化学阻抗谱(EIS)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对制备的催化剂进行了表征.结果表明,制备方法对纳米复合材料的晶相、形态及光学性能没有影响,但是影响g-C_3N_4和Bi_2O_2CO_3之间的相互作用力,导致光生电子-空穴对的分离速率存在显著差异.以可见光驱动苯酚和罗丹明B的降解实验为探针反应检测催化剂的光催化性能.实验结果表明自组装法得到的异质结催化剂中相互作用力更强,催化效果最高.O_2-是罗丹明B降解反应的主要活性物种,染料的光敏化、Bi_2O_2CO_3与g-C_3N_4综合效应,导致光生载流子电荷分离效率更高.     

构建2D-2D TiO2纳米片/层状WS2异质结用以增强可见光响应光催化活性

自Fujishima等首次报道以来, TiO_2作为一种重要的光催化剂引起了人们的广泛关注.迄今为止,研究人员已经开发出了各种形貌的具有不同晶型结构的TiO_2,并用于光催化降解有机污染物.然而, TiO_2的宽禁带(3.2 eV)使其难以被可见光激活,导致对太阳光的利用效率低下.而且,在光催化反应中,低的量子效率无法满足实际应用.因此,开发具有可见光响应的高催化活性的TiO_2基催化剂具有重要意义.集成复合材料、纳米材料和界面的优势构建纳米复合材料已成为提高TiO_2光催化活性的重要策略. WS_2具有典型的类石墨烯层状结构和窄的带隙(1.35 eV),且其导带高于TiO_2的导带,适合作为助催化剂修饰TiO_2,使其具备可见光响应光催化活性.本文采用一步水热法,以二维(2D)TiO_2纳米片作基质材料,直接在其表面原位生长WS_2层,制得了2D-2D TiO_2纳米片/层状WS_2(TNS/WS_2)异质结. XRD及Raman结果表明,层状WS_2与TiO_2纳米片紧密结合在一起,且两者之间形成了W=O键.TEM结果显示,层状WS_2以面-面堆叠方式均匀地包覆在TiO_2纳米片表面,包覆层数约为4层.光催化性能测试结果表明,可见光照射下, TNS/WS_2异质结对RhB的光催化降解能力高于原始TiO_2纳米片和层状WS_2,光催化活性得到明显增强.紫外可见光谱试验结果显示,层状WS_2的引入极大地增强了异质结的光吸收性能. PL光谱测试表明, TNS/WS_2异质结具有更高效的载流子分离效率.为了进一步证实是光吸收性能的提升还是载流子分离效率的增强对光催化性能提起其主要作用,本文还研究了3D-2D TiO_2空心微球/层状WS_2(THS/WS_2)复合材料.结果表明, TNS/WS_2异质结比THS/WS_2复合材料具有更高效的光生电子和空穴的分离能力.从而证明了TiO_2纳米片与层状WS_2之间完美的2D-2D纳米界面和紧密的界面结合,显著增加了载流子分离效率,因此光催化活性得到明显提高.为了研究TNS/WS_2异质结光催化剂的光催化机理,采用重铬酸钾、草酸铵、叔丁醇和对苯醌作自由基猝灭剂进行了自由基捕捉剂实验.结果表明,空穴在RhB降解过程中起主要作用,超氧自由基起次要作用.基于自由基猝灭实验结果和带隙结构分析,提出了TNS/WS_2异质结对RhB的光催化机理为双转移光催化机理.可见,界面异质结工程化可能是制备高效和环境稳定的光催化剂的新思路     

