有序介孔TiO2纳米纤维及其串联光催化水处理-产氢性能（英文）

光催化技术在环境净化及新能源开发方面具有巨大的研究潜力,特别在有机污染物降解去除和分解水制氢展示出了广泛的应用前景.二氧化钛(TiO2)具有出色的光催化活性和稳定性、低成本和无毒性等性质,是最有前景的光催化剂之一,但离广泛实用还有一定距离.TiO2光催化活性很大程度上取决于其尺寸,结晶度和形状等结构特征,因此,TiO2的纳米结构优化设计,为开发高活性TiO2光催化材料,推动其商业和工业应用提供了新的可能.最近大量研究表明,一维(1D)纳米结构,如纳米管,纳米线和纳米纤维等,具有卓越的光生电荷分离和传输能力,可提高光催化活性.鉴于此,1D TiO2纳米光催化剂的设计和可控制备引起了广泛的研究关注.一般而言,1D TiO2制备方法包括溶胶凝胶法,水热法,溶剂热法和静电纺丝法.其中,水热法由于简单高效,是最广泛使用的一种制备方法.通常,水热法制备1D TiO2包括两个主要步骤.首先,在浓NaOH水溶液中的水热处理,将不规则的TiO2颗粒转化为均匀的1D纳米钛酸盐中间体.随后,通过氢离子交换和热转化,将所获得的钛酸盐转化为1D TiO2.钛酸盐中间体的形成和转化过程,对调控所得1D TiO2产物的结构特征,包括相、尺寸、形状和组成等,具有至关重要的作用.然而,传统水热法的反应条件非常苛刻,经常导致1D纳米结构的破坏及纳米颗粒的无序排列,降低了获得材料的光催化活性.因此,发展温和的钛酸盐转化方法,将为制备高活性光催化材料提供新思路.本文通过新颖的蒸汽热方法,成功将钛酸盐纳米带转化为由纳米晶定向组装而成的介孔TiO2纳米纤维.结合XRD,BET,TEM,XPS,UV-Vis和PL等分析手段详细表征了催化剂的组成与结构,基于有机污染物(以罗丹明B为例)降解以及光催化分解水制氢考察了催化剂的光催化活性.结果表明,在150°C蒸汽热处理得到的1D TiO2纳米纤维具有最高的光催化氧化活性与还原活性,均优于商业TiO2(P25).1D TiO2纳米纤维具有介孔结构,其纳米晶排列有序,从而对增强光催化性能至关重要.各向异性锐钛矿纳米晶的有序排列,促进了光生电子与空穴沿纳米纤维结构定向传递,降低电子-空穴复合几率.介孔结构和高表面积有利于光催化反应过程中的质量交换.鉴于1D TiO2纳米纤维同时具有最高的光催化氧化活性与还原活性,我们发展了光催化水处理-产氢集成新技术,通过光催化“有氧氧化-缺氧还原”串联工艺来实现.有机染料在有氧氧化过程中部分氧化,并在后续的缺氧还原阶段充当高效牺牲试剂以促进光催化分解水制氢.该研究为制备高活性有序介孔TiO2纳米纤维及其应用提供了新思路.     

异质结构AgCl/Bi2WO6微米球制备、表征及其光催化性能

首先利用水热法制备了由纳米片组装的粒径为1.5–2μm的Bi2WO6微球,然后在微球表面沉积了不同含量的AgCl (5 wt%,10wt%,20wt%,30wt%),制备了异质结构AgCl/Bi2WO6微球光催化剂.利用X射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、红外光谱、紫外-可见漫反射吸收等手段对所制的光催化剂进行表征,并以紫外光和可见光分别为光源,罗丹明B为降解对象测试了其光催化活性,考察复合不同含量的AgCl对Bi2WO6光催化剂的性能影响.结果表明,沉积AgCl对Bi2WO6的晶体结构、表面性能和光吸收性能没有产生明显影响,但大幅度提高了Bi2WO6的紫外和可见光催化活性.当复合20wt%AgCl时, AgCl/Bi2WO6光催化活性最佳,紫外光下比纯Bi2WO6提高了2.2倍,可见光下提高了1倍.这主要是由于形成的AgCl/Bi2WO6异质结能有效抑制光生电子和空穴的复合,从而提了其光催化性能.     

