具有异质结的铋系光催化剂研究进展（英文）

由于人类面临的能源危机与环境污染问题日益严重,光催化技术作为最有可能解决这两大问题的技术而备受关注.其中,光催化剂是光催化技术的核心.开发具有宽光谱响应、高载流子分离效率的光催化剂既是研究热点也是难点.铋系光催化剂具有较强的可见光吸收能力.但是,提高铋系光催化剂对入射光的吸收效率、降低光生载流子复合效率仍是提高其光催化活性的关键.目前主要通过以下策略来解决这些问题:(1)贵金属负载,(2)半导体复合,(3)金属/非金属掺杂,(4)碳材料修饰,(5)铋金属负载等.最后还简要探讨了具有异质结的铋系光催化剂的发展趋势及其潜在应用.采用贵金属负载于铋系光催化剂(构建肖特基结),可以通过等离子体共振效应拓宽铋系光催化剂的光吸收范围,同时贵金属还能有效转移半导体上的光生电子,促进光生载流子的有效分离.但是,采用贵金属负载存在昂贵、容易发生团聚等不足.通过半导体之间构建紧密异质结,不仅可以调节所制备复合催化剂的能带结构,满足不同光催化反应的要求,而且由于内电场的存在可以促进光生载流子定向转移,从而提高光生载流子的分离效率.除此之外,通过杂原子掺杂可以在原子层面上构建异质结结构,也能有效抑制光生载流子的复合.近年来,通过与具有较好导电性能的碳材料复合,可以快速转移铋系半导体上产生的光子,提高光催化剂的活性和量子效率.铋纳米颗粒具有与贵金属类似的性能,通过采用铋金属对铋系半导体进行负载也可以发生等离子体共振效应,从而可以提高铋系半导体的活性.最后,作者展望了铋系半导体复合光催化剂发展的三个重要方向:(1)创制非化学计量比的铋系半导体复合光催化材料;(2)通过与还原能力更强的半导体构建复合光催化材料,实现光催化CO_2还原制备有机物和光催化全解水的应用中去;(3)充分利用铋系半导体化合物具有较强氧化能力的优点,将其应用于光催化有机物合成中,比如光催化甲苯类有机物选择性氧化等.     

新型间接Z字结型g-C3N4/Bi2MoO6/Bi空心微球等离子共振增强光吸收和光催化性能（英文）

半导体光催化技术是目前最有前景的绿色化学技术,可通过利用太阳光降解污染物或制氢.作为有潜力的半导体催化剂,钼酸铋具有合适的带隙(2.58 eV).但是,由于低的量子产量,钼酸铋的光催化性能并不理想.为了提高钼酸铋的光催化性能,研究者多考虑采取构造异质结的方式.石墨相氮化碳(g-C3N4)能带位置合适,与多种光催化半导体能带匹配,是构造异质结的常用选择.因此,本文选用g-C3N4与钼酸铋复合,构造异质结结构.为了进一步提高光催化性能,多采用负载贵金属(Pt,Au和Pd)作为助催化剂,利用贵金属特有的等离子共振效应,增加光吸收,促进载流子分离,但贵金属价格昂贵.Bi金属单质价格便宜,具备等效的等离子共振效应,是理想的贵金属替代物.钼酸铋可以采取原位还原的方式还原出Bi单质,构造更紧密的界面结构,更有利于载流子传输.Bi的等离子共振效应可以有效提高材料的光吸收能力和光生载流子分离率.本文采用溶剂热和原位还原方法成功合成了一种新型三元异质结结构g-C3N4/Bi2MoO6/Bi(CN/BMO/Bi)空心微球.结果显示,三元异质结结构的最佳配比为0.4CN/BMO/9Bi,该样品表现出最好的光催化降解罗丹明B效率,是纯钼酸铋的9倍.通过计算DRS和XPS的价带数据,0.4CN/BMO/9Bi是一种Z字型异质结.牺牲试剂实验也提供了Z字型异质结的有力证据,测试显示超氧自由基·O^2-(在-0.33 eV)是光催化降解的主要基团.但是,钼酸铋的导带位置低于-0.33 eV,g-C3N4的导带高于-0.33 eV,因此g-C3N4的导带是唯一的反应位点,从而证明了光生载流子的转移是通过Z字型异质结结构实现的.TEM图显示金属Bi分散在钼酸铋表面.DRS和PL图分析表明金属Bi增加了材料的光吸收能力,同时扮演了中间介质的角色,促进钼酸铋导带的电子和g-C3N4价带的空穴快速复合.因此,g-C3N4/Bi2MoO6/Bi的优异光催化性能主要归功于Z字型异质结和Bi金属的等离子共振吸收效应,提高了材料的光吸收能力和光生载流子分离率.     

