Electronic Structure and Optical-absorption Properties of C-, N-, and S-doped BiOCl: the First-principles Calculations

Impurity formation energy, electronic structure, and photocatalytic properties of C-, N-, or S-doped BiOCl are investigated by density-functional theory plus U calculations(DFT + U). Results show that the doping effect of S is better than that of C or N on the tunable photocatalytic activities of BiOCl. At low concentration, S-doped BiOCl systems are the most stable under Bi-rich growth conditions because of their lower impurity-formation energy. Compared with the electronic structures of S-doped BiOCl, C-or N-doped BiOCl have relatively deeper impurity energy levels appearing in their band gap(except Bi_(36)O_(35)NCl_(36)), which may act as photogenerated carrier-recombination centers and reduce photocatalytic activity. At high concentration, S is substituted on the O lattice site system, whereas some S 3p states mix with the valence band; this mixture leads to an obvious band-gap decrease and continuum-state formation above the valence-band edge of BiOCl. Such activity is advantageous to photochemical catalysis response. Compared with pure Bi OCl and a low-concentration S-doped system, a high-concentration S-doped system shows an obvious redshift on the absorption edge and has better photocatalytic O_2 evolution performance.     

MOF-808/BiOCl复合材料的制备及其光催化性能

将高稳定性的MOF-808与BiOCl结合,采用简便的水热法制备出新型MOF-808/BiOCl复合异质结材料。以环丙沙星(CIP)为污染物,探究复合材料MOF-808/BiOCl对CIP的光催化性能。发现含有10% MOF-808的复合材料(MOF-808/BiOCl-10%)表现出最佳的光催化活性。在紫外光照射20 min内,MOF-808/BiOCl-10%对CIP的光催化降解效率高达94.7%。通过X射线粉末衍射、扫描电镜、红外光谱、荧光光谱、紫外可见漫反射光谱、光电流、电化学阻抗等表征技术来考察材料的物相组成、形貌以及光电化学性质。紫外可见漫反射光谱的结果表明,MOF-808/BiOCl-10%材料光吸收范围得到提高。同时进行了自由基捕获实验。基于以上实验数据,提出了MOF-808/BiOCl复合材料可能的光催化机理。     

WO3/BiOCl, a novel heterojunction as visible light photocatalyst

A bismuth oxychloride (BiOCl) nanostructure is prepared by a new low temperature route using sodium dodecyl sulfate as template and urea as hydrolytic agent. A novel heterojunction is developed between BiOCl and tungsten oxide (WO(3)) to make it an efficient visible light photocatalyst. The catalysts were characterized by X-ray diffraction analysis, Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis, energy-dispersive X-ray spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and N(2) sorption isotherms. The WO(3)/BiOCl heterojunction system extends the absorption edge to the visible region efficiently. BiOCl works as a main photocatalyst while WO(3) acts as the photosensitizer absorbing visible light in the WO(3)/BiOCl composite. The individual BiOCl and WO(3) show very low photocatalytic efficiency under visible light irradiation but their heterojunction provides unexpectedly high efficiency in decomposing rhodamine B as compared to Degussa P25, pure BiOCl, and WO(3).     

Composition dependence of the photocatalytic activities of BiOCl(1-x)Br(x) solid solutions under visible light

We prepared BiOCl(1-x)Br(x) (x=0-1) solid solutions and characterized their structures, morphologies, and photocatalytic properties by X-ray diffraction, diffuse reflectance spectroscopy, scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, photocurrent and photocatalytic activity measurements and also by density functional theory calculations for BiOCl, BiOBr, BiOCl(0.5)Br(0.5). Under visible-light irradiation BiOCl(1-x)Br(x) exhibits a stronger photocatalytic activity than do BiOCl and BiOBr, with the activity reaching the maximum at x=0.5 and decreasing gradually as x is increased toward 1 or decreased toward 0. This trend is closely mimicked by the photogenerated current of BiOCl(1-x)Br(x) , indicating that the enhanced photocatalytic activity of BiOCl(1-x)Br(x) with respect to those of BiOCl and BiOBr originates from the trapping of photogenerated carriers. Our electronic structure calculations for BiOCl(0.5)Br(0.5) with the anion (O(2-), Cl(-), Br(-)) and cation (Bi(3+)) vacancies suggest that the trapping of photogenerated carriers is caused most likely by Bi(3+) cation vacancies, which generate hole states above the conduction band maximum.     

