层状双金属氢氧化物基光催化剂研究进展

层状双金属氢氧化物(LDHs)具有组分可调、层板金属离子高度分散、层间阴离子可交换、拓扑转变等特性,使其可作为理想的光催化剂、催化剂载体或前驱体。作为一种新型多功能材料,LDHs基光催化剂在环境净化、能源储备、工业催化和生物医学等多个领域广泛应用。但是,选择合适的路径进一步优化LDHs基光催化剂的性能,以实现太阳能的高效利用及催化反应过程的高转化率和高选择性仍然具有很大的挑战性。本文依据LDHs的结构特点及活性组分引入方式,将LDHs基光催化剂的制备方法总结归纳为主体层板构筑法、客体插层敏化法、剥离层层组装法、复合材料杂化法四类,详细介绍了不同制备方法对光催化性能的影响,综述其最新研究进展;并结合LDHs基光催化材料的应用,介绍其光催化行为和机理;最后,对LDHs基光催化剂的应用前景进行分析和展望。     

层状双金属氢氧化物(LDH)基光催化剂在太阳能燃料生产领域的研究进展

半导体光催化剂吸收太阳光分解水制氢或还原CO2,实现了太阳能燃料生产,不仅可获取清洁、可再生、高热值的太阳能燃料,还能有效减少CO2的排放.层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类基于水镁石结构的二维阴离子黏土矿物材料,具有独特的层状结构、主体层金属阳离子可调性、客体阴离子可交换、多维结构和可分层等优势,在CO2还原、光电催化水产氧及光解水制氢等领域研究广泛,有望成为新型半导体光催化材料.但单纯LDHs载流子迁移率低和电子空穴复合率高,在太阳辐射下的量子效率非常低.因此,研究人员采用缺陷控制、设计多维结构或偶联不同类型半导体构建异质结等方法,获得高能量转换效率的LDH基光催化剂.本文首先总结了传统光催化剂的优缺点及其能带分布,阐述了LDHs的六个主要方面特性,包括主体层板金属阳离子可调性、客体阴离子插层、热分解、记忆效应、多维结构特征及分层,进而提出LDH基光催化材料在增强反应物吸附活化、扩宽吸光范围、抑制光生载流子与空穴复合三个方面的改性策略.然后,分析了LDH光催化剂的光催化水解产氢反应机理,并从材料结构与性能的关联,概述LDH基复合光催化剂(金属硫化物LDH复合材料、金属氧化物LDH复合材料、石墨相氮化碳LDH复合材料)、三元LDH基光催化剂及混合金属氧化物光催化剂在水分解制氢领域的研究进展.最后,分析了LDH光催化还原CO2反应机理,归纳石墨相氮化碳复合LDH材料、MgAl-LDH基复合光催化剂、CuZn-LDH光催化剂及其它半导体系列LDH的结构特点和在还原CO2领域的研究进展.尽管LDH基光催化剂研究取得了一定的进展,但是对LDH的结构调控及其光催化机理仍需进一步探索,光催化活性位点、不同组分之间的协同作用和界面反应机理还有待进一步研究.未来LDH在光催化领域的应用可以微观尺度调控和宏观性能为导向设计,进一步研究不同组分的协同效应、界面反应及材料组成对物理化学性质的影响,不断完善LDH基光催化剂的理论系统和开发其应用潜能.     

LDHs/碳复合纳米材料的催化性能研究进展

层状双金属氢氧化物(LDHs)是一类典型的结构可调的阴离子层状功能材料,直接或经焙烧、还原处理后可作为高活性、高稳定性、廉价的催化剂或催化剂载体应用到催化领域.碳纳米材料自身良好的力学、电学、化学性质使其可作为理想的功能组元构筑LDHs/碳复合纳米材料,进而增强催化性能.本文综述了由LDHs与碳材料构筑的复合纳米催化材料的设计、可控制备及其在电催化、光催化、催化加氢及氧化等多相催化领域的应用进展,并从材料的可控制备及应用方面讨论了LDHs/碳复合纳米材料在多相催化领域面临的挑战与发展前景.     