铋系半导体光催化材料

近年来,铋系半导体材料因其在可见光辐照下对难降解有机物具有良好的催化作用而成为新型光催化材料的研究热点之一。本文综述了国内外铋系光催化剂的研究动态和主要成果。铋系光催化剂在可见光范围内有明显的吸收,具有较好的光催化活性。此外,大多数铋系光催化剂在反应过程中具有较高的稳定性。通过改进制备方法、掺杂负载、构建异质结等技术,可以有效提高铋系半导体材料的可见光吸收性能或抑制光生电子和空穴的复合,从而进一步提高其光催化性能。尽管铋系光催化剂由于其导带位置比氢的氧化还原电位低,但是通过设计合成新的能带结构可使其满足氧化和还原水的能带要求,从而实现铋系光催化剂在光解水制氢中的应用。最后,对铋系光催化剂未来的发展趋势进行了展望,并强调针对特殊用途和结合量化计算方法对开发新型铋系光催化剂的重要性。     

铋系半导体光催化剂的光催化性能调控

铋系光催化剂具有良好的光催化性能,由于其Bi6s和O2p的轨道杂化,提高了价带的位置,从而减小了禁带宽度,使得铋系光催化剂在可见光范围内具有明显的吸收,已成为近年来光催化领域研究的热点。铋系光催化剂在可见光区的光催化活性虽然比传统的TiO₂有明显的提高,但其量子效率不高,光生电子-空穴容易结合,对可见光的吸收有限等问题,使其离实际应用仍存在较大的距离。因此,必须采取合适的措施来提高铋系催化剂的光生载流子速率,抑制光生电子-空穴复合,增强对可见光的吸收。本文主要综述了近年来在铋系半导体光催化剂光催化性能调控方面的最新研究进展,重点就铋系半导体光催化剂的形貌控制、特殊晶面暴露、贵金属沉积、离子掺杂、非金属掺杂、半导体复合等方面进行分析和总结,并对铋系半导体光催化剂的发展方向进行展望。     

增强可见光催化活性的Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂的制备（英文）

全球工业化进程的加快使人们饱受环境污染问题的困扰.半导体光催化技术作为一种高效、绿色、有潜力的新技术,在环境净化方面有着广阔的应用前景.Bi2O4是近年来新开发出的一种铋基光催化剂,在环境净化方面已有一些研究.但是,单体光催化剂通常存在光响应范围窄、光生载流子复合率高等问题,这些不足限制了Bi2O4的进一步应用.因此,需要通过适当的改性来拓宽其光响应范围和提高其载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.构建Z型异质结被认为是提高光催化剂光生载流子分离效率并进一步提高光催化活性的有效方法.MoO3是一种宽禁带的n型半导体,具有独特的能带结构、光学特性和表面效应,是一种非常有前景的半导体光催化剂.虽然MoO3材料的光生载流子复合率高,带隙(2.7-3.2 eV)大,不利于其参与光催化反应,但MoO3与其他合适的半导体配位形成复合材料后能够有效提高其光生载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.本研究采用简单的水热法制备了一种新型Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂,SEM和TEM分析结果表明,MoO3和Bi2O4紧密结合在一起.X射线光电子能谱分析表明,MoO3和Bi2O4之间存在很强的界面相互作用,这有助于电荷转移和光生载流子的分离.光致发光光谱、电阻抗和光电流测试也证明了MoO3/Bi2O4复合光催化剂的光生载流子分离效率更高,形成了更强的光电流.通过在可见光下降解RhB溶液评价了所合成光催化剂的光催化性能.15%MoO3/Bi2O4(15-MB)复合光催化剂表现出了最佳的可见光催化活性,在40 min内对10 mg/L RhB溶液的降解率达到了99.6%,其降解速率是Bi2O4的2倍.此外,15-MB复合光催化剂在经过五次循环降解RhB溶液后仍保持良好的光催化活性和稳定性,表明MoO3/Bi2O4复合光催化剂具有较强的应用潜力.通过自由基捕获实验确定了光催化反应中主要的活性自由基为 O2-和h+.通过莫特-肖特基测试和带隙计算得到MoO3和Bi2O4的价带和导带位置.最后,根据实验和分析结果提出了Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂在可见光下降解RhB溶液的机理.本研究为设计铋基Z型异质结光催化剂用于高效去除环境污染物提供了一种有前景的策略.     

