担载Rh量子点三维石墨烯催化剂可见光催化制氢

利用二维石墨烯易弯曲的特性制备了具有拓扑结构的三维石墨烯(3DGR),并将Rh量子点(Rh QDs)负载于其上得到了三维石墨烯Rh量子点光催化剂,用于光催化制氢反应。由于三维石墨烯具有特殊的拓扑结构,消除了电子在石墨烯层中传递的各向异性,促进了电子进行层间传递,改变了光生电子传递路径,Rh QDs/3DGR催化剂展现出较高的产氢活性和高的稳定性。120 min内累积产氢量为794.2μmol,在520 nm波长下,表观量子效率达到12.6%。该催化剂也具有较高的光电流、较低的过电位(-0.34 V)和较长的荧光寿命(1.37 ns)。     

担载Rh量子点三维石墨烯催化剂可见光催化制氢

利用二维石墨烯易弯曲的特性制备了具有拓扑结构的三维石墨烯（3DGR）,并将Rh量子点（Rh QDs）负载于其上得到了三维石墨烯Rh量子点光催化剂,用于光催化制氢反应。由于三维石墨烯具有特殊的拓扑结构,消除了电子在石墨烯层中传递的各向异性,促进了电子进行层间传递,改变了光生电子传递路径,Rh QDs/3DGR催化剂展现出较高的产氢活性和高的稳定性。120 min内累积产氢量为794.2 μmol,在520 nm波长下,表观量子效率达到12.6%。该催化剂也具有较高的光电流、较低的过电位（-0.34 V）和较长的荧光寿命（1.37 ns）。     

磷化镍修饰磷掺杂氧化镓可见光催化水分解产氢

以Ga₂O₃半导体为前驱体,用浸渍加低温磷化法制备了P掺杂Ga₂O₃表面修饰Ni₂P光催化剂(x-Ni₂P/Ga₂O₃-P_y,x代表Ni²⁺和Ga₂O₃的物质的量之比,y代表NaH₂PO·H₂O与Ga₂O₃的物质的量)。5%-Ni₂P/Ga₂O₃-P₆催化剂展现出在纯水中光催化析氢的高活性,在430 nm光照下的光量子效率为0.22%。机理研究结果表明Ni₂P修饰和P掺杂扩展了催化剂的光响应范围,同时提升了载流子分离迁移效率,其长周期光催化反应稳定性明显优于未磷化催化剂。     

化学镀法制备CoP量子点修饰g-C3N4用于光催化产氢（英文）

光催化分解水制氢被认为是解决当前能源危机和环境污染问题的重要途径之一.在众多光催化剂中,石墨相氮化碳(g-C3N4)因其具有高的热稳定性、高的化学稳定性、合适的能带位置以及成本低廉等优点,受到光催化领域研究者的广泛关注,成为研究热点.然而,由于g-C3N4的禁带宽度较大(Eg=2.7 eV),导致其对可见光的响应较差,而且光生电子-空穴对在其中易于复合,从而导致其光催化产氢活性较低.已有研究表明,助催化剂可以有效地促进催化剂中光生载流子的分离和传输,从而提高光催化剂的光催化活性和氢气的产生速率.目前使用最广泛的助催化剂多为贵金属(Au,Ag,Pt和Pd等),然而贵金属储量低、成本高,极大地限制了其实际应用.因而,开发适用于光催化水分解制氢的非贵金属助催化剂成为该领域的研究热点.其中,用非贵金属助催化剂修饰g-C3N4制备高效光催化剂分解水制氢技术引起了人们极大的兴趣.过渡金属磷化物(FeP,CoP,CuP,NiP等)是一种有效的光催化辅助催化剂.然而,这些金属磷化物的合成通常使用有毒的有机磷化合物和白磷或涉高温煅烧.特别是在传统水热法制备金属磷化物过程中会释放大量氢气,导致容器内压力过高,造成较大的安全问题.据报道,在这些磷化物中,磷化钴由于其合适的能带结构和较高的导电性,作为光催化分解水助催化剂受到了广泛关注.然而,截至目前,关于磷化钴作为助催化剂用于光催化的实用技术报道很少,特别是在温和条件下制备磷化钴修饰的g-C3N4复合光催化剂的研究还有待进行.本文研究了以CoP作为助催化剂来改进g-C3N4(制备g-C3N4/CoP),并用于光催化水裂解制氢气.复合光催化剂g-C3N4/CoP经由两步反应合成.第一步采用尿素热分解法制备g-C3N4,第二步通过化学镀法将CoP修饰在g-C3N4表面.采用XRD,TEM,UV-DRS和XPS等手段表征了g-C3N4/CoP光催剂的性质.结果表明,CoP以量子点(QDs)形式均匀分布在g-C3N4表面,显著提高了g-C3N4的光催化活性.不同CoP负载量的样品中,g-C3N4/CoP-4%表现出优异的光催化活性,H2生成速率为936μmol g^-1 h^-1,甚至高于4%Pt负载的g-C3N4(H2的生成速率仅为665μmol g^-1 h^-1).从紫外可见光谱上看,g-C3N4在451 nm达到吸收波长上限,但与CoP复合后,g-C3N4/CoP-4%的吸收波长上限延展到497 nm.此外,光致发光和光电流测试结果证实,将CoP量子点负载到g-C3N4上不仅可以降低光生电荷-空穴对的复合,而且可以改善光生e--h+对的转移,从而提高光催化剂的产氢性能.这项工作为开发高效的非贵金属助催化剂修饰g-C3N4的技术提供了一个可行策略,所制材料在光催化制氢领域显示出潜在的应用前景.     

