2D/2D超薄La2Ti2O7/Ti3C2 Mxene肖特基异质结用于高效光催化CO2还原(英文)

CO₂的过量排放造成了全球生态系统的失衡,如温室效应、海洋酸化和极端天气频发等.CO₂作为一种储量丰富且可循环利用的碳一资源,利用光催化技术将其催化转化为包括一氧化碳和甲烷在内的碳氢燃料,为上述问题提供了一个很有前景的解决方案.纳米片作为典型的二维材料,其厚度一般低至100 nm.此外,二维材料具有较大的比表面积、可调谐的端基官能团、出色的光学性能以及较好的导电性和柔韧性,在光催化领域受到了广泛关注.在半导体材料中,钛酸镧(La₂Ti₂O₇)具有优良的氧化还原能力和良好的稳定性和耐久性,但与其他半导体类似,La₂Ti₂O₇的宽带隙性质决定了其只能利用波长较短的光,这极大地限制了其对太阳光的利用.为了增强光吸收能力,降低光生载流子的复合,本文通过溶剂热法在La₂Ti₂O₇纳米片上负载薄层Ti₃C₂ MXen...     

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.     

g-C3N4/CeO2异质结材料的制备及其光催化性能的研究

以三聚氰胺、硝酸铈为原料,通过高温煅烧法制备了不同CeO₂含量的片层状g-C₃N₄/CeO₂,通过XRD、FT-IR、XPS等对系列g-C₃N₄-CeO₂材料进行了表征,考察了材料在可见光(λ≥420nm)条件下降解盐酸四环素(TC)的光催化活性。与单纯的g-C₃N₄相比,g-C₃N₄/CeO₂-30%具有更优异的光催化性能,这是由于g-C₃N₄-CeO₂间的异质结作用促进了光生电子和空穴分离。自由基捕获实验证实·O^-₂在催化反应过程中起到主要作用,并提出了相应的光催化机理。     

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...     

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     

p-n型NiWO4/ZnIn2S4异质结光解水析氢性能

采用水热/水浴两步法构筑了p-n型Ni WO₄(NWO)/Zn In₂S₄(ZIS)异质结,研究了不同含量的NWO对ZIS物相组分、形貌结构、能带结构、光谱吸收及光解水析氢性能等的影响,并采用一系列表征手段探讨了NWO/ZIS异质结的光催化机理.结果表明,负载NWO后,ZIS物相组分及形貌结构未发生显著变化,两种材料界面接触紧密且分布均匀;在可见光辐照下,NWO/ZIS异质结光解水析氢性能得到了显著提升,其中,最佳样品NWO-35/ZIS析氢速率达到5204.8μmol·g^-1·h^-1,为纯相ZIS(1566.4μmol·g^-1·h^-1)的3.32倍;循环实验结果表明,NWO/ZIS样品具有很好的光稳定性;能带结构和光电子动力学表征结果证实了p-n型异质结内建电场驱动的光生载流子的传输机制.     

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     

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...     

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...     

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...     

Mo2C/ZnIn2S4复合材料的制备及其光催化产氢性能研究

以钼酸铵和二氰二胺为原料,通过高温固相法制备了Mo₂C。以合成的Mo₂C为原料,通过原位法合成了Mo₂C/ZnIn₂S₄复合光催化材料。利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、紫外可见漫反射(UVvis)、开尔文探针(KP)等对材料的组成、结构和性能进行了表征。结果表明,ZnIn₂S₄在Mo₂C颗粒表面原位生长并形成异质结。Mo₂C/ZnIn₂S₄复合材料析氢速率可达到1.33 mmol/(g·h),是纯ZnIn₂S₄析氢速率的5.1倍。光催化机理分析认为,Mo₂C作为助催化剂具有类金属特性,较高的导电性能和高的表面功函,与ZnIn₂S₄形成Mo₂C/ZnIn₂S...     