ZnIn2S4纳米片与WO3纳米棒构建3D结构的S型异质结用于可见光光催化分解水产氢(英文)

氢气是一种清洁能源,利用太阳能进行光催化分解水产氢,因为节能和环保,吸引了国内外学者的广泛关注.但是,半导体光催化材料普遍存在可见光吸收范围窄和光生载流子易复合等问题,导致光催化效率不高.半导体耦合是拓展光吸收范围,并促进光生载流子空间分离的有效策略之一.能带相互交错的两种半导体复合,可以形成传统的Ⅱ型异质结,但是这种耦合方式削弱了光生电荷的氧化还原能力.相对传统Ⅱ型异质结光催化材料的不足,余家国教授提出了S型异质结的概念,它通常由两种n型半导体光催化剂组成,其中能带位置较高的为还原型光催化剂(RP),能带位置较低的是氧化型光催化剂(OP).形成S型异质结的关键是接触界面处存在由RP指向OP的内电场.受内建电场的驱动,S型异质结界面电子和空穴的流向与传统Ⅱ型光催化剂完全不同.由于保留了光生电子和空穴具有较强的还原和氧化能力,S型异质结在热力学上更有利于光催化氧化与还原反应.本文以硫代乙酰胺为硫源,采用低温溶剂热法(乙二醇中110℃反应2 h),在氧化型光催化剂(1D的WO₃纳米棒)表面原位生长还原型光催化剂(2D的ZnIn₂S₄     

压力诱导相变原位构建BiVO4/Bi0.6Y0.4VO4型异质结增强光催化全解水性能

光催化完全分解水制氢是一个在粉末颗粒中实现多个串行物理化学步骤的复杂反应过程.这一过程在理论上具有体系简单、成本低、易操作等特点.然而,单步光激发系统中通常存在严重的光生载流子复合,这极大地制约了光催化的整体效率.利用能带结构不同的半导体合理构建异质结催化剂被认为是解决这一难题的重要途径之一.特别是近年来,S型异质结概念的提出为设计异质结结构以及分析不同半导体之间的载流子迁移问题提供了新的思路.本文以小粒径BiVO₄/Bi_0.6Y_0.4VO₄(BYV)为研究对象,首先利用"共沉淀-晶化"的方法制备了BYV固溶体纳米颗粒,随后利用压力诱导固溶体中四方相钒酸铋结构转变为单斜相,从而构建了BiVO₄/Bi_0.6Y_0.4VO₄复合光催化剂.XRD,Raman,HRTEM,HAADF-EDS的结果表明,经过高压后处理的BYV固溶体表面会出现粒径约为5 nm单斜钒酸铋纳米颗粒,实现了原位构建异质结结构.随后载流子动力学的相关表征以及Au选择性光沉积的结果表明,在光照条件下,所构建异质结中的光生电子主要分布在BYV固溶体上,而在表面形成的单斜相钒酸铋颗粒主要起到了类似"空穴"捕获的作用.这种在异质结中的载流子迁移路径符合S型异质结机理.电化学、稳态荧光光谱以及瞬态荧光光谱的表征结果表明,相比于单一固溶体,在S型异质结这种两步激发系统中所存在的载流子迁移路径能够大幅促进光生载流子分离,从而提高了小粒径BYV的光催化完全分解水性能.综上,构建S型异质结是一种解决小粒径光催化剂中载流子分离能力差的有效途径.同时,压力诱导材料晶型转变实现原位构建异质结的制备方法也为提高光生载流子分离效率提供了新的研究思路与机遇.     

