大规模合成非贵金属磷化物/CdS复合光催化剂高效可见光催化产氢（英文）

目前,在可见光照射下光催化产氢是一条解决能源短缺的理想途径.该途径实现工业化的两个关键因素是得到低成本的光催化剂和高的产氢效率.非贵金属助催化剂代替贵金属可大大降低光催化剂的成本.通过简单的方法大规模合成并组装半导体和非贵金属助催化剂以形成复合光催化剂可进一步降低成本.本文采用大规模和低成本的共沉淀法合成了磷化物/CdS光催化剂,实现了光催化产氢.当负载CoP和Mo P助催化剂后,光催化产氢活性得到大幅度提高.其中CoP/CdS和Mo P/CdS的最佳产氢量分别为140和78μmol/h,并分别为CdS的7.0倍和4.0倍,分别为Pt/CdS的2.0倍和1.1倍.这说明磷化物CoP和Mo P是具有优良催化活性的低成本非贵金属助催化剂,可以代替贵金属助催化剂应用在光催化产H_2中.在制备磷化物/CdS时,先将两种磷化物反应原料分别在水热反应釜和马弗炉中煅烧合成前驱体,再分别在管式炉氮气和氢气氛围中进行磷化得到磷化物Mo P和CoP.然后,将得到的Mo P和CoP分别溶解在Cd(NO_3)_2·4H_2O溶液中,在搅拌状态下逐滴加入Na_2S溶液形成沉淀,即可得到复合物磷化物/CdS.CoP/CdS和Mo P/CdS的HRTEM观察显示,磷化物助催化剂与CdS半导体紧密结合,证明了共沉淀法制备助催化剂/半导体复合光催化剂的有效性.磷化物与CdS的紧密结合促进了光激发电子从CdS向磷化物转移,从而大大提高了光催化产氢活性.这项工作为低成本大规模制备光催化剂和光催化产H_2实现工业化提供了一条可行性思路.     

基于掺Zn氮化碳和BiVO4构建Z型光催化系统实现完全分解水

随着现代工业的迅猛发展和化石燃料的过量使用, 全球范围内能源和环境问题日益严峻, 因此利用丰富的太阳光能分解水来直接制取清洁的氢气具有诱人的应用前景. 目前, 聚合物半导体石墨相氮化碳(g-C3N4)因其廉价、稳定、不含金属组分和独特的电子能带结构已被广泛应用于光解水产氢研究. 然而, 氮化碳具有结晶度差、光生载流子易复合的缺点.众所周知, Z型体系可以很好地减少电子和空穴的复合问题. 同时, 催化剂只需分别满足光解水过程的一端, 这使得半导体光催化剂的选择非常丰富, 可以大大拓宽材料体系. 因此, 将g-C3N4运用到Z型体系中的研究得到了广泛关注. 然而, 这些研究多集中在如何增强g-C3N4的产氢能力方面, 对实现水的完全分解的研究鲜见报道.本实验设计了这样一种Z型体系: 使用掺Zn的g-C3N4作为产氢端, BiVO4作为产氧端, Fe3+/Fe2+作为氧化还原对. 实验结果表明, 该体系可以在全波段下实现水的完全分解(氢氧比为2:1), 并且保持相当高的稳定性.实验所使用的氮化碳为固相法烧结尿素制得, Zn的掺杂采用浸渍法, 同时通过水热法合成BiVO4, 使用Pt作为助催化剂. 通过搭建含有不同组成成分的Z型体系, 将它们的性能和表征结果进行比较分析.通过XRD, UV-Vis, SEM和XPS等测试手段对催化剂进行表征. XRD分析结果表明成功合成了掺杂Zn的石墨相氮化碳. UV-Vis则显示随着Zn浓度的提高, 吸收边发生变化. 通过改变掺杂Zn的浓度, 得到了能够实现完全分解水的Z型体系,其最佳掺杂比例为: ZnCl2和氮化碳的质量比为1:10. 为了排除单催化剂和Pt颗粒对完全分解水性能的影响, 分别作了单独产氢端、单独产氧端、预负载Pt和光沉积Pt的性能测试. 从SEM中没有发现g-C3N4和BiVO4的异质结结构. 这些结果表明所搭建的是典型的利用氧化还原离子对为中间电子传输载体的Z型体系, 经长达12 h的持续测试证明其具有较高的稳定性.为了研究Zn在构建Z型中所起的作用, 分别采用文献中报道的原位和浸渍法实现Zn的掺杂. 对这两种掺杂方式的性能测试表明, 只有采用浸渍法时, 所构建的Z型体系具有完全分解水的能力. 对这两种方法得到的掺Zn氮化碳进行表面化学组成和价态(XPS)的分析. 结果显示, 两种掺杂方法都可以通过形成Zn=N键的形式实现Zn的掺杂, 但浸渍法使Zn在g-C3N4表面分布更均匀, 同时对氮化碳原本三嗪环的破坏较小, 因此具有更好的还原能力, 可以与BiVO4匹配以构成Z型体系.实验通过采用掺杂Zn的氮化碳作为产氢催化剂, BiVO4作为产氧催化剂, Fe3+/Fe2+作为氧化还原中间体, 构建了典型的Z型体系. 该体系在Zn的掺杂浓度为10%时能够实现长时间稳定的完全分解水.     