水滑石基催化剂催化合成碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料是一类推动能源存储、 多相催化、 高性能复合和生物医药等领域发展的重要材料, 可控合成碳纳米材料对相关领域的发展具有重要意义. 水滑石(LDHs)材料具有层板金属种类及含量可调等特点, 经焙烧、 还原后可制备出金属种类、 密度和粒径分布各异的高分散、 高稳定金属纳米催化剂, 可实现高效催化生长各种类型的碳纳米材料. 此外, 通过调控反应条件和反应器等, 可以影响LDHs基金属纳米催化剂催化生长的碳纳米材料的结构和性能. 本文总结了LDHs基金属纳米催化剂的可控制备、 碳纳米材料结构调控以及利用LDHs基催化剂制备的碳纳米材料的应用等方面的研究工作, 并阐明了催化剂的可控制备是控制合成碳纳米材料的核心手段, 这为利用LDHs基催化剂进一步合成更高性能碳纳米材料的研究指明了方向. 此外, 本文还结合近些年在光、 电及光热催化方面的研究进展, 展望了基于新型LDHs纳米结构生长碳纳米材料的研究前景.     

单层类水滑石纳米片的可控合成及规模生产展望

水滑石(LDHs)是一种阴离子黏土材料,由于其主体层板厚度的可调性,使其在光/电催化、电池、超级电容器、传感器以及生物医药等领域都具有广泛应用。降低层厚至单层可使材料的物理化学性质发生根本改变,从而优化催化性能。近期研究表明,利用自上而下,自下而上的方法,可以实现单层LDHs类材料的合成,但是受限于产量(g级)以及成本设备等问题,目前规模化制备高质量单层LDHs类材料还没有工业案例。成核晶化隔离法是目前唯一规模化合成纳米LDHs的工业化方法,具有成本低,产量可吨级放大等优点。本综述从合成方法、表征手段、应用三个角度讨论了单层及超薄LDHs的精准调控,详细论述了近期关于单层及超薄LDHs合成突破以及LDHs的规模化生产进展,并对其性能进行了总结,为后续设计高性能单层LDHs提供思路。     

类水滑石材料主客体插层结构的构筑及特性的理论研究

因主体层板和层间客体具有丰富的可调性, 类水滑石材料(LDHs)在催化、 吸附、 生物医药及光、 电、 磁等方面展现出了广阔的应用前景. 近年来理论研究已成为揭示LDHs微观结构和性质的重要手段, 本文系统综述了LDHs材料主体结构、 客体结构以及主客体相互作用3个方面的理论研究工作进展, 及其在作为光驱动催化剂方面应用的理论研究. 从主体元素构成、 元素比例、 电荷分布、 拓扑结构转变、 能带结构、 态密度、 层间阴离子组成、 离子交换性能、 主客体作用力、 能量性质及光催化性能等方面, 在原子、 电子尺度上揭示了LDHs材料结构-性能之间的构效关系, 为以其为材料平台构筑一系列基于超分子插层结构主客体间相互作用的新型功能材料、 扩展材料的功能性提供了丰富的理论信息和有益指导.     

基于层状前驱体制备活性位高分散催化材料

综述了近年来以层状双金属氢氧化物(LDHs)为前躯体制备高分散催化剂的研究进展,基于LDHs层板金属阳离子以原子水平高度分散及层间阴离子以一定方式有序排布的结构特点,以LDHs材料作为单一前驱体,经层板剥离、晶格限域、插层组装及阵列化等途径制备催化活性位高度分散的多相催化材料具有显著的优势.     

