FeNi层状双氢氧化物/TiO2复合光催化剂的制备及其制氢性能

层状双氢氧化物(LDH)的光生电子-空穴对易复合,虽然纳米薄片的结构促进了载流子分离,但其光催化效率仍然较低。我们利用LDH薄片结构的优势,将FeNi LDH和TiO₂通过静电自组装复合,设计制备出新型高效的FeNi LDH/TiO₂复合光催化材料,评价了其光催化分解水产氢性能。对其结构、光催化性能和光电化学等进行了详细表征。结果表明,FeNi LDH的高比表面积、复合物的异质结结构都有利于光生电荷的转移。光催化产氢结果表明,FeNi LDH/TiO₂复合材料的产氢速率(22.6mmol·g^-1·h^-1)分别比纯TiO₂(0.1 mmol·g^-1·h^-1)和FeNi LDH(0.05 mmol·g^-1·h^-1)提高了226和452倍,表明了异质结在提高LDH光催化效率方面的重要作用。     

Pt0.01Fe0.05-g-C3N4催化剂高效光热催化二氧化碳还原

光热催化是一种高效利用太阳光, 将二氧化碳转化为高价值产物的方法. 本工作以石墨相氮化碳为载体, 通过水热-浸渍两步法制备了负载铂、铁氧化物的石墨相氮化碳催化剂. 该催化剂具备优异的光热转换性能, 可实现7.36 mmol•h^-1•g_cat^-1的二氧化碳还原活性和97%的一氧化碳选择性. 使用X射线晶体衍射(XRD)、配备能量色散X射线谱(EDS)的球差校正扫描透射电子显微镜(Cs-S/TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(DRS)等表征手段从催化剂物相、微观结构、表面状态、光学性能等方面对催化剂进行了表征. 结果显示, 催化剂能吸收全谱太阳光, 且具备较高的载流子分离效率. 基于原位傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)表征结果, 提出了二氧化碳在催化剂表面的可能的反应机理, 并对铂在铁氧化物表面的氢溢流效应进行了表征. 结果表明二氧化碳和氢气分别在铁氧化物、铂位点被活化, 参与催化反应. 本工作对后续光热二氧化碳还原催化剂的设计、合成与机理研究具有一定的参考作用.     

Cu/HY催化剂在乙炔氢氯化反应中的性能及其失活原因

采用等体积浸渍法制备了以分子筛为载体的铜基无汞催化剂(Cu/HY),在固定床反应器中,考察了Cu/HY催化剂用于乙炔氢氯化反应制取氯乙烯的催化性能,并采用扫描电子显微镜(SEM)、能量散射光谱(EDS)、电感耦合等离子光谱(ICP-AES)、氮气吸脱附(BET)、热重分析(TG)、透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征手段对反应前后的催化剂进行了表征和分析。 结果表明,反应温度为160 ℃,常压,空速为120 h^-1,V(HCl)/V(C₂H₂)=1.25,Cu的负载质量分数为15%时,Cu/HY催化剂的乙炔氢氯化性能最佳,乙炔转化率可达84%,氯乙烯选择性始终大于95%,且具有较好的稳定性;通过表征分析,认为催化剂表面形成积碳,铜活性物种的还原、团聚和流失是导致Cu/HY催化剂活性下降的主要原因。     

Pd增强缺陷态TiO2纳米管阵列的光催化产氢性能

通过光还原沉积法, 利用氧空位诱导作用, 在Ni掺杂的缺陷态TiO₂纳米管阵列(TNT-Ni)上得到金属 Pd含量不同的Pd-TNT-Ni催化剂. 采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、 X射线光电子能谱(XPS)、 紫外-可见 漫反射(UV-Vis DRS)、 表面光电压(SPV)、 光致发光光谱(PL)和电化学测试等表征手段, 探究了Pd与Ni掺杂的缺陷态TiO₂纳米管阵列之间的强相互作用对其光吸收特性和载流子分离及传输效率的影响, 阐明了强相互 作用对材料光催化活性的调控机理, 提出了Pd增强Pd-TNT-Ni光催化性能的作用机理. 结果表明, 通过光还 原法制备的Pd纳米颗粒尺寸为10~20 nm的Pd₁₂₀-TNT-Ni样品的光响应值为4.22 mA/cm², 是未负载Pd样品光 响应值(1.14 mA/cm²)的3.7倍, 其具有最佳的平均产氢速率(5.16 mmol·g^?1·h^?1), 是TNT样品平均产氢速率 (0.45 mmol·g^?1·h^?1)的12倍, 表明Pd与缺陷态TiO₂纳米管阵列之间的强相互作用驱动了载流子的分离及传输, 且Pd作为电子捕获势阱及反应活性位点, 显著提高了材料的光催化性能.     