WO_3中单斜相/六方相异相结的构建及提高光催化降解罗丹明B活性（英文）

光催化技术被认为有可能成为解决环境污染和能源危机的有效手段之一,引起了各国政府和科学家的极大兴趣.以TiO_2,WO_3和Bi_2O_3等半导体为催化剂的光催化反应受到广泛关注.WO_3是一种典型的n型半导体材料,具有电致变色、气敏和光催化等性能,在电致变色器件、气敏传感器和光催化剂等方面有着广泛应用前景.由于WO_3具有高的太阳能利用率、良好的可见光响应性和较强的抗光腐蚀性,是一种极具开发潜力的半导体光催化材料,所以在光解水制氢及催化降解有机污染物等领域中得到广泛应用.然而,WO_3半导体表面上较高的光生电子-空穴复合效率是影响其光催化性能的主要因素之一,从而限制了WO_3在光催化领域的工业应用.研究发现,TiO_2材料在从锐钛矿向金红石转变的过程中,通过精细调变焙烧温度,可以在两种晶相的界面形成TiO_2异相结.形成的锐钛矿-金红石异相结能有效促进电子-空穴分离.目前,构建异相结已成为改善光催化剂电子-空穴分离效率的有效方法之一.近年来,人们先后成功构建了a-Ga_2O_3/b-Ga_2O_3,a-Bi_2O_3/b-Bi_2O_3和WO_3/WO_3·H_2O等异相结,这些异相结催化剂在光催化降解水产氢和降解污染物反应中显示了比单一晶相更高的光催化活性.WO_3是一种多晶相材料,具有正交、六方、单斜和四方等多种晶体结构,其中六方晶相(h-WO_3)由于具有开放结构而在气体传感器和电池电极等领域显示了突出性能,而单斜晶相(m-WO_3)具有合适的带宽和良好的可见光响应性,因而广泛应用在光催化领域.而且,h-WO_3的导带和价带均低于m-WO_3的导带和价带,所以在WO_3材料中有可能通过构建单斜/六方异相结(m-WO_3/h-WO_3)来提高WO_3的光催化性能.本文借鉴半导体异相结概念,采用固相热分解法,试图通过调节焙烧温度和焙烧时间以构建m-WO_3/h-WO_3异相结催化剂.利用X射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)和N_2吸附-脱附等方法对WO_3样品的晶相结构、形貌和元素组成等进行了表征.以光催化降解罗丹明B(RhB)为模型,研究了不同晶相WO_3材料的光催化性能,考察了WO_3晶相和异相结对其光催化性能的影响,从而为WO_3材料中异相结的构建提供思路、方法和理论指导.结果表明,采用偏钨酸铵固相热分解制备WO_3的过程中,焙烧温度为600–700℃时,样品为单斜晶相,随着焙烧温度升高至800℃时,样品中开始出现六方晶相.随着焙烧温度升高,h-WO_3的含量没有明显变化,当温度升至1000℃时,h-WO_3的含量有所减少.SEM和HRTEM结果验证了m-WO_3/h-WO_3异相结的形成,小的m-WO_3粒子分布在棒状h-WO_3上,并且两者紧密接触.为了进一步证实WO_3的异相结效应,将偏钨酸铵在800℃焙烧不同时间(8–30 h).结果表明,通过改变焙烧时间可有效控制m-WO_3和h-WO_3混合晶相比例,800℃焙烧8 h时m-WO_3为主要晶相,焙烧12 h时h-WO_3含量明显增加,当焙烧时间延长至24和30 h时h-WO_3含量减少.SEM结果同样显示,在800℃焙烧12 h样品中棒状h-WO_3显著增多,与小的m-WO_3粒子接触几率增大,即m-WO_3/h-WO_3异相结数量增加.不同晶相WO_3样品光催化降解RhB的结果表明,具有m-WO_3/h-WO_3异相结结构的WO_3催化剂具有较高光催化活性.荧光光谱结果表明,单斜相/六方相异相结的形成提高了电子-空穴分离效率,从而提高了其光催化降解Rh B的活性.而在具有m-WO_3/h-WO_3异相结结构的WO_3催化剂中,随着焙烧温度升高或焙烧时间延长,h-WO_3含量有所减少,从而导致暴露的m-WO_3/h-WO_3异相结数量减少,因而使得活性有所降低.本文采用固相热分解法通过调变焙烧温度构建了m-WO_3/h-WO_3异相结光催化剂,显著提高了光催化降解RhB的活性,这对设计合成高效WO_3基光催化剂具有一定借鉴.     