基于二维结构效应的高分散负载金属催化剂

负载型金属催化剂是煤化工、石油化工以及精细化工等领域应用最为广泛的催化剂.层状复合金属氢氧化物(LDHs)是一类具有典型层状结构的二维纳米材料,由于其组成的可调控性以及独特的二维结构效应,以LDHs材料作为前驱体和载体在制备活性位高分散的金属催化剂方面表现出显著的优势.本文重点综述了基于LDHs层板网阱限域效应和层间几何限域效应构筑高分散负载型金属催化剂的最新进展,探讨了LDHs基负载型金属催化剂在重要反应中的构效关系,并介绍了该类催化剂的工业实践情况.     

TiO2@Ag修饰的粉煤灰微集料增强水泥基材料光催化性能

自清洁和空气净化能力是绿色建筑发展的两个重要方向,它们不仅使建筑体向功能多样化方向发展,而且为新材料的应用提供了平台.因与大量城市环境污染物(氮氧化物,挥发性有机化合物等)直接接触,具有空气净化能力的光催化水泥基材料引起了人们广泛关注.在过去几十年里,通过使用直接喷洒到浆体表层或与水泥原材料预先共混的方法,国内外已相继将TiO2光催化材料应用到了一些实际工程中.但TiO2光催化剂在水泥基材料中高效和稳定发挥其性能仍需解决两个关键问题:(1)它在水泥基体中分散性和效能耐久性问题;(2)其量子效率和对可见光利用率问题.对于后者,目前的材料制备与改性方法,如金属、非金属改性等已能获得量子效率和可见光活性都较好的TiO2类光催化材料.研究表明,水泥水化产物(氢氧化钙、C-S-H凝胶等)的包覆、后期碳化所致气体和光线扩散孔隙的降低是导致TiO2光催化剂在水泥基材料中耐久性和利用率差的可能原因.我们前期报道了一种将纳米TiO2催化剂预先负载到水泥基材料用的多孔粗集料表面,然后将负载型催化剂整体引入到水泥基体中的催化剂应用方法,发现该法能有效提升TiO2催化剂在水泥基材料中的催化效率和耐久性.微米级活性粉煤灰具有良好的水泥基材料兼容性,通过采用简单的碱激发手段,可形成孔径小于50 nm的介孔和微孔类沸石材料,从而影响光催化材料的催化性能.因此,基于粉煤灰的特征,为了进一步提高TiO2催化剂在水泥基材料中的应用效率和催化耐久性,我们采用碱激发法获得了大比表面和介孔结构的沸石类粉煤灰材料,将其用于负载纳米TiO2催化剂,然后引入到水泥基体中,制备了沸石类粉煤灰/TiO2光催化水泥基材料,同时研究了光还原Ag修饰对沸石类粉煤灰/TiO2光催化水泥基材料的催化性能影响及其催化耐久性.结果表明,具有分级孔结构的沸石粉煤灰载体可有效提升纳米TiO2光催化剂在水泥基体中的暴露度,同时还增加了其对气相苯(200×10–6初始浓度)的光催化去除能力.最佳Ag修饰量(1.4×10–4 wt%)沸石类粉煤灰/TiO2光催化水泥样品对气相苯的光催化伪一级反应速率常数达到9.91×10–3 min?1,分别是沸石类粉煤灰/TiO2光催化水泥样品和纯TiO2光催化水泥样品效能的3和10倍.光催化稳定性结果发现,在3次催化循环后,样品对气相苯的光催化去除率仍能达到96.3%(180 min).考虑到水泥基材料碳化是影响光催化剂使用耐久性的一个关键因素,我们还评估了沸石类粉煤灰/TiO2光催化水泥样品28 d加速碳化后的光催化性能.结果表明,经过加速碳化后,样品对气相苯光催化去除率只降低了11%,相比于同条件下纯TiO2水泥样品性能,其催化耐久性显著提高,表明沸石类粉煤灰载体可有效提升TiO2在水泥基体中的催化耐久性.这可能是由于其高孔隙特性可降低周围水泥水化产物的形成量,如高钙/硅比C-S-H凝胶及氢氧化钙结晶,进而降低了这些水化产物碳化所带来的影响.     

