构建S型g-C3N4/BiOBr异质结以增强光催化合成过氧化氢性能（英文）

过氧化氢是一种清洁、多功能且环境友好的氧化剂,广泛应用于消毒、纺织、有机合成及环境修复等领域.目前,工业上主要采用蒽醌法制备过氧化氢,该方法涉及复杂的加氢和氧化反应过程,不仅需要大量的能量输入,还会产生大量废水和废气,对环境造成显著影响,这与其作为清洁氧化剂的属性相矛盾.相比之下,人工光合作用技术通过利用地球上丰富的水资源和太阳能,以半导体为催化剂催化生成过氧化氢,展现出高效、温和且环保的优势.对于单一组分的半导体光催化剂而言,其氧化还原能力与高光利用率之间存在着不可调和的矛盾,严重制约了效率的大幅提升及其实际应用.因此,通过耦合还原型半导体与氧化型半导体以构建S型异质结光催化剂,被广泛认为是当前提升过氧化产率最为合理且高效的技术途径.基于此,本文的主要研究思路为:通过将还原型半导体g-C₃N₄与氧化型半导体BiOBr进行有效耦合,构建S型异质结体系,并充分利用二者之间的协同效应以及S型异质结中电荷的有效分离与迁移特性,从而实现高效过氧化氢的生成.本文首先通过在具有嵌套结构的双坩埚中对尿素进行热聚合成功制备出超薄g-C₃N₄纳米片.随后,为构建紧密的异质界面,利用共沉淀的方法,将BiOBr纳米片原位生长于g-C₃N₄纳米片的外表面,成功构建了2D/2DS型g-C₃N₄/BiOBr异质结光催化剂.所获得的复合材料表现出优异的光催化过氧化氢生成性能,优化后的BCN₄异质结达到过氧化氢产率峰值(392μmolL^-1h^-1),分别约为原始BiOBr和g-C₃N₄的8.7倍和2.1倍.此外,研究中还发现BiOBr表现出对过氧化氢强的降解能力,但当与g-C₃N₄耦合后,对过氧化氢的降解被显著抑制.总体而言, g-C₃N₄/BiOBr异质结的构建大幅提高了BiOBr和g-C₃N₄光催化产过氧化氢活性,这主要归因于S型异质结的形成有利于电荷的空间分离,并保持体系中光生载流子的超强氧化还原能力,这一点已通过时间分辨光致发光光谱、光电流测试和电子顺磁共振表征得到了验证.此外,通过原位辐照X射线光电子能谱和密度泛函理论计算,系统地证实了g-C₃N₄和BiOBr之间界面内建电场诱导的S型电荷转移机制.通过自由基捕获实验发现, g-C₃N₄/BiOBrS型异质结光催化产过氧化氢主要是通过两步单电子氧还原路径.通过模拟复合材料和纯g-C₃N₄两步单电子氧还原过程各阶段的吉布斯自由能发现,引入BiOBr形成后, g-C₃N₄在产过氧化氢过程中的能量势垒被显著降低,为过氧化氢的形成反应提供了动力学优势.综上,本工作中g-C₃N₄和BiOBr催化剂之间构建的S型异质结弥补了各自的不足,实现了高效的生产过氧化氢,并利用一系列表征手段证明了S型电荷分离和迁移机制.这项研究为S型异质结光催化剂的系统设计和构建提供了参考,同时也为光催化材料高效催化生成过氧化氢提供了新思路.     