具有主导晶面的BiOIO3/BiOCl异质结制备与光催化性能

分别以乙二醇/去离子水为溶剂,通过溶剂热/水热法分别制备了具有不同主导晶面的BiOIO₃/{110}BiOCl和BiOIO₃/{001}BiOCl异质结。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、能量色散谱和紫外可见漫反射光谱对制备的BiOIO₃/BiOCl光催化剂进行了表征。在可见光照射下,通过对罗丹明 B和苯酚水溶液的光催化降解,考察了 BiOIO₃/BiOCl异质结的光催化活性。结果显示25% BiOIO₃/{110}BiOCl异质结具有最高的光催化效率。BiOIO₃/{110}BiOCl较好的光催化性能是由于其在可见光区较强的光吸收,以及异质结结构和BiOCl所具有的(110)主导晶面有利于光生载流子的分离。超氧自由基(·O₂^-)和空穴(h⁺)是光催化过程中的主要活性物质。此外,根据实验结果探讨了光催化性能增强的机理。     

氯氧化铋催化剂的电子结构调控及其光催化性能研究

以不同Bi/Cl摩尔比例为原料设计合成了一系列BiOCl半导体催化材料。扫描电子显微镜、XRD衍射峰拟合等分析结果显示,Bi/Cl比例的改变对BiOCl的形貌、表面结构、微观电子结构均具有一定的调控作用。以Bi/Cl = 1 : 1为原料合成的BiOCl光催化剂具有最窄的带隙值（Eg=3.18 eV）,使得其具有较强的的光响应能力。光催化去除罗丹明B（RhB）结果表明,随着Bi/Cl摩尔比例的减小,BiOCl的催化性能呈现先增强后减弱的趋势。Bi/Cl = 1 : 1样品具有最优的催化活性,源于其较优异的光吸收性能以及特殊的表面特性。光催化机理研究表明,光催化去除RhB的过程中,起作用的活性物质主要为光生电子、空穴以及半导体表面产生的超氧自由基。     

具有主导晶面的BiOIO3/BiOCl异质结制备与光催化性能

分别以乙二醇/去离子水为溶剂,通过溶剂热/水热法分别制备了具有不同主导晶面的BiOIO₃/{110}BiOCl和BiOIO₃/{001}BiOCl异质结。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、能量色散谱和紫外可见漫反射光谱对制备的BiOIO₃/BiOCl光催化剂进行了表征。在可见光照射下,通过对罗丹明B和苯酚水溶液的光催化降解,考察了BiOIO₃/BiOCl异质结的光催化活性。结果显示25%BiOIO₃/{110}BiOCl异质结具有最高的光催化效率。BiOIO₃/{110}BiOCl较好的光催化性能是由于其在可见光区较强的光吸收,以及异质结结构和BiOCl所具有的(110)主导晶面有利于光生载流子的分离。超氧自由基(·O₂^-)和空穴(h⁺)是光催化过程中的主要活性物质。此外,根据实验结果探讨了光催化性能增强的机理。     

g-C_3N_4/BiOBr异质结光催化剂的制备与可见光催化活性

以三聚氰胺作为合成g-C_3N_4纳米片的前躯体,以Bi(NO3)3·5H2O和KBr作为合成BiOBr的原料,采用水热法构建g-C_3N_4/Bi OBr二维异质结可见光催化剂,有效的晶面复合和合适的能带组合有助于增强g-C_3N_4和BiOBr的可见光催化活性。利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光光谱(PL)和紫外-可见漫反射光谱(UVvis DRS)等方法表征其结构、光学性质以及组成结构。在可见光(λ420 nm)下以光催化降解RhB来评价合成催化剂的光催化活性,结果表明,g-C_3N_4/BiOBr光催化降解罗丹明B(Rh B)的效率高于单体g-C_3N_4和BiOBr,并对g-C_3N_4/BiOBr增强可见光催化RhB机理进行解释。     

二维复合光催化剂的合成及其性能研究

摘要：通过超声辅助溶剂热法制备一种新型的二维类复合光催化剂BiOCl/MOF-5。运用XRD、SEM、BET、TEM、PL 等手段对催化剂的特殊结构和性能进行表征。在该光催化剂体系中,选取MOF-5为载体,通过与光催化剂BiOCl复合来合成一种新型的二维复合光催化剂。 结果表明,制备的催化剂均呈现出较为明显的二维形貌,且相对与单一BiOCl (3.15 mg2?g-1 )来说,该复合催化剂 (110.16 mg2?g-1 ) 的比表面积得到了明显的提高。由于催化剂的光催化性能与其比表面积和孔隙体积密切相关。复合催化剂相对较大的比表面积和适当的能带隙,有利于为反应物提供更多的活性位点和有效的传输路径,而且得益于MOF-5独特的形貌和结构,光催化剂聚集和比表面积小的问题也得到了解决。因此,该复合材料在降解有机物方面呈现出优异的光催化活性,且与纯BiOCl相比,催化剂的光催化活性得到了明显的提高。     