非贵金属助催化剂MXene在光催化领域应用的研究进展

环境友好型半导体光催化是当前最具前景的光催化技术之一,它不仅能够将太阳能转化为化学能以解决能源危机,还可以将污染物降解矿化从而解决环境问题.但是,传统的半导体光催化剂受限于光利用率低、光生载流子复合率高、稳定性较差等几个方面,无法达到理想的光催化效果.在半导体光催化剂上负载助催化剂是提升光催化效率的有效策略之一.负载助催化剂能够增强光生电荷在半导体与助催化剂界面间的传输,提供额外的催化活性位点,增强光捕获能力,因而被广泛应用于光催化剂的改性.目前广泛使用的贵金属助催化剂包括Au,Ag,Pt,Ru等,虽然这些贵金属助催化剂性能优异,但是它们存在储量少和成本高的问题,严重影响其规模化应用.因此,开展高效且成本低廉的非贵金属助催化剂的研究非常必要.近来,一种新型二维过渡金属材料(MXene)因其具有独特的二维层状结构、优异的导电性能、出色的光学和热力学性质而成为催化领域的研究热点.本文综述了有关非贵金属助催化剂MXene在光催化领域的最新研究进展,内容包括:(1)MXene材料的体相与表面结构特性;(2)薄层MXene的制备方法,例如氢氟酸刻蚀法、氢氟酸替代物刻蚀法以及熔融氟盐刻蚀法;(3)MXene基复合光催化剂的合成及改性策略,包括机械混合、自组装、原位氧化等;(4)MXene辅助增强光催化活性机理.论文还重点介绍了MXene作为助催化剂在光催化领域中的应用,包括光催化分解水产氢、光催化CO2还原、光催化固氮以及有机污染物的光催化降解.最后,论文分析了MXene基异质结光催化剂存在的问题与面临的挑战,并对MXene助催化剂的未来发展进行了展望.主要观点包括:(1)关于光催化分解水、空气净化、合成氨领域的研究较少,需要进一步开展;(2)MXene基异质结光催化剂的反应机理仍存在争议,需采用现代化仪器设备(包括原位表征技术)对其进行更为深入的探究;(3)目前,大多数MXene材料的制备都是通过强腐蚀性的氢氟酸或氢氟酸替代物刻蚀,开发环境友好且高效的MXene制备方法迫在眉睫;(4)阐明MXene表面终端基团的作用有助于提升MXene基复合光催化剂的性能;(5)引入新的改性策略如局域表面等离子体共振效应(LSPR)、缺陷调控、单原子催化(SAC)等来提高MXene基光催化剂的催化性能,是未来MXene基复合催化剂的发展方向.     