中空管状g-C3N4/Ag3PO4复合催化剂的制备及其可见光催化性能

用化学沉淀法制备中空管状g-C₃N₄/Ag₃PO₄复合催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱对其结构、形貌和光学性能进行了表征。结果表明：Ag₃PO₄纳米颗粒均匀地分散在中空管状g-C₃N₄表面,两者紧密结合形成异质结。研究复合催化剂在可见光照射下降解盐酸四环素(TC)的光催化活性。结果显示：复合催化剂在80 min内对TC的降解率为98%,其降解反应速率常数是纯相Ag₃PO₄的3倍。经过5次循环实验后复合催化剂对于TC的降解率仍保持87%,具有优良的循环稳定性。捕获实验表明空穴(h⁺)和超氧负离子(·O^-₂)是光催化反应过程中的主要活性物种。根据能带理论,提出了复合催化剂异质结的Z型光催化机理。     

C/g-C3N4/MoS2复合材料的制备及光催化性能

首先以尿素和葡萄糖为前驱体,通过热缩合方法制备了C/g-C₃N₄,然后利用溶剂热法合成C/g-C₃N₄/MoS₂三元复合材料。通过不同的手段对其进行了表征,结果表明,与C/g-C₃N₄相比,该三元复合材料不仅具有更强的光吸收性能和更大的表面积,而且更有利于电子的转移。同时对其可见光催化降解甲基橙性能进行研究,结果发现,C/g-C₃N₄/MoS₂-2.0%复合材料(含有质量分数为2.0%的MoS₂)表现出最高的反应速率常数(0.0086 min^-1),分别为g-C₃N₄/MoS₂-2.0%(0.0015 min^-1)和C/g-C₃N₄(0.0036min^-1)的5.7倍和2.3倍。     

g-C3N4/Fe3O4/BiOI磁性材料的制备及其可见光助芬顿催化性能

采用共沉淀-回流法制成g-C₃N₄/Fe₃O₄/BiOI磁性复合材料作为异相光助芬顿(Fenton)催化剂。运用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、振动样品磁强计(VSM)和N₂吸附-脱附等手段分别对催化剂的形貌、结构、组成、磁性和比表面积等进行了表征,并以罗丹明B(RhB)为模型污染物考察了材料的可见光催化性能。实验结果表明,当BiOI的负载质量为50%时,在可见光照射下,复合材料具有最好的光催化性能,180 min内对RhB的降解效率可达到99.20%。较高的光催化性能归因于所制备材料对RhB较强的吸附、强烈的可见光响应以及异质结构促进了光生载流子的分离。进一步在光催化体系中加入适量的H₂O₂后,可极大提高三元复合材料可见光助Fenton降解RhB的效率,30 min内即可达到98.44%,这得益于体系中发生Fenton反应产生较多具有强氧化性的羟基自由基,同时光生电子可加速Fe³⁺     

Au/N-g-C3N4复合材料的制备及其可见光催化产氢性能

首先以尿素和柠檬酸作为前驱体,通过热处理工艺合成N掺杂的g-C₃N₄(N-g-C₃N₄),然后利用化学还原的方法将Au沉积到N-g-C₃N₄表面,形成Au修饰的N掺杂的g-C₃N₄复合光催化材料(Au/N-g-C₃N₄)。通过XRD、XPS、TEM、UV-Vis和光电流测试对其进行了表征,与同等条件下制备的N-g-C₃N₄和g-C₃N₄相比,Au/N-g-C₃N₄具有更强的光吸收性能和更大的光电流。同时对材料的可见光产氢性能进行了研究,结果发现：当Au含量为1%时,复合材料呈现最佳的光催化产氢性能,其产氢速率为974μmol·g^-1·h ^-1,为N-g-C₃N₄     

MoS2/Ag/g-C3N4 Z型异质结的制备及其光催化性能

通过水热合成法制备了MoS₂/Ag/g-C₃N₄复合光催化剂,并采用一系列分析方法对其进行了系统表征。结果表明,催化剂催化降解活性的显著提高得益于Z型异质结的形成,其有效地促进了光生载流子的传输和分离,抑制了光生电子-空穴对的复合。降解实验结果表明,所制备的复合材料在120 min内对罗丹明B（RhB）的降解率高达98%,光催化性能优于单一光催化剂。此外,捕获实验和电子顺磁共振（EPR）结果表明,超氧自由基（·O₂^-）和光生空穴（h⁺）是光催化降解Rh B的关键活性物质。最后,对复合材料的光催化降解机制进行了深入探讨。     