超薄骨架有序介孔CdS/NiS的制备及光催化产氢性能

采用有序介孔氧化硅为硬模板, 通过纳米浇筑法制备了由螺旋骨架构建的有序介孔硫化镉(CdS)光 催化材料. 该光催化材料具有约5 nm厚的超薄骨架和大的比表面积(238 m²/g), 能有效缩短光催化反应中 光生电荷迁移到表面进行反应的距离并同时提供更多的反应活性位点, 从而增强光催化性能. 通过原位化学沉积法将不同量的助催化剂硫化镍(NiS)沉积到有序介孔CdS表面, 得到了一系列超薄骨架有序介孔CdS/NiS复合光催化材料. 可见光照射下的光催化产氢活性测试结果表明, 负载适量NiS的有序介孔CdS具有显著增强的光催化产氢活性(3.84 mmol?h^-1?g^-1), 约为负载相同量NiS的普通商业化CdS材料(0.22 mmol?h^-1?g^-1)的17.5倍.     

量子点自修饰TiO2p-n同质结的构建及光催化性能

在n型TiO₂纳米片表面原位沉积p型TiO₂量子点构建了量子点自修饰的TiO₂ p-n同质结(PNT-x), 并利用透射电子显微镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 X射线光电子能谱(XPS)、 稳态荧光光谱(PL)、 拉曼光谱(Raman)、 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、 电化学测试及电化学交流阻抗谱(EIS)对复合物的组成、 结构和光催化性能进行了表征和研究. 结果表明, PNT-x具有TiO₂量子点自修饰的结构, 量子点和纳米片中分别含有金属缺陷和氧缺陷, 其含量随组成变化可控, 并使得PNT-x表现出p-n同质结的典型特征, 与n-n Ⅱ型同质结以及块状p-n同质结相比, PNT-x中费米能级相差更大, 界面内电场更强, 具有更高的电荷分离和传递效率. 光照下, 样品的光催化活性顺序为PNT-400>p-25>PNT-600>PNT-200>p-TiO₂>n-TiO₂, 其中PNT-400的光催化产氢速率高达41.7 mmol·g^-1·h^-1, 分别为n-TiO₂纳米片、 Ⅱ型同质结和块状p-n同质结的4.3倍、 3.6倍和2.3倍, 并表现出优异的催化稳定性.     

