Cr2O3/C@TiO2核壳型复合材料的设计合成及其光催化产氢性能

随着社会经济的快速发展,能源危机和环境污染问题成为世界各国关注的焦点.通过光催化剂将太阳能用于污染物降解、分解水产氢、CO2还原及有机物合成等领域,是解决上述问题的理想途径.过渡金属氧化物TiO2因其稳定性高、催化活性好、制备简单等优点,被认为是最理想的光催化材料.然而,TiO2带隙较宽、光响应范围窄、光量子效率低等缺点限制了其实际应用.将碳或Cr2O3与TiO2结合形成复合结构已被证明可以有效提升其光催化性能.另一方面,金属离子的掺杂可以有效提高氧化钛的可见光响应.本文利用具有高比表面积的金属有机骨架材料MIL-101(Cr)纳米材料作为模板、镉源和碳源,首先在MIL-101(Cr)表面可控生长TiO2纳米颗粒,获得MIL-101(Cr)@TiO2复合结构;然后在氮气保护下碳化形成Cr2O3/C@TiO2核壳型复合材料.碳化后,制备的复合材料具有模板的八面体形貌和高比表面积,MIL-101(Cr)中的Cr元素一部分会形成Cr2O3,一部分会掺杂到TiO2中,使得TiO2的吸收边红移.此外,Cr2O3/C@TiO2中的C有利于光的吸收和载流子的分离.这种独特的纳米结构赋予Cr2O3/C@TiO2复合材料优异的光催化性能.在300 W氙灯照射下,该复合材料光解水产氢的速率为446μmol h?1 g?1,约为纯TiO2的4倍.在可见光照射下,Cr2O3/C@TiO2分解水产氢的速率为25.5μmol h?1 g?1.将获得的粉体催化剂制备成光电极发现,Cr2O3/C@TiO2在全幅光照射下的光电流密度在0.4 V(vs.Ag/AgCl)下达到2.3 mA/cm2,约为纯TiO2的3.5倍.Cr2O3/C@TiO2光催化产氢活性的提高一方面是由于Cr掺杂到TiO2中使得其具有可见光响应,另一方面MIL-101碳化获得的Cr2O3/C有效促进了光生载流子的分离.     

核壳结构Al2O3-TiO2脱硝催化剂的制备及性能研究

以核壳结构Al2 O3-TiO2为载体,V2 O5为活性组分,WO3为助催化剂,通过挤压成型制备核壳结构Al2 O3-TiO2复合载体脱硝催化剂.本文通过分析催化剂BET、XRD、抗压强度、抗硫酸盐腐蚀和脱硝反应NOx转化效率,考察核壳结构Al2 O3-TiO2复合脱硝催化剂物理化学性质.实验结果表明:核壳结构Al2 ...     

TiO2/Bi2O3纳米复合体的制备及可见光催化产氢性能

首先采用相分离的水解-溶剂热法制备了Bi₂O₃纳米粒子,然后利用简单的湿化学法在Bi₂O₃表面负载不同比例的TiO₂纳米颗粒,进而得到TiO₂/Bi₂O₃纳米复合体。通过气氛调控的表面光电压谱(SPS)等测试表明,表面负载适量的TiO₂后能够提高Bi₂O₃光生电荷分离。可见光催化产氢和降解污染物测试结果进一步证明,表面负载适量的TiO₂后可显著提高其可见光催化活性,其中Ti/Bi摩尔比为7%时具有最高的光催化活性。这主要归因于TiO₂具有较为合适的导带能级位置,可以接收Bi₂O₃在可见光激发下所产生的高能级电子,从而抑制光生电子-空穴对复合,并且维持了高能级电子较高的还原能力。     

