1D/2D TiO2/ZnIn2S4S型异质结光催化剂及其高效制氢性能

通过半导体催化剂利用太阳能分解水制氢被认为是解决人类面临的环境问题和能源危机的有效途径.在众多的半导体光催化剂中,TiO₂由于其良好的光化学稳定性、无毒性、丰富的形貌以及低廉的价格,在光催化制氢领域备受关注.然而TiO₂的内在缺陷,如较宽的带隙、较窄的光响应范围,光生电子空穴对的快速复合,极大限制了其太阳能制氢效率.构建异质结结构被认为是解决以上问题的一个有效方法,通过将TiO₂与另一个半导体复合可以提升催化剂对太阳光的吸收范围,也可降低光生电子空穴对的复合速率.但构建一个成功的异质结结构不仅要满足上述的要求,还需要保留异质结催化剂体系中光生电子和空穴的氧化还原能力.研究表明,S型异质结是将两个具有合适能带结构的半导体进行耦合,由于费米能级的差异,两个半导体间将发生电子转移,从而引起能带弯曲并形成内建电场.光照条件下,具有较弱还原能力的光生电子在内建电场和能带弯曲的作用下与较弱氧化能力的光生空穴复合,实现异质结催化剂体系中各个半导体内部光生载流子有效分离的目标,同时保留了异质结催化剂体系中较强氧化能力和较强还原能力的光生电子和空穴,进而实现光催化活性的提高.本文采用水热合成方法,将具有更强还原能力和可见光响应特性的半导体(ZnIn₂S₄)原位生长在TiO₂纳米纤维表面,构建了1D/2DTiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂.最优比例的TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料表现出优越的光催化制氢活性(6.03mmol/h/g),分别是纯TiO₂和纯ZnIn₂S₄制氢活性的3.7倍和2倍.TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料光催化活性的提高可以归因于紧密的异质结界面、光生载流子的有效分离、丰富的反应活性位点以及增强的光吸收能力.通过原位XPS和DFT计算研究了异质结内部光生电子的转移机制.结果表明,在光照条件下电子由TiO₂向ZnIn₂S₄迁移,遵循了S型异质结内部电子的转移机制,实现了TiO₂和ZnIn₂S₄内部光生载流子的有效分离,同时保留了具有较强还原能力的ZnIn₂S₄价带电子和较强氧化能力的TiO₂导带空穴,从而显著提升光催化制氢效率.综上,本文制备的TiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂很好地克服了TiO₂在光催化制氢领域所面临的诸多障碍,为设计和制备高效异质结光催化剂提供了新的思路.     

3D ZnIn2S4微球/1D TiO2纳米带异质结构的光催化降解和还原性能

首先采用溶剂热法和高温煅烧法制备1D TiO₂纳米带,其次利用溶剂热法将1D TiO₂纳米带均匀地穿插到片层结构组装而成的3D ZnIn₂S₄微球中,所形成的异质结构能有效抑制光生电子-空穴的复合。二元ZnIn₂S₄微球/TiO₂纳米带复合光催化剂在高浓度染料罗丹明B(RhB)的光降解和Cr(VI)的光还原实验中表现出优异的性能。在模拟太阳光照射下,ZnIn₂S₄/TiO₂纳米带光催化降解RhB和还原Cr(VI)的效率相较于纯TiO₂颗粒(10%,22%)、TiO₂纳米带(45%,40%)、ZnIn₂S₄(62%,65%)、ZnIn₂S₄/TiO₂颗粒(90%,91%)分别提高至100%和100%。最后,通过紫外-可见...     

2D/2D BiOBr/g-C3N4 S型异质结光催化性能

近年来,能源短缺和环境污染严重威胁人类的可持续发展.光催化技术具有绿色环保、成本低等优势,被认为是解决上述问题的最佳途径之一,其实用化的核心是开发高效可见光催化材料.石墨相氮化碳(g-C3N4)因其物理化学性质稳定、无毒、廉价及能带适宜等特点,广泛应用于光催化领域.然而,光生载流子易复合、比表面积小等问题不利于其实际应...     

