抗生素废水中的光催化:污染物降解和产氢综述（英文）

近些年来,关于抗生素药物的研究越来越多.在1998-2018的20年间,共计发表了超过5000篇关于抗生素废水处理的研究论文.其中,由于绿色环境友好型的特点,光催化降解抗生素废水成为一个新的研究热点而备受关注.本文总结了近些年来的光催化技术在抗生素废水中应用的研究进展,包括抗生素废水的降解以及转化抗生素废水产氢.对于常用的催化剂材料体系也同样进行了讨论.所涉及到的抗生素主要包含了四种常见的种类,分别是四环素类,磺胺类,β-内酰胺类以及喹诺酮类抗生素.此外,本文还列出了光催化在抗生素废水中的未来发展与挑战的前景,特别是在光催化转化抗生素废水制氢方面.在光催化氧化去除抗生素的研究中,早期的催化剂体系以TiO₂基氧化物体系为主.然而,随着研究的深入, TiO₂基催化剂材料一般只能响应紫外光,将极大限制其在未来的工业化应用中.人们致力于开发新的可响应可见光甚至远红外光的材料体系.而硫化物以及氮化物基材料可以满足在可见光实现光催化抗生素废水的降解.然而,由于这两类催化剂材料的价带位置过高,氧化能力不足,在可见光下的降解效果也有限.铋系材料则同时可以解决...     

硫化铟锌的改性合成及光催化特性

随着社会经济的高速发展,能源的短缺和生态的破坏引起了人们的关注。近年来,寻找合适的解决方案已成为关注的重点。作为一种绿色环保技术,光催化由于其高效、低成本等优点而成为能源和环境问题的研究热点。在许多光催化材料中,三元硫化物硫化铟锌(ZnIn₂S₄)由于具有可见光响应特性、简单的制备方法和出色的稳定性而表现出巨大的潜力。然而,较高的载流子复合率限制了其光催化性能。近年来,许多研究报道了改性ZnIn₂S₄以提高其光催化性能,在此,本文详细介绍了各种改性研究,包括ZnIn₂S₄单体的合成、半导体化合物的结构、贵金属沉积、碳元素改性、离子掺杂。然后,系统完整地总结了ZnIn₂S₄在光催化、降解有机污染物、去除六价铬、还原CO₂和有机合成等方面表现出的光催化特性和机理。最后,对ZnIn₂S₄的发展前景提出了展望,以期ZnIn₂S₄光催化剂得到更广泛和深入的研究,尽快在实际生产中得到应用。     

壳聚糖钴配合物的合成及光催化产氢性能

通过一锅法合成了壳聚糖钴配合物(Cs-Co)催化剂.电感耦合等离子体质谱与X光电子能谱测试结果表明,Cs-Co中Co元素的含量为1. 1 mmol/g,Co为正二价.在优化条件下,18 mg Cs-Co催化剂的总催化产氢量达到12. 7 m L(80 min),催化产氢速率为30258μmol·g^-1·h^-1.通过研究Cs-Co的光催化并结合电化学方法,提出了可能的光催化机理.     

BiOBr/CeO2复合材料的制备及光催化降解磺胺异恶唑

通过高温煅烧法和共沉淀法成功制备BiOBr/CeO2复合材料,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和比表面积孔径分析仪(BET)等手段对光催化材料进行表征,并将该复合材料用于光催化降解磺胺异恶唑.研究表明,BiOBr/CeO2对可见光有更高的吸收性能,比CeO2和BiOBr具有更强的降解效率.自由基捕获...     

CdTiO_3纳米棒的可控制备及光催化产氢性能

以钛-乙二醇配合物纳米棒为模板,结合湿浸渍焙烧法制备了不同长度的钛酸镉(CdTiO3)纳米棒.采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、广角X射线粉末衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、热重分析仪(TG)及紫外-可见光谱仪(UV-Vis)等对前驱体及CdTiO3纳米棒进行了表征.结果表明,得到的CdTiO3纳米棒长度分别约为50,20和10μm,且无杂相,晶化度高,尺寸均一.负载1%(质量分数)铂作为助催化剂后,制备的不同长度CdTiO3纳米棒具有比CdTiO3纳米粒子更高的光催化产氢活性.其中,最长的CdTiO3纳米棒具有最高的产氢活性(~52.9μmol/h).     