可控设计Zn-Ni-P修饰g-C3N4催化剂光催化产氢性能

光催化分解水制氢是应对能源危机和环境污染问题的途径之一,也是实现太阳能转化和储存的有效方法.其中,应用层面的一个关键制约因素是高效光催化剂的开发和制氢反应体系的构建,理论层面的一个关键科学问题是光生电子-空穴的高效分离及光生电子定向迁移,这两个层面的问题构成当前光催化分解水制氢研究的重大挑战.因此,稳定、高效催化剂的制备成为光催化领域重要的研究目标.类石墨烯氮化碳(g-C_3N_4)的结构与石墨相似,其层与层之间的范德华力使其具有良好的热稳定性和化学稳定性.g-C_3N_4是一种聚合物非金属半导体,由于具有与碳材料相似的层状堆积结构和sp~2杂化的π共轭电子能带结构,因此被认为是最有可能代替碳材料用于光催化分解水制氢的新型光催化材料.g-C_3N_4的室温禁带宽度为2.7eV左右,其价带和导带的位置完全覆盖了水的氧化-还原电位,因此理论上g-C_3N_4不仅能够氧化水为氧气,而且能够将水还原产氢,从而表现出优良的光电特性,成为新型太阳能转换材料.然而, g-C_3N_4在展示了良好研究前景的同时也存在一些缺陷,如比表面积较小及稳定性差等,这制约了g-C_3N_4在光催化领域的应用.为此,通过各种化学修饰对g-C_3N_4进行改性以提高其光催化活性和稳定性成为一个重要的研究方向.本文采用高温煅烧方法成功制备了Zn-Ni-P@g-C_3N_4催化剂.将一定量的g-C_3N_4、乙酸镍、乙酸锌和次亚磷酸钠均匀混合在一起并研磨成粉末,然后以3 oC/min的速率升温至300oC并在此温度下保持2h,自然冷却至室温后即得到Zn-Ni-P@g-C_3N_4催化剂,整个制备过程在氮气环境中进行.研究表明,在Zn与Ni摩尔比为1:3的Zn-Ni-P@g-C_3N_4催化剂上,当反应体系pH=10,在420nm光照下反应5h产氢量可达531.2μmol,是纯g-C_3N_4上的54.7倍.20h循环实验表明催化剂具有较好的光催化稳定性.对催化剂进行了XRD、TEM、SEM、XPS、N_2吸附、UV-vis DRS、瞬态光电流、FT-IR、瞬态荧光和Mott-Schottk等一系列表征,证明Zn-Ni-P的参与有效调变了电荷传输机制.SEM表征表明, Zn-Ni-P@g-C_3N_4为均匀排列的小颗粒,与纯g-C_3N_4相比其结构发生了改变,在Zn-Ni-P@g-C_3N_4结构中未发现g-C_3N_4纳米片的存在,说明Zn-Ni-P和g-C_3N_4成功复合.在上述研究基础上推测了可能的反应机理.     

包覆型磁性二氧化钛的制备及其光催化性能的研究

采用表面改性的方法分别制备了两种核-壳和核-壳-壳式结构的TiO2/γ-Fe2O3,TiO2/S iO2/γ-Fe2O3包覆型磁性二氧化钛.用XRD、TG-DTA、TEM、BET、和IR等手段对样品进行了结构表征,并研究了它们在紫外光照射下对甲基橙的降解性能.结果表明,在紫外光的照射下,包覆型磁性二氧化钛可有效地降解甲基橙;TiO2/S iO2/γ-Fe2O3的光催化活性优于TiO2/γ-Fe2O3,前者在循环使用三次后降解率仍不低于95%.     