一锅法合成在可见光下具有高效降解草甘膦的牡丹状Bi2S3/BiVO4(040)复合光催化剂

草甘膦是一种广谱除草剂, 2015年世界卫生组织国际癌症研究机构宣布草甘膦可能对人类致癌(2A类).单斜白钨矿型BiVO_4是一种较广泛研究的可见光光催化剂,但由于其光生电子和空穴迁移慢且容易复合而导致其光催化活性低.此外,有研究表明, BiVO_4的(040)晶面易于光生载流子分离,从而提高其光催化性能.Bi_2S_3的带隙能为1.27 eV,能被全可见光(400-800 nm)激发.Bi_2S_3的导带和价带位置与BiVO_4匹配,能形成异质结,从而提高其光催化活性.本文以EDTA为导向剂, L-半胱氨酸为硫源和软模板,采用一锅水热法制备了单斜白钨矿型BiVO_4,主要以(040)晶面为暴露面的Bi_2S_3/BiVO_4复合光催化剂.采用钼锑抗分光光度法测定草甘膦最终光催化降解产物之一PO_4~(3-)浓度,来计算草甘膦的降解率.X射线衍射(XRD)结果表明, Bi_2S_3/BiVO_4复合光催化剂只含Bi_2S_3和BiVO_4两种成分,没有其他晶相存在.场发射扫描电子显微镜(FESEM)显示,纯BiVO_4为片状结构,随着Bi_2S_3复合量增加, Bi_2S_3/BiVO_4的形貌为小片组成的牡丹状;但Bi_2S_3复合量进一步增加, Bi_2S_3/BiVO_4颗粒聚集严重.XRD, FESEM和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)结果表明, Bi_2S_3复合量对Bi_2S_3/BiVO4样品(040)和(121)面晶生长及形貌有显著影响.Bi_2S_3的复合提高了Bi_2S_3/BiVO_4对可见光的吸收能力,经计算BiVO_4和Bi_2S_3带隙能分别为2.42和1.27 eV.随着Bi_2S_3复合量增加, Bi_2S_3/BiVO_4的光催化活性逐渐提高,至1 mmol时最高,对草甘膦的降解率为纯BiVO_4的2.2倍;但随着Bi2S3复合量进一步增加, Bi_2S_3/BiVO_4的光催化活性反而下降,可能是由于Bi_2S_3量太多包覆在BiVO_4表面而Bi_2S_3光催化性能很差的缘故.瞬态光电流测试和电化学阻抗谱的结果证实, Bi_2S_3/BiVO_4比BiVO_4具有更有效的电荷分离和更快的界面电荷转移能力.活性成分捕获剂实验表明,加入空穴捕获剂EDTA或电子捕获剂K_2Cr_2O_7完全抑制了草甘膦的降解.ESR谱证明羟基自由基·OH的存在.通过计算,得出BiVO_4的价带电位(EVB=2.87 eV vs. NHE)比Bi_2S_3 (EVB=1.69 eV vs. NHE)正,而Bi_2S_3 (EVB=0.42 eV vs. NHE)的导带电位比BiVO_4 (EVB=0.45 eV vs. NHE)负,能带匹配,即光生电子从Bi2S3迁移至Bi VO4,光生空穴从BiVO_4迁移至Bi_2S_3,从而将光生电子与空穴有效分离利用,达到提高其光催化性能的目的.Bi_2S_3/BiVO_4样品对草甘膦的光催化降解活性提高,主要是由于Bi_2S_3/BiVO_4异质结结构的形成提高了其对可见光的吸收能力和电子空穴对的分离效率.此外, Bi_2S_3/BiVO_4具有相对稳定性和可重复使用性.该方法简单,可制备用于光催化降解有机污染、光催化裂解水和光催化还原二氧化碳等不同领域的高活性复合光催化剂.     