两步水热法合成Sn_2Nb_2O_7纳米晶及其高效可见光分解水制氢性能（英文）

铌基半导体光催化材料因其具有独特的晶体结构和能带结构在光催化分解水制氢领域受到科研工作者的高度关注.然而,大多数铌基半导体光催化剂仅能够在紫外光驱动下实现光催化分解水制氢,具有可见光响应的铌基半导体光催化剂不仅数量少而且活性较低,因此发展新型纳米铌基半导体光催化剂并实现其高效可见光催化分解水产氢具有重要的学术和实用意义.具有烧绿石构型的Sn_2Nb_2O_7材料由于具有较窄的禁带宽度(2.4 e V)和合适的导带和价带电势在可见光催化分解水制氢方面引起了科研人员广泛的兴趣.然而,目前报道的利用高温固相法制备的块体Sn_2Nb_2O_7材料由于颗粒尺寸较大和比表面积较小而导致光催化活性较差.因此,发展一种简便高效的制备方法实现纳米Sn_2Nb_2O_7材料的可控制备进而提高其可见光催化活性仍具有一定的挑战性.我们发展了一种简便的两步水热合成方法实现了Sn_2Nb_2O_7纳米晶的可控制备.扫描电镜和透射电镜测试结果表明,通过两步水热法得到的Sn_2Nb_2O_7纳米颗粒具有较好分散度,其平均颗粒尺寸为20 nm.X射线衍射测试结果也进一步证明,通过两步水热法可以实现Sn_2Nb_2O_7纳米晶的可控制备.比表面积测试结果表明,Sn_2Nb_2O_7纳米晶的比表面积约为52.2 m~2/g,远远大于固相法制备的块体Sn_2Nb_2O_7材料(2.3 m~2/g).大量研究表明,大的比表面积有利于半导体催化材料催化活性的提升.通过考查所制备的Sn_2Nb_2O_7纳米晶的可见光分解水制氢能力,对其催化性能进行了评价.研究结果表明,以乳酸为空穴消耗剂,负载0.3wt.%Pt纳米颗粒作为助催化剂的Sn_2Nb_2O_7纳米晶表现出优异的可见光催化分解水产氢性能,其产氢速率是块体Sn_2Nb_2O_7材料的5.5倍.Sn_2Nb_2O_7纳米晶可见光催化分解水产氢性能提高的主要原因是其具有高分散度的纳米颗粒、较大的比表面积和更正的价带电势.首先,颗粒尺寸的纳米化能够显著减小光生电子和空穴的迁移距离,实现光生载流子快速迁移到催化剂表面进而参与催化反应;其次,大的比表面积能够提供更多的催化活性位点,进而有利于催化活性的提高;最后,X射线光电子能谱测试表明,Sn_2Nb_2O_7纳米晶具有更正的价带电势,研究表明,价带电势越正,其光生空穴氧化能力越强.在光催化分解水制氢过程中,具有较强氧化能力的光生空穴通过与空穴牺牲剂乳酸快速反应而被消耗掉,抑制了光生电子与空穴的复合,进而导致其具有较高的光催化产氢活性.     