磷化镍修饰磷掺杂氧化镓可见光催化水分解产氢

以Ga₂O₃半导体为前驱体,用浸渍加低温磷化法制备了P掺杂Ga₂O₃表面修饰Ni₂P光催化剂(x-Ni₂P/Ga₂O₃-Py,x代表Ni²⁺和Ga₂O₃的物质的量之比,y代表NaH₂PO·H₂O与Ga₂O₃的物质的量之比)。5%-Ni₂P/Ga₂O₃-P₆催化剂展现出在纯水中光催化析氢的高活性,在430 nm光照下的光量子效率为0.22%。机理研究结果表明Ni₂P修饰和P掺杂扩展了催化剂的光响应范围,同时提升了载流子分离迁移效率,其长周期光催化反应稳定性明显优于未磷化催化剂。     

氧化石墨烯量子点修饰氧掺杂多孔g-C3N4在光催化降解和抗菌中的应用（英文）

偶氮类合成色素具有遗传毒性、致癌性和致泻性,而食源性致病菌易引发细菌性感染和食物中毒事件,食品加工过程中产生的色素废水和致病菌废水若未经妥善处理就排入水体,会对水体及环境造成污染,废水中的偶氮类色素和致病菌还会通过食物链对人体健康产生威胁.因此,寻求更为高效、绿色、安全的处理技术和净化材料有效去除食品废水中高污染性和毒害性的偶氮类色素和致病菌显得尤为迫切.g-C3N4是一种具有可见光响应的有机半导体光催化材料,广泛应用于降解污染物、杀灭致病菌、催化有机反应等领域.然而,g-C3N4本身存在着比表面积小、光吸收性能差、光氧化能力低以及光生载流子迁移效率低等缺点,限制了其光催化性能.针对上述问题,我们对g-C3N4的空间和电子结构进行了设计,将形貌调控、元素掺杂和助催化剂修饰三种改性方法相结合,以获得兼具大比表面积、优异光吸收性能、强氧化能力以及快速光生载流子迁移能力的高活性g-C3N4基光催化体系.本文通过水热法制备了氧掺杂多孔氮化碳(PCNO),通过酸剥离法制备了氧化石墨烯量子点(ox-GQDs),最后通过自组装法将助催化剂ox-GQDs修饰到PCNO上,制备了ox-GQDs/PCNO复合光催化剂.零维的ox-GQDs可以通过氢键、π-π作用和化学键作用,与二维的PCNO实现紧密接触,均匀地分散在PCNO的表面和内部孔道上.由于ox-GQDs独特的上转换特性、电子捕获能力和过氧化物酶活性,ox-GQDs/PCNO复合光催化剂具有比PCNO更佳的光吸收性能、更高的电荷转移效率以及更强的光氧化能力.因此,ox-GQDs/PCNO复合材料在降解偶氮类色素和杀灭致病菌方面均表现出更为优异的可见光催化性能,活性最佳的复合材料ox-GQDs-0.2%/PCNO降解偶氮类色素苋菜红的速率常数约是PCNO的3.1倍,并且该材料能在可见光照射4 h内杀灭99.6%的大肠杆菌,远超过PCNO 31.9%的抗菌活性.另外,光生空穴、超氧自由基和羟基自由基被证实是ox-GQDs/PCNO体系在光催化反应中产生的活性物种,可以彻底矿化偶氮类色素并有效杀灭致病菌.本研究可以拓展g-C3N4基光催化剂在环境净化领域的应用前景,并为阐明ox-GQDs在复合光催化体系中的作用提供新的见解.     