碳点衍生的碳纳米花负载钴单原子和纳米颗粒用于高效的氧还原反应（英文）

锌空气电池(ZABs)具有高能量密度(1086 m Wh gZn^–1)、价低、易回收等优势,引起了学者们的广泛关注.空气电极发生的氧还原反应(ORR)/氧析出反应(OER)是控制整个ZABs效率的关键.因此,设计和开发高效的ORR电催化剂对于ZABs商业化至关重要.目前, Pt基电催化剂仍是最有效的ORR电催化剂,但Pt资源稀缺,价格高昂,Pt基电催化剂稳定性差等缺点阻碍了其商业化.因此,研究高活性和高稳定性的ORR非贵金属电催化剂十分重要.碳点(CDs)作为一种新型的零维高分子碳材料,具有低毒、高导电性等优势,被广泛用于碳基材料的前驱体.CDs具有sp²杂化晶核、丰富的边缘位点和大量的官能团(如-NH₂,-COOH和-OH),这些表面官能团为过渡金属原子提供了很强的锚定位点,可用于构筑各种碳负载过渡金属催化剂.本文设计合成了一种新型的碳基ORR电催化剂,其由CDs衍生的三维碳纳米花(CNF)负载Co单原子(SAs)和纳米颗粒(NPs)构成.利用CDs在二次水热过程中形成了3.66 nm的超薄纳米膜并构筑成3D的多孔CN...     

具有分级结构的SiC纳米线负载的Pd纳米颗粒光催化芳基卤化物硼化反应（英文）

芳基硼酸酯作为一种重要的有机中间体,在C–C, C–N和C–O键的构筑以及C–X键的转换中有着广泛的应用,其传统合成方法主要是用格氏试剂或有机锂试剂,但该方法的官能团耐受性较差,且对反应环境敏感.在均相催化体系下,过渡金属催化芳烃的C–H和C–X键硼化反应成为合成芳基硼酸酯化合物的重要途径,虽然活性和选择性很高,但催化剂难于分离,且多数反应需要昂贵的配体,限制了其在工业上的大规模应用.多相催化剂体系虽然解决了分离回收的问题,但是催化效率大多较低.近年来,由于光催化能够有效利用太阳能,在温和条件下促使反应进行,并且能够定向的选择性合成目标产物,提高目标产物的产率,因此其在有机合成中的应用引起了广泛的关注.本文以具有分级结构且能够响应可见光的Si C纳米线为载体,并通过液相还原法制备负载量为3wt%的Pd/Si C催化剂.TEM照片可以看出, Pd纳米颗粒均地分散在Si C表面,平均粒径为3.7 nm.UV-Vis图谱表明, Si C负载Pd以后可明显提高其对可见光的吸收.Pd/Si C在可见光(400–800 nm)照射下,在30 oC和常压Ar氛围下即可实现碘苯脱碘硼化,苯硼酸频哪醇酯...     

超高质量活性的碳纳米纤维包覆铋纳米颗粒用于高效二氧化碳电还原制甲酸（英文）

近年来,工业化的高速推进和化石燃料的大量消耗,不仅造成严重的温室效应,而且加剧了能源危机和环境恶化等问题.电催化CO₂还原技术可将温室气体CO₂转化为具有经济价值的小分子化合物,且可以耦合间歇性可再生能源(如太阳能、风能、潮汐能等)产生的电力,目前已成为实现碳中和目标最有前景的技术途径之一.然而,由于CO₂分子化学惰性较强,需要较高的过电位才能将其活化,导致其转化效率低.铋作为一种无毒无害、价格低廉且具有较高析氢过电位的非贵金属材料,可有效地促进CO₂电还原为甲酸.但受质量活性、稳定性和产率的限制,铋基催化剂目前仍难以实现工业化应用.本文采用静电纺丝技术结合热处理方法制备了碳层封装的超小铋纳米颗粒,并用于二氧化碳电还原制甲酸.透射电镜等表征结果表明,铋纳米颗粒均匀地分散于碳纳米纤维中.电化学测试结果表明,在900℃下煅烧2 h制得的Bi/CNFs-900催化剂具有较好的电还原CO₂为甲酸的性能.在较宽的电化学窗口内,甲酸的法拉第效率均在90%以上,在-1.20 V vs.RHE...     