Co（Ⅱ）-空穴和Pt-电子助催化剂协同作用增强P掺杂g-C3N4光催化产氢性能（英文）

石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种新型的有机半导体材料,具有独特的层状结构、合适的能带位置、简单的制备方法以及出色的稳定性等特点,因而被广泛应用于光催化产氢领域.但是,较高的光生载流子的复合率和受限的迁移率大大地限制了g-C3N4的光催化产氢性能.目前,大量的研究证实块状g-C3N4的液相剥离、表面改性、元素掺杂、与其他半导体复合构筑异质结以及负载助催化剂等方法可以在一定程度上提高g-C3N4的光催化产氢性能.但是单一的g-C3N4改性方法往往并不能获得最理想的光催化产氢性能,因此,本文采用低温磷化法制备了二价钴(Co(II))修饰的磷(P)掺杂的g-C3N4纳米片(Co(II)/PCN),同时实现了掺杂P原子和负载空穴助催化剂Co(II),该催化剂表现出出色的光催化产氢性能.在光催化制氢过程中,铂(Pt)纳米颗粒作为电子助催化剂成功的负载在Co(II)/PCN上.光催化实验结果表明,最佳的Pt/Co(II)/PCN复合材料光催化产氢速率达到774μmol·g^?1·h^?1,比纯相的g-C3N4纳米片(89.2μmol·g^?1·h^?1)提升8.6倍.同时优化的光催化剂具有良好的光催化稳定性,并在402 nm处具有2.76%的量子产率.XRD,TEM,STEM-EDX和AFM结果证明,成功制备了纳米片状形貌的g-C3N4及其复合材料,催化剂中均匀的分布着Co和P元素.通过XPS证明了P-N的存在以及Co(II)的存在,并且Co(II)是以一种无定型的CoOOH的形式吸附在g-C3N4表面.光照后的TEM证明Pt颗粒成功的负载在Co(II)/PCN表面.UV-vis DRS表明,由于P的掺杂以及Co(II)的修饰,Co(II)/PCN相比于g-C3N4纳米片在可见光区域光吸收有了明显的增强.通过稳态和瞬态光致发光光谱分析,同时结合电化学分析表征(i-t、EIS)以及电子顺磁共振技术分析,证实了Co(II)/PCN高效光催化性能的原因可能是由于更高效的光生载流子分离效率.本文对Pt/Co(II)/PCN可能的光催化增强机理提出了设想.P的掺杂可以优化g-C3N4的电子结构,提高其光生载流子分离效率.而以Pt作为电子助催化剂,可以有效地捕获P掺杂的g-C3N4导带中的光生电子,进而发生水还原产氢反应;以Co(II)作为空穴助催化剂,可以捕获价带中的光生空穴,进而发生三乙醇胺氧化反应.通过采用不同功能的助催化剂,实现P掺杂g-C3N4光生电子空穴的定向分流,促进了P掺杂g-C3N4的光生载流子的分离,从而提高催化剂的光催化产氢性能.本文可以为设计具有空穴-电子双助催化剂的光催化产氢系统提供一个新的思路.     