锌镉硫量子点增强的光催化产氢活性

光催化分解水产氢是利用太阳能解决当今能源危机和环境污染问题的理想策略.硫化镉光催化剂由于具有较窄的带隙、有效的光吸收能力、较负的导带位置和较强的还原能力等而受到广泛关注.然而,硫化镉光催化剂的光生电子-空穴复合速率高,导致其光催化活性比较低,因此在光催化领域的应用受到限制.为此,人们采取了很多方法来改善硫化镉光催化剂的光催化性能,例如加入助催化剂、构建异质结、表面修饰以及形成固溶体光催化剂等.合成固溶体光催化剂被认为是提高硫化镉光催化活性最具有发展前景的方法之一,固溶体光催化剂通过形成轨道杂化而表现出可控的带隙和带边位置.在固溶体光催化剂中,锌镉硫胶体量子点引起了很多关注.锌镉硫胶体量子点的颗粒尺寸较小,这就使得光生电子和空穴由催化剂内部转移到表面的距离较短,增大了载流子分离效率.另外,锌镉硫胶体量子点具有较负的导带位置、可调控的带隙、较好的水中分散性以及良好的光吸收等优点,因此锌镉硫胶体量子点从其他光催化剂中脱颖而出.本文分别采用热注法和传统共沉淀法制备了油溶性锌镉硫量子点和水溶性锌镉硫纳米颗粒.发现油溶性量子点亲水性能较差,几乎没有光催化活性,但油溶性量子点易通过配体交换过程转换成水溶性量子点,无机硫作为锌镉硫量子点的表面水溶性配体,可使量子点具有较好的亲水性.通过电化学测试、稳态荧光以及时间分辨荧光测试结果表明,相比于锌镉硫纳米颗粒,水溶性锌镉硫量子点具有更高的电子空穴分离效率.光催化产氢测试发现,在牺牲剂甘油存在的条件下,水溶性锌镉硫量子点的光催化产氢速率(1220μmol g^?1 h^?1)显著提高,约是锌镉硫纳米颗粒产氢速率的10倍.加入助催化剂Ni^2+后,锌镉硫量子点表现出最高的光催化产氢活性(2253μmol g^?1 h^?1),在420 nm灯的光照条件下,表观量子效率达到15.9%.光催化活性的增大主要归因于量子点较小的颗粒尺寸、表面无机硫配体以及助催化剂的添加,这些都有利于载流子的快速分离和转移,降低其复合,延长其寿命,并且加速了产氢动力学,因此提高了水溶性锌镉硫量子点的光催化产氢活性.     

二硫化钼量子点/还原氧化石墨烯复合材料的制备及其光催化降解有机染料、四环素和Cr（VI）

以钼酸钠、L-半胱氨酸和氧化石墨烯为原料,采用一锅溶剂热还原法制备了二硫化钼量子点/还原氧化石墨烯（MoS₂ QDs/rGO）复合材料,分别以罗丹明B、亚甲基蓝、四环素和Cr（VI）为目标污染物,研究了复合材料的可见光响应光催化降解性能。结果显示,MoS₂ QDs/rGO对两种染料和Cr（VI）的光催化降解率均可达97%以上,对四环素的光催化降解率为69%;循环使用10次,对目标染料的降解率均保持在90%以上。说明MoS₂ QDs/rGO具有良好的催化活性和稳定性。在降解体系中分别加入异丙醇、对苯醌和乙二胺四乙酸二钠捕获剂,结果显示,超氧自由基（?O₂^-）是MoS₂ QDs/rGO光催化反应的主要活性物种。     