钙钛矿型LaCoO3/g-C3N4异质结的构建及其光催化降解性能

首先采用柠檬酸辅助溶胶-凝胶法制备钴酸镧（LaCoO₃,LCO）,并利用水热法制备LaCoO₃/g-C₃N₄（LCO/CN）p-n型异质结复合光催化剂。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）和光致发光（PL）光谱对LCO/CN进行了表征,评价了其对盐酸四环素（TC）的光催化降解性能,同时使用自由基捕获剂验证了光催化反应中起作用的活性基团,并推测了反应机理。结果表明,LCO和CN的复合显著增强了CN的光催化活性,当二者质量比为10%时制备的10%LCO/CN呈现出最佳的光催化性能,在120 min内对10 mg·L^-1TC的降解率高达96.2%,反应速率常数达到0.018 93 min^-1,分别是CN和LCO的3.04倍和1.93倍。3次循环回收实验结果显示,10%LCO/CN对TC的降解率下降得较少,表明该催化剂具有良好的稳定性和实用性。     

Ag/多孔g-C3N4复合光催化剂的制备及其降解四环素性能

以三聚氰胺和尿素为原料,通过水热结合热处理工艺得到多孔g-C₃N₄(PCN),然后以硼氢化钠为还原剂,通过原位还原法制备了Ag/PCN复合材料。利用XRD、FTIR、UV-Vis DRS、TEM和电化学等测试对复合材料进行一系列表征。与相同条件下制备的g-C₃N₄和多孔g-C₃N₄相比,Ag/PCN具有更好的光吸收能力和更强的电子空穴分离效率。同时对材料可见光降解四环素的性能进行研究,结果发现15-Ag/PCN具有最优的光催化性能,其对四环素降解速率(0.0295 min^-1)是g-C₃N₄(0.0131 min^-1)的2.3倍。     

硝酸活化三聚氰胺前驱体对g-C3N4结构和可见光催化性能的影响

为缩短e-和h+的迁移途径而改善g-C3N4易发生光生载流子复合的缺陷,采用不同物质的量浓度的HNO3活化三聚氰胺前驱体,通过形成质子化氨基基团,制备了一系列x-HNO3-g-C3N4(x＝1,2,3,4,5 mol·L-1)光催化剂.采用N2物理吸附-脱附、X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TE...     

BiOBr/g-C3N4 S型异质结无H2O2光-自芬顿高效催化降解RhB

通过焙烧-超声混合法成功地制备了BiOBr/g-C₃N₄S型异质结复合光催化剂。采用多种表征手段对样品物理属性进行了表征,包括X射线多晶粉末衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)。研究了所制备样品有/无Fe³⁺的光-自芬顿催化/光催化降解罗丹明B(RhB)性能。通过捕获实验确定了光催化反应中的主要活性物种,提出了光-自芬顿反应的降解机理。研究结果表明,BiOBr/g-C₃N₄S型异质结能原位生成H₂O₂,添加Fe³⁺后,H₂O₂被原位活化成活性物种且光生电流和载流子分离效率获得显著提高。该光-自芬顿过程能高效降解RhB,其反应速率常数为0.208 min^-1,约为无Fe³⁺光催化反应速率常数的5.3倍,在光-自芬顿循环使用过程中表现出良好的稳定性。Fe...     

g-C_3N_4/BiOBr异质结光催化剂的制备与可见光催化活性

以三聚氰胺作为合成g-C_3N_4纳米片的前躯体,以Bi(NO3)3·5H2O和KBr作为合成BiOBr的原料,采用水热法构建g-C_3N_4/Bi OBr二维异质结可见光催化剂,有效的晶面复合和合适的能带组合有助于增强g-C_3N_4和BiOBr的可见光催化活性。利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光光谱(PL)和紫外-可见漫反射光谱(UVvis DRS)等方法表征其结构、光学性质以及组成结构。在可见光(λ420 nm)下以光催化降解RhB来评价合成催化剂的光催化活性,结果表明,g-C_3N_4/BiOBr光催化降解罗丹明B(Rh B)的效率高于单体g-C_3N_4和BiOBr,并对g-C_3N_4/BiOBr增强可见光催化RhB机理进行解释。     