多组分纳米纤维体系中载流子动力学的有效级联调制及其高效光催化产氢性能研究（英文）

利用半导体作为催化剂,将水光催化还原为H₂,为缓解全球能源危机以及环境污染问题提供了一种经济环保的途径。优化调控载流子动力学行为对提高半导体光催化分解水还原为绿色燃料-H₂的活性具有十分重要的意义。目前,基于半导体异质结效应或局域表面等离激元共振的敏化过程来设计和调控半导体基异质结构体系已成为调控载流子动力学行为的一种经典策略。然而,通过精细设计异质结构,合理耦合上述敏化过程,实现载流子动力学的级联调制,从而获得高效的光催化产H₂活性仍然任重道远。在本文中,我们通过原位氧化(g-C₃N₄的剥离和Ag₂S)和还原(Ag)反应,将等离激元Ag纳米颗粒(NPs)和两种不同的半导体Ag₂SNPs和g-C₃N₄纳米片(NSs)组装在电纺TiO₂纳米纤维(NFs)中,形成了一种新型四元异质组分纳米纤维(HNFs)体系。结合时间分辨光致发光光谱,3D时域有限差分模拟以及对照实验,我们...     

Blocking backward reaction on hydrogen evolution cocatalyst in a photosystem II hybrid Z-scheme water splitting system

Photocatalytic Z-scheme water splitting is considered as a promising approach to produce solar hydrogen. However, the forward hydrogen production reaction is often impeded by backward reactions. In the present study, in a photosystem II-integrated hybrid Z-scheme water splitting system, the backward hydrogen oxidation reaction was significantly suppressed by loading a PtCrOx cocatalyst on a ZrO₂/TaON photocatalyst. Due to the weak chemisorption and activation of molecular hydrogen on PtCrOx, where Pt is stabilized in the oxidized forms, Pt^II and Pt^IV, hydrogen oxidation is inhibited. However, it is remarkably well-catalyzed by the metallic Pt cocatalyst, thereby rapidly consuming the produced hydrogen. This work describes an approach to inhibit the backward reaction in the photosystem II-integrated hybrid Z-scheme water splitting system using Fe(CN)₆^3?/Fe(CN)₆^4? redox couple as an electron shuttle.     

CoO/SrTiO3的合成及光催化分解水制氢性能

通过添加碱金属化合物矿化剂,以Sr(NO3)2和钛酸四丁酯的水解产物TiO(OH)2为原料进行固态反应,制得结晶完整性较好的SrTiO3粉末.再由浸渍法负载CoO,制备出光催化分解水催化剂CoO/SrTiO3,在400 W高压汞灯照射下,产氢速率可达到480μmol•g cat－1•h－1. SEM、UV-Vis漫反射光谱表征结果显示,合成SrTiO3时加入KOH矿化剂可使固态反应完全,SrTiO3结晶完整性提高,进而促进其光催化活性提高.确定了适宜的KOH矿化剂用量为2.0％(w).     

铁掺杂氮化碳/BiVO4构建Z型光催化全解水

采用气相挥发法在聚合物氮化碳(PCN)结构中引入了适量的铁(Fe)掺杂组分,成功制备出具有可调Fe掺杂浓度的PCN半导体光催化剂, 其中0.55wt%Fe掺杂的PCN析氢催化活性(410μmol/h)为原始PCN的2.6倍并通过XRD、UV-Vis、PL、XPS、SEM等表征阐明了Fe掺杂对PCN的影响和作用机理。同时调控钒酸铋的生长环境（络合剂、水热时间、pH）合成了具备不同形貌的钒酸铋(BiVO4),进一步成功合成了暴露{010}和{-121}晶面的十面体BiVO4。Z型体系中还原和氧化过程分离,可以在不同催化剂上分别进行氧化还原反应,能够有效抑制逆反应的发生,同时扩宽光催化材料的设计和选择的可能性。以PCN作为产氢端催化剂,十面体BiVO4作为产氧端催化剂,以Fe3+/Fe2+作为离子对构建了Z型体系实现了光催化全解水。其中0.55wt%Fe掺杂的PCN-Fe/BiVO4表现出了更优异的光催化活性,全解水的产氢性能比未改性的PCN/BiVO4提升近一倍,进一步验证了气相挥发法掺杂Fe改性策略的有效性。这种基于催化剂（氮化碳）性质的掺杂改性方法对于催化剂的优化和设计以及构建Z型光催化全解水体系的探索具备一定的借鉴意义。     