Bi量子点修饰的C掺杂二维BiOCl纳米片:增强的可见光光催化活性和反应路径（英文）

异相光催化技术已经受到了国内外广泛关注,逐渐成为利用太阳能解决能源与环境问题的有效手段.典型异相光催化反应的步骤包括光子捕获、载流子分离与迁移、以及载流子参与光化学氧化还原反应,因此,开发太阳能利用率高、电荷复合率低、载流子迁移效率高的高活性、高稳定性的光催化剂在环境修复和太阳能转化的实际应用中具有极其重要的意义.在半导体光催化剂上同时集成杂原子掺杂和表面等离振子共振效应可以有效提高可见光利用率和电荷分离,实现更好的太阳光利用和光催化效率.因此,我们设计了一种新型的Bi量子点修饰的C掺杂BiOCl光催化剂(C/BOC/B)来去除空气中NOx污染物.首先,通过密度泛函理论(DFT)评估了Bi负载和C掺杂协同提高Bi OCl光催化性能的可行性.理论结果证实,掺杂的C原子可以创造电子通道,诱导电荷定向地从Bi量子点转移到BiOCl(BOC);同时,具有等离子体效应的Bi量子点可以充当光捕获中心和电子供体.因此, C原子掺杂和Bi量子点负载的协同作用,有望进一步提高材料的光催化性能.随后,通过简单的溶剂热法合成了C/BOC/B样品.SEM和TEM图像显示了BOC, C/BOC和C/BOC/B样...     

类石墨烯C3N4纳米片光催化分解水制氢中的量子限域效应

从层状化合物获得的纳米片是一类新型纳米结构材料,这种二维各向异性的纳米甚至亚纳米级的材料具有独特的物理化学性能,其中最好的一个例证就是从石墨烯C₃N₄到石墨烯C₃N₄纳米片的转变。通过高温氧化热刻蚀方法将体相g-C₃N₄剥离成g-C₃N₄纳米片,应用于染料敏化可见光分解水产氢,表现出了较体相g-C₃N₄高于2.6倍的产氢速率。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、扫描电子显微镜（SEM）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）、荧光光谱和光电化学等表征研究了g-C₃N₄纳米片的结构及曙红（EY）和g-C₃N₄纳米片之间的电子迁移过程。热剥离后的g-C₃N₄纳米片具有较高的比表面积,不仅可以更为有效地吸附染料分子,还因其量子限域效应大大增强了光生电荷的分离效率和电子转移效率,改善了电子沿平面方向的传输能力以及光生载流子的寿命,从而显著提高g-C₃N₄纳米片的光催化产氢活性。     

Integrating non-precious-metal cocatalyst Ni3N with g-C3N4 for enhanced photocatalytic H2 production in water under visible-light irradiation

Photocatalytic H₂ production via water splitting in a noble-metal-free photocatalytic system has attracted much attention in recent years. In this study, noble-metal-free Ni₃N was used as an active cocatalyst to enhance the activity of g-C₃N₄ for photocatalytic H₂ production under visible-light irradiation (λ > 420 nm). The characterization results indicated that Ni₃N nanoparticles were successfully loaded onto the g-C₃N₄, which accelerated the separation and transfer of photogenerated electrons and resulted in enhanced photocatalytic H₂ evolution under visible-light irradiation. The hydrogen evolution rate reached ～305.4 μmol h^?1 g^?1, which is about three times higher than that of pristine g-C₃N₄, and the apparent quantum yield (AQY) was ～0.45% at λ = 420. Furthermore, the Ni₃N/g-C₃N₄ photocatalyst showed no obvious decrease in the hydrogen production rate, even after five cycles under visible-light irradiation. Finally, a possible photocatalytic hydrogen evolution mechanism for the Ni₃N/g-C₃N₄ system is proposed.     