弱紫外光光催化降解2,4-二氯苯氧基乙酸、对氯酚和草酸同时产氢

考察了弱紫外光光催化氧化降解2,4-二氯苯氧基乙酸(2,4-D)、4-氯酚(4-CP)和草酸(OA)三种模型有机污染物及其同时产氢现象.结果表明:在光催化剂1.0%Pt/TiO2(1.0 g/L)作用下,用弱紫外光分别光照含有2,4-D,4-CP和OA的三种水溶液(均为1.0 mmol/L,160 ml)悬浮体系2 h,产生了38.43,0.05及111.35μmol的氢气和73.80,4.49及175.99μmol的二氧化碳,同时污染物2,4-D和4-CP去除率分别为83.83%和36.19%.可见,低碳的有机污染物OA和芳香性有机污染物2,4-D都表现出显著的光催化降解同时产氢性能,是好的光催化产氢的电子给体,而4-CP给电子性能较差.改用强紫外光照射(其强度比弱紫外高150倍),5 min内2,4-D和4-CP的去除率达到90%以上.光照2,4-D,4-CP和OA 2 h后相应的产氢量分别为113.02,38.98和191.30μmol;二氧化碳的产量分别为195.60,31.41和306.96μmol.根据污染物组成和含量,可以设计强紫外光和弱紫外光联合使用的光催化降解有机污染物同时产氢工艺,以便高效节能地实现污染物的去除以及光能和污染物的化学能向氢气化学能的转化.     

自旋电子学-光催化产氢交叉学科研究中的测试表征技术进展

清洁能源的研究和开发为解决化石燃料的日益枯竭问题带来了希望.氢能燃烧热值高,产物零污染,是理想的清洁能源.利用太阳能,通过光催化反应从水中制取氢气,是一条极有发展前景的制氢途径.然而,太阳能光催化制氢的发展受到许多因素的限制,特别是光电子传输过程中的电子-空穴复合及能量损失导致的电子输运效率低以及高的产氢产氧过电位导致水分解过程的势垒增大.自旋电子学的发展,为太阳能光催化制氢中的这些问题提供了解决之道.通过将自旋电子学的思路及原理应用于太阳能光催化制氢,借助自旋输运及电子隧穿可有效提高电子的输运效率,光电子的自旋极化还可降低产氢产氧过电位并抑制副产物的生成.测试表征技术的发展为揭示自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学的内秉机理做出了重要贡献.然而,目前尚无相关文籍对此类测试表征技术的发展进行总结和评述.考虑到这些测试表征技术在自旋电子学-太阳能光催化制氢交叉科学研究中的重要作用,对它们进行归纳和总结,评述其发展面临的问题与挑战,探索并合理预测其未来的发展方向.     