石墨烯修饰三氧化钨/二氧化钛S型异质结增强的光催化产氢活性（英文）

太阳光驱动的光催化分解水产氢是利用太阳能解决当前能源危机和环境问题的理想策略.二氧化钛由于其稳定、环境友好和成本低等优点受到广泛研究,在光催化领域具有不可或缺的作用.然而,纯二氧化钛光催化剂具有光生电子-空穴复合率高、太阳能利用率低等缺点,使其在光催化产氢领域的应用受到限制.迄今为止,人们探索了多种改性策略来提高二氧化钛的光催化活性,如贵金属负载、金属或非金属元素掺杂、构建异质结等.通过复合两个具有合适能带排布的半导体来构建异质结可以大大提高光生载流子的分离,被认为是一种有效的解决方案.最近提出了一种新的S型异质结概念,以解释不同半导体异质界面载流子转移分离的问题.S型异质结是在传统Ⅱ型和Z型(液相Z型、全固态Z型、间接Z型、直接Z型)基础上提出的,但又扬长避短,优于传统Ⅱ型和Z型.通常,S型异质结是由功函数较小、费米能级较高的还原型半导体光催化剂和功函数较大、费米能级较低的氧化型半导体光催化剂构建而成.三氧化钨禁带宽度较小(2.4-2.8 eV),功函数较大,是典型的氧化型光催化剂,也是构建S型异质结的理想半导体光催化剂.根据S型电荷转移机制,三氧化钨/二氧化钛复合物在光辐照下,三氧化钨导带上相对无用的电子与二氧化钛价带上相对无用的空穴复合,二氧化钛导带上还原能力较强的电子和三氧化钨价带上氧化能力较强的空穴得以保留,从而在异质界面上实现了氧化还原能力较强的光生电子-空穴对的分离.同时,石墨烯作为一种蜂窝状碳原子二维材料,是理想的电子受体,在异质结光催化剂中能及时转移电子.而且,石墨烯具有较好的导热性和电子迁移率,光吸收强,比表面积大,可为光催化反应提供丰富的吸附和活性位点,已经被认为是一种重要催化剂载体和光电分解水产氢的有效共催化剂.本文采用简便的一步水热法制备石墨烯修饰的三氧化钨/二氧化钛S型异质结光催化剂.光催化产氢性能测试表明,三氧化钨/二氧化钛/石墨烯复合材料的光催化产氢速率显著提高(245.8μmol g^-1 h^-1),约为纯TiO2的3.5倍.高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱和X射线光电子能谱结果证明了TiO2和WO3纳米颗粒的紧密接触,并成功负载在还原氧化石墨烯(rGO)上.X射线光电子能谱中Ti 2p结合能的增加证实TiO2和WO3之间强的相互作用和S型异质结的形成.此外,复合材料中的rGO大大拓展了复合物的光吸收范围(紫外-可见漫反射光谱),增强了光热转换效应,而且rGO与TiO2之间形成肖特基结,促进了TiO2导带电子的转移和分离.总之,WO3和TiO2的S型异质结与TiO2和rGO之间的肖特基异质结的协同效应抑制了相对有用的电子和空穴的复合,有利于氧化还原能力较强的载流子的分离和进一步转移,加速了表面产氢动力学,于是增强了三元复合光催化剂的光催化产氢活性.     

源于功函数差异的界面内建电场调控载流子定向分离的作用机制研究

近年来,由有机污染物和重金属引起的水污染对人类健康、生态系统和社会可持续发展构成了严重威胁.而光催化技术以其高效、低成本、节能、无二次污染等优点成为解决日益严重的环境污染问题的一个极具吸引力的策略.众所周知,宽光谱吸收、高效载流子分离和快速的表面反应动力学是高性能光催化剂所必备的基本条件.而多孔TiO2空心球具有以下结构优势:(1)成本低、无毒、氧化还原电位适中、物理化学性质稳定;(2)中空结构有利于入射光多重散射,而且大表面积可以暴露更多的活性位点;(3)多孔结构有利于传质过程.但是,窄光谱吸收和低的光生载流子分离效率严重阻碍了空心结构TiO2的实际应用.因此,通过耦合窄带隙半导体构建异质结光催化剂可以有效提高光吸收和促进光生电荷的分离.窄带隙(Eg=2.18–2.44 eV)半导体材料SnS2具有无毒、化学性质稳定、低成本和宽谱响应等诸多优点.若将超薄SnS2纳米片锚定生长在多孔TiO2空心球表面,将对异质结的光催化性能产生显著的影响.一方面,分级结构的空心球具有高可见光捕获率;另一方面,超薄SnS2纳米片具有更短的载流子扩散距离,从而有效地抑制光生载流子在催化剂体相内部复合.然而,由于其能带结构的限制,二元TiO2/SnS2复合材料很容易形成嵌入式I型异质结,在很大程度上降低了光催化氧化还原能力.此外,在光催化剂表面聚集的光生电子和空穴容易发生随机性复合.因此,迫切需要通过引入界面驱动力来调节表面载流子的分离和转移.众多研究表明,通过化学功能化可以实现对还原氧化石墨烯(rGO)的能带结构、功函数、电导率、亲水性和光学性质的调控.功能化的rGO可以作为优良的空穴提取材料,在rGO两侧分别耦合不同能级结构的半导体光催化材料,通过异质界面能级和功函数差异带来的界面内建电场,精确调控光生载流子在界面间的空间分离和定向迁移.基于上述分析,本文通过改进的"硅保护煅烧"方法合成了分级多孔SnS2/rGO/TiO2空心球异质结光催化剂.分级多孔空心球的结构优势不仅增强其光捕获能力,而且为光氧化还原反应提供了丰富的活性位点.特别是,在TiO2和SnS2纳米薄片之间嵌入的rGO中间层可以作为空穴注入层.由不同功函数导致的界面内建电场可以精确地调控光生空穴从SnS2纳米薄片的价带向rGO空穴注入层定向迁移,显著延长了光生载流子的寿命.在可见光照射下,负载2 wt％rGO的分级多孔SnS2/rGO/TiO2空心球异质结光催化剂对罗丹明B染料的降解率可达97.3％,对Cr(VI)的还原效率可达97.09％.此外,经过六个周期的循环实验,该异质结催化降解罗丹明B和还原Cr(VI)的效率没有明显降低,表现出较好的光催化稳定性.     