Rational design of ternary NiS/CQDs/ZnIn2S4 nanocomposites as efficient noble-metal-free photocatalyst for hydrogen evolution under visible light

The NiS/CQDs nanocomposite (CQDs represents carbon quantum dots), with a mass ratio of NiS/CQDs to be 1.19:1 based on the ICP result, was obtained via a facile hydrothermal method from a mixture of CQDs, Ni(OAc)₂ and Na₂S. The self-assembly of ZnIn₂S₄ microspheres on the surface of NiS/CQDs was realized under microwave conditions to obtain a ternary NiS/CQDs/ZnIn₂S₄ nanocomposite. The as-obtained NiS/CQDs/ZnIn₂S₄ nanocomposite was fully characterized, and its photocatalytic hydrogen evolution under visible light irradiation was investigated. The ternary NiS/CQDs/ZnIn₂S₄ nanocomposite showed superior photocatalytic activity for hydrogen evolution than ternary CQDs/NiS/ZnIn₂S₄, which was obtained by deposition of NiS in the preformed CQDs/ZnIn₂S₄. The superior photocatalytic performance of ternary NiS/CQDs/ZnIn₂S₄ is ascribed to the introduction of CQDs, which act as a bridge to promote the vectorial transfer of photo-generated electrons from ZnIn₂S₄ to NiS. This result suggests that the rational design and fabrication of ternary CQDs-based systems are important for the efficient photocatalytic hydrogen evolution. This study provides a strategy for developing highly efficient noble-metal-free photocatalysts for hydrogen evolution using CQDs as a bridge to promote the charge transfer in the nanocomposite.     

Simultaneous hydrogen and peroxide production by photocatalytic water splitting

Photocatalytic oxidation of water is a promising method to realize large-scale H₂O₂ production without a hazardous and energy-intensive process. In this study, we introduce a Pt/TiO₂(anatase) photocatalyst to construct a simple and environmentally friendly system to achieve simultaneous H₂ and H₂O₂ production. Both H₂ and H₂O₂ are high-value chemicals, and their separation is automatic. Even without the assistance of a sacrificial agent, the system can reach an efficiency of 7410 and 5096 μmol g^–1 h^–1 (first 1 h) for H₂ and H₂O₂, respectively, which is much higher than that of a commercial Pt/TiO₂(anatase) system that has a similar morphology. This exceptional activity is attributed to the more favorable two-electron oxidation of water to H₂O₂, compared with the four-electron oxidation of water to O₂.     

C-I共掺杂多孔g-C3N4光催化分解水制氢

氢气是一种可替代传统燃料的理想清洁能源,利用光催化技术分解水制氢是制取氢气的有效途径之一.无机半导体光催化材料具有较高的活性和稳定性,且原料丰富,易加工改性.目前针对光催化技术的应用,大量的研究工作都集中在开发可见光响应光催化剂,以提高对可见光的利用率.同时,非金属聚合物半导体因其特殊的光电性质,在光催化应用研究中越来越受到关注,如庚嗪基微孔聚合物(HMP)和共价三嗪基骨架(CTF).石墨相碳化氮(g-C3N4)是一种典型非金属二维聚合物半导体,被认为是一种非常有价值的光催化材料.然而,其较低的光生电子的传输效率限制了其实际应用,因此诸多研究对g-C3N4的物理化学结构进行优化,如半导体耦合、共聚合、纳米结构设计和掺杂.非金属掺杂是一种有效的方法,由于原子电负性差异引起的电荷分离可有效改善载流子传输效率,且保持半导体的非金属性质.通过O,B,P和S等掺杂可以扩大可见光响应范围,并调节能带位置以改善光催化活性.除了常见的单一非金属掺杂,金属和非金属元素或多非金属元素共掺杂的办法同样可提高g-C3N4的光催化性能.本工作通过两步法对双氰胺、尿素和碘化1-乙基-3-甲基咪唑的混合物直接热聚合,合成C-I共掺杂的多孔g-C3N4,其在可见光照射下表现出较高的产氢活性和稳定性.采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)和电化学实验等方法对多孔掺杂g-C3N4结构进行详细表征和分析.在助催化剂Pt和电子牺牲剂(三乙醇胺)存在的条件下,采用可见光(>400 nm)照射分解水产氢的方法评价其光催化活性.结果表明,后热处理和碘离子液掺杂对g-C3N4材料的结构和性能具有较大影响.C-I共掺杂和后热处理使催化剂产物颗粒尺寸减小,形成多孔片层状紧密堆积,比表面积和孔隙率显著增加,吸收带边发生蓝移.后热处理使样品层间距减小,聚合度增加,有利于电荷传输,C-I共掺杂后出现更多的缺陷,但没有改变其层状堆积的特性.XPS结果表明,样品中碘元素以I-和I5+的形式存在,改性后催化剂C/N比明显增加,sp2芳环N含量增加,表面氨基含量降低,表明后热处理和C-I共掺杂没有改变多孔g-C3N4的基本骨架,共轭结构更加完善.PL和光电流结果表明,改性后样品的PL强度均显著降低,并且随着掺杂量的增加而逐渐降低,表明共掺杂可抑制光生电荷的复合.电化学测试结果表明,后热处理和C-I共掺杂的样品界面电荷转移电阻降低,导电率和电荷迁移率增加,从而有助于提高光催化性能.光解水产氢性能测试表明,后热处理和C-I共掺杂有利于催化剂产氢速率的提高,改性后CNIN0.2的产氢速率达168.2μmol/h,是纯氮化碳的9.8倍.经过多次循环测试,其产氢性能保持稳定而没有显著下降,表明其产氢稳定性较好.     