Ag2S2O7/Ag2O纳米颗粒异质结构的制备及其太阳光全光谱光催化降解应用

Ag2O是优良的感光材料,很少作为光催化材料,而常被用作光催化材料的共催化剂.此外,由于Ag2O禁带宽度窄,且可有效吸收近红外光,因而不能用于全太阳光谱的光催化应用中.同时很少被用作NIR催化剂.本文中不仅研究了纳米Ag2O颗粒的UV-Vis光催化性能,而且还系统探究了其NIR光催化活性.由于在紫外线和可见光的照射下,Ag2O纳米颗粒易发生光还原失活,因而对Ag2O表面硫化处理,使其表面上生长Ag2S2O7层以形成Ag2S2O7/Ag2O异质结,探究了该异质结UV-Vis光催化活性及其光催化循环稳定性;同时,考察了其近红外光催化及其重复使用性能.利用沉淀法成功制备了Ag2O纳米颗粒,并通过在其表面部分硫化处理得到Ag2S2O7,成功构筑Ag2S2O7/Ag2O异质结构,并研究了该Ag2S2O7/Ag2O异质结构UV-Vis-NIR光催化降解有机污染物性能.研究表明,Ag2O纳米颗粒在光子能量较低的NIR照射条件下具有较强的光催化活性,但UV-Vis照射下,虽然Ag2O具有光催化活性,但易发生光还原生成单质银,降低其光催化稳定性;Ag2S2O7/Ag2O纳米异质结,虽然在UV-Vis-NIR范围内光催化活性略降于Ag2O,但稳定性显著提高,总体来看,Ag2S2O7/Ag2O异质结构在全光谱催化方面更具优势.这主要是由于Ag2O表面部分硫化得到的Ag2S2O7纳米颗粒,且二者之间能带匹配促进了光生载流子分离,同时Ag2O表面的Ag2S2O7颗粒直接吸收能量较高的UV-Vis,进而保护内部Ag2O,抑制了其自身还原,可显著提高Ag2S2O7/Ag2O异质结在UV-Vis-NIR催化活性及稳定性.实验结果分析表明,Ag2S2O7/Ag2O异质结纳米颗粒在UV-Vis-NIR条件下均具有稳定且高效的光催化活性,其主要原因为:(1)具有窄带隙的Ag2O可有效拓宽该异质结的光谱吸收;(2)Ag2S2O7/Ag2O异质结能带匹配可有效促使光生载流子分离;(3)Ag2O颗粒表面的Ag2S2O7纳米颗粒可有效提高Ag2S2O7/Ag2O异质结纳米颗粒的光化学稳定性,尤其是在UV-Vis条件下的化学稳定性.Ag2O纳米颗粒受到光照(UV-Vis-NIR)激发后产生电子-空穴对,由于Ag2S2O7与Ag2O能带位置的匹配,Ag2O导带的光生电子注入Ag2S2O7的导带;而Ag2S2O7价带的光生空穴注入Ag2O的价带.Ag2O表面的Ag2S2O7颗粒可有效捕捉电子,从而阻止Ag2O产生的电子-空穴对复合,进而提高光催化活性;同时当光子能量较高(UV以及部分短波长的Vis)时,Ag2O表面的Ag2S2O7颗粒直接吸收该部分光能,进而保护内部Ag2O发生自身还原,因此,Ag2S2O7/Ag2O异质结纳米颗粒在UV,Vis及NIR条件下均具有稳定且高效的光催化活性,在高效利用全光谱光催化降解有机污染物方面具有较大的潜力.     

银纳米颗粒负载TiO2复合薄膜的光催化活性及其光电流性质

制备了3种不同粒径的Ag纳米颗粒,将它们分别掺入二氧化钛溶胶, 制备成复合二氧化钛薄膜。利用TEM测定了Ag粒子的大小,测量TiO₂复合膜的光电流,以亚甲基蓝降解反应评价了Ag/TiO₂薄膜的光催化活性.结果表明,负载不同粒径Ag纳米粒子后,TiO₂薄膜的光电流和光催化活性均得到一定程度的提高.当负载平均粒径6.9 nm的Ag粒子后,薄膜具有最高的光电流和最强的光催化活性.     