Two-step calcination synthesis of Z-scheme α-Fe2O3/few-layer g-C3N4 composite with enhanced hydrogen production and photodegradation under visible light

Solar photocatalytic technology is of great significance for adjusting energy structure and environmental improvement. Developing an efficient and low-cost photocatalyst is key to realizing the conversion of solar to chemical energy. In this study, α-Fe₂O₃-modified few-layer g-C₃N₄ hybrids (α-Fe₂O₃/FL g-C₃N₄) were successfully prepared by a two-step calcination route with a mixture of α-Fe₂O₃ and melamine. The samples were characterized by Thermogravimetric analysis, X-ray diffraction, Fourier transform infrared, scanning electron microscope, transmission electron microscope, High-resolution transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Brunauer–Emmett–Teller, UV–Vis absorption spectrum, photoluminescence, and Time-resolved photoluminescence spectroscopy; furthermore, their photoelectrochemical measurements and their photocatalytic performances were evaluated by visible light-driven hydrogen evolution and degradation of RhB. The results showed that the hydrogen production activity and degradation ability of α-Fe₂O₃/FL g-C₃N₄ were significantly enhanced compared with those of α-Fe₂O₃ / multilayer g-C₃N₄ (α-Fe₂O₃/ML g-C₃N₄) and FL g-C₃N₄. The enhanced photoactivities were mainly attributed to the synergistic effect between the increased visible-light absorption, enhanced surface area, and highly efficient electron transfer and separation on the Z-type heterojunction interface. This work not only provides evidence for the formation of FL g-C₃N₄ nanosheets using a thermal exfoliation method but also provides new insights into the interfacial charge carrier dynamics of Z-scheme α-Fe₂O₃/FL g-C₃N₄ heterostructures for photocatalytic H₂ generation and pollutant degradation.     

BiOBr/Ni2P/g-C3N4体系中用Ni2P电子桥加速S型体系光生载流子分离

水污染对人类健康和生态环境造成了严重的危害,引起了人们广泛关注.半导体光催化技术被认为是一种去除废水中有机污染物的有效方法.近年来,石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种无金属的光催化剂,具有合适的带隙能(Eg≈2.7eV)、良好的化学稳定性、较好的热稳定性、无毒以及强的还原电位(ECB≈-1.3eV)等特点,表现出较好的光催化活性.但由于g-C3N4光生载流子复合快和量子效率低,限制了其实际应用.因此,研究者们开发了各种有效的方法来克服上述缺点,如调控形貌、掺杂离子、沉积贵金属和构建异质结等.其中,构建梯型(S型)异质结已被证实是提高复合材料光催化活性的一种有效策略.S型异质结的形成不仅有效地加速光生电子和空穴的分离和迁移,而且还增强了光生载流子的氧化还原能力.除了电子结构外,异质结的界面电阻直接影响着光生载流子的分离效率,从而决定光催化活性强弱.据报道,具有高导电性的\"电子传递介质\"或\"电子桥\"可有效地降低载流子迁移过程中的界面阻力.过渡金属磷化物具有优良的导电性、低廉的价格和无毒的特性,完全满足电子桥的要求,成为电子桥的最佳候选材料之一.结合S型异质结和电子桥的优势,本文采用沉积-沉淀法制备了一种新型的S型BiOBr/Ni₂P/g-C3N4异质结.在可见光(λ≥400 nm)下,该催化剂对甲基橙和罗丹明B的降解活性明显优越于BiOBr/g-C₃N₄.这主要归因于电子桥Ni₂P和S型异质结的协同效应.密度泛函理论计算表明,电子从BiOBr通过电子桥Ni₂P转移到g-C₃N₄.在可见光照射下以及界面内建电场的驱动下,带边缘弯曲和库仑相互作用协同促进了复合物中相对无用的电子和空穴的重组,从而保留了较强氧化还原能力的电子和空穴.活性氧捕获实验、电子顺磁共振光谱和电流-电压曲线结果进一步证明,光催化剂中的电荷迁移方式遵循S型异质结的迁移机制.综上,本文不仅为S型光催化剂的设计提供了有效策略,也为界面载流子的快速分离和迁移提供了切实可行的途径.     