In-Co二元金属氧化物上CO2催化加氢反应的选择性转变:催化反应的机理和构效关系

采用催化加氢的方式将CO₂转化为甲醇,既可以减少CO₂排放,又制备了化学品,该反应具有重要的研究意义.氧化铟(In₂O₃)作为CO2加氢制甲醇催化剂,由于其较高的CO₂活化能力和甲醇选择性,被科研工作者广泛研究.其中,将具有良好解离H2能力的过渡金属元素引入In₂O₃(M/In₂O₃)是有效提高催化剂性能的策略之一,然而,M/In₂O₃体系催化CO₂加氢反应机理及活性位点仍不清楚.本文引入Co制备了In-Co二元金属氧化物催化剂应用于CO2加氢制甲醇,结果表明,相较于In₂O₃,In-Co催化剂性能有很大提升,其中In1-Co₄催化剂上甲醇时空产率(9.7 mmol·g_cat^-1 h^-1)是In₂O₃(2.2 mmol·g_cat^-1 h^-1)的近5倍(反应条件:P=4.0 MPa,T=300℃,GHSV=24000 cm³ _STP g_cat^-1 h^-1,H2/CO₂=3).值得注意的是,尽管Co是金属元素的主体,In-Co催化剂中Co催化CO₂甲烷化的活性受到明显抑制.本文还通过多种技术系统研究了催化剂结构与反应选择性转变间的关系.采用电感耦合等离子体发射光谱、粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电子显微镜等对催化剂结构以及表面性质进行了表征.结果表明,在H₂还原气氛诱导下,In-Co催化剂表面发生重构,形成以CoO为核,以In₂O₃为壳的核壳结构,其在高压反应后仍能保持稳定;更重要的是,该核壳结构可以显著增强In-Co催化剂吸附及活化CO₂的能力.CO₂加氢反应动力学研究表明,Co催化剂上H₂分压对CO₂加氢为零级反应,而H₂分压在In-Co上的反应级数为正数;In-Co催化剂上,CO₂分压的反应级数接近于零,表明CO₂及其衍生物在In-Co的表面吸附饱和,但在纯Co上,则不会发生这种饱和吸附.通过原位DRIFTS研究了催化反应路径和关键中间物种的吸附及反应行为,发现CO₂加氢在纯Co和In-Co上的催化机理均遵循甲酸盐路径.在该催化路径中,CO₂首先加氢为甲酸盐(*HCOO)物种,随后加氢为甲氧基(*CH₃O).*CH₃O在Co催化剂上进一步加氢生成CH₄,而*CH₃O在In-Co催化剂上则会脱附生成CH₃OH.根据表征结果,本文认为,在还原性气氛下,In-Co发生了重构并生成表面富In₂O₃的核壳状结构,显著提高了催化剂对CO₂和含碳物种的吸附能力.Co和In-Co催化剂对CO₂加氢反应选择性的差异归因于催化剂对CO₂和对*HCOO等含碳中间物种的吸附稳定性不同.CO₂及其衍生的含碳中间物种在In-Co催化剂上的吸附能力比在Co催化剂上强,形成了较合适的催化剂表面C/H比,从而使*CH₃O能够脱附为CH₃OH,而不是进一步加氢为CH₄.综上,本文研究为高活性In-Co催化剂体系在CO₂加氢反应中的催化机理及行为提供了解释,为金属-氧化铟(M-In₂O₃)催化剂体系的设计提供了参考.     

In-Co二元金属氧化物上CO2催化加氢反应的选择性转变:催化反应的机理和构效关系

采用催化加氢的方式将CO₂转化为甲醇,既可以减少CO₂排放,又制备了化学品,该反应具有重要的研究意义.氧化铟(In₂O₃)作为CO2加氢制甲醇催化剂,由于其较高的CO₂活化能力和甲醇选择性,被科研工作者广泛研究.其中,将具有良好解离H2能力的过渡金属元素引入In₂O₃(M/In₂O₃)是有效提高催化剂性能的策略之一,然而,M/In₂O₃体系催化CO₂加氢反应机理及活性位点仍不清楚.本文引入Co制备了In-Co二元金属氧化物催化剂应用于CO2加氢制甲醇,结果表明,相较于In₂O₃,In-Co催化剂性能有很大提升,其中In1-Co₄催化剂上甲醇时空产率(9.7 mmol·g_cat^-1 h^-1)是In₂O₃(2.2 mmol·g_cat^-1 h^-1)的近5倍(反应条件:P=4.0 MPa,T=300℃,GHSV=24000 cm³ _STP g_cat^-1 h^-1,H2/CO₂=3).值得注意的是,尽管Co是金属元素的主体,In-Co催化剂中Co催化CO₂甲烷化的活性受到明显抑制.本文还通过多种技术系统研究了催化剂结构与反应选择性转变间的关系.采用电感耦合等离子体发射光谱、粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电子显微镜等对催化剂结构以及表面性质进行了表征.结果表明,在H₂还原气氛诱导下,In-Co催化剂表面发生重构,形成以CoO为核,以In₂O₃为壳的核壳结构,其在高压反应后仍能保持稳定;更重要的是,该核壳结构可以显著增强In-Co催化剂吸附及活化CO₂的能力.CO₂加氢反应动力学研究表明,Co催化剂上H₂分压对CO₂加氢为零级反应,而H₂分压在In-Co上的反应级数为正数;In-Co催化剂上,CO₂分压的反应级数接近于零,表明CO₂及其衍生物在In-Co的表面吸附饱和,但在纯Co上,则不会发生这种饱和吸附.通过原位DRIFTS研究了催化反应路径和关键中间物种的吸附及反应行为,发现CO₂加氢在纯Co和In-Co上的催化机理均遵循甲酸盐路径.在该催化路径中,CO₂首先加氢为甲酸盐(*HCOO)物种,随后加氢为甲氧基(*CH₃O).*CH₃O在Co催化剂上进一步加氢生成CH₄,而*CH₃O在In-Co催化剂上则会脱附生成CH₃OH.根据表征结果,本文认为,在还原性气氛下,In-Co发生了重构并生成表面富In₂O₃的核壳状结构,显著提高了催化剂对CO₂和含碳物种的吸附能力.Co和In-Co催化剂对CO₂加氢反应选择性的差异归因于催化剂对CO₂和对*HCOO等含碳中间物种的吸附稳定性不同.CO₂及其衍生的含碳中间物种在In-Co催化剂上的吸附能力比在Co催化剂上强,形成了较合适的催化剂表面C/H比,从而使*CH₃O能够脱附为CH₃OH,而不是进一步加氢为CH₄.综上,本文研究为高活性In-Co催化剂体系在CO₂加氢反应中的催化机理及行为提供了解释,为金属-氧化铟(M-In₂O₃)催化剂体系的设计提供了参考.     