水滑石基负载型催化剂的制备及其在催化反应中的应用

负载型催化剂作为一类重要工业催化剂,广泛应用于合成氨工业、能源化工和精细化工等重要的工业生产过程.水滑石（LDHs）是一类阴离子型二维层状无机功能材料,其具有层板元素比例可调、金属阳离子高分散和结构拓扑转变等特性,在多相催化中,其作为负载型催化剂的前体或者载体具有广阔的应用前景.总结了以LDHs或其拓扑转变得到的复合金属氧化物（MMO）作为催化剂载体,以LDHs作为催化剂前体,制备高性能的负载型单金属或双金属催化剂,聚焦于其在电催化、氧化脱氢、选择性加氢和合成气转化反应中的最新研究进展.最后,进一步讨论了LDHs基负载型催化剂未来的发展趋势以及面临的挑战,并提出了解决这些问题的有效方案.     

Metal-facilitated Photocatalytic Nanohybrids: Rational Design and Promising Environmental Applications

As a promising technique to potentially address the energy crisis and environmental issues, photocatalysis has been reported widely to exhibit various outstanding behaviors in production of new fuels/chemicals and treatment of contaminants. The photocatalytic performance is extremely dependent on the used photocatalysts, so that the design and preparation of efficient photocatalysts are critically important for significantly improving the photocatalytic activity. Among various strategies, the hybridization of metal with semiconductors has recently been attracting more and more research interest owing to their expended spectral absorption, promoted transferring rate of charge carriers and Plasmon-enhanced effect. In this minireview, the metal-facilitated hybrid photocatalysts are overviewed comprehensively to first reveal unique functions of metals in improvement of photoactivity and summarize the emerging metal-involved hybrid systems. Subsequently, the synthetic methods towards hybrid photocatalysts are introduced and their practical applications are emphasized in environmental remediation including degradation of organic pollutants, conversion of harmful gases, treatment of heavy metal ions and sterilization of bacteria. At the end, the challenges for industrializing these hybrid photocatalysts are discussed carefully and future development is suggested rationally.     

铋系光催化剂的形貌调控与表面改性研究进展

铋系光催化剂是一类重要的可见光光催化剂,但块体铋系化合物的光催化性能并不理想,需进行改性增强。形貌调控和表面改性是增强铋系光催化剂性能的两种有效方法。本文对近年来铋系化合物光催化剂形貌调控和表面改性方面的研究报道进行综述总结,介绍通过超薄纳米片制备、晶面比例调控、分级结构和空心结构构筑、官能团和纳米微粒修饰表面、表面缺陷调控以及表面原位转化形成金属铋和含铋化合物纳米颗粒等方法增强铋系光催化剂性能的研究情况,对各种方法的特点及其在增加光吸收、有效分离和利用光生载流子方面的作用机制进行讨论,并对铋系光催化材料的形貌调控与表面改性的未来发展趋势及所面临的挑战进行分析总结。     

A short review on recent progress of Bi/semiconductor photocatalysts: The role of Bi metal

Bi/semiconductor photocatalysts have extensively been applied in the production of hydrogen, CO₂ reduction and environmental remediation in recent years. This short review summarizes the role of Bi metal as a plasma photocatalyst and cocatalyst. As a cocatalyst, Bi metal can be electron/hole trappers, charge transfer mediators, or oxygen vacancy coordinators. In addition, the preparation methods of the Bi/semiconductor photocatalysts are also reviewed. Challenges and future research directions related to Bi/semiconductor photocatalysts are discussed and summarized, including the use of advanced characterization techniques to refine the reaction mechanism, the difficulties of preparing Bi single atom catalyst, and the improvement of the reduction ability of Bi-based photocatalysts. This review helps understand the reaction mechanisms of the composite photocatalytic systems containing Bi metal and proposes new perspectives for designing the photocatalysts which can control air pollution via a reductive process.     

特定结构光催化剂的制备及其构效关系

高效光催化剂的设计是光催化研究的关键.本文介绍了超临界处理、醇解、溶剂蒸发诱导自组装(EISA)法和喷雾干燥技术在特定结构TiO2和非钛催化剂制备中的应用,并初步介绍了光催化剂的构效关系,说明具有特定组成和形貌结构的光催化剂的制备对提高光催化性能起到了关键的作用.     