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。     

集成二维层状CdS/WO3S型异质结及金属化Ti3C2MXene基欧姆结高效光催化产氢

开发低成本的半导体光催化剂以实现可见光下高效、持久的光催化分解水产氢是一个非常具有挑战性的课题.近年来,具有高产氢活性的CdS光催化剂引起了人们的研究兴趣.但是光生电子-空穴对快速复合、反应活性位点不足以及严重的光腐蚀等问题,严重地制约了CdS在光催化领域的实际应用.构建S型异质结和负载助催化剂被认为是促进光生电子空穴分离和加速产氢动力学的有效策略.本文通过在低成本的WO₃和Ti₃C₂MXene(MX)纳米片上生长CdS纳米片,设计并构建了具有二维耦合界面的2D/2D/2D层状异质结光催化剂,以实现高效的可见光光催化分解水产氢.首先通过水热煅烧和刻蚀的方法分别制备了WO₃和MX纳米片,然后以乙酸镉和硫脲为原料在乙二胺溶剂中通过水热法合成了MX-CdS/WO₃层状异质结光催化剂.在可见光下,以乳酸为牺牲剂测试了光催化剂的产氢活性且经过4次连续的循环反应,MX-CdS/WO₃体系展现出良好的活性及稳定性.在可见光的照射下,MX-CdS/WO₃层状异质结光催化剂最高的可见光光催化分解水产氢速率达到了27.5 mmol/g/h,是纯CdS纳米片的11倍.与此同时,在450 nm的光照下,表观量子效率达到了12.0%.为了深入探讨其高效产氢机理,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、原子力显微镜、透射电镜、高分辨电子显微镜等对MX-CdS/WO₃体系的组成和结构进行分析.结果表明,实验成功地合成了CdS,WO₃和MX三种纳米片及其复合材料.通过紫外-可见漫反射光谱研究了样品材料的光吸收能力.通过表面光电压、稳态及瞬态荧光光谱等研究了材料的电荷载流子复合和转移行为,发现MX-CdS/WO₃的光生电子空穴对相比与纯CdS或者二元复合材料具有更高的分离效率.UPS和ESR等表征结果说明,材料内部电场的方向和在光照条件下光生载流子的迁移方向,从而证实了S型异质结和欧姆结的成功构建.综上,在MX-CdS/WO₃光催化剂体系中,S型异质结形成较强的界面电场能够有效促进CdS纳米片与WO₃纳米片之间光生电子-空穴对的分离.同时,二维Ti₃C₂MXene纳米片作为辅助催化剂,通过与CdS/WO₃纳米片构建欧姆结,进而提供大量的电子转移途径和更多的析氢反应活性位点,使得CdS光催化剂的光催化活性和稳定性得到了很大的提升.通过构建S型内建电场、欧姆结和2D/2D界面可以协同提高CdS纳米片的光催化性能,从而加速光生电子在异质结中的分离和利用.本文所采用基于S型异质结与欧姆结基助催化剂之间的耦合策略可以作为一种通用策略扩展到其它传统半导体光催化剂的改性中,从而推进高效光催化产氢材料的有效合成.     

BiOBr/g-C3N4 S型异质结无H2O2光-自芬顿高效催化降解RhB

通过焙烧-超声混合法成功地制备了BiOBr/g-C₃N₄S型异质结复合光催化剂。采用多种表征手段对样品物理属性进行了表征,包括X射线多晶粉末衍射仪(XRD)、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)。研究了所制备样品有/无Fe³⁺的光-自芬顿催化/光催化降解罗丹明B(RhB)性能。通过捕获实验确定了光催化反应中的主要活性物种,提出了光-自芬顿反应的降解机理。研究结果表明,BiOBr/g-C₃N₄S型异质结能原位生成H₂O₂,添加Fe³⁺后,H₂O₂被原位活化成活性物种且光生电流和载流子分离效率获得显著提高。该光-自芬顿过程能高效降解RhB,其反应速率常数为0.208 min^-1,约为无Fe³⁺光催化反应速率常数的5.3倍,在光-自芬顿循环使用过程中表现出良好的稳定性。Fe...     