氮掺杂碳载体促进铂纳米颗粒电催化氧还原反应的作用机制研究（英文）

氮掺杂碳通常被用作铂基催化剂电催化氧还原反应的功能载体,但是,掺杂的氮对分子氧在铂活性中心上的吸附和还原机理尚不清楚。本研究采用氨气热解的方法制取氮掺杂纳米碳作为载体,并采用调节氨气热解温度进而控制不同种类氮掺杂的含量,可以使铂催化剂获得较高的零价铂含量、较大的电化学活性面积、合适的铂粒径(2.10 nm)和电子快速传输能力从而提高电催化活性。研究发现,具有最佳氮含量掺杂的Pt/Nano-NC-800催化剂显示出优异的电催化氧还原性能(例如,半波电位为0.80 V vs RHE,极限扩散电流为5.37 mA/cm²),以及强的抗甲醇和一氧化碳中毒能力。该性能优于商业铂碳催化剂(20%,JM)以及大多数沉积在碳纳米颗粒或其他载体上的铂催化剂,表现出优异的应用潜力。     

硝酸根接枝诱导组装金红石相TiO2纳米束以增强光催化产氢（英文）

化石燃料的快速消耗加速了全球能源危机和环境污染等问题.光催化产氢直接利用清洁和可持续的太阳能实现向化学燃料的转化,因而成为一种有前景的技术.众多半导体光催化剂中,二氧化钛因其高光催化活性、稳定的化学性质、低成本和无毒等优势而被广泛用作分解水产氢的光催化剂.最近,金红石相TiO2纳米晶体在某些情况下被证明具有光催化的潜力,然而其光生电子-空穴对的快速复合显著抑制了光催化效率.表面修饰、构建异质结和负载助催化剂等策略被用来提高光生载流子的分离效率以减少复合损失,从而提升光催化活性.由于光催化反应通常发生在光催化剂的表面活性位点上,因此通过改善表面性质改变电荷转移途径对光催化活性具有重要影响.磷酸、硫酸、硼酸和盐酸等无机酸的修饰可以改变光催化剂的表面基团,分别通过促进表面羟基的形成和氧气的吸附以及改变表面电荷性质更有效地捕获空穴,实现光生电子和空穴的分离,有助于光催化降解有机污染物.然而,这种影响机制显然不适用于光催化产氢体系,目前对无机酸修饰用于分解水产氢的研究鲜有报道.因此,通过酸改性策略制备高效产氢的光催化剂仍然是一个相当大的挑战.本文利用硝酸诱导策略合成纺锤状金红石相二氧化钛纳米束(R-TiO2).首先,制备层状质子化钛酸盐(LPT)作为TiO2的前体,随后,加入浓硝酸以诱导向金红石相TiO2的转变,并组装形成纺锤状纳米束.对照实验显示,硝酸的酸化可以诱导LPT向金红石相TiO2的转变,而相同条件下浓硝酸后处理不会引起晶相的转变.纺锤形纳米束的形成源于,硝酸诱导R-TiO2沿(110)方向生长并彼此粘附,硝酸诱导组装过程成功在TiO2表面修饰上硝酸根,同时扩大了光吸收范围,有效减少了电荷复合损失.光催化产氢测试证明了R-TiO2光催化剂具有高效的产氢性能,产氢速率为402.4μmol h-1,是Degussa P25的3.1倍,并且显著高于未经浓硝酸处理的锐钛矿(52.0μmol h^-1)或金红石相(110.8μmol h^-1)光催化剂.为了说明表面硝酸根的影响,分别从晶体和化学结构、形态以及表面电荷性质方面比较了光催化反应前后的变化,结果表明,R-TiO2增强的光催化效率可归因于硝酸根基团的负场效应,有利于在表面上捕获带正电的质子以促进载流子分离,提高光催化产氢的效率.总之,本工作不仅对于发展表面修饰策略制备高效产氢光催化剂的研究具有重要意义,而且提出了一种不同于文献报道的无机酸影响机制.     