金属纳米簇在CO2光催化还原中的研究进展

化石燃料的大量燃烧不仅造成能源危机，而且排放的二氧化碳（CO2）会使气候变暖。以清洁、储量丰富的太阳光作为能量来源，将CO2光催化还原为高附加值的化学产品是缓解当前环境问题和能源问题的主要方法之一。然而，CO2在常温常压下非常的稳定，因此需要设计并构筑高效光催化剂来捕捉和转化CO2，以达到高效光催化CO2还原的目的。在众多研究的光催化剂中，金属纳米簇因其具有独特的结构特点、优异的物理和化学性质，所以在光催化CO2还原领域得到了广泛的应用。基于此，我们首先对金属纳米簇进行了分类，将其分为贵金属纳米簇和非贵金属纳米簇；然后分别对贵金属和非贵金属纳米簇在光催化CO2还原中的研究进展进行了归纳与总结。本文通过及时全面概述近几年该领域的研究进展，从而为未来研究方向提供新思路。     

二维光催化材料电子结构和性能调控策略研究进展

Two-dimensional photocatalytic materials have potential applications in the fields of environmental purification and energy conversion owing to their rich surface active sites, unique geometric structures, adjustable electronic structures, and good photocatalytic activities. At present, the main two-dimensional photocatalytic materials include metal oxides, metal composite oxides, metal hydroxides, metal sulfides, bismuth-based materials, and non-metallic photocatalytic materials. The absorption of photons in bulk materials or nanoparticles is often limited by the transmittance and reflection at the grain boundary, while the two-dimensional structure can provide a large specific surface area and abundant surface low-coordination atoms to obtain more UV visible light. In addition, the smaller atomic thickness of two-dimensional photocatalytic materials can shorten the carrier migration distance. Thus, in two-dimensional photocatalytic materials, the carriers generated in the interior migrate to the surface faster than that in the bulk materials, which can reduce the recombination of photogenerated carriers and facilitate the photocatalytic reaction. For the surface redox reaction, the two-dimensional structure can provide more abundant surface-active sites to accelerate the reaction process. Additionally, when the thickness is reduced to the atomic scale, the escape energy of atoms is relatively small, thereby increasing the surface defects, which is helpful for the adsorption and activation of target molecules. Thus, the synthesis methods and performance enhancement strategies of two-dimensional photocatalytic materials have been developed rapidly. The former strategies mainly focus on the adjustment of morphology and geometric structure characteristics, which cannot fully meet the design requirements of efficient and stable photocatalysts. The photocatalytic performance and stability can be improved by surface design to construct abundant active sites and adjust the electronic structure. Research on the reaction mechanism of photocatalysis can help us understand the demand for photocatalytic structure characteristics in different reactions, thereby guiding the design of photocatalysts. In this paper, the advances in surface design and electronic structure regulation strategies of two-dimensional photocatalytic materials are reviewed from three aspects: light absorption; charge separation; and active sites, including element doping, heterojunction design, defect construction, single atom modification, and plasmonic metal loading. The effects on the reaction mechanism for typical air pollutant purification by regulating the electronic structure of two-dimensional photocatalytic materials are summarized. Finally, the problems and challenges associated with the development of two-dimensional photocatalytic materials are analyzed and discussed.      