磁性γ-Fe_2O_3/La/Bi_2WO_6复合材料的制备及其光催化性能的研究

采用γ-Fe_2O_3掺杂对La/Bi_2WO_6进行改性。通过超声-水热法合成出粒径在0.2-1.0μm,表面附着γ-Fe_2O_3球形颗粒的La/Bi_2WO_6纳米片状的磁性γ-Fe_2O_3/La/Bi_2WO_6复合光催化剂。结合XRD、SEM等表征手段对复合材料的组成、形貌、光学性质进行表征,通过光催化降解罗丹明B溶液对其光催化性能进行评价。结果表明:γ-Fe_2O_3/La/Bi_2WO_6复合光催化剂可以通过外磁场作用很容易的与反应溶液分离,且仍具有较高的可见光催化活性和稳定性,其重复使用3次后,对罗丹明B的降解率变化不明显,仍达到95.3%。     

Z-机制WO3(H2O)0.333/Ag3PO4复合材料的制备及其增强光催化活性和稳定性

Ag_3PO_4由于具有独特的活性而被广泛应用于光催化领域.然而,由于其光生电子和空穴的快速复合, Ag_3PO_4的光催化性能在几个循环之后显著下降,光腐蚀限制了它的实际应用.因此,亟需设计一种新型的复合光催化剂来抑制电子空穴对的快速复合.而Z型复合光催化剂可综合不同光催化剂的优点,克服单一光催化剂的缺点.Z方案体系使用两个窄带隙的催化剂取代宽带隙的光催化剂,从而可以捕获更多的光子.并且光催化剂的氧化还原反应分开进行,可以有效地防止电子和空穴的复合,从而大大提高复合光催化剂的性能.本文通过微波水热法和简单搅拌法成功地制备了Z机制WO_3(H_2O)_(0.333)/Ag_3PO_4复合材料.采用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、N2吸附-解吸等温线、比表面积测定、紫外-可见光谱和光电流曲线等方法对WO_3(H_2O)_(0.333)/Ag_3PO_4复合材料进行了表征.通过这些表征,我们确定了所研究的光催化剂物相高度匹配;确定了光催化剂的形貌:确定了复合光催化剂是复合物,而不是简单的混合物;确定了光催化剂中光生电子和空穴的结合、分离效率;研究了光催化剂的吸收边以及带隙.光催化降解测试发现, WO_3(H_2O)_(0.333)/Ag_3PO_4复合材料在可见光下表现出优异的催化性能,这主要归因于WO_3(H_2O)_(0.333)/Ag_3PO_4的协同作用.其中15%WO_3(H_2O)_(0.333)/Ag_3PO_4的光催化活性最高,在4min内几乎将30m L20mol/L的次甲基蓝完全降解.并且,复合材料的稳定性也得到很大提升.经过5次循环反应后, 15%WO_3(H_2O)_(0.333)/Ag_3PO_4的降解效率仍可以维持在88.2%.相比之下,纯Ag_3PO_4的降解效率仅为20.2%.这表明添加WO_3(H_2O)_(0.333)可以显著提高Ag_3PO_4的耐光腐蚀性.最后,我们详细研究了Z-机制机理.在可见光照射下, Ag_3PO_4和WO_3(H_2O)_(0.333)的表面产生电子-空穴对.WO_3(H_2O)_(0.333)的光生电子首先转移到其导带,然后迁移到Ag_3PO_4的价带中与空穴结合.因此, Ag_3PO_4的光生电子和空穴被有效分离,光生电子连续转移到Ag_3PO_4的导带界面.这样, Ag_3PO_4的导带界面上积累了大量的电子,并且在WO_3(H_2O)_(0.333)的价带界面中积累了大量的空穴.在空穴的作用下,–OH与h~+反应生成·OH,·OH与污染物甲基蓝反应生成CO_2和H_2O.同时,大量的H~+和O_2与电子反应,在Ag_3PO_4的导带界面处产生H_2O_2.之后, H_2O_2与电子反应产生·OH,·OH与甲基蓝反应形成CO_2和H_2O.这样,光生电子和空穴连续分离,大大提高了光催化反应速度,最终催化剂的光催化活性得到极大的提高.     