三维花状Ni(OH)2包裹TiO2微米球用于光催化产氢

TiO_2具有合适的能带位置以及成本低、无毒、稳定性高等优点,但由于大的激子结合能(130 meV)以及电子-空穴复合严重,其光催化性能和效率较低.目前,负载助催化剂是一种比较有效的提高TiO_2光催化效率的方法.助催化剂可通过抑制电子与空穴的复合、降低激子结合能、提高界面电子传输速率来提高光催化性能.寻求新型、廉价、高效产氢的助催化剂是当前光催化研究的热点.近年来, Ni(OH)_2由于具有多变的形貌以及一定的光催化性能而被人们关注.并且Ni(OH)_2本身就是p型光催化剂,可与主体材料复合形成p-n异质结材料,其中由异质结形成的内建电场可起到促进电子与空穴分离的作用.基于此,本文采用简单的合成方法制备出新颖的三维花状Ni(OH)_2包裹TiO_2纳米结构微球,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等表征手段确定了目标产物被成功合成,并采用光催化产氢为探针反应研究了其光催化性能.结果表明, Ni(OH)_2包裹TiO_2纳米材料的产氢速率比纯TiO_2纳米材料提高了5倍.通过紫外-可见漫反射吸收光谱(DRS)与一系列对比实验发现, Ni(OH)_2拓宽了TiO_2的吸收光谱范围,催化活性的提高确实来源于引入的Ni(OH)_2.氮气吸脱附等温线和孔径分布分析表明, Ni(OH)_2壳的引入增大了催化剂的比表面积并且带来介孔,证实三维花状的纳米片界面为光催化产氢提供了更多的活性位点.电化学表征结果进一步证明,这种独特的p-n异质结促进了电子与空穴的分离和转移.基于元素分析和产氢活性结果,我们提出了可能的反应机理.     

Cr2O72-/Cr3+间接氧化环己醇合成己二酸

以Cr2O72-/Cr3+作为间接氧化剂电氧化环己醇制备己二酸.应用正交实验优化工艺条件,得出在原料比n(环己醇)∶n(Cr2O72-)=0.4∶1,t=35℃和CH2SO4=5mol.L-1条件下己二酸的收率可达70.29%.同时研究了Ag2SO4、(NH4)2SO4、H2SO4浓度、电流密度对Cr3+电氧化为Cr2O72-的影响,Cr3+的转化率可达82.52%.     

TiO2/石墨烯复合材料的合成及光催化分解水产氢活性

利用石墨粉根据Hummers氧化法制得氧化石墨,并进一步还原得到石墨烯。采用溶胶-凝胶法以钛酸四丁酯和石墨烯为起始材料制备了二氧化钛(TiO₂)和石墨烯的复合光催化材料。研究了该复合材料在紫外-可见光以及可见光条件下的光催化分解水制氢活性。结果表明,紫外-可见光照射下,TiO₂/石墨烯复合光催化材料的光催化分解水产氢速率为8.6 μmol·h^-1,远大于同条件下商业P25的产氢速率 (4.5 μmol·h^-1),光解水产氢活性提高了近2倍;可见光下光照3 h,TiO₂/石墨烯复合材料的光催化分解水产氢量约为0.2 μmol。     

锂离子电池用Cr2O3/TiO2复合材料的电化学性能

采用高温固相反应法合成了Cr₂O₃/TiO₂复合材料, 运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、充放电测试、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等对其结构、形貌和电化学性能进行了表征. 研究结果表明: TiO₂掺杂能够显著改善Cr₂O₃的充放电循环性能, Cr₂O₃/TiO₂复合材料在充放电循环22周后仍有454 mAh·g^-1的可逆循环容量, 容量保持率达到了73.6%, 主要归因于TiO₂掺杂能够显著提高Cr₂O₃的电导率. Cr₂O₃/TiO₂复合材料首次放电过程中由于电极体积膨胀导致的固体电解质相界面(SEI)膜迅速增厚和活性材料电导率的降低可能是其首次充放电过程中存在较大不可逆容量和循环容量衰减的重要原因.     