硫缺陷型In2S3光催化剂高效分解水制氢研究

缺陷工程被认为是提高光催化剂分解水制氢性能的关键策略之一,然而有关缺陷诱导半导体材料电子结构演变并增强光生载流子传输机制尚不明确。在本研究中,我们通过简单的一步水热合成法成功构建了富含S缺陷的In2S3半导体光催化剂（VS-In2S3）,在模拟太阳光辐照下其光催化分解水产氢性能相比传统的In2S3（P-In2S3）提升了近一个数量级（达到221.18 μmol/g/h）。此外,利用自主研发的原位X射线光电子能谱（SI-XPS）结合相关密度泛函理论计算证实：S缺陷可诱导强还原性的低价态In（In(3-x)+）暴露,进而增强In位点对H2O的吸附和活化能力,因此,S缺陷型In2S3表现出显著增强的光催化析氢活性。此外,可视化观测到H2O分子在原位光照下脱质子转化为OH的分解水制氢过程。该研究为缺陷型光催化剂设计及光催化分解水反应机制和过程研究提供了一定的见解。     

Transition metal tellurides as emerging catalysts for electrochemical water splitting

Renewable energy powered electrochemical water splitting has been recognized as a sustainable and environmentally-friendly way to produce green hydrogen, which is an important vector to decarbonize the transport sector and hard-to-abate industry, able to contribute to achieving global carbon neutrality. For large-scale deployment of water electrolyzers, it is essential to develop efficient and durable electrocatalysts—one of key components determining the electrochemical performance, based on cheap and earth-abundant materials. To this end, transition metal tellurides (TMTs) have recently emerged as a promising alternative to the conventional platinum group metals for both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). This review article provides a brief account of the latest development in TMT-based HER and OER catalysts, with a focus on various strategies developed to improve the catalytic performance, such as nanostructure engineering, composition engineering, and heterostructuring/hybridization. Perspectives of future research on TMT-based catalysts are also shortly outlined.     

Preparation of Z-scheme WO3(H2O)0.333/Ag3PO4 composites with enhanced photocatalytic activity and durability

Ag₃PO₄ is widely used in the field of photocatalysis because of its unique activity. However, photocorrosion limits its practical application. Therefore, it is very urgent to find a solution to improve the light corrosion resistance of Ag₃PO₄. Herein, the Z-scheme WO₃(H₂O)_0.333/Ag₃PO₄ composites are successfully prepared through microwave hydrothermal and simple stirring. The WO₃(H₂O)_0.333/Ag₃PO₄ composites are characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and UV-Vis spectroscopy. In the degradation of organic pollutants, WO₃(H₂O)_0.333/Ag₃PO₄ composites exhibit excellent performance under visible light. This is mainly attributed to the synergy of WO₃(H₂O)_0.333 and Ag₃PO₄. Especially, the photocatalytic activity of 15%WO₃(H₂O)_0.333/Ag₃PO₄ is the highest, and the methylene blue can be completely degraded in 4 min. In addition, the stability of the composites is also greatly enhanced. After five cycles of testing, the photocatalytic activity of 15%WO₃(H₂O)_0.333/Ag₃PO₄ is not obviously decreased. However, the degradation efficiency of Ag₃PO₄ was only 20.2%. This indicates that adding WO₃(H₂O)_0.333 can significantly improve the photoetching resistance of Ag₃PO₄. Finally, Z-scheme photocatalytic mechanism is investigated.     

增强UiO-66-NH2光催化水分解制氢性能的研究进展

氢能是一种能量密度高、储量大、可再生、零污染的新能源。光催化水分解制氢是一种绿色、清洁的能源转换技术,被认为是一种有效的制氢方法。UiO-66-NH2是一种可见光响应、稳定性良好的金属有机骨架材料,但存在可见光响应范围有限、导电性差、载流子复合率高等问题。研究者们采用金属粒子掺杂、染料敏化、金属纳米粒子负载等多种方法对UiO-66-NH2进行改性,提升UiO-66-NH2在光催化水分解制氢反应中的性能,并报道了许多研究成果。因此,本文对近年来报道的有关增强UiO-66-NH2光催化水分解制氢性能的方法进行了综述,并对后续的发展提出了建议,以期为UiO-66-NH2在光催化水分解制氢中应用研究提供参考。     