A Bismuth‐Based Metal–Organic Framework as an Efficient Visible‐Light‐Driven Photocatalyst

A visible‐light‐responsive bismuth‐based metal–organic framework (Bi‐mna) is demonstrated to show good photoelectric and photocatalytic properties. Combining experimental and theoretical results, a ligand‐to‐ligand charge transfer (LLCT) process is found to be responsible for the high performance, which gives rise to a longer lifetime of photogenerated charge carriers. Our results suggest that bismuth‐based MOFs could be promising candidates for the development of efficient visible‐light photocatalysts.     

CdS基光催化材料的研究进展

CdS因其具有较窄的带隙宽度、合适的能带位置和宽范围的可见光吸收等特点被广泛应用于可见光催化领域,然而CdS材料应用于实际生产仍然十分困难,纯的CdS光生载流子复合快、活性位点少、光腐蚀严重等问题亟待解决。本文总结了近几年具有优异光催化性能的CdS基复合材料设计案例,阐述了催化剂改性的原理,主要以加速电荷转移、提升电荷分离效率、产生更多的光生载流子为改性策略,并结合实际研究着重分类讨论了设计不同种类的异质结（如p-n型异质结、肖特基结、Z型异质结）、构建同质结和缺陷工程等手段应用于CdS基光催化剂的改性。最后对未来CdS基光催化剂的研究方向和可能面临的挑战做出了展望,以期望CdS基光催化剂广泛应用于实际生产生活中。     

具有多通道载流子分离功能的 ZnO/P25异质结构光催化氧化甲苯

甲苯是一种最常见的室内有毒挥发性有机物(VOCs),目前消除方法主要有吸附、催化燃烧和光催化氧化,其中光催化是一种最高效和经济可行的方法,能在较温和条件下将甲苯完全矿化为 CO2.作为研究最广泛的光催化剂, TiO2在应用中通常有锐钛矿(ATiO2)和金红石(RTiO2)两种物相,但单物相 TiO2的低量子产率和光生电子-空穴对的快速复合严重限制了它的应用.本文选择兼具锐钛矿和金红石两种物相的 P25为催化剂载体,通过负载少量 ZnO和构建多组分并具备多通道载流子分离功能的异质结以提高 TiO2基光催化剂的性能.
　　利用一步浸渍法制备了一系列 ZnO/P25复合光催化剂,考察了其光催化降解气相甲苯性能. X射线粉末衍射结果表明, ZnO/P25异质光催化剂是由 ATiO2, RTiO2和红锌矿三种物相结构组成.高分辨透射电镜结果表明, ZnO/P25具备三相异质结 ZnO(002)/ATiO2(101)/RTiO2(110).紫外可见光谱、荧光光谱和光电流表征结果表明, ZnO/P25所形成的三相异质结不但增强了光吸收能力,还实现了多通道电子/空穴分离.催化降解实验表明, ZnO/P25异质光催化剂能在室温紫外光辐射下将甲苯完全矿化为 CO2和 H2O.基于三相异质结和多通道光生电子-空穴对分离的形成及促进作用, ZnO/P25光催化活性和速率均明显高于 P25.本文报道的多通道载流子分离理念可为高效光催化剂设计和应用提供一种新思路.     