一种将三价钛引入锐钛型二氧化钛的新方法:用于有效的光催化产氢（英文）

伴随着科技的日益进步,人们的生活水平有了极大的提升,但是随之而来的环境污染问题也成为当前世界亟待解决的重大问题之一.太阳能是地球上最大的清洁能源来源,有效地利用太阳能将为解决环境污染问题提供巨大的帮助.而光催化技术的一个关键材料就是催化剂,催化剂对太阳能利用的好坏也就决定了光催化技术的应用前景.因此,人们对催化剂的研究也在逐步深入.1972年,Fuiishima和Honda在Nature杂志上首次报道了二氧化钛电极在紫外光照射下分解水产生氢气的现象,自此掀起了半导体光催化的研究热潮.二氧化钛因具有无毒、廉价和耐腐蚀等优点而在光催化领域广受关注.传统白色二氧化钛具有两大劣势(宽的禁带宽度与高的电子/空穴复合率)大大限制了它的应用.人们对于改变二氧化钛性质进行了大量的尝试,例如金属/非金属掺杂、形貌的改变等.黑色二氧化钛(存在大量的氧空位和三价钛)的出现极大地克服了传统白色二氧化钛的缺点,其具有窄的禁带宽度和低的电子/空穴复合速度.目前,黑色二氧化钛的制备方法大致分为以下几种:(1)高压下氢化;(2)高温常压下氢化;(3)铝热还原法;(4)溶液蒸发法;(5)化学氧化法;(6)电化学还原等.由于更简单安全(不涉及氢气使用)和更好的可见光光催化活性,三价钛自掺杂的二氧化钛从这些方法中脱颖而出.迄今为止,诱导三价钛的方法通常是能量密集型的,涉及不稳定的Ti原料(如TiO和TiH_2).研究用于制备三价钛自掺杂二氧化钛的新方法是十分必要的.我们以稳定的钛粉为原料,通过简单的方法将三价钛和氧空位成功地引入锐钛型二氧化钛.通过X射线衍射、场致发射扫描电子显微镜等技术研究了制备样品的物理化学性质,发现H_2O_2和水热反应时间对纳米棒型微观形貌的形成至关重要.通过调整诸如H_2O_2量和水热反应时间的参数,根据实验结果提出了形成这种微观结构的可能机制.更重要的是,可见光区域的光吸收受到样品中氧空位量的控制,存在氧空位的最佳值使光催化产氢活性最高.     

Synthesis and characterization of Al2O3/Cr2O3-based ceramic pigments

The synthesis and the characterization of Al₂O₃-based nanocrystalline inorganic pigments are reported. The pigments were synthesized by the polymeric precursor (Pechini method) using Cr₂O₃ as chromophore. XRD results only evidenced the corundum phase. The average particle size was about 34 nm. The samples were also characterized by differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetry (TG), and CIE-L*a*b* calorimetry. The pigments obtained in this work presented different colors, ranging from green to rose. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

Ni-CH_3CH_2NH_2/H_(1.78)Sr_(0.78)Bi_(0.22)Nb_2O_7复合层状钙钛矿的合成及光催化分解水产氢性能(英文)