盐辅助-超生喷雾热分解法合成中空Bi_2WO_6纳米微球去除NO的应用（英文）

氮氧化物(简称NO_x,包括NO和NO_2等)是形成二次有机气溶胶的重要前体物,其存在会严重影响空气质量并危害人类健康.目前用于NO_x的去除的方法主要有过滤、物理吸附、热催化等.然而,这些技术存在高能耗及产生二次污染等缺点,严重制约其实际应用.近年来,光催化技术作为一种有效处理NO_x的环保技术,因其具备在常温下高效处理低浓度NO_x(大气污染浓度水平)的优点而获得广泛关注.最近,Bi_2WO_6光催化剂因其独特的层状结构以及特有的催化性质,表现出良好的可见光催化性能.Bi_2WO_6光催化性能与催化剂的形貌及尺寸大小密切相关,目前报道的Bi_2WO_6的形貌有片状、颗粒状、花状、中空微球等.其中,由小纳米颗粒堆积成的中空Bi_2WO_6微球因其大的比表面积和高的荷质传输速率,表现出显著优于其它形貌的光催化性能.目前已有少量关于中空结构Bi_2WO_6微球的制备方法的报道,这些方法均需引入纳米球状的"核"作为模板,并在其上生长Bi_2WO_6胶体颗粒,然后去除"核",从而得到中空结构.譬如,Shang等采用碳纳米球作为"核"制备出Bi_2WO_6微球,再通过煅烧手段去除碳"核".Thillai与合作者用硅球作为"核",为了得到中空结构Bi_2WO_6微球,用NaOH将硅"核"刻蚀.然而这类方法均涉及到复杂的制备过程和高昂的运行成本.超生喷雾热分解法是一种常见的制备尺寸可控的纳米球的方法.在之前的工作中,本研究组成功使用超声喷雾热解法制备出具有优良光催化活性的Bi_2WO_6实心微球.我们首次加入NaCl盐为模板,使用简单的超声喷雾热分解方法制备出具有中空结构的Bi_2WO_6微球光催化剂,合成过程无需采用复杂的除"核"手段.一系列表征表明:该微球由直径为41-148 nm的纳米片自组装而成,并在表面形成了不均匀分布的孔结构;并对Bi_2WO_6中空微球的生长机制做了详细的研究,考察了所制备Bi_2WO_6催化剂去除NO的效率.生长机制研究结果表明,NaCl盐在中空Bi_2WO_6微球的形成过程中发挥着关键性作用:(1)NaCl盐溶液在超生喷雾热分解法的高温过程中形成NaCl单晶并作为"核"模板,参与中空Bi_2WO_6微球的形成;(2)Na~+离子有助于Bi_2WO_6微球的微结构-纳米片的生长;(3)Cl~-离子有利于Bi_2WO_6微球表面微孔的形成;(4)NaCl模板水洗后留下中空结构的Bi_2WO_6微球;(5)NaCl盐也充当着多孔诱发剂,其水洗溢出过程会造成Bi_2WO_6微球表面的孔结构.性能测试表明,以NaCl盐为模板所制备的中空Bi_2WO_6微球表现出优异的光催化性能,其在模拟太阳光下去除NO的效率是未添加模板的1.7倍、以KCl为模板的1.5倍、以Na_2SO_4为模板的1.2倍.BET和DRS分析表明,中空结构Bi_2WO_6微球具有大的比表面积和高的可见光吸收,对提高催化性能起到重要作用.ESR测试结果表明,·OH和·O_2~-是中空Bi_2WO_6微球的光催化反应过程的主要活性物种,·O_2~-的产生有助于提高光催化剂降解NO的耐受性.     

利用Ni(OH)_x助催化剂修饰提高g-C_3N_4纳米片/WO_3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究（英文）