铋系光催化剂的形貌调控与表面改性研究进展

铋系光催化剂是一类重要的可见光光催化剂,但块体铋系化合物的光催化性能并不理想,需进行改性增强。形貌调控和表面改性是增强铋系光催化剂性能的两种有效方法。本文对近年来铋系化合物光催化剂形貌调控和表面改性方面的研究报道进行综述总结,介绍通过超薄纳米片制备、晶面比例调控、分级结构和空心结构构筑、官能团和纳米微粒修饰表面、表面缺陷调控以及表面原位转化形成金属铋和含铋化合物纳米颗粒等方法增强铋系光催化剂性能的研究情况,对各种方法的特点及其在增加光吸收、有效分离和利用光生载流子方面的作用机制进行讨论,并对铋系光催化材料的形貌调控与表面改性的未来发展趋势及所面临的挑战进行分析总结。     

石榴状单质铋(Bi)球与g-C3N4复合材料表现出超强可见光氧化NO性能

采用一种原位合成工艺制备了具有类石榴结构的金属铋(Bi)单质修饰的g-C3N4复合材料(Bi-CN),并用于可见光氧化NO反应中.金属Bi单质镶嵌在CN层间形成的复合物,由于金属Bi单质显著的表面等离子体共振(SPR)作用可将光吸收范围由紫外光延展至近红外,极大地提高了复合物的光吸收.此外,由于Bi单质存在于复合物界面可产生内建莫特-肖特基效应,从而加快光生载流子的分离与转移.由此,Bi-CN复合物光催化剂展现出超强的光催化去除NO性能.我们提出了类石榴结构的形成以及相应的Bi-CN复合物光催化活性的提高机理.这不仅为高效的金属铋单质改性的g-C3N4基光催化剂提供了一种新的设计方案,也对g-C3N4基光催化的机制理解提出了新的见解.通过X射线衍射、红外光谱和X射线光电子能谱结果发现Bi是以金属单质的形式存在于Bi-CN复合物中,这得益于我们采用了二水合铋酸钠(NaBiO3·2H2O)作为铋前驱体,从而成功避免了氧化态铋的形成.Bi-CN复合物中金属铋单质的存在有诸多优点.首先,金属铋单质具有显著的表面SPR效应,它的引入可大大提高复合物的光吸收能力和太阳光利用率.有研究表明,直径为150–200 nm的铋球能够在紫外-可见漫反射图谱(UV-vis)在λ=500 nm处呈现出典型的SPR峰,但本样品在λ=200–800 nm区间内并未发现该SPR峰.由于铋单质的共振受限于其尺寸大小、颗粒形状和构造环境.本文中球形铋单质的直径约为1μm,其可能发生共振效应的峰位置应超过800 nm,因此未发现相应的SPR峰.其次,金属铋单质分散在CN层表面上构建的肖特基垫垒能够高效地阻止光生电子与空穴的复合,促进了光生载流子的分离与转移,从而提高光氧化NO进程.再者,金属铋单质的介入成功构造了Bi-CN异质结,在可见光照射下NO氧化反应中,Bi-CN复合物活性显著高于CN(22.2%)、CN-EG(36.4%)和Bi(14.1%),其中以10%Bi-CN活性最佳,NO去除率到70.4%,远远超过K插层的g-C3N4、Ag掺杂的g-C3N4和氧化石墨烯修饰的g-C3N4.当复合物中金属铋单质含量超过10%时,其活性明显下降.这是因为大量的金属铋单质积聚在Bi-CN复合物表面上而造成物理堵塞,妨碍了CN吸收可见光,从而降低了其可见光吸收能力;同时导致只会吸收更多的紫外光(λ<280 nm)而不是可见光,因而其可见光催化氧化NO能力下降.     

Ternary Monolithic ZnS/CdS/rGO Photomembrane with Desirable Charge Separation/Transfer Routes for Effective Photocatalytic and Photoelectrochemical Hydrogen Generation