有序介孔TiO2纳米纤维及其串联光催化水处理-产氢性能（英文）

光催化技术在环境净化及新能源开发方面具有巨大的研究潜力,特别在有机污染物降解去除和分解水制氢展示出了广泛的应用前景.二氧化钛(TiO2)具有出色的光催化活性和稳定性、低成本和无毒性等性质,是最有前景的光催化剂之一,但离广泛实用还有一定距离.TiO2光催化活性很大程度上取决于其尺寸,结晶度和形状等结构特征,因此,TiO2的纳米结构优化设计,为开发高活性TiO2光催化材料,推动其商业和工业应用提供了新的可能.最近大量研究表明,一维(1D)纳米结构,如纳米管,纳米线和纳米纤维等,具有卓越的光生电荷分离和传输能力,可提高光催化活性.鉴于此,1D TiO2纳米光催化剂的设计和可控制备引起了广泛的研究关注.一般而言,1D TiO2制备方法包括溶胶凝胶法,水热法,溶剂热法和静电纺丝法.其中,水热法由于简单高效,是最广泛使用的一种制备方法.通常,水热法制备1D TiO2包括两个主要步骤.首先,在浓NaOH水溶液中的水热处理,将不规则的TiO2颗粒转化为均匀的1D纳米钛酸盐中间体.随后,通过氢离子交换和热转化,将所获得的钛酸盐转化为1D TiO2.钛酸盐中间体的形成和转化过程,对调控所得1D TiO2产物的结构特征,包括相、尺寸、形状和组成等,具有至关重要的作用.然而,传统水热法的反应条件非常苛刻,经常导致1D纳米结构的破坏及纳米颗粒的无序排列,降低了获得材料的光催化活性.因此,发展温和的钛酸盐转化方法,将为制备高活性光催化材料提供新思路.本文通过新颖的蒸汽热方法,成功将钛酸盐纳米带转化为由纳米晶定向组装而成的介孔TiO2纳米纤维.结合XRD,BET,TEM,XPS,UV-Vis和PL等分析手段详细表征了催化剂的组成与结构,基于有机污染物(以罗丹明B为例)降解以及光催化分解水制氢考察了催化剂的光催化活性.结果表明,在150°C蒸汽热处理得到的1D TiO2纳米纤维具有最高的光催化氧化活性与还原活性,均优于商业TiO2(P25).1D TiO2纳米纤维具有介孔结构,其纳米晶排列有序,从而对增强光催化性能至关重要.各向异性锐钛矿纳米晶的有序排列,促进了光生电子与空穴沿纳米纤维结构定向传递,降低电子-空穴复合几率.介孔结构和高表面积有利于光催化反应过程中的质量交换.鉴于1D TiO2纳米纤维同时具有最高的光催化氧化活性与还原活性,我们发展了光催化水处理-产氢集成新技术,通过光催化“有氧氧化-缺氧还原”串联工艺来实现.有机染料在有氧氧化过程中部分氧化,并在后续的缺氧还原阶段充当高效牺牲试剂以促进光催化分解水制氢.该研究为制备高活性有序介孔TiO2纳米纤维及其应用提供了新思路.     

LiNbO_3不同晶面的光催化产氢性能

研究了LiNbO3(001)、(100)和(110)晶面的光催化产氢性能。(001)、(100)和(110)3个晶面光催化产氢性能之比为7.8∶1.3∶1.0。LiNbO3[001]晶向存在电偶极矩和自发极化,有利于增加光生电子和空穴的分离效率,减少光生电子和空穴的复合,提高LiNbO3(001)面的光催化活性。LiNbO3(001)面的空穴有效质量最小,有利于光生空穴的迁移,从而减少光生电子和空穴的复合,也有利于光催化性能的提高。     

二硫化钼析氢电催化剂

电解水与一次可再生能源耦合,可同时提供洁净制氢方式与先进的能源转化技术,有望在未来清洁能源经济中扮演重要角色,而实现这一美好愿景的关键在于研发高活性、低成本的析氢/析氧电催化材料。二硫化钼(MoS₂)是颇具代表性的非贵金属析氢电催化材料,纵观其研究历程,先导性理论预测与材料设计、先进制备与表征技术的应用均在改性研究中发挥了至关重要的作用,这也从一个侧面折射出当代电催化剂的研究模式与发展趋势。本文按照重要发现与进展的时间顺序,梳理了MoS₂析氢电催化剂的发展历程,重点论述了增多边缘活性位、提高导电性、构筑基面活性位等改性策略的实施方法、效果与机理,最后从全领域总结了MoS₂析氢电催化剂的研究启示并展望其未来发展趋势。     