焙烧温度对Cu/ZnO水煤气变换催化剂开停循环性能的影响

采用共沉淀法制备了Cu/Zn物质的量的比为1∶1的Cu/ZnO催化剂, 考察了不同焙烧温度对催化剂的水煤气变换反应活性和开停循环稳定性的影响. 研究发现350 ℃焙烧得到的Cu/ZnO催化剂有最高的反应活性, 在反应温度为200 ℃时, CO转化速率即可达2080 cm³•g_cat^－1•h^－1. 在开停循环性能评价中, Cu/ZnO催化剂表现出了良好的稳定性, 明显优于CeO₂负载的贵金属催化剂, 其中焙烧温度为550 ℃的Cu/ZnO催化剂在一次开停循环操作后活性有明显的提高.     

CoNi双金属改性石墨相氮化碳的制备及光催化性能的研究

采用简单的化学还原法在g-C₃N₄纳米片上原位合成了一种小尺寸CoNi双金属助催化剂并研究了其光催化活性。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光(PL)、电化学阻抗(EIS)等手段对制备的CoNi/g-C₃N₄的理化性能进行了表征。光催化降解RhB实验表明,CoNi双金属助催化剂能有效提高g-C₃N₄中光生载流子的分离效率,从而提高光催化活性。当CoNi物质的量比为1:1时,CoNi/gC₃N₄的催化活性最高,其降解速率为0.01633 min^-1,在可见光照射下比g-C₃N₄提高3.9倍,该光催化剂在五次循环后仍能保持良好光催化活性,该反应的主要活性物种为超氧自由基(·O₂^-)。     

S掺杂BiOBr的制备及其光催化固氮性能研究

以硫脲、五水硝酸铋为前驱体,采用溶剂热法制备出S掺杂BiOBr光催化剂。利用XRD,SEM,XPS,UV-Vis DRS、光电化学性能等对所制备的光催化材料进行了一系列表征。同时,在可见光照射下对S掺杂BiOBr进行光催化固氮性能研究。结果表明：S掺杂BiOBr的晶体结构未发生改变,比表面积增大。同时,形成的氧空位有利于吸附、活化N2分子和促进光生载流子的迁移,进而提高其光催化固氮性能。与BiOBr相比,S掺杂BiOBr的光催化产氨为25.36 mg?L-1?h-1?g-1cat,是BiOBr的4.6倍。最后,经4次循环实验,S掺杂BiOBr催化剂仍保持稳定的固氮效率。     