Constructing Netlike Nanosheets of ZnO/BiOCl with Heterojunction as Robust Material for Electrochemical Amine Detection

The electrochemical sensing is a potential method for detection of trace toxic substance. Herein, the heterojunction of netlike ZnO/BiOCl nanosheets was constructed for the enhanced electrochemical detection of ammonia. Cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry were used to investigate the electrochemical performance. The results show that the ZnO/BiOCl-modified electrode exhibits higher sensitivity towards ammonia compared with the ZnO and BiOCl-based electrodes, which is ascribed to band structure and fast electron transfer. The high response of 11.8 μA mM⁻¹ and a low detection limit (LOD) of 0.25 μM are achieved. In addition, the ZnO/BiOCl material exhibits high selectivity, repeatability and stability. The better linear relationship between concentration and current (R²=0.99) is significant for quantitative detection of ammonia, implying that netlike ZnO/BiOCl nanosheets can serve as electrochemical sensing platform for detecting toxic substance. This research provides a strategy for fabricating two-dimensional netlike materials and regulating heterojunctions used for electrochemical application.     

BiOCl/蒙脱土复合光催化剂的制备及其光催化活性

为优化BiOCl光催化剂的结构,改善其对有机污染物的吸附性能,进而提高光催化反应活性,采用超声辅助化学沉淀法制备了BiOCl/蒙脱土(MMT)复合光催化剂,并考察了MMT质量分数(w(MMT))对复合光催化剂结构及光催化反应活性的影响。 X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)等的表征结果表明,所得催化剂呈微球状结构,禁带宽度为3.24 eV。 随着w(MMT)的增加,催化剂的微球状结构逐渐被破坏,但带隙能未发生明显变化。 以8-羟基喹啉为目标物考察了复合催化剂的吸附及光催化反应活性。 结果表明,随着w(MMT)增加,催化剂对8-羟基喹啉的吸附和光催化氧化活性逐渐增加,这可归因于与MMT的复合增大了比表面积并降低了光生载流子复合效率。 当w(MMT)为15%时,催化剂的吸附及光催化性能达到最佳,光照50 min后,8-羟基喹啉的降解率达到85.6%,矿化率达到51.0%。 光生空穴和超氧自由基负离子为主要的氧化活性物种。 复合催化剂还可高效降解邻苯二酚和对氨基苯甲酸。 同时,复合光催化剂表现出较强的化学稳定性,表明其具有较强的实际应用价值,可用于处理含有机酚类污染物的工业废水。     

光降解刚果红的S型硫掺杂g-C3N4/TiO2异质结光催化剂

含有机物工业废水的处理仍然是人类实现可持续发展的重大挑战.而光催化作为一种先进的氧化环保技术,以其反应条件温和、能耗相对较低的优点在有机废水处理中受到越来越多的关注.近年来,人们设计和合成了许多不同结构和形状的光催化剂.特别是金属氧化物半导体以其适宜的能带结构、稳定的物化性质、无毒性等特点已成为光催化降解有机废水的研究热点.此外,一维纳米结构(1D)已被证实有利于光催化降解过程,其优势在于比表面积大,离子的迁移路径短,以及独特的一维电子转移轨道.尤其是TiO2纳米纤维由于其亲水性、特殊的形貌和合适的能带位置,在污染物水溶液的处理中表现出优异的光催化性能.然而,TiO2(～3.2 eV)的宽禁带、光生载流子的易复合等缺陷导致其光利用率较低,限制了其实际应用.因此,人们提出了许多提高光催化活性的策略,如掺杂金属或非金属元素、负载贵金属、构建异质结等.构建梯形(S型)异质结已被证实是提高复合材料光催化活性的一种有前途的策略.S型异质结不仅能有效地分离光生电子和空穴,而且还原能力低的半导体CB上的电子和氧化能力低的半导体VB上的空穴复合,而氧化还原能力较强的空穴和电子分别被保留.因此,这一电子转移过程赋予了复合物最大的氧化还原能力.同时,在g-C3N4中引入硫元素可以拓宽其光吸收范围,从而产生更多的光生载流子.此外,额外的表面杂质将有助于e?-h+对的分离,其光催化活性明显高于单纯的g-C3N4.综合一维纳米结构、硫掺杂和S型异质结的优势,本文采用静电纺丝和煅烧法制备了一系列硫掺杂的g-C3N4(SCN)/TiO2 S型光催化剂.制备的SCN/TiO2复合材料在光催化降解刚果红(CR)水溶液中表现出比纯TiO2和SCN更优越的光催化性能.光催化活性的显著增强是由于一维分布的纳米结构和S型异质结.此外,XPS分析和DFT计算表明,电子从SCN通过SCN/TiO2复合材料的界面转移到TiO2.在模拟太阳光照射下,界面内建电场、带边缘弯曲和库仑相互作用协同促进了复合物相对无用的电子和空穴的复合.因此,剩余的电子和空穴具有较高的还原性和氧化性,使复合材料具有最高的氧化还原能力.这些结果通过自由基捕获实验、ESR实验和XPS原位分析得到了充分的验证,说明光催化剂中的电子迁移遵循S型异质结机理.本文不仅可以丰富了新型S型异质结光催化剂的设计和制备方面的知识,并为未来解决环境污染问题提供一个有前景的策略.     