二硫化钼纳米片/碳纳米纤维杂化材料的制备及其析氢性能

以碳纳米纤维(CNFs)作为负载基体和反应器采用静电纺丝技术和碳化工艺生长和调控二硫化钼(MoS_2)纳米片。通过改变前驱体溶液浓度来调控纳米片的形貌和结构,利用MoS_2纳米片的高催化活性和CNFs高比表面积、良好的稳定性以及高电导率的协同作用,研究不同形貌和结构的杂化纳米材料在电催化析氢方面的应用,探索杂化材料形貌与性能之间的潜在规律。运用多种分析测试技术对制备得到的纳米杂化材料进行表征,并对所制备的MoS_2/CNFs杂化材料的电催化析氢性能(HER)进行研究,研究表明近似皮芯结构的MoS_2/CNFs-10杂化材料的电催化析氢性能最好,初始析氢过电位在220 mV,Tafel斜率为110m V·dec~(-1)。     

二硫化钼纳米片/碳纳米纤维杂化材料的制备及其析氢性能

以碳纳米纤维（CNFs）作为负载基体和反应器采用静电纺丝技术和碳化工艺生长和调控二硫化钼（MoS₂）纳米片。通过改变前驱体溶液浓度来调控纳米片的形貌和结构,利用MoS₂纳米片的高催化活性和CNFs高比表面积、良好的稳定性以及高电导率的协同作用,研究不同形貌和结构的杂化纳米材料在电催化析氢方面的应用,探索杂化材料形貌与性能之间的潜在规律。运用多种分析测试技术对制备得到的纳米杂化材料进行表征,并对所制备的MoS₂/CNFs杂化材料的电催化析氢性能（HER）进行研究,研究表明近似皮芯结构的MoS₂/CNFs-10杂化材料的电催化析氢性能最好,初始析氢过电位在220 mV,Tafel斜率为110 mV·dec^-1。     

铝柱撑二硫化钼的制备及其催化氧化性质

本文采用单分子层技术将聚合羟基铝簇离子嵌入到二硫化钼板层间，得到层间距为1.481至1.519 nm的柱撑二硫化钼复合材料。XRD、DSC等研究表明，柱化液的滴加浓度越稀、柱撑反应体系中Al∶MoS₂物质的量之比越小越有利于获得层间距较大的柱撑材料。与原料2H-MoS₂相比，柱撑材料的层间距增大，颗粒度变小，比表面积增加。在氧气条件下，对Na₂S的催化氧化实验表明，柱撑材料较原料2H-MoS₂的催化氧化活性提高3～4倍，且光催化活性大于催化活性。这与柱撑材料的比表面积增加所导致催化活性部位的增多，以及光致电子-空穴对的产生有关。     

Self-Optimization of the Active Site of Molybdenum Disulfide by an Irreversible Phase Transition during Photocatalytic Hydrogen Evolution

The metallic 1T-MoS₂ has attracted considerable attention as an effective catalyst for hydrogen evolution reactions (HERs). However, the fundamental mechanism about the catalytic activity of 1T-MoS₂ and the associated phase evolution remain elusive and controversial. Herein, we prepared the most stable 1T-MoS₂ by hydrothermal exfoliation of MoS₂ nanosheets vertically rooted into rigid one-dimensional TiO₂ nanofibers. The 1T-MoS₂ can keep highly stable over one year, presenting an ideal model system for investigating the HER catalytic activities as a function of the phase evolution. Both experimental studies and theoretical calculations suggest that 1T phase can be irreversibly transformed into a more active 1T′ phase as true active sites in photocatalytic HERs, resulting in a “catalytic site self-optimization”. Hydrogen atom adsorption is the major driving force for this phase transition.     

Highly Stretchable Supercapacitors Based on Aligned Carbon Nanotube/Molybdenum Disulfide Composites

Stretchable supercapacitors that can sustain their performance under unpredictable tensile force are important elements for practical applications of various portable and wearable electronics. However, the stretchability of most reported supercapacitors was often lower than 100 % because of the limitation of the electrodes used. Herein we developed all‐solid‐state supercapacitors with a stretchability as high as 240 % by using aligned carbon nanotube composites with compact structure as electrodes. By combined with pseudocapacitive molybdenum disulfide nanosheets, the newly developed supercapacitor showed a specific capacitance of 13.16 F cm^?3, and also showed excellent cycling retention (98 %) after 10 000 charge–discharge cycles. This work also presents a general and effective approach in developing high‐performance electrodes for flexible and stretchable electronics.     