光催化分解水制氢反应中助催化剂的作用及机理（英文）

近年来,随着一次能源过度消耗所带来的能源和环境问题日益突出,开发廉价、可持续的清洁能源备受关注.光催化分解水制氢可利用太阳能普遍率高和几乎免费等特点制取燃烧热值高、燃烧产物无污染的氢气能源.自从1972年日本的Fujishima教授和Honda教授首次发现TiO2单晶电极光催化分解水可以产生氢气以来,光催化制氢被认为是实现可持续制氢最有潜力的方法之一.有效地将太阳能转换为化学能的关键是设计高效的电荷分离和运输结构.然而,现有的大多数半导体光催化剂因缺少活性位点、光生载流子易复合等缺点而无法达到较高的转换效率.因此,如何提高半导体光催化产氢的转换效率是现阶段面对的重要问题.在众多解决方法中,助催化剂的引入可以为光催化制氢反应增加活性位点,促进光生载流子的有效分离,进而有效地提高半导体光催化产氢速率.本文总结了多种不同类型的助催化剂应用于光催化产氢研究的最新进展,详细讨论了助催化剂在增强光吸收、提供活性位点、增加催化剂稳定性和促进电荷分离等方面的作用,阐明了助催化剂在光催化分解水制氢中的反应机理,同时还提出了光催化制氢的未来研究和预测.本文将助催化剂分为以下几种类别进行讨论:(1)单一助催化剂,包括金属/合金、金属氧化物/氢氧化物、金属磷化物、金属硫化物、碳基材料等助催化剂材料;(2)双助催化剂;(3)Z-Scheme助催化剂;(4)MOFs助催化剂.近年来,助催化剂材料在光催化产氢中应用的发展趋势从当初价格昂贵的贵金属趋于价格相对低廉的非贵金属,从单一体系趋于更复杂的体系.虽然现阶段关于助催化剂与基底之间的匹配还需要进一步研究,但我们相信随着技术的发展,这些问题都可以迎刃而解.希望在不久的将来,可以精确设计和构建出具有高效光催化产氢活性的催化剂体系,开发出更多新的可再生清洁能源,从而缓解能源紧缺和环境恶化等棘手问题.     

二氧化钛基Z型光催化剂综述(英文)

TiO_2具有无毒、耐腐蚀、高稳定和低成本等特点,已被广泛应用于光催化领域.然而,TiO_2的禁带较宽,只能吸收仅占太阳光4%的紫外光部分,从而严重限制了TiO_2光催化材料对太阳光的有效应用.目前很多方法被用来提高TiO_2光催化效率,如金属/非金属掺杂、贵金属负载、异质结构建和与碳材料复合等,这些策略在提高光催化剂的光催化效率中,涉及到如何兼顾太阳光利用和光生空穴和电子氧化还原能力两者之间的平衡.通常,半导体禁带宽度越窄,半导体的光谱响应范围越宽、太阳光利用越多,但光生空穴和电子氧化还原能力越弱.因此,想要提高TiO_2的光催化性能,应考虑以下两个方面的平衡:即降低带隙宽度,拓展半导体的光谱响应范围;与之同时使价带电位更正,导带电位更负之间的平衡.然而,这两个点是相互矛盾的,因此很难在单组分光催化剂中同时实现这两点.然而,Z型光催化剂可以同时满足这两点要求,即:降低半导体的带隙,同时使导带更负,价带更正,因为Z光催化系统利用了两种半导体的优势,其电荷转移机制类似于自然界中绿色植物的光合作用,其中的载流子传输途径包括两步激发,类似于英文字母"Z",Z型光催化剂因此而得名.Z型光催化剂既能保留较高还原能力的光生电子和又能保留较高氧化能力的光生空穴,由于Z型光催化剂特有的优点,在光催化领域的应用越来越广泛.本文综述了TiO_2基Z型光催化剂的最新研究进展,其中包括:Z型光催化机理、应用范围和光催化活性改进方法.Z型光催化剂分为传统液相Z型光催化体系,全固态Z型光催化体系,以及最近几年发展起来的直接Z型光催化体系.它们的主要应用包括:光催化分解水产氢、二氧化碳还原制备太阳燃料、有机污染物光催化降解.论文进一步讨论了提高TiO_2基Z型光催化剂性能的方法,包括pH值调控、电子导体选择、助催化剂使用、掺杂改性、组织形貌控制、两种半导体质量比优化等.最后,提出了TiO_2基Z型光催化剂今后面临的挑战和发展前景展望.