BiOCl/In2S3复合可见光催化剂制备及性能研究

氯氧化铋（BiOCl）较大的禁带宽度使得其只能对紫外光产生响应,严重制约了其进一步光催化应用。为实现BiOCl对可见光的利用,以In2S3为可见光光敏剂,并基于高效实用的机械研磨手段构建BiOCl/In2S3复合可见光催化剂。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(EDS)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等方法对催化剂的形貌和结构进行表征。选择盐酸四环素（TC）可见光催化降解为评价模型,系统研究了BiOCl/In2S3复合比例对光催化活性的影响。结果表明两者复合比例为1:1时具有最佳的光催化活性,在可见光照射下对TC的降解效率高达91.4%,且经3次循环降解效率仍保持在87.3%。机理研究表明,In2S3被可见光激发产生电子注入BiOCl的导带(CB),能有效提升载流子的分离效率,而h+和?O2-是光降解过程中的主要活性物质。该项研究工作充分表明了In2S3对BiOCl的高效光敏活性,展示了物理复合法在新型高效可见光催化体系构建中的重要意义。     

Interface Engineering of Conjugated Polymer-Based Composites for Photocatalysis

Photocatalysis can create a green way to produce clean energy resources, degrade pollutants and achieve carbon neutrality, making the construction of efficient photocatalysts significant in solving environmental issues. Conjugated polymers (CPs) with adjustable band structures have superior light-absorption capacity and flexible morphology that facilitate contact with other components to form advanced heterojunctions. Interface engineering can strengthen the interfacial contact between the components and further enlarge the interfacial contact area, enhance light absorption, accelerate charge transfer and improve the reusability of the composites. In order to throw some new light on heterojunction interface regulation at a molecular level, herein we summarize CP-based composites with improved photocatalytic performance according to the types of interactions (covalent bonding, hydrogen bonding, electrostatic interactions, π-π stacking, and other polar interactions) between the components and introduce the corresponding interface building methods, identifying techniques. Then the roles of interfaces in different photocatalytic applications are discussed. Finally, we sum up the existing problems in interface engineering of CP-based composites and look forward to the possible solutions.     

New photocatalyst BiOCl/BiOI composites with highly enhanced visible light photocatalytic performances

BiOCl/BiOI composites with a visible light response were prepared by a simple hydrothermal method. Even though both single BiOCl and BiOI show low photocatalytic activity, BiOCl/BiOI composites provide enhanced efficiency in decomposing organic compounds including Methyl Orange (MO) and Rhodamine B (RhB). Furthermore, the 20%BiOCl/BiOI composite shows the highest efficiency for decomposing MO, while the highest performance is observed for the degradation of RhB over 70%BiOCl/BiOI composite. A possible photocatalytic mechanism has been proposed based on the relative experiments and the band positions of BiOCl and BiOI.     

