漂浮型Bi2WO6/C3N4/碳布S型异质结光催化材料用于高效净化水体环境(英文)

近年来,水污染成为人类生存面临的巨大危机,如何治理水污染,特别是如何有效去除水体中的抗生素和重金属存在着很多挑战.采用先进、绿色且高效的光催化技术可有效去除水污染,因而受到科研工作者的广泛关注,但粉末状光催化剂易团聚、难分离回收等问题限制了其工业应用.近年来,人们发现将粉末状光催化剂固定在柔性大表面积且电荷传导性能良好的碳布上可以有效克服上述缺点.g-C₃N₄具有高光还原活性、高稳定性和低成本的优点,因而在环境净化领域具有突出的应用潜力.但单一组分的C₃N₄/碳布仍存在氧化能力弱、光生载流子分离效率低等问题.将其与高光催化氧化活性且能带位置匹配的Bi₂WO₆共同构筑具有强内建电场和保留最大氧化还原能力的S型异质结,是一种有效策略,有望开发出高效、可回收的可见光光催化体系.本文以柔性、大的碳布为基底,通过热聚合-溶剂热法将C₃N4和富含氧空位的Bi₂WO₆原位生长在碳纤维上,制备出了富含氧空位...     

溶剂热合成可调控氧空位的Bi2MoO6纳米晶及其光催化氧化制喹啉和抗生素降解

近年来,半导体光催化在环境净化和有机合成领域的研究引起了广泛的重视.其中,在有机合成领域中,光催化技术已经应用在醇类、环己烷以及芳香族化合物的选择性氧化研究.而另一类具有特殊结构的有机物——N-杂环芳烃,在药物化学和材料科学中具有重要意义.而传统用于合成N-杂化芳烃的脱氢催化氧化反应通常需要高温高压的苛刻环境,传统方法通常还需要使用贵金属催化剂,这也增加了N-杂化芳烃的合成成本;另外,如果合成是均相催化过程,则催化剂难以实现回收利用.因此,开发室温常压条件下的非贵金属多相光催化技术具有巨大的应用前景.本文以能够被可见光驱动的钼酸铋半导体为催化剂,利用氧缺陷策略来提升钼酸铋的光催化氧化性能.不同于传统氧缺陷制备方法(氢气还原热处理、离子掺杂等),本文采用一种低成本的乙二醛辅助溶剂热的方法合成具有可调控的含氧空位Bi₂MoO₆催化剂(OVBMO).通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜、透射电镜、紫外可见漫反射吸收光谱、氮气物理吸附脱附、X射线光电子能谱(XPS)、电子自旋共振光谱、光致发光光谱及电化学测试等技术对制备的OVBMO材料进行了物理化学性质及能带研究.XPS,XRD,Raman和FT-IR结果表明,氧空位存在于[Bi₂O₂]²⁺和MoO₆八面体的层间.紫外可见漫反射结果表明,随着氧空位的引入,Bi₂MoO₆的光吸收范围扩大,带隙变窄.结合莫特肖特基和VBXPS分析获得OVBMO的能带位置,发现氧空位的存在不仅会导致禁带中出现缺陷带能级,还会导致价带顶位置上移,促进光生空穴的迁移.PL和电化学结果表明,氧空位的存在使得载流子浓度、载流子的分离能力与界面电荷迁移能力都有较大提升,这是因为氧空位引入的缺陷能级可以浅势捕获电子,抑制光催化剂中的电子与空穴的复合,改变化学反应的速率.同时,氧空位有助于捕获分子氧,分子氧与捕获的光生电子发生反应,产生更多的超氧自由基(·O₂)和空穴(h⁺),从而极大地提升光催化剂的氧化性能.因此,OVBMO在1,2,3,4-四氢喹啉脱氢氧化产生喹啉及系列抗生素(环丙沙星、四环素、盐酸土霉素)的降解反应中,表现出较好的光催化氧化性能.结合多种表征分析,本文还进一步阐明了OVBMO催化剂将1,2,3,4-四氢喹啉脱氢氧化为喹啉的自由基参与的多相催化反应机理.     