2D/2D/2D三明治结构ZnIn2S4/g-C3N4/Ti3C2 Mxene S型异质结-肖特基结双通道电荷转移路径促进的光催化析氢(英文)

氢的能量密度高,易于储存和运输,因此,人工制氢已成为解决能源危机和环境污染问题的有效途径之一,开发可持续、温和、高效的制氢方法受到了广泛关注.在众多的制氢方法中,光催化水分解制氢已发展成为一种理想的制氢途径.然而受制于光催化剂的光响应范围窄、电荷分离效率低和活性位点少等问题,目前的光催化分解水制氢效率仍然处于一个较低水平,严重限制了其实际应用,因此,探究高效的光催化分解水材料的新体系与新机制成为解决上述问题的核心任务.ZnIn₂S₄是一种典型的具有可见光活性和化学稳定性的半导体,但由于光生电子的快速复合和严重的光腐蚀限制了其在光催化中的实际应用.本文采用界面工程,将ZnIn₂S₄,g-C₃N₄和Ti₃C₂ MXene材料耦合,设计构建了具有双异质结的2D/2D/2D三明治结构ZnIn₂S₄/g-C₃N₄/Ti₃     

Ⅱ型TiO2/g-C3N4异质结的构筑促进高效光催化U(Ⅵ)还原

采用水热法将TiO₂纳米片修饰在中空管状g-C₃N₄上制备了TiO₂/g-C₃N₄(T-CN)复合催化剂。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和光电流响应等对其形貌、结构和光物理性能进行了表征。结果表明,TiO₂纳米片均匀地分散在中空管状g-C₃N₄表面,两者紧密结合形成异质结。TiO₂与g-C₃N₄的质量比为20%时制得的T-CN-20复合催化剂在60 min内对U的去除率为85.64%,是纯相g-C₃N₄的6.7倍。在10倍高浓度阳离子共存条件下的去除率仍大于69.8%,且具有优良的结构稳定性。对光催化产物分析可知,T-CN将U还原为难溶的U(63.68%)以去除铀,可有效解决含铀核废水中的U污染问题。根据能带理论分...     

微波辅助快速制备2D/1D ZnIn2S4/TiO2 S型异质结及其光催化制氢性能

The threat and global concern of energy crises have significantly increased over the last two decades. Because solar light and water are abundant on earth, photocatalytic hydrogen evolution through water splitting has been considered as a promising route to produce green energy. Therefore, semiconductor photocatalysts play a key role in transforming sunlight and water to hydrogen energy. To date, various photocatalysts have been studied. Among them, TiO₂ has been extensively investigated because of its non-toxicity, high chemical stability, controllable morphology, and high photocatalytic activity. In particular, 1D TiO₂ nanofibers (NFs) have attracted increasing attention as effective photocatalysts because of their unique 1D electron transfer pathway, high adsorption capacity, and high photoinduced electron–hole pair transfer capability. However, TiO₂ NFs are considered as an inefficient photocatalyst for the hydrogen evolution reaction (HER) because of their disadvantages such as a large band gap (~3.2 eV) and fast recombination of photoinduced electron–hole pairs. Therefore, the development of a high-performance TiO₂ NF photocatalyst is required for efficient solar light conversion. In recent years, several strategies have been explored to improve the photocatalytic activity of TiO₂ NFs, including coupling with narrow-bandgap semiconductors (such as ZnIn₂S₄). Recently, microwave (MW)-assisted synthesis has been considered as an important strategy for the preparation of photocatalyst semiconductors because of its low cost, environment-friendliness, simplicity, and high reaction rate. Herein, to overcome the above-mentioned limiting properties of TiO₂ NFs, we report a 2D/1D ZnIn₂S₄/TiO₂ S-scheme heterojunction synthesized through a microwave (MW)-assisted process. Herein, the 2D/1D ZnIn₂S₄/TiO₂ S-scheme heterojunction was constructed rapidly by using in situ 2D ZnIn₂S₄nanosheets decorated on 1D TiO₂ NFs. The loading of ZnIn₂S₄ nanoplates on the TiO₂ NFs could be easily controlled by adjusting the molar ratios of ZnIn₂S₄ precursors to TiO₂ NFs. The photocatalytic activity of the as-prepared samples for water splitting under simulated solar light irradiation was assessed. The experimental results showed that the photocatalytic performance of the ZnIn₂S₄/TiO₂ composites was significantly improved, and the obtained ZnIn₂S₄/TiO₂ composites showed increased optical absorption. Under optimal conditions, the highest HER rate of the ZT-0.5 (molar ratio of ZnIn₂S₄/TiO₂= 0.5) sample was 8774 μmol·g^-1·h^-1, which is considerably higher than those of pure TiO₂ NFs (3312 μmol·g^-1·h^-1) and ZnIn₂S₄nanoplates (3114 μmol·g^-1·h^-1) by factors of 2.7 and 2.8, respectively. Based on the experimental data and Mott-Schottky analysis, a possible mechanism for the formation of the S-scheme heterojunction between ZnIn₂S₄ and TiO₂ was proposed to interpret the enhanced HER activity of the ZnIn₂S₄/TiO₂heterojunctionphotocatalysts.      