自从分解水产氢被首次报道以来,许多光催化剂被开发出来并用于光催化分解水产氢.然而,由于光生电子和空穴的复合率普遍较高,大部分的光催化剂分解水产氢效率都很低.因此,开发新型高效的光催化材料至关重要.具有(Bi_2O_2)~(2+)(A_(m-1)M_mO_(3m+1))~(2-)通式的Aurivillius相层状钙钛矿材料因具有独特的层状结构、元素可调性以及优异的电荷传输和分离能力而广泛应用于光催化分解水和去除有机污染物.此外,当该类层状钙钛矿被剥离成超薄纳米片时,其光催化性能进一步提高.为了进一步提高层状钙钛矿的载流子分离能力,将客体(如贵金属,半导体等)通过化学反应的途径插入到层状钙钛矿的层间区域,从而合成出复合层状钙钛矿被广泛发展和应用.然而,引入的客体主要是贵金属和半导体,这类客体的高成本和不均匀分布制约了其进一步的应用.由于廉价、无毒和稳定等优点,镍基材料如Ni,NiO,Ni_2O_3,NiS,NiS_2,Ni(OH)2和Ni(OH)x等被广泛用作增强电极材料的光电性能和催化剂的光催化分解水产氢性能的助催化剂.本文采用简单的原位化学反应法制备出镍基配合物Ni-CH_3CH_2NH_2(Ni-EA)插层的Ni-CH_3CH_2NH_2/H_(1.78)Sr_(0.78)Bi_(0.22)Nb_2O_7(Ni-EA/HSNNs)复合层状钙钛矿;然后采用X-射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X-射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱等手段对Ni-EA/HSNNs光催化剂进行了系统的研究.XRD结果表明,引入Ni~(2+)后,HSNNs层间距减小并且平行于钙钛矿层的晶面结晶度增强,证明HSNNs沿垂直于钙钛矿层的方向出现了层层组装.FTIR和XPS结果表明,引入的Ni~(2+)与HSNNs层间和表面的乙胺分子之间存在较强的相互作用,结合高分辨透射电镜图可知,Ni的存在形态可能为配合物Ni-EA.由此可见,当向HSNNs中引入Ni~(2+)时,Ni~(2+)和HSNNs层间和表面的乙胺分子反应生成带正电的配合物Ni-EA,由于Ni-EA与HSNNs的钙钛矿层带有异种电荷,两者之间存在较强的静电相互作用力,从而引起钙钛矿纳米片HSNNs的层层组装,最后形成Ni-EA/HSNNs复合层状钙钛矿.光催化分解水产氢性能测试结果表明,当引入0.5 wt%Ni时,复合层状钙钛矿表现出最优的光催化性能.与HSNNs(241.58μmol/h)相比,0.5%Ni-EA/HSNNs的光催化分解水产氢速率(372.67μmol/h)提高了0.54倍,表现出与0.5%Pt/HSNNs可比拟的光催化活性,可见,非贵金属Ni具有替代贵金属Pt的能力.进一步的研究表明,镍基配合物Ni-EA显著增强了催化剂的光生载流子的传输和分离能力,从而提高了其光催化分解水产氢性能.该文为光催化分解水产氢提供了一种简便的合成非贵金属配合物助催化剂的方法.     

Sb2O3／TiO2纳米复合物的合成及性质研究

以改进的溶胶-凝胶法制备了Sb2O3／TiO2纳米复合物,用扫描电镜、X射线粉末衍射、傅立叶红外光谱、紫外-可见光谱以及荧光等测试技术对产物进行了分析和表征．结果表明：所得纳米复合物颗粒分散均匀,具有锐钛矿相结构,平均粒径约为10nm．还研究了所得产物的光催化性质、电化学性质及电化学发光行为．结果表明：Sb2O3的掺入可以提高TiO2的光催化效果,当反应物中m（Sb2O3）／m（TiO2）=10％时,所得纳米复合物对亚甲基蓝和罗丹明B的光催化效果最好．     

共沉淀法合成Cr3+∶Al2O3纳米粉体及其发光性能研究

NH₄MO(OH)HCO₃(M=Al³⁺， Cr³⁺) precursors were synthesized by a co-precipition method with the solutions of mixed nitrates as starting materials and ammonium bicarbonate as precipitator. The precursors and powders sintered at various temperatures were characterized by thermogravimetry/differential thermal analysis(TG/DTA)， infrared spectroscopy(IR)， X-ray diffractormetry(XRD)， transmittion electron microscopy(TEM). The luminescent spectra of Cr³⁺∶Al₂O₃ nano-powder was measured. The XRD results show that the pure-α-Al₂O₃ phase can be obtained at 1 200 ℃. TEM analysis indicates that the nano-powders about 20～30 nm are well-dispersed and less-aggregated. Spectral analysis demonstrates that the sample has good photoluminescence.     