具有高效电荷分离的2D/2Dα-Fe2O3/Bi2WO6S型异质结增强光-芬顿催化活性

近年来,Fenton反应由于其成本低,反应速度快,操作简单等优势受到了广泛的研究.传统的均相Fenton反应可通过H2O2氧化Fe2+产生具有强氧化性的羟基自由基,用于处理难降解的有机物.然而,Fenton反应存在两个主要问题,首先,在Fenton反应中需要加入大量的酸来维持酸性环境,以保证反应的最佳活性.其次,Fenton反应中铁离子不断流失并形成固体污泥,这严重影响了Fenton反应产生?OH的效率.目前,将光催化反应与非均相芬顿反应相结合是改善这些问题的有效方案.非均相光芬顿反应不仅能提高有机物降解的活性,而且通过光催化剂导带上的电子有效减少Fe^3+的浸出和铁氢氧化物沉淀的产生.最近,作为一种可见光Fenton催化剂,α-Fe2O3可以在几乎中性的条件下发生光芬顿反应,这解决了在反应过程中需要随时调整PH值的问题.此外,光照条件下α-Fe2O3价带上的电子能跃迁至导带并将Fe3+还原成Fe^2+,从而减少铁离子的损耗.然而,由于光生载流子复合率较高等问题,单一α-Fe2O3光催化剂的催化活性仍不理想.构建具有2D/2D结构的S型异质结可以缩短电子在界面间的传输距离,增大材料的活性位点,将光生电子-空穴在空间上分离,从而有效增强光生载流子的分离效率.因此,构建2D/2Dα-Fe2O3/Bi2WO6 S型异质结,并用于光芬顿反应有望进一步提高对有机污染物的降解效率.本文通过简易的水热法制备了具有2D/2D结构的α-Fe2O3/Bi2WO6 S型异质结光芬顿催化剂,并通过XRD、BET、TEM、XPS和UV-Vis等手段对催化剂的晶体结构、元素状态、微观结构、光学性质和化学组分进行了表征.通过在可见光照射下降解甲基蓝(MB),考察了α-Fe2O3/Bi2WO6的光芬顿催化活性.结果表明,由于光催化反应与Fenton反应的协同作用,α-Fe2O3/Bi2WO6表现出了明显增强的光-Fenton催化活性,最佳比例的α-Fe2O3/Bi2WO6的活性分别是单一α-Fe2O3和Bi2WO6的11.06倍和3.29倍.本文将光催化反应与Fenton反应相结合,一方面,光催化反应对Fe^3+的还原有促进作用,提高了Fe2+的浓度,从而提升羟基自由基的产量;另一方面,Fenton反应对α-Fe2O3/Bi2WO6中电子的利用阻止了光生载流子的复合,进一步提高了光催化降解效率.此外,由于二维纳米片之间具有更大的接触面积,2D/2D异质结可以缩短电荷传输时间和距离,促进了光生电子-空穴的分离.同时,具有较大比表面积的2D/2D材料可以在催化剂表面提供大量用于有机物氧化分解的活性位点.而S型异质结的构建不但促进了界面电荷的转移和分离,还能维持最佳的电荷氧化还原电位,这都提升了催化剂的光芬顿催化活性.总之,本文为合成可高效降解有机污染物的非均相光-芬顿催化剂提供了新的思路.     

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。     

0D/2D碳氮量子点(CNQDs)/BiOBr复合的S型异质结高效光催化降解和产H2O2(英文)

光生载流子的快速复合制约着BiOBr的光催化性能,通过构建界面紧密结合的异质结可以有效地解决这个问题。在本研究中,通过采用简单的高温高压水热法,首次在二维(2D)BiOBr表面上成功复合了零维(0D)的g-C3N4量子点(CNQDs),并形成了具有紧密接触界面的0D/2D CNQDs/BiOBr S型异质结,主要原因是CNQDs杂环中的π电子与BiOBr产生了相互作用。CNQDs/BiOBr-1.50%复合材料在光照下降解四环素(TC)、环丙沙星(CIP)和产H₂O₂的表观反应速率常数k值分别是BiOBr的2.02、2.91和1.54倍。在循环测试中,CNQDs/BiOBr-1.50%显示出相对较高的光催化活性和结构稳定性。通过X射线光电子能谱(XPS)分析,明确CNQDs中的π电子与BiOBr具有相互作用,确认了异质结中光生电子的转移方向。CNQDs/BiOBrS型异质结的成功构建使其具有非凡的光催化稳定性和活性。更多活性物质的产生和稳定的催化活性归因于电子和空穴的独特转移机制。CNQDs/BiOBrS型异质结的特殊的电子-空穴转移机理实现...     