稳定的高可见光活性Ag3PO4/WO3复合光催化剂

通过离子交换法制备了Ag3PO4/WO3复合光催化剂。用X射线衍射、扫描电子显微镜和紫外可见漫反射光谱对所制备的样品进行了表征。通过在可见光(λ>420 nm)下降解水中的甲基橙来检测样品的光催化活性。结果表明,Ag3PO4/WO3的光催化活性和稳定性均高于纯相Ag3PO4,其原因是,Ag3PO4导带上的光生电子易于向WO3转移,提高了光生载流子的分离效率,也使得光生电子不再将Ag3PO4中的Ag+还原为Ag。     

Fe-MOF/g-C3N4嵌入式3D/2D S型异质结的构建及其光还原CO2性能(英文)

利用太阳能驱动温室气体CO₂转化为高价值燃料是解决环境和能源难题的策略之一.二维薄层石墨氮化碳(g-C₃N₄)材料因具有丰富的表面活性位点、较大的比表面积、合适的导带位置、良好的稳定性、易于制备和改性等优点而备受关注,并被认为是光催化还原CO₂的理想材料.然而,二维g-C₃N₄有限的光捕获能力和光生载流子的高电荷复合率限制了其光催化活性.S型异质结具有可控的内建电场强度和稳定的界面载流子传输热/动力学过程,能够在保持最高氧化还原能力的同时,最大限度地提高光生电子-空穴对的空间分离效率.S型异质结是通过耦合具有较小功函数的还原半导体(RP)和具有较大功函数的氧化半导体(OP)构建而成.二维薄层g-C₃N₄完全满足RP材料S型异质结的要求.由活性金属Fe组成的Fe-MOF具有丰富的配位不饱和位点,Fe-MOF中的铁-氧簇在可见光区具有较宽的吸收范围,而且由于功函数明显不同,Fe-MOF是与2D g-C₃     

Ag/CN/ZnIn2S4 S型异质结等离子体光催化剂的制备及其增强光还原CO2研究(英文)

S型异质结在电子的激发和输运方面具有优异的表现。本研究采用光沉积和水热法制备了Ag/CN/ZnIn₂S (ACZ) S型异质结复合光催化剂,其中,ACZ-60的CO和CH₄产率最高,分别为5.63μmol·g^-1和0.23μmol·g^-1,是CN的6.5倍和2.1倍。通过电子自旋共振(ESR)和紫外光电子能谱(UPS)的表征分析,得出ACZ遵循S型电子转移路径的结论,进一步通过光电化学和PL测试证明S型异质结的形成改善了原本单体催化剂电子空穴复合率高的问题,同时也增强了光吸收。另一方面,沉积在CN表面的Ag NPs既作为反应活性位点,又具有等离子效应,进一步增强了对可见光的吸收性能,有效提升了电子传递效率,同时为反应提供了更多的热电子。此外,通过原位红外解释了光催化还原CO₂可能的反应路径。本研究为设计具有等离子体效应的S型异质结光催化剂提供了新思路。     