Boosting the photocatalytic nitrogen reduction to ammonia through adsorption-plasmonic synergistic effects

Ammonia is one of the most essential chemicals in the modern society but its production still heavily relies on energy-consuming Haber-Bosch processes. The photocatalytic reduction of nitrogen with water for ammonia production has attracted much attention recently due to its synthesis under mild conditions at room temperature and atmospheric pressure using sunlight. Herein, we report a high-performance Au/MIL-100(Cr) photocatalyst, comprising MIL-100(Cr) and Au nanoparticles in photocatalytic nitrogen reduction to ammonia at ambient conditions under visible light irradiation. The optimized photocatalyst (i.e., 0.10Au/MIL-100(Cr)) achieved the excellent ammonia production rate with 39.9 µg g_cat^?1 h^?1 compared with pure MIL-100(Cr) (2.73 µg g_cat^?1 h^?1), which was nearly 15 times that on pure MIL-100(Cr). The remarkable activity could be attributed to the adsorption-plasmonic synergistic effects in which the MIL-100(Cr) and Au are responsible to the strong trapping and adsorption of N₂ molecules and photo-induced plasmonic hot electrons activating and decomposing the N₂ molecules, respectively. This study might provide a new strategy for designing an efficient plasmonic photocatalyst to improve the photocatalytic performance of N₂ fixation under visible light irradiation.     

Hydrocarbon production by addition of Cu-ZnO on g-C3N4 for CO2 conversion

In this study, copper/zinc oxide/graphite nitrogen carbide (Cu/ZnO/g-C₃N₄) is prepared using a hydrothermal method and applied as a photocatalyst for CO₂ photoreduction. The morphology and structural properties of the obtained Cu/ZnO/g-C₃N₄ are systematically characterized through X-ray powder diffraction, ultraviolet–visible absorption spectroscopy, transmission electronic microscopy, and photoluminescence spectroscopy. A 3 wt% Cu/ZnO/g-C₃N₄ photocatalyst exhibits high CH₄ (40.7 μmol g⁻¹ hr⁻¹), CO (65.1 μmol g⁻¹ hr⁻¹), and CH₃OH (92.5 μmol g⁻¹ hr⁻¹) production rates, which are 38.3, 77.1, and 58.1 fold higher than the pure g-C₃N₄. The production rate is higher than those for bulk g-C₃N₄ and ZnO/g-C₃N₄. Finally, the reaction mechanism of Cu/ZnO/C₃N₄ is proposed in this study.     

常温合成硫掺杂微孔碳及其二氧化碳的吸附性能

常温下以间苯三酚和3-甲醛苯并噻吩作为原料,一步法合成了含硫酚醛树脂。在氩气保护下碳化,成功制备出了硫掺杂多孔碳(S-PC)。并利用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和氮气吸附-脱附仪对材料进行了形貌、结构和性能的表征。实验结果表明,所得样品具有较高比表面积和大量的微孔,经过调控,可以使制备的硫掺杂多孔碳的BET比表面积达到997 m2·g~(-1),并使其微孔孔体积达到0.44 cm3·g~(-1)。得益于较高的比表面积以及其富含微孔的特性,当材料应用于二氧化碳吸附时,具有较高的CO2吸附量,在273和298 K时分别高达5.13,3.22 mmol·g~(-1),并具有良好的选择性。     

常温合成硫掺杂微孔碳及其二氧化碳的吸附性能

常温下以间苯三酚和3-甲醛苯并噻吩作为原料,一步法合成了含硫酚醛树脂。在氩气保护下碳化,成功制备出了硫掺杂多孔碳（S-PC）。并利用扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和氮气吸附-脱附仪对材料进行了形貌、结构和性能的表征。实验结果表明,所得样品具有较高比表面积和大量的微孔,经过调控,可以使制备的硫掺杂多孔碳的BET比表面积达到997 m²·g^-1,并使其微孔孔体积达到0.44 cm³·g^-1。得益于较高的比表面积以及其富含微孔的特性,当材料应用于二氧化碳吸附时,具有较高的CO₂吸附量,在273和298 K时分别高达5.13,3.22 mmol·g^-1,并具有良好的选择性。     