ZnIn2S4@CNO多级纳米片用于光催化分解水制氢和还原CO2（英文）

光催化分解水制氢和还原CO2是太阳能利用领域的研究热点,对清洁能源的转化具有重要意义.石墨相氮化碳(CN)作为一种非金属半导体,是一种非常有开发潜力的光催化材料.然而限于其聚合物本质,光催化效率仍有待进一步提高.原位非金属掺杂可以利用元素电子结构调控电荷分布,优化光生电荷传输性能.同时,半导体复合,尤其是2D层状复合结构的构筑,可充分发挥2D半导体的优势,合适的能带交错有利于光生电荷的传输,可在一定程度上加速催化反应的进行.本文首先以草酸为氧掺杂源,采用二步煅烧法合成氧掺杂氮化碳纳米片催化剂(CNO).在二次煅烧和氧掺杂共同作用下,增大了CN层间距和多孔性,颗粒尺寸减小,同时增强了对光的吸光性,拓展了可见光吸收范围.接下来采用一步水热合成法得到ZnIn2S4@CNO(ZC)复合材料,在可见光照射下通过分解水制氢和CO2还原反应对复合材料进行光催化还原性能评价.采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)、光电化学测试等方法对ZC进行详细的结构表征和分析.XRD和XPS结果表明,经过一步直接水热可得到层状ZC复合材料,高倍TEM进一步证实二者形成均一的2D异质复合材料.N2-吸附-脱附曲线表明,复合材料具有较大的比表面积和均一的孔结构分布,主要得益于O掺杂CNO纳米片的多孔性结构.光电性质测试结果表明,相比于CNO,复合材料具有降低的荧光发射强度和延长的荧光寿命,表明复合产物显著抑制了光生电荷的复合.电化学测试进一步表明,复合异质结的构筑有利于光生载流子的产生,同时降低了界面电荷转移电阻,提高了电荷迁移速率.因此,多孔2D异质结构的构筑对促进CN基半导体光催化还原具有重要作用.在可见光照射下(λ>400 nm),复合材料表现出优异的光催化还原性能,且随着CNO含量的增加催化活性不断提高,其中ZC 40%(CNO质量比40%)具有最佳的催化活性,其产氢速率达188.4μmol/h,约是ZnIn2S4和CNO的2.1倍.同时,光催化还原CO2测试表明,复合材料具有显著提高的CO和CH4产率,其中CO为主要反应产物.ZC40%的CO产生速率为12.69μmol/h,分别是ZnIn2S4和CNO的2.2倍和14.0倍.对催化剂进行连续光反应,结果表明,复合催化剂具有优异的结构稳定性和活性稳定性,能够持续发生光还原反应制取H2和CO.     

纤维状TiO2／Bi2O3光催化剂的制备及其光催化性能

研究了SrCo0．7Fe0．2Mo0．103-δ（SCFM）材料的相组成、微观结构、热膨胀系数、氧渗透性能和化学稳定性,其结果和文献中的SrCo0．8Fe0.2O3-δ（SCF）做了对比．通过EDTA-citric混合方法成功获得了纯相SCFM材料．SCFM材料在500-1050℃显示出比SCF材料更低的热膨胀系数（24×10^-6-29×10^-6／K）,表明其具有一种更稳定的结构,尽管由于Mo掺杂造成其透氧率比SCF材料低,但是SCFM的透氧率仍然维持在一个较高水平．证实SCF中的Mo掺杂能够阻止晶格中的有序-无序转变,提高了其在CO2下的化学稳定性．     

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.     

探究超薄Bi2MoO6纳米片高效光催化CO2还原活性

铋系层状半导体材料凭借其独特的表面特性在光催化领域得到广泛的研究及应用,然而在光催化反应过程中光生电荷迁移及其表界面动态变化却鲜见报道。本文中,我们利用准原位X射线光电子能谱仪（QIS-XPS）系统研究超薄Bi2MoO6纳米片光催化CO2还原过程中光生电荷迁移及其表界面演变过程。研究结果表明：在暗态条件下CO2分子吸附于（010）暴露面Bi活性位,由于CO2分子强的拉电子能力,导致内层出现高价态Mo(6 x) 。当光照射至样品表面上时,*CO2峰显著降低,*CO峰明显升高,表明CO2分子在Bi活性位发生活化断键,并与光生电子反应形成*CO,使得高价态Mo(6 x) 含量增大。活性测试表明超薄Bi2MoO6纳米片的CO产量活性为41.8 ?mol g-1 h-1,其比块体Bi2MoO6活性高4.2倍,并且展现出优异的光催化稳定性。该工作为二维层状材料高效光催化CO2还原机理研究提供了一种全新的研究思路。     

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。     

Large-Scale Synthesis of Porous Bi2O3 with Oxygen Vacancies for Efficient Photodegradation of Methylene Blue