Tunable Synthesis of Core-shell α-Fe2O3/TiO2 Composite Nanoparticles and Their Visible-light Photocatalytic Activity

Uniform α-Fe₂O₃/amorphous TiO₂ core-shell nanocomposites were prepared via a hydrolysis method and α-Fe₂O₃/anatase TiO₂ core-shell nanocomposites were obtained via a post-calcination process. The structure and morphology of the products were characterized by powder X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy and scanning electron microscopy. Amorphous TiO₂ nanoparticles with diameters of ten to several tens nanometer were formed on the surface of α-Fe₂O₃ nanoparticles and the coverage density of the secondary TiO₂ nanoparticles in the composite can be controlled by varying the concentration of Ti(BuO)₄ in the ethanol solution. The visible-light photocatalytic properties of different products towards Rhodamine B(RhB) were investigated. The results show that the α-Fe₂O₃/amorphous TiO₂ exhibits a good photocatalytic property owing to the extension of the light response range to visible light and the efficient separation of photogenerated electrons and holes between α-Fe₂O₃ and amorphous TiO₂.     

Effects of the crystalline structure of Ga2O3 on the photocatalytic activity for CO production from CO2

Ga₂O₃ samples with different crystalline structures were prepared by calcination of a gallium nitrate powder around 800 K. Ga₂O₃ samples with mixed phases of γ and β showed high photocatalytic activity for CO production from CO₂ reduction with water, and the activity was even higher than that for an Ag-loaded β-Ga₂O_3. The photocatalytic activity increased with time. The increase was attributed to the appearance of GaOOH resulting from the interaction of Ga₂O₃ with water during the reaction as revealed by XRD and XPS analyses. In situ FT-IR measurements revealed that bicarbonates and bidentate carbonate species were adsorbed on GaOOH. Therefore, the increase of the photocatalytic activity with time would be derived from the formation of GaOOH phase on the γ-Ga₂O₃ and β-Ga₂O₃ sample.     

A DFT Study on the Structure and Properties of Cu/Cr2O3 Catalyst

Using DFT method, the stable adsorption configurations of Cu₄ cluster on Cr₂O₃ (0001) surface were investigated. The regular tetrahedron structure and the planar structures were considered as the initial adsorption configuration of Cu₄ cluster, respectively. The adsorption energies of the two structures were also calculated. The simulation result indicated that the adsorption energy of the regular tetrahedron structure was higher than that of the planar structure, and thus the regular tetrahedron structure was confirmed to be the stable adsorption configuration for Cu₄ cluster on Cr₂O₃ (0001) surface. Moreover, it was observed that the Cu₄ cluster showed the definite stable adsorption sites on Cr₂O₃ (0001) surface, namely 3‐fold O sites. During the adsorption process of Cu₄ cluster onto Cr₂O₃ (0001) surface, the Cu₄ cluster could bond with more Cr or O atoms on the surface, and the apparent charge transfer also occurred correspondingly. Meanwhile, the Cu₄ cluster and Cr₂O₃ (0001) surface would bond in the form of local polarization to enhance the stability of adsorption configuration.     

Kinetics of the Oxidative Dehydrogenation of Isobutance over Cr2o3／La2（CO3）3

The oxidative dehydrogenation (ODH) of isobutane over Cr2O3/La2(CO3)3 has been investi- gated in a low-pressure Knudsen cell reactor, under conditions where the kinetics of the primary reaction steps can be accurately determined. By heating the catalyst at a constant rate from 150-300oC, temper- ature uctuations due to non-equilibrium adsorption are minimized. The evolved gas profiles show that ODH to isobutene and water is a primary reaction pathway, while carbon dioxide, which forms from the catalyst during reaction, is the only other product. This CO2 evolution may enhance the activity of the catalyst. Isobutene formation proceeds with the participation of lattice oxygen from the Cr2O3/La2(CO3)3 catalyst. The small pre-exponential factor is expected for a concerted mechanism and for such a catalyst with a small surface area and limited porosity.