Highly efficient and easy recyclable monolithic photocatalysts with ideal separation/transport route for photogenerated charge carriers are much desired. In this work, a ZnO seed‐induced growth approach is developed to fabricate a ternary monolithic photomembrane, that is, ZnS/CdS heterojunction nanorods in situ grow into the interspaces of multilayer reduced graphene oxide (rGO) sheets (denoted as ZnS/CdS/rGO). The monolithic ZnS/CdS/rGO photomembrane can serve as an efficient visible‐light photoactive membrane for photocatalytic (PC) or photoelectrochemical (PEC) hydrogen generation. The fast electron transport of 1D CdS nanorods, the excellent electronic conductivity of multilayer stacked rGO sheets, the intense visible‐light absorption of CdS, the unique hierarchical structure, and double heterojunctions (ZnS/CdS and CdS/rGO) efficiently boost the photogenerated electron‐hole pairs separation and transfer across the interfacial domain of the photomembrane under visible‐light irradiation. Furthermore, the superior stability and reusability of the photomembrane is achieved by the ideal process of photogenerated electron‐hole pair separation/transfer, i.e., holes transfer to ZnS and electrons transfer to rGO to inhibit CdS from photocorrosion.     

Black Phosphorus-Based Semiconductor Heterojunctions for Photocatalytic Water Splitting

Solar-to-hydrogen (H₂) conversion has been regarded as a sustainable and renewable technique to address aggravated environmental pollution and global energy crisis. The most critical aspect in this technology is to develop highly efficient and stable photocatalysts, especially metal-free photocatalysts. Recently, black phosphorus (BP), as a rising star 2D nanomaterial, has captured enormous attention in photocatalytic water splitting owing to its widespread optical absorption, adjustable direct band gap, and superior carrier migration characteristics. However, the rapid charge recombination of pristine BP has seriously limited its practical application as photocatalyst. The construction of BP-based semiconductor heterojunctions has been proven to be an effective strategy for enhancing the separation of photogenerated carriers. This Minireview attempts to summarize the recent progress in BP-based semiconductor heterojunctions for photocatalytic water splitting, including type-I and type-II heterojunctions, Z-Scheme systems, and multicomponent heterojunctions. Finally, a brief summary and perspective on the challenges and future directions in this field are also provided.     

水热pH值对溴氧化铋组成、形貌及光催化性能的影响

通过调节pH值一步水热法制备溴氧化铋光催化剂,并利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、紫外-可见漫反射光谱（UV-vis DRS）和固体荧光光谱（PL）等方法对其进行表征。在可见光（γ>420 nm）照射下,通过对水溶液中罗丹明B,甲基橙和苯酚的降解效果来评价溴氧化铋的光催化活性。结果表明,由于B9提高了对可见光的吸收以及电子-空穴对的分离效率,B9具有最好的光催化活性,同时探索水热pH值对制备溴氧化铋的形貌和组成的影响,并说明了不同水热pH值下溴氧化铋的合成过程。     

Visible light photo-oxidation of model pollutants using CaCu3Ti4O12: an experimental and theoretical study of optical properties, electronic structure, and selectivity

Charge transfer between metal ions occupying distinct crystallographic sublattices in an ordered material is a strategy to confer visible light absorption on complex oxides to generate potentially catalytically active electron and hole charge carriers. CaCu3Ti4O12 has distinct octahedral Ti4+ and square planar Cu2+ sites and is thus a candidate material for this approach. The sol?gel synthesis of high surface area CaCu3Ti4O12 and investigation of its optical absorption and photocatalytic reactivity with model pollutants are reported. Two gaps of 2.21 and 1.39 eV are observed in the visible region. These absorptions are explained by LSDA+U electronic structure calculations, including electron correlation on the Cu sites, as arising from transitions from a Cu-hybridized O 2p-derived valence band to localized empty states on Cu (attributed to the isolation of CuO4 units within the structure of CaCu3Ti4O12) and to a Ti-based conduction band. The resulting charge carriers produce selective visible light photodegradation of 4-chlorophenol (monitored by mass spectrometry) by Pt-loaded CaCu3Ti4O12 which is attributed to the chemical nature of the photogenerated charge carriers and has a quantum yield comparable with commercial visible light photocatalysts.     

CdS/聚合物梯形产氢光催化剂及其原位光照电子转移机制

氢气是公认的洁净、高效、可再生的能源载体,有望替代目前广泛使用的化石燃料.太阳能光催化产氢是实现高效、低成本、可持续生产氢能的一种途径.然而,单一组分光催化剂的性能受限于光生电子-空穴的快速复合,并且不能同时满足宽的太阳光吸收范围和强的氧化还原能力的要求,因此需要构建异质结来增强光生载流子的分离并保持高效光吸收和强氧化...