Ag3PO4的可见光光催化性能及机理分析

采用沉淀置换法制备了可见光光催化剂Ag3PO4,利用XRD、UV-Vis及XPS等对其进行了结构特性分析,以水中微污染有机物的降解评价了Ag3PO4的光催化活性,并通过活性物种及能带结构的分析对催化剂的光催化机理进行了推测。结果表明,Ag3PO4的带隙能约为1.9 eV、催化剂表面存在的Ag+可捕获光生e-、催化剂的价带电位较低,这有利于Ag3PO4在可见光照射下产生的e--h+的分离及活性物种.OH的形成。经60 min可见光光催化反应,15 mg.L-1的甲基橙和腐殖酸的降解率分别达97%和82%,比同等条件下TiO2-P25的降解率还高40%和25%,光催化剂Ag3PO4的用量为0.6 g.L-1。     

具有可见光增强芬顿活性的Ⅱ型2D/2D Cu2ZnSnS4/Bi2WO6异质结(英文)

高级氧化工艺(AOPs)是一种处理有机污染物的极具吸引力的技术.大量的前期研究工作集中在通过芬顿反应(Fenton)降解有机污染物.然而,芬顿反应需要在酸性条件下进行,必须在其过程中进行预处理.同时,反应后产生的含铁污泥需要进一步处理以满足排放要求,从而限制了芬顿反应的发展.作为另一种AOPs,光催化技术因反应条件温和、操作简单和选择性好等优点受到广泛关注.研究表明,各种铁基和铜半导体光催化材料形成光-芬顿(Photo-Fenton)系统,可有效解决芬顿反应中高价金属离子/低价金属离子的循环问题.为了充分利用芬顿氧化技术和光催化氧化技术在降解有机污染物方面的各自优势,构建具有宽太阳光谱响应的新型光芬顿催化剂具有重要意义.由于其独特的层状结构和优越的有机物光催化性能, Bi₂WO₆作为结构最为简单的钙钛矿型层状氧化物,其禁带宽度为2.6–2.8 eV,可响应可见光,已成研究最多的光催化材料之一.研究表明,将Bi₂WO₆与合适的助催化剂耦合以构建异质结是提高光生载流子分离效率、拓宽Bi₂     

中空管状g-C3N4/Ag3PO4复合催化剂的制备及其可见光催化性能

用化学沉淀法制备中空管状g-C₃N₄/Ag₃PO₄复合催化剂。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和荧光光谱对其结构、形貌和光学性能进行了表征。结果表明：Ag₃PO₄纳米颗粒均匀地分散在中空管状g-C₃N₄表面,两者紧密结合形成异质结。研究复合催化剂在可见光照射下降解盐酸四环素(TC)的光催化活性。结果显示：复合催化剂在80 min内对TC的降解率为98%,其降解反应速率常数是纯相Ag₃PO₄的3倍。经过5次循环实验后复合催化剂对于TC的降解率仍保持87%,具有优良的循环稳定性。捕获实验表明空穴(h⁺)和超氧负离子(·O^-₂)是光催化反应过程中的主要活性物种。根据能带理论,提出了复合催化剂异质结的Z型光催化机理。     