类石墨碳修饰提高ZnO纳米棒阵列光催化活性和光稳定性的研究

半导体光催化是一种理想的太阳能化学转化绿色技术,可以实现水分解制氢和CO2光还原制备碳氢化合物燃料.氧化锌 (ZnO) 作为一种直接带隙半导体材料,一方面具有性能优异、价格低廉、易制备等优点; 另一方面因光腐蚀而不稳定,大大限制了该材料的实际应用.本文提出了一种简单易行的类石墨碳修饰方法,可以有效提高 ZnO 用于CO2光还原的光催化活性和稳定性.首先采用水热法在金属锌片基底上生长 ZnO 纳米棒阵列 (ZnO-NRA),然后通过葡萄糖水热法进行不同含量的类石墨碳 (C-x) 修饰,形成 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构,同步实现碳包覆和碳掺杂.X 射线衍射结果表明,ZnO 纳米棒及ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构都具有良好的纤锌矿型 (Wurtzite) 结构; 而拉曼散射则清楚地证实了类石墨碳的存在.扫描电子显微观察显示,生长的 ZnO 纳米棒长度大约 2-5 μm,直径为 400-700 nm,沿方向[0001]生长,端部由六个规则的 (103)晶面组成,进一步直观佐证了 ZnO 的典型纤锌矿型结构特征.透射电子显微分析结果表明,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构中类石墨碳包覆层厚度大约为 8 nm.ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的 X 射线光电子谱分析结果验证了 C-C,C-O 和 C=O键的存在与碳的包覆层相对应; 而 C-O-Zn键的出现则是由于碳在 ZnO 中掺杂所引起.从紫外-可见吸收谱上可观察到ZnO 的典型吸收带边位置约为 385 nm,而碳的包覆和掺杂导致 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的吸收带边发生红移,并且吸收背底明显提高.电化学阻抗谱测试结果清楚地显示,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构比单纯 ZnO-NRA 的电化学阻抗明显降低,说明类石墨碳包覆层大幅度提高了电导性能,从而有利于光生载流子的分离和传输.荧光分析结果也表明,与单纯的 ZnO-NRA 相比,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的荧光强度大幅度下降,进一步证实了 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构比单纯的 ZnO-NRA更有利于光生载流子的分离和传输.光电化学测试结果表明,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构的瞬态光电流 4 倍于单纯的ZnO-NRA,而 CO2 光还原性能测试也得到一致的结果.长时间多循环 CO2 光还原实验证实,ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构具有稳定的光催化活性和极好的光稳定性.综上,我们利用一种简单易行的水热法进行类石墨碳修饰,成功开发了 ZnO-NRA/C-x 纳米复合结构,该结构因其优异的光生电子和空穴的分离和迁移性能,从而具有显著提升的CO2光还原活性和光稳定性.本工作证明,类石墨碳修饰是一种可以广泛借鉴的有效提升半导体材料光催化活性和光稳定性的可行方法.     