Cu、N共掺杂TiO2纳米管光催化重整甘油制备合成气

通过碱性水热-离子交换法制备了Cu、N共掺杂TiO₂纳米管(Cu/N-TNT),对其光催化重整甘油制备合成气性能进行了研究。结果表明,Cu/N-TNT具有富含氧空位(O_v)的管状结构,N以Ti-N形式取代部分O形成杂质能级,Cu以Cu²⁺形式掺杂在催化剂晶格间隙和表面,Cu、N共掺杂促进TiO₂表面电荷有效分离,有利于其光催化重整甘油制备合成气活性和选择性的提高。紫外光照射8h时,掺Cu量为0.15%的Cu/N-TNT催化剂上CO和H₂产量分别为7.3和8.5 mmol·g^-1,是原始TiO₂的9.1和70.8倍,n_H2/n_CO从0.52提高为1.18,n_CO/n_CO2从0.21提高至0.42。Cu/N-TNT表面N和O_V为醛类脱羰和甲酸脱水生成CO提供反应活性位点,Cu作为浅势阱提...     

非晶态ZrO_2镶嵌的超细CeO_2催化HCl氧化

采用不同方法制备了铈锆复合氧化物催化剂用于催化HCl氧化反应。自发沉积策略制备的CeO_2@ZrO_2催化剂中,超细CeO_2纳米粒子均匀的镶嵌于非晶态ZrO_2中。CeO_2粒子显著的"尺寸效应"使得该催化剂具有更高的Ce~(3+)和氧空位浓度,而较高的Ce~(3+)和氧空位浓度使得催化剂具有优异的低温氧化还原性能和储释氧能力。催化性能测试表明,CeO_2@ZrO_2催化剂展现出最好的催化活性(1.90 gCl2·gcat~(-1)·h~(-1)),同时CeO_2粒子周围非晶态的ZrO_2阻碍CeO_2的高温烧结,提高了该催化剂的稳定性。     

Cu、N共掺杂TiO2纳米管光催化重整甘油制备合成气

通过碱性水热-离子交换法制备了Cu、N共掺杂TiO₂纳米管(Cu/N-TNT),对其光催化重整甘油制备合成气性能进行了研究。结果表明,Cu/N-TNT具有富含氧空位(O_V)的管状结构,N以Ti-N形式取代部分O形成杂质能级,Cu以Cu²⁺形式掺杂在催化剂晶格间隙和表面,Cu、N共掺杂促进TiO₂表面电荷有效分离,有利于其光催化重整甘油制备合成气活性和选择性的提高。紫外光照射8 h时,掺Cu量为0.15%的Cu/N-TNT催化剂上CO和H₂产量分别为7.3和8.5 mmol·g^-1,是原始TiO₂的9.1和70.8倍,n_H2/n_CO从0.52提高为1.18,n_CO/n_CO2从0.21提高至0.42。Cu/N-TNT表面N和O_V为醛类脱羰和甲酸脱水生成CO提供反应活性位点,Cu作为浅势阱提高光生电子-空穴分离效率。光生空穴(h⁺)是光催化重整甘油制备合成气过程中的主要活性物种,大量羟基自由基(·OH)和超氧自由基(·O₂^-)会导致甘油过度氧化,使CO选择性降低。     

非晶态ZrO2镶嵌的超细CeO2催化HCl氧化

采用不同方法制备了铈锆复合氧化物催化剂用于催化HCl氧化反应。自发沉积策略制备的CeO₂@ZrO₂催化剂中,超细CeO₂纳米粒子均匀的镶嵌于非晶态ZrO₂中。CeO₂粒子显著的“尺寸效应”使得该催化剂具有更高的Ce³⁺和氧空位浓度,而较高的Ce³⁺和氧空位浓度使得催化剂具有优异的低温氧化还原性能和储释氧能力。催化性能测试表明,CeO₂@ZrO₂催化剂展现出最好的催化活性（1.90 g_Cl2·g_cat^-1·h^-1）,同时CeO₂粒子周围非晶态的ZrO₂阻碍CeO₂的高温烧结,提高了该催化剂的稳定性。