Photocatalytic degradation of organic pollutants has become a hot research topic because of its low energy consumption and environmental-friendly characteristics. Bismuth oxide (Bi\begin{document}$ _2 $\end{document}O\begin{document}$ _3 $\end{document}) nanocrystals with a bandgap ranging from 2.0 eV to 2.8 eV have attracted increasing attention due to high activity of photodegradation of organic pollutants by utilizing visible light. Though several methods have been developed to prepare Bi\begin{document}$ _2 $\end{document}O\begin{document}$ _3 $\end{document}-based semiconductor materials over recent years, it is still difficult to prepare highly active Bi\begin{document}$ _2 $\end{document}O\begin{document}$ _3 $\end{document} catalysts in large scale with a simple method. Therefore, developing simple and feasible methods for the preparation of Bi\begin{document}$ _2 $\end{document}O\begin{document}$ _3 $\end{document} nanocrystals in large scale is important for the potential applications in industrial wastewater treatment. In this work, we successfully prepared porous Bi\begin{document}$ _2 $\end{document}O\begin{document}$ _3 $\end{document} in large scale via etching commercial BiSn powders, followed by thermal treatment with air. The acquired porous Bi\begin{document}$ _2 $\end{document}O\begin{document}$ _3 $\end{document} exhibited excellent activity and stability in photocatalytic degradation of methylene blue. Further investigation of the mechanism witnessed that the suitable band structure of porous Bi\begin{document}$ _2 $\end{document}O\begin{document}$ _3 $\end{document} allowed the generation of reactive oxygen species, such as O\begin{document}$ _2 $\end{document}\begin{document}$ ^{-\cdot} $\end{document} and \begin{document}$ \cdot $\end{document}OH, which effectively degraded MB.     

金属(Fe,Co,Ni,Cu)掺杂的Mo2C催化剂在TiO2表面用于中性条件光催化分解水产氢

中性条件下的分解水产氢(HER)是化工领域的重要反应之一,其效率取决于催化剂的内在特性.在本工作中,我们利用3d金属(Fe,Co,Ni,Cu)对Mo2C进行掺杂来调节其费米能级,从而达到催化剂可在中性条件下吸附水并提高最终活性的目的.首先,利用简单浸渍法将四种金属的前驱体吸附到MoO3表面,然后通过煅烧一步合成金属掺杂的Mo2C.产物Mo2C的XRD峰位移以及XPS表征结果表明,四种金属通过掺杂进入到了Mo2C晶格.利用HRTEM以及相应的元素面扫分析,也证明金属确实掺杂进入了Mo2C体相.考察了Mo2C基催化剂在中性条件下电解水产氢的性能,结果表明,在10 mA/cm2条件下,Cu-Mo2C催化剂表现出最优的HER性能,其次,是Ni-Mo2C,Co-Mo2C,Fe-Mo2C和纯Mo2C,它们的过电位分别为78,90,95,100和173 mV,Tafel斜率分别是40,43,42,56和102 mV/dec.利用阻抗测试详细分析了催化剂-反应液界面电阻Rct的变化情况,样品Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C拟合后的Rct值分别为119,89.6,46.5,33.8和23.2 ohm/cm^2,表明金属掺杂能明显降低催化剂的反应界面电阻.由于电催化过程的主要研究对象是表面双电层,所以我们利用循环伏安法计算了催化剂表面双电层的数值,得到上述五个样品的Cdl数值分别为0.047,0.06,0.1,0.16和0.24 F/cm^2,双电层的提高为催化剂表面提供了更多的反应位点.考虑了到光解水的界面反应实质也是电催化过程,我们通过浸渍方法将催化剂负载到锐钛矿TiO2表面,考察调控的功函数对光催化效率的影响.XPS表征验证了M-Mo2C负载于TiO2表面.负载助催化剂的TiO2-M-Mo2C样品均表现出了优于纯TiO2的光解水产氢性能.样品TiO2-Cu-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Mo2C和纯TiO2的产氢速率分别为21,404,275,224,147和112μmol/h.利用瞬态荧光研究了载流子在助催化剂和TiO2两相的界面迁移,通过单指数拟合得到样品TiO2,TiO2-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt的荧光寿命分别是22.6,20.5,10.1,4.7,4.0,2.5和1.9 ns,说明不同金属掺杂的Mo2C对提取光生电子的效果不同,元素Cu最有效.进一步利用瞬态吸收光谱研究了TiO2-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt三个样品的载流子迁移,同样采用单指数拟合得到的荧光寿命分别为105,73和31 ps,进一步说明掺杂Cu后助催化剂Mo2C对于提取TiO2的光生电子寿命具有很好的促进作用.利用UPS技术探究了金属掺杂后Mo2C的缺陷能级位置,从计算结果可以看出,元素Cu掺杂后Mo2C具有更深的缺陷能级,该能级对吸附水具有促进作用.利用原位红外光谱对样品进行了水蒸气吸附测试,结果表明,Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C样品依次的吸附水性能提升.综上,我们利用3d金属对助催化剂进行了缺陷调控来调变其对水的起始吸附过电位,该工作对设计性能优异的光解水助催化剂具有一定的借鉴意义.     