Synthesis of novel MnOx@TiO2 core-shell nanorod catalyst for low-temperature NH3-selective catalytic reduction of NOx with enhanced SO2 tolerance

In this study, a MnO_x@TiO₂ core-shell catalyst prepared by a two-step method was used for the low-temperature selective catalytic reduction of NO_x with NH₃. The catalyst exhibits high activity, high stability, and excellent N₂ selectivity. Furthermore, it displays better SO₂ and H₂O tolerance than its MnO_x, TiO₂, and MnO_x/TiO₂ counterparts. The prepared catalyst was characterized systematically by transmission electron microscopy, high-resolution transmission electron microscopy, X-ray diffraction, Raman, BET, X-ray photoelectron spectroscopy, NH₃ temperature-programmed desorption and H₂ temperature-programmed reduction analyses. The optimized MnO_x@TiO₂ catalyst exhibits an obvious core-shell structure, where the TiO₂ shell is evenly distributed over the MnO_x nanorod core. The catalyst also presents abundant mesopores, Lewis-acid sites, and high redox capability, all of which enhance its catalytic performance. According to the XPS results, the decrease in the number of Mn⁴⁺ active centers after SO₂ poisoning is significantly lower in MnO_x@TiO₂ than in MnO_x/TiO₂. The core-shell structure is hence able to protect the catalytic active sites from H₂O and SO₂ poisoning.     

Ho改性的Mn-Ce/TiO2催化剂低温脱硝性能的评价和表征

作为引起酸雨、光化学烟雾、雾霾等大气污染问题的主要根源,氮氧化物(NOx)的防治已成为亟待解决的问题.选择性催化还原技术作为最成熟有效的脱硝技术,目前已经被广泛应用于各燃煤电厂.低温脱硝催化剂具有优秀的低温活性,使得脱硝装置可以安放在脱硫装置和除尘装置下游,受到了学者广泛的研究.目前低温脱硝催化剂的研究主要是对催化剂进行改性以提高催化剂的性能,已有许多研究报道了Sn、Ni、Co、Zr、Cr、Ni等对催化剂的改性影响.Ho作为一种改性元素被应用于光催化领域,能提高TiO2的光催化能力.但Ho应用于脱硝领域的研究鲜有报道,其氧化物具有酸性位点有助于脱硝反应,因此研究Ho对低温SCR催化剂的改性作用具有重要意义.本文采用浸渍法制备Ho掺杂的Mn-Ce/TiO2催化剂,研究了Ho的掺杂对于Mn-Ce/TiO2催化剂低温脱硝性能的影响,同时还研究了烟气中的SO2和H2O对催化剂活性的影响,并利用XPS、XRD、H2-TPR、NH3-TPD等表征方法从物理性质和化学性质两方面对Ho改性的影响机理进行了研究.研究发现,Ho的掺杂能提高Mn-Ce/TiO2催化剂的脱硝能力,有助于催化剂N2选择性的提高.分析表明,Ho的掺杂有助于催化剂比表面积的提升,且能提高催化剂的酸性,有利于催化剂对NH3的吸附,从而提高催化剂的性能.XPS表征结果表明Ho掺杂后的催化剂具有更高的化学吸附氧浓度和较高的Mn4+/Mn3+比例, 使得脱硝反应更容易进行.改性后催化剂的抗水抗硫实验结果表明,Ho的掺杂能够提高催化剂的抗水抗硫性能.XRD结果表明,抗水抗硫实验后催化剂表面形成了硫酸铵盐,硫酸铵盐的形成会堵塞催化剂表面的活性位,限制脱硝反应的进行,从而影响催化剂的脱硝活性.同时,400°C下进行再生实验后的催化剂活性有所恢复,但是未能达到抗水抗硫实验前的活性,表明在抗水抗硫实验中催化剂表面形成了除硫酸铵盐以外的其他硫酸盐类.结合XPS和XRD表征结果,推断生成的盐类物质为硫酸锰和硫酸铈,从而导致再生后的催化剂的脱硝活性无法恢复到最初的活性水平.由此可以看出,硫酸盐的形成是催化剂在含硫气氛中失活的主要原因.     

Gold/monolayer graphitic carbon nitride plasmonic photocatalyst for ultrafast electron transfer in solar-to-hydrogen energy conversion

Gold (Au) plasmonic nanoparticles were grown evenly on monolayer graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) nanosheets via a facile oil-bath method. The photocatalytic activity of the Au/monolayer g-C₃N₄ composites under visible light was evaluated by photocatalytic hydrogen evolution and environmental treatment. All of the Au/monolayer g-C₃N₄ composites showed better photocatalytic performance than that of monolayer g-C₃N₄ and the 1% Au/monolayer g-C₃N₄ composite displayed the highest photocatalytic hydrogen evolution rate of the samples. The remarkable photocatalytic activity was attributed largely to the successful introduction of Au plasmonic nanoparticles, which led to the surface plasmon resonance (SPR) effect. The SPR effect enhanced the efficiency of light harvesting and induced an efficient hot electron transfer process. The hot electrons were injected from the Au plasmonic nanoparticles into the conduction band of monolayer g-C₃N₄. Thus, the Au/monolayer g-C₃N₄ composites possessed higher migration and separation efficiencies and lower recombination probability of photogenerated electron-hole pairs than those of monolayer g-C₃N₄. A photocatalytic mechanism for the composites was also proposed.     