光催化技术是目前解决能源和环境问题最具前景的手段之一,因此寻找高效光催化剂已成为光催化技术的研究热点.而在众多半导体催化剂中,廉价、环保且性能稳定的g-C_3N_4光催化剂在太阳光开发利用方面尤其引人关注.然而,由于g-C_3N_4的比表面小,活性位点少,以及光生电子/空穴对易复合等不足,严重导致其较低的光催化量子效率.因此,构造Z型体系和负载助催化剂等策略被广泛应用于提高g-C_3N_4光催化效率.在过去几年中,TiO_2,Bi_2WO_6,WO_3,Bi_2MoO_6,Ag_3PO_4和ZnO已经被成功证实可以与g-C_3N_4耦合而构造Z型光催化剂体系.其中,WO_3/g-C_3N_4光催化剂体系,具有可见光活性的WO_3导带中的光生电子和g-C_3N_4价带中的光生空穴容易实现Z型复合,从而保留了WO_3的强氧化能力和g-C_3N_4的高还原能力,最终大幅度提高了整个体系的光催化活性.在g-C_3N_4的各种产氢助催化剂中,由于常用的Pt,Ag和Au等贵金属的高成本和低储量等问题严重限制了它们的实际应用,所以近年来各种非贵金属助催化剂(包括纳米碳,Ni,NiS,Ni(OH)_2,WS_2和MoS_2等)得到了广泛的关注.我们采取廉价且丰富的Ni(OH)_x助催化剂修饰g-C_3N_4/WO_3耦合形成的Z型体系,开发出廉价高效的WO_3/g-C_3N_4/Ni(OH)_x三元产氢光催化体系.在该三元体系中,Ni(OH)_x和W0_3分别用于促进g-C_3N_4导带上光生电子和价带的光生空穴的分离及利用,从而使得高能的g-C_3N_4的光生电子在Ni(OH)_x富集并应用于光催化产氢,而高能的WO_3的光生空穴被应用于氧化牺牲剂三乙醇胺,最终实现了整个体系的高效光催化产氢活性及稳定性.我们通过直接焙烧钨酸铵和硫脲制备出WO_3纳米棒/g-C_3N_4,并采用原位光沉积方法将Ni(OH)_x纳米颗粒负载到WO_3/g-C_3N_4上.随后,我们采取X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)和比表面和孔径分布等表征手段来研究光催化剂的结构与形貌;采取紫外-可见漫反射表征方法来研究其光学性能;采取荧光光谱,阻抗和瞬态光电流曲线等表征手段来测试光催化剂的电荷分离性能;采取极化曲线和电子自旋共振谱等表征手段来证明光催化机理;采取光催化分解水产氢的性能测试来研究光催化剂的光催化活性与稳定性.XRD,HRTEM和XPS表征结果,表明WO_3为有缺陷的正交晶系的晶体,直径为20-40纳米棒且均匀嵌入在g-C_3N_4纳米片上;Ni(OH)_x为Ni(OH)_2与Ni的混合物,其Ni(OH)_2与Ni的摩尔比为97.4:2.6,Ni(OH)_x粒径为20-50 nm且均匀分散在g-C_3N_4纳米片上,WO_3/g-C_3N_4/Ni(OH)_x催化剂界面之间结合牢固,其中WO_3和Ni(OH)_x均匀分布在g-C_3N_4上.紫外-可见漫反射表征结果表明,随着缺陷WO_3的负载量增加,复合体系的吸收边与g-C_3N_4相比产生明显的红移,而加入Ni(OH)_x助催化剂使得催化剂体系的颜色由黄变黑,明显地增加了可见光的吸收.荧光光谱,阻抗和瞬态光电流曲线结果表明,WO_3和Ni(OH)_x的加入能有效地促进光生电子/空穴的分离.极化曲线结果表明,掺入WO_3和Ni(OH)_x能降低g-C_3N_4的析氢过电位,从而提高光催化剂表面的产氢动力学.·O_2~-和·OH电子自旋共振谱表明成功形成了WO_3/g-C_3N_4耦合Z型体系.光催化分解水产氢的性能测试表明,20%WO_3/g-C_3N_4/4.8%Ni(OH)_x产氢效率最高(576μmol/(g·h)),分别是g-C_3N_4/4.8%Ni(OH)_x,20%WO_3/g-C_3N_4和纯g-C_3N_4的5.7,10.8和230倍.上述结果充分证明,Ni(OH)_x助催化剂修饰和g-C_3N_4/WO_3 Z型异质结产生了极好的协同效应,最终实现了三元体系的极高的光催化产氢活性.