ZnIn2S4/SnS2 3D异质结的制备及其在可见光下高效还原Cr（Ⅵ）的应用（英文）

随着印染、纺织和镀铬等行业的不断发展,含有六价铬(Cr(VI))工业废水的大量排放造成严重的环境污染,威胁着人类健康.在过去的几十年中,废水中Cr(VI)去除的方法有很多,其中包括离子交换、膜分离、化学沉淀和吸附等.然而,这些传统的方法存在成本高、能耗高、效率低或者去除不彻底等缺点,阻碍了其广泛应用.在此背景下,光催化还原作为一种高效、绿色、有应用前景的Cr(VI)废水处理方法,受到越来越多科学家的关注.开发高效可见光响应光催化剂是实现光催化还原Cr(VI)应用的关键.ZnIn2S4是一种三元硫化物半导体材料,具有较强可见光吸收能力.但纯ZnIn2S4光生载流子复合严重以及可见光响应范围较窄导致其光催化性能较低.为了解决这一问题,构建异质结是一种常见的有效方法.SnS2具有合适的带隙(~2.2 eV),价格低廉,无毒且可见光吸收能力强.因此,构建ZnIn2S4/SnS2异质结有望实现高效可见光催化还原Cr(VI).本文通过简单的水热法成功制备了ZnIn2S4/SnS2三维(3D)异质结,并在可见光照射下对催化剂还原Cr(VI)性能进行了评价.实验结果显示,ZnIn2S4/SnS2 3D异质结光催化活性随着SnS2含量增加呈现先增加后减少的趋势.当SnS2与ZnIn2S4的质量比为1:10时,ZnIn2S4/SnS2 3D异质结催化还原Cr(VI)效率最高.可见光照射下反应70 min,Cr(VI)(50 mg/L)的还原效率达到100%,远高于纯ZnIn2S4和SnS2.荧光光谱分析(PL)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)显示,光生载流子分离效率和光吸收效率的增强是还原Cr(VI)性能增加的两个原因.此外,经过三个周期的循环实验,ZnIn2S4/SnS2 3D异质结催化还原Cr(VI)效率没有明显降低,表现出较好的光催化稳定性.     

构建0D/1D Ag3PO4/TiO2S型异质结以实现高效光降解和析氧(英文)

化石燃料的大量使用使人类面临前所未有的能源枯竭与环境污染问题,因此,寻求和发展可持续能源与技术迫在眉睫.光催化过程利用催化剂捕获光子将太阳能转化成各种能源与化学品,是一种极具潜力的绿色可持续技术.理性设计高效的捕光材料与催化体系是实现高效太阳能利用与转化的有效策略.而光催化剂的效率主要受制于电荷分离效率低、氧化还原能力不足等缺陷.在众多提高光催化效率的策略中,异质结光催化剂的构建是解决以上问题的有效途径.与传统的Ⅱ型异质结光催化剂相比,阶梯(S)型异质结在氧化型和还原型半导体之间构筑了内建电场,动力学上加速了光生载流子的分离、迁移并且保留催化剂最高的氧化还原能力,成为一类极具应用潜力的异质结催化剂.本文通过简单的水热法将Ag3PO₄纳米颗粒原位生长在TiO₂纤维表面,制备了0D/1D Ag₃PO₄/TiO₂S型异质结.两者之间通过构筑紧密的界面接触有效降低了光生载流子的传输障碍,促进了界面电荷转移,从而在光催化产氧和光分解罗丹明B、苯酚和盐酸四环素方面表现出优异的活性和光稳定性...     

超声辅助制备Cs2AgBiBr6/Bi2WO6 S型异质结用于可见光光催化CO2还原(英文)

光催化因其可以利用太阳能进行光解水产氢、CO₂还原、降解有机污染物及有机物转化而被认为是解决当前能源危机和环境问题的一种有效手段.由于光催化反应是由光激发光催化材料生成光生载流子引发的,因此理想的光催化剂应当具有宽的光响应范围、低的光生载流子复合率和足够的氧化还原能力来进行表面反应.然而单一组分的半导体材料难以同时满足宽光谱响应(即窄带隙)和强氧化还原能力(即价带更正和导带更负).通过耦合两个具有可见光响应且交错能带排布的半导体来构建S型异质结,不仅能拓宽光催化剂的光吸收范围、促进电荷分离,还同时保留了两种半导体的强氧化还原能力,是发展高效光催化材料的一种有效途径.Cs₂AgBiBr₆的导带和价带分别位于-0.65 V vs.NHE和1.60 V vs.NHE,而Bi₂WO₆.的导带和价带分别为-0.4 V vs.NHE和2.4 V vs.NHE,两者能带位置匹配.因此,本文选择Cs₂AgBiBr₆和Bi₂WO<...