类金属WO2/g-C3N4复合光催化剂的构造及其优异的光催化性能(英文)

随着化石燃料快速消耗和环境污染日益严峻,高效光催化产氢技术作为最有前景的绿色能源技术之一而备受关注.作为典型的2D纳米片,g-C₃N₄具有很多适合应用在光催化领域的特性,如可见光效应、大比表面积和环境友好等,但单一g-C₃N₄的载流子复合率高,光催化性能不佳.研究者尝试负载贵金属(如Pt,Ag,Au等),利用贵金属功函数较高,可以快速捕获g-C₃N₄表面的光生电子,从而有效抑制光生载流子的复合;但其成本较高,限制了该技术的产业化.目前类金属材料(MoO₂,NbO₂,WO₂等)不仅表现出类似贵金属的特性,且价格低廉,有望替代贵金属.因此,引入类金属助催化剂是实现高载流子浓度和宽光谱照射下强光子吸收的好方法.本文设计并制备了类金属WO₂/g-C₃N₄纳米复合物,其表现出了较好的光催化性能:在可见光照射2h,4 wt%WO_...     

WO3/g-C3N4异质结催化剂的制备及其氧化脱硫性能

以尿素和钨酸铵为原料采用浸渍法制备了金属氧化物三氧化钨（WO₃）与石墨相氮化碳（g-C₃N₄）异质结复合材料WO₃/g-C₃N₄。采用XRD、UV-vis、SEM、PL和XPS表征手段考察了催化剂的理化性质,发现WO₃与g-C₃N₄存在较好的相互作用和电子转移,保证了WO₃/g-C₃N₄本身所具有较高的氧化脱硫活性。以WO₃/g-C₃N₄作为催化剂,过氧化氢异丙苯为氧化剂,考察其光催化氧化脱硫性能,在反应温度80℃,O/S物质的量比为3.0的反应条件下,反应180 min,二苯并噻吩（DBT）转化率可以达到72.79%。通过游离基捕获实验,发现超氧自由基（·O₂^-）、电子（e^-）、羟基自由基（·OH）起到了促进反应速率的作用,并对该体系的反应机理进行了探讨。     

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.      

CeTiO4/g-C3N4复合材料的制备及其高效的光催化染料降解性能

采用简单固相法成功制备了CeTiO₄/g?C₃N₄?x(CTO/CN?x,x g为g?C₃N₄的添加量)复合材料,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、N₂吸附-脱附测试、紫外可见吸收光谱(UV?Vis)及电化学测试对材料进行表征。研究发现:CeTiO₄与g?C₃N₄层状纳米片紧密复合,并成功构建了界面异质结结构;形成CTO/CN?x复合相的光催化材料具有良好的可见光光响应性能,且光生空穴-电子对的分离和迁移率明显提高;通过太阳光模拟不同样品光催化降解有机污染物罗丹明B,降解140 min后复合材料CTO/CN?6表现出最高的光催化活性,反应速率常数为0.0202 min^-1。其活性增强的主要原因是异质结结构的构筑降低了CTO光生载流子的复合几率,提高了光生载流子的迁移速率。     

高晶化g-C3N4光催化剂:合成、结构调控和光催化产氢(英文)

开发清洁和可再生的氢能是解决当前环境污染和能源短缺的有效途径之一.在众多制氢方法中,光催化分解水产氢被认为是最具潜力的方法之一.目前,研究者已开发了多种光催化材料,其中,石墨相氮化碳(g-C₃N₄)具有低成本、无毒、能带结构合适和理化性质优异等优点,在光催化产氢领域被广泛报道.然而,高温煅烧各种有机物前驱体制备的传统g-C₃N₄材料往往表现出严重的团聚和低结晶度,并具有大量的内部和表面缺陷,造成光生载流子的快速复合,导致光催化性能低.为了增强g-C₃N₄材料的光催化活性,制备具有高比表面积的g-C₃N₄纳米片被认为是有效的方法之一,如比较常用的方法有二次煅烧法和超声剥离法等.然而,由于g-C₃N₄纳米片是从传统g-C₃N₄光催化材料中剥离或脱层制备,因而仍然表现出低的结晶度,不利于光生电荷的有效分离和快速迁移,光催化活性的提高...