Catalytic effects of [Ag(H2O)(H3PW11O39)]3− on a TiO2 anode for water oxidation

A [H₃Ag^I(H₂O)PW₁₁O₃₉]^3?-TiO₂/ITO electrode was fabricated by immobilizing a molecular polyoxometalate-based water oxidation catalyst, [H₃Ag^I(H₂O)PW₁₁O₃₉]^3? (AgPW₁₁), on a TiO₂ electrode. The resulting electrode was characterized by X-ray powder diffraction, scanning electron microscopy, and energy dispersive X-ray spectroscopy. Linear sweep voltammetry, chronoamperometry, and electrochemical impedance measurements were performed in aqueous Na₂SO₄ solution (0.1 mol L^?1). We found that a higher applied voltage led to better catalytic performance by AgPW₁₁. The AgPW₁₁-TiO₂/ITO electrode gave currents respectively 10 and 2.5 times as high as those of the TiO₂/ITO and AgNO₃-TiO₂/ITO electrodes at an applied voltage of 1.5 V vs Ag/AgCl. This result was attributed to the lower charge transfer resistance at the electrode-electrolyte interface for the AgPW₁₁-TiO₂/ITO electrode. Under illumination, the photocurrent was not obviously enhanced although the total anode current increased. The AgPW₁₁-TiO₂/ITO electrode was relatively stable. Cyclic voltammetry of AgPW₁₁ was performed in phosphate buffer solution (0.1 mol L^?1). We found that oxidation of AgPW₁₁ was a quasi-reversible process related to one-electron and one-proton transfer. We deduced that disproportionation of the oxidized [H₂Ag^II(H₂O)PW₁₁O₃₉]^3? might have occurred and the resulting [H₃Ag^IIIOPW₁₁O₃₉]^3? oxidized water to O₂.     

Ni nanoparticles as electron-transfer mediators and NiSx as interfacial active sites for coordinative enhancement of H2-evolution performance of TiO2

The development of efficient photocatalytic H₂-evolution materials requires both rapid electron transfer and an effective interfacial catalysis reaction for H₂ production. In addition to the well-known noble metals, low-cost and earth-abundant non-noble metals can also act as electron-transfer mediators to modify photocatalysts. However, as almost all non-noble metals lack the interfacial catalytic active sites required for the H₂-evolution reaction, the enhancement of the photocatalytic performance is limited. Therefore, the development of new interfacial active sites on metal-modified photocatalysts is of considerable importance. In this study, to enhance the photocatalytic evolution of H₂ by Ni-modified TiO₂, the formation of NiS_x as interfacial active sites was promoted on the surface of Ni nanoparticles. Specifically, the co-modified TiO₂/Ni-NiS_x photocatalysts were prepared via a two-step process involving the photoinduced deposition of Ni on the TiO₂ surface and the subsequent formation of NiS_x on the Ni surface by a hydrothermal reaction method. It was found that the TiO₂/Ni-NiS_x photocatalysts exhibited enhanced photocatalytic H₂-evolution activity. In particular, TiO₂/Ni-NiS_x(30%) showed the highest photocatalytic rate (223.74 μmol h^?1), which was greater than those of TiO₂, TiO₂/Ni, and TiO₂/NiS_x by factors of 22.2, 8.0, and 2.2, respectively. The improved H₂-evolution performance of TiO₂/Ni-NiS_x could be attributed to the excellent synergistic effect of Ni and NiS_x, where Ni nanoparticles function as effective mediators to transfer electrons from the TiO₂ surface and NiS_x serves as interfacial active sites to capture H⁺ ions from solution and promote the interfacial H₂-evolution reaction. The synergistic effect of the non-noble metal cocatalyst and the interfacial active sites may provide new insights for the design of highly efficient photocatalytic materials.