异质结型Er2O3/TiO2复合纳米纤维制备及光催化性能

采用静电纺丝技术与溶剂热法相结合,制备了异质结型Er2O3/TiO2复合纳米纤维光催化材料。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等分析测试手段对材料进行表征,并以罗丹明B(RB)的脱色降解为模式反应,考察了材料的光催化性能。实验结果表明:Er2O3纳米粒子均匀地负载在TiO2纤维上,形成了异质型Er2O3/TiO2复合纳米纤维光催化材料,拓宽了光谱响应范围,有利于TiO2光生电子和空穴的分离,增强了体系的量子效率。与纯TiO2纳米纤维相比光催化活性明显提高,对RB的紫外光降解率达93.93%。     

BiPO4@Ag3PO4核/壳异质结的制备及光催化性能

采用简单的水热法结合离子交换法制备了BiPO4@Ag3PO4核/壳异质结光催化剂,采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱仪(DRS)和X射线光电子能谱仪(XPS)等对催化剂的形貌、组成、晶型和光物理性质等进行了研究,用罗丹明B(RhB)为模拟水体中有机污染物分别在可见光和模拟太阳光照条件下对催化剂的催化活性进行了测试.结果表明,负载Ag3PO4的BiPO4微米棒具有较高的可见光响应,其核/壳异质结结构有利于光生电子-空穴对的有效分离和提高对RhB的光催化降解效率,在可见光和模拟太阳光照射条件下分别在60和40 min可使RhB完全脱色降解.活性物种检测实验结果证明,该催化剂在污染物降解过程中主要的机理是光生空穴的直接氧化.     

S型异质结H2O2光催化剂的研究进展(英文)

随着现代经济和工业的快速发展,传统化石能源的过度开发和消耗造成了日益严重的环境污染和能源危机,极大地威胁着我们的健康和生活。我们需要开发新的可持续技术来解决日益恶化的环境和能源问题。太阳能作为一种绿色、可持续的清洁能源,在过去几十年中受到了广泛的关注。因此,开发和利用太阳能对解决当前面临的问题具有重要意义。半导体光催化技术是一种太阳能驱动的半导体材料表面催化反应过程,可利用太阳能并将其转化为其他能源,用于进一步的能量存储和应用。目前,制备高效稳定的光催化剂仍然是一个巨大的挑战。最近,为了解决传统异质结光催化剂电荷转移过程中的缺点和不足,一种新型梯形(S型)异质结概念被首次提出。S型异质结不仅有效地解决了电荷转移问题,实现了载流子的快速分离,而且保留了光催化体系最强的氧化还原能力,提高其光催化性能。到目前为止,各种S型异质结已被开发并应用于太阳能转化可用化学燃料领域以减少化石燃料的使用。此外,S型异质结也可用于降解污染物,以减少化石燃料的消耗所造成对环境恶化的影响。过氧化氢(H₂O₂)作为一种有效、多用途、绿色的氧化剂,已应用于诸多领域,包括污...     

具有光催化与光芬顿反应协同作用的2D/2D α-Fe2O3/g-C3N4 S型异质结用于高效降解四环素

构建具有高效电荷迁移效率和丰富活性位点的异质结光催化体系是提升光芬顿反应速率的有效途径。本研究通过简单的水热法合成了2D/2D结构的α-Fe₂O₃/g-C₃N₄ S型异质结光芬顿催化剂,并使用X射线衍射仪技术(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外吸收光谱(FTIR)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等分析手段对α-Fe₂O₃/g-C₃N₄的晶体结构、微观结构、化学组分和光学性质进行了详细的表征。通过在可见光照射下降解四环素,评测了α-Fe₂O₃/g-C₃N₄的催化活性。结果表明,光催化反应与芬顿反应的协同作用使α-Fe₂O₃/g-C₃N₄ (1 : 1)展现出了优异的光芬顿催化活性：在可见光照射下,仅加入微量的双氧水便可辅助催化剂在20 min内对四环素的降解率达到78%,其降解速率分别是单一的α-Fe₂O₃和g-C₃N₄的3.5倍和5.8倍。α-Fe₂O₃/g-C₃N₄复合材料优异的催化活性得益于在2D/2D S型电荷迁移机制上构建的光芬顿催化体系。2D/2D S型异质结能够显著促进电子和空穴的传输与分离,并为催化剂提供较大的比表面积和丰富的活性位点,同时还能保持复合材料最佳的氧化还原能力。此外,光催化反应促进了Fe³⁺的还原,从而加速了芬顿反应中羟基自由基的产生。总之,本研究为构建高效、稳定的光芬顿催化体系提供了一条简单有效的途径。     