Electronic structure and visible light photocatalysis water splitting property of chromium-doped SrTiO3

Cr-doped SrTi_1−xCr_xO₃ (x=0.00, 0.02, 0.05, 0.10) powders, prepared by solvothermal method, were further characterized by ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectroscopy. The UV-vis spectra indicate that the SrTi_1−xCr_xO₃ powders can absorb not only UV light like pure SrTiO₃ powder but also the visible-light spectrum (λ>420 nm). The results of density functional theory (DFT) calculation illuminate that the visible-light absorption bands in the SrTi_1−xCr_xO₃ catalyst are attributed to the band transition from the Cr 3d to the Cr 3d+Ti 3d hybrid orbital. The photocatalytic activities of chromium-doped SrTiO₃ both under UV and visible light are increased with the increase in the amounts of chromium.     

Z型Ag3PO4/Ag2MoO4异质结光催化剂构建和光催化降解有机污染物

作为一种绿色技术,半导体光催化氧化广泛应用于环境污染物治理和太阳能转化领域.高效、稳定、可回收利用催化剂的开发是光催化技术发展的一个重要方向.Ag系半导体光催化剂因在可见光分解水制氢及降解有机污染物等方面表现出优异的催化性能而广受关注.然而,该催化剂失活快,制约了其应用.因此,提高Ag系半导体材料的光催化稳定性成为近年研究热点.在各种Ag基光催化剂中,Ag3PO4光催化剂因其在可见光下光氧化水产生O2以及有机染料的光催化分解中有着高的量子效率,引起了人们广泛关注.如何进一步提升Ag3PO4光催化剂性能及在光催化过程中的稳定性成为研究焦点,包括Ag3PO4光催化剂的特殊形貌和晶体结构控制生长以及复合材料控制制备.但是Z型Ag3PO4基可见光催化剂的构筑仍然是一个挑战.本文利用Ag2MoO4和Ag3PO4的溶液相反应法合成了Z型Ag3PO4/Ag2MoO4复合光催化剂,通过Ag3PO4/Ag2MoO4异质结光催化剂在可见光下降解罗丹明B(RhB)、亚甲基橙(MO)、亚甲基蓝(MB)和苯酚研究了其光催化性能,采用X射线衍射(XRD)、能谱、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)以及紫外可见漫反射光谱(UV-vis)等手段表征了该催化剂.XRD,FTIR和拉曼光谱结果表明,复合材料由Ag3PO4,Ag2MoO4和单质银组成,表面成功合成了Z构型Ag3PO4/Ag/Ag2MoO4复合材料.SEM结果发现纯Ag3PO4是规则的球状,纯Ag2MoO4则是多面体状块的颗粒,在Ag3PO4/Ag2MoO4复合材料中可以看到规则的球状体Ag3PO4和Ag2MoO4纳米颗粒,并且随着Ag2MoO4含量的增加,Ag3PO4颗粒的尺寸逐渐减小.UV-vis结果发现Ag2MoO4的加入拓展了复合材料对可见光的吸收范围.光催化性能测试结果表明,8%Ag2MoO4/Ag3PO4在可见光下具有优异的光催化性能:可见光照射5 min,RhB,MO和MB的降解效率分别可达95%,97%和90%.复合材料样品经过4个循环实验后,其降解RhB的效率仍然保持在84%,证明了其具有较高的稳定性.为了进一步研究Ag3PO4/Ag2MoO4的光催化机理,我们用对苯醌、乙二胺四乙酸二钠和丁醇进行了捕捉剂实验.结果表明,超氧自由基和光生空穴在降解有机染料过程中起主要作用.通过光电流测试、复合材料价带导带位置计算以及循环过程样品XRD分析并结合文献结果认为,Z构型Ag3PO4/Ag/Ag2MoO4异质结光催化体系以及可见光照射初期金属Ag纳米颗粒的生成是其具有高光催化活性和稳定性的原因.