高可见光催化降解污染物和产氢活性的Z型N-掺杂K4Nb6O17/g-C3N4异质结(英文)

随着人口增长和全球工业化进程加快,人们饱受环境污染和能源短缺问题的困扰.半导体光催化技术作为一种高效、可持续、环境友好、有潜力的新技术,在环境净化和能源开发方面有着广阔的应用前景.到目前为止,人们已开发出多种半导体光催化剂,并广泛应用于污染物降解、氢气制备和二氧化碳还原等领域.其中,化合物K₄Nb₆O₁₇具有典型的层状结构、合适的电子能带结构、结构易改性以及良好的电荷传输性能等特点,在光催化领域得到了广泛研究.然而,单纯K₄Nb₆O₁₇仍存在光响应范围窄、光生载流子复合率高等问题,限制了K₄Nb₆O₁₇的进一步应用.因此,需要对K₄Nb₆O₁₇进行改性,拓宽其光吸收范围,提高其光生载流子分离效率,从而提高其光催化活性.本研究通过简单焙烧法制备Z型N-掺杂K₄Nb₆O₁₇     

原位光沉积制备Z型α-Fe2O3/g-C3N4异质结及其可见光驱动光解水产氢性能

采用原位光沉积-煅烧法制得了Z型α-Fe₂O₃/g-C₃N₄异质结复合光催化剂。分别采用透射电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、紫外可见漫反射光谱、荧光光谱以及电化学测试对样品进行了表征,并考察了可见光下光解水产氢活性。结果表明：当α-Fe₂O₃的负载量为2.9%时,α-Fe₂O₃/g-C₃N₄复合光催化剂具有最优的产氢催化活性,产氢速率高达1 841.9μmol·g^-1·h^-1,约为g-C₃N₄的3.3倍。光催化性能的提高主要归因于3方面：(1)高温煅烧过程中α-Fe₂O₃的形成,有效促进了氮化碳片层的热剥离,增大了比表面积,从而为光催化反应提供了更多反应活性位;(2)超细α-Fe₂O₃颗...     

基于g-C3N4的Z型光催化体系研究进展

导电聚合物型光催化材料g-C₃N₄有着独特的电子结构、稳定的化学性能和显著的可见光催化活性。基于g-C₃N₄的Z型光催化体系(Z-g-C₃N₄)的催化效率高、电子-空穴复合率低而备受关注,在光催化领域展现出了巨大的应用潜力。本文阐述了Z-g-C₃N₄型光催化反应体系的作用机理,综述了Z-g-C₃N₄在光催化领域的研究进展,介绍了Z-g-C₃N₄在产氢、转化CO₂、降解有机物等光催化领域的应用,讨论了pH值、导电介质等因素对Z-g-C₃N₄光催化性能的影响。最后指出了Z-g-C₃N₄光催化体系在研究过程中面临的问题和研究方向。     

2D/2D BiOBr/g-C3N4 S型异质结光催化性能

近年来,能源短缺和环境污染严重威胁人类的可持续发展.光催化技术具有绿色环保、成本低等优势,被认为是解决上述问题的最佳途径之一,其实用化的核心是开发高效可见光催化材料.石墨相氮化碳(g-C3N4)因其物理化学性质稳定、无毒、廉价及能带适宜等特点,广泛应用于光催化领域.然而,光生载流子易复合、比表面积小等问题不利于其实际应...