构建NiS2/MoSe2 S型异质结高效光催化产氢

S-scheme heterojunction is a major breakthrough in the field of photocatalysis. In this study, NiS₂ and MoSe₂ were prepared by a typical solvothermal method, and compounded by an in situ growth method to construct an S-scheme heterojunction. The obtained composite showed excellent performance in photocatalytic hydrogen evolution; the hydrogen production rate was approximately 7 mmol·h^-1·g^-1, which was 2.05 times and 2.44 times those of pure NiS₂ and MoSe₂, respectively. Through a series of characterizations, it was found that NiS₂ and MoSe₂ coupling can enhance the light absorption intensity, which is vital for the light reaction system. The efficiency of electron-hole pair separation is also among the important factors restricting photocatalytic reactions. Compared with pure NiS₂ and MoSe₂, NiS₂/MoSe₂ exhibited a higher photocurrent density, lower cathode current, and lower electrochemical impedance, which proves that the NiS₂/MoSe₂ complex can effectively promote photogenerated electron transfer. Simultaneously, the lower emission intensity of fluorescence indicated effective inhibition of electron-hole recombination in the NiS₂/MoSe₂ complex, which is favorable for the photocatalytic hydrogen evolution reaction. Further, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) showed that MoSe₂ is an amorphous sample surrounded by the NiS₂ nanomicrosphere, which greatly increased the contact area between the two, thus increasing the active site of the reaction. Secondly, as a photosensitizer, Eosin Y (EY) effectively enhanced the absorption of light by the catalyst in the photoreaction system. Meanwhile, during sensitization, electrons were provided to the catalyst, which effectively improved the photocatalytic reaction efficiency. The establishment of S-scheme heterojunctions contributed to improving the redox capacity of the reaction system and was the most important link in the photocatalytic hydrogen reduction of aquatic products. It was also the main reason for the improvement of the hydrogen evolution effect in this study. The locations of the conduction band and valence band of NiS₂ and MoSe₂ were determined by Mott-Schottky plots and photon energy curves, and further proved the establishment of the S-scheme heterojunction. This work provides a new reference for studying the S-scheme heterojunction to effectively improve the photocatalytic hydrogen production efficiency.      

g-C3N4/CoTiO3梯型异质结及其增强的可见光催化分解纯水制氢性能(英文)

光催化分解纯水制氢在利用太阳能制备清洁能源方面极具潜力,寻找高效的光催化剂是实现其实际应用的关键因素.高效的光催化剂需同时具备宽光谱吸收、低载流子复合率以及足够强的氧化还原能力等条件.然而,具有强氧化还原能力的光催化剂通常具有较高的导带和较低的价带位置,导致其带隙较宽,光吸收范围缩窄,因此,单一的光催化剂难以同时满足宽光谱吸收和强氧化还原能力也难以实现高效的光催化纯水分解制氢.相比之下,梯型异质结可以将两种带隙适宜、能带结构匹配的光催化剂集成在一起,在保持原本光催化剂的强氧化还原能力的同时也能充分地利用太阳光,因此梯型异质结的研究受到广泛关注.目前报道的梯型异质结光催化剂的可见光催化分解纯水制氢效率仍然很低,并且大部分的材料都是在全光谱条件下进行测试的,因此有必要开发在可见光下具有高活性的梯型异质结复合光催化剂.本文报道了一种具有可见光响应的新型g-C₃N₄/CoTiO₃复合梯型异质结光催化剂,在不添加牺牲剂的情况下,成功实现了可见光催化分解纯水制氢气.光催化测试结果表明,在可见光(λ>400 nm)照射下,当Co...