Fe (III)‐grafted Bi2MoO6 nanoplates for enhanced photocatalytic activities on tetracycline degradation and HMF oxidation

Fe (III)‐grafted Bi₂MoO₆ nanoplates (Fe (III)/BMO) with varying small quantity of Fe (III) clusters modification were fabricated through a simple hydrothermal and impregnation process. The characterization results indicate that the modification of Fe (III) clusters on the surface of Bi₂MoO₆ nanoplates with intimate interfacial contact is beneficial to the expansion of visible light absorption range and the separation of photoinduced carriers during the interface charge transfer process. The photocatalytic properties of the samples were studied by degradation of tetracycline (TC) and selective aerobic oxidation of biomass‐derived chemical 5‐hydroxymethylfuraldehyde (HMF) under visible light. The 1.5 wt% Fe (III) clusters‐grafted Bi₂MoO₆ nanoplates exhibited optimum photocatalytic activity, which is the TC degradation kinetic rate constant is 5.3 times higher than that of bare BMO, and the highest HMF conversion of 32.62% can be obtained with a selectivity of 95.30%. Furthermore, a possible visible light photocatalysis mechanism over Fe (III)/BMO sample has been proposed. This study may supply some insight for the development of visible‐light‐driven Bi₂MoO₆‐based photocatalysts applicable to both environmental remediation and biomass‐derived chemical transformation.     

Bi_2O_3改性SiO_2涂层对环己烷超临界裂解结焦和燃烧性能的影响

为抑制碳氢燃料在微通道油道中的表面结焦并提高高温裂解产物的燃烧性能,采用负压抽涂的方法,在微通道不锈钢的内壁分别涂覆了Si O2涂层和以Si O2为载体,掺杂不同添加量Bi2O3助剂的Bi2O3-Si O2系列涂层。选用环己烷,在超临界条件下进行裂解实验,分别评价涂层的抑焦效果和对燃烧性能的影响。结果表明,Si O2涂层能够有效的抑制金属催化结焦,从而提升运行温度和时间;Bi2O3-Si O2系列涂层可以有效提高高温段时对环己烷的裂解活性和选择性,当Bi2O3添加量为10%时,涂层对烯烃的选择性最好,有利于提升裂解产物的高温燃烧性能。     

Synthesis of TiO2 on different substrates by chemical vapor deposition for photocatalytic reduction of Cr(VI) in water

TiO₂ loaded on several substrates such as carbon fiber, aluminum plate, silica plate, and glass plate was prepared using the chemical vapor deposition (CVD) method for the photocatalytic reduction of Cr(VI) in water with the presence of ethanol under Ultraviolet (UV) illumination. As‐prepared samples were characterized by X‐Ray Diffraction (XRD), X‐ray photoelectron spectroscopy (XPS), Brunauer–Emmett–Teller (BET), and scanning electron microscopy (SEM). The catalyst with TiO₂ loaded on carbon fiber possessed an extremely large surface area (1,463,91 m²/g), while the other catalysts possessed small surface areas (0.05–0.21 m²/g). The photocatalytic activity of TiO₂ loaded on carbon fiber, which was determined by the conversion of Cr(VI) and the degradation of chemical oxygen demand (COD), was much higher than that of other catalysts. The reusability of TiO₂ loaded on carbon fiber catalyst exhibited almost the same activity as the fresh catalyst. The results indicated that TiO₂ loaded on carbon fiber is feasible for practical application.