羟基铝柱撑二硫化钼的制备及其催化加氢性能

 采用单分子层技术将羟基铝聚合物Al7+13阳离子嵌入到二硫化钼板层间,得到层间距为1.488～1.599 nm的柱撑复合材料. X射线粉末衍射等研究表明,羟基铝聚合物Al7+13经60 ℃恒温陈化2 d即可作为稳定的柱撑液使用; 在柱撑反应体系中,较小的Al/Mo摩尔比有利于获得客体物种较均一和结晶度较好的柱撑复合材料. 与原料 2H-MoS2 相比,柱撑二硫化钼的层间距增大,晶粒变小,比表面积增加. 差示扫描量热分析结果表明,柱撑材料具有较好的热稳定性. 选择苯饱和加氢反应为探针,测定了柱撑材料的催化活性. 气相色谱测定结果表明,柱撑二硫化钼的催化性能显著优于未柱撑的 2H-MoS2 和Raney Ni催化剂. 这与柱撑材料比表面积的增大、可能存在的缺陷增多而导致活性位增多以及对氢气的有效吸附增加有关.     

纳米二硫化钼的掺杂及催化电解水产氢的研究进展

电催化水分解制氢是可以形成闭环的生产过程, 起始原料与副产物均为水、 过程清洁无污染, 是极具希望的产氢策略. 目前制约其发展的瓶颈之一是价格昂贵的Pt基贵金属催化剂. 为推动电催化分解水制氢的普及, 亟待开发低成本非贵金属催化剂. 在众多备选非贵金属催化材料中, 纳米层状结构二硫化钼(MoS₂)因催化效果可期、 价格低而获得了广泛关注. 然而, 通常条件下易于获得的层状结构2H相MoS₂大面积的基面部分显示惰性, 仅在片层边缘处存在少量活性位点, 且导电性较差, 因而尚不能替代Pt基催化剂, 而如何增加其活性位点数量和提高其导电性成为亟待解决的问题; 另一方面, 1T相MoS₂虽然活性高、 导电性好, 但却存在制备困难及稳定性差的问题. 鉴于此, 研究者通过对纳米MoS₂进行掺杂改性实现了其活性与稳定性的有效提升. 本文对非贵金属纳米MoS₂催化剂掺杂改性的方法、 机理及其电催化水解制氢性能的相关研究进行了总结与讨论. 作为典型的非贵金属电解水析氢催化剂, MoS₂具有巨大发展潜力, 本文能够对相关非贵金属催化剂的研发提供有益的参考.     

光催化制氢的助催化剂

随着能源和环境问题的日益突出,构建可持续发展、绿色环保和新型高效的能源体系,成为当今世界关注的焦点.由于太阳能清洁、低成本和环境友好等特性,利用太阳能光催化制氢成为解决能源问题的有效策略.单一的半导体光催化剂由于光的利用率低、电荷空穴易复合和缺少充足的活性位点等缺点,很难满足光催化的所有要求,常引入助催化剂来解决这一问...     

单原子掺杂二硫化钼析氢催化的进展和展望

层状二硫化钼由于具有独特的物理化学特性, 在电化学制氢领域受到广泛关注. 二硫化钼的氢惰性表面导致其在酸性和碱性电解液中的析氢活性都比铂差. 将单原子锚定在二硫化钼中能够有效活化惰性的基面,促使其成为先进的析氢电催化剂. 本文从单原子掺杂的二硫化钼的结构出发, 探讨了单原子在提升活性方面的具体机制, 总结了关于单原子掺杂的二硫化钼的制备方法、 表征手段和最新的研究进展, 以及单原子掺杂所产生的缺陷对于活性提升的重要作用. 最后, 基于单原子掺杂二硫化钼在析氢反应中的最新进展, 总结了该领域中相关催化剂的设计思想和主要挑战.