不同制备方法对BiOCl材料的形貌、结构与光催化性能的影响研究

对比采用溶剂热合成、传统固相合成与溶胶-凝胶合成技术,制备了四方相BiOC1和Nd3+掺杂BiOCl光催化材料.运用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及紫外-可见吸收光谱(UV-Vis),研究了不同合成方法所制备BiOCl材料的相结构、形貌和紫外-可见光吸收性能;并以甲基橙溶液为模拟废水,研究了不同方法所制备的BiOCl材料的光催化性能.结果表明:溶剂热合成的BiOCl是由纳米片组装成粒径小于1μm微球,紫外-可见吸收边为335 nm;固相合成所得BiOCl结晶度较高,其片状颗粒粒径约为6μm,紫外-可见吸收边为430n m;溶胶-凝胶合成法制得BiOCl片状颗粒粒径约为3～4 μm,紫外-可见吸收边为430 nm.进一步地对比研究了稀土离子Nd3+掺杂前后BiOCl样品的结构、紫外-可见光吸收特性,可以发现,Nd3+掺杂后样品的相结构及形貌均无变化,但吸收边均发生不同程度的红移,以溶胶-凝胶法制得的样品效果最为明显,并具有最优的光催化性能.     

共模板法一步合成绣球状BiOCl/Br固溶体光催化剂

以乙二醇/十二烷基三甲基溴化铵(EG/DTAB)为共模板剂,一步制得BiOCl/Br的固溶体光催化剂,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、N2吸附-脱附仪和紫外-可见漫反射光谱仪进行了表征.结果表明,与采用溶剂热法制得的BiOCl分级微球相比,采用EG/DTAB共模板法制得的BiOCl/Br固溶体具有更明显的分层结构,呈绣球状.同时,DTAB的Br-插入到BiOCl的晶格中,形成固溶体,减小了禁带宽度.绣球状BiOCl/Br固溶体具有比商用P25、二维BiOCl纳米片和三维BiOCl分级微球更优异的可见光间接敏化降解染料性能,当nDTAB/nKCl=0.75时,制得的BiOCl/Br固溶体8 min内在可见光下对罗丹明B(Rh B)的降解率达到97.2%;1 h后在可见光下对甲基橙(MO)的降解率达到83.6%.     

利用硫化铋纳米颗粒增强类石墨相氮化碳的光生载流子分离效率和光催化活性（英文）

二氧化钛,氧化锌,磷酸铋等传统的紫外光响应光催化剂虽然具有良好的光催化性能,但是对太阳能利用率很低(紫外光只占太阳光能量的4%左右).近年来,类石墨相氮化碳(g-C3N4)受到了广泛的关注.g-C3N4的带隙约2.7 eV,它只能吸收460nm以下的光,对太阳能的利用率依然比较低.构筑异质结是一种有效的提高光催化活性的方法.BiOCl/g-C3N4,TiO2/g-C3N4, Bi2MoO6/g-C3N4, Al2O3/g-C3N4, Ag3PO4/g-C3N4等异质结光催化剂曾被广泛的报道.硫化铋是属于正交晶系的窄带隙半导体,它的带隙约1.3–1.7 e V.由于其独特的电子结构和光学特性,硫化铋在光催化,光检测器和医药成像等领域有着广泛的应用.另外,硫化铋还具有优异的光热转换性能,在光热癌症治疗领域有显著的效果.微波辅助法,水热法,惰性气体下高温煅烧法等都曾被用来合成g-C3N4/Bi2S3异质结光催化剂.不同的文献也提出了不同的催化机理.如何使用更简单环保的方法来合成g-C3N4/Bi2S3异质结光催化剂?电子和空穴的转移路径是怎样的?本文利用简单的低温方法合成了硫化铋,利用超声法得到了g-C3N4/Bi2S3异质结光催化剂,分析了其微观形貌,结构,并探讨了光催化的反应机理和提高光催化性能的因素.X射线衍射,傅里叶变换红外光谱, X射线光电子能谱和透射电子显微镜的结果表明,硫化铋纳米颗粒被成功地引入到g-C3N4中.使用亚甲基蓝为分子探针研究了所制材料在模拟太阳光下的光催化活性.结果发现, CN-BiS-2表现出最佳的光催化活性,是g-C3N4的2.05倍,是Bi2S3的4.42倍.利用液相色谱二级质谱联用分析了亚甲基蓝的降解路径.硫化铋的引入拓展了复合材料的吸收边,使其向可见光区红移,且在整个可见光区的光吸收能力都有明显的增强.光电流的增强和交流阻抗谱圆弧半径的减小,表明光生载流子的迁移与分离速率得到了增强.自由基捕获试验表明,最主要的活性物种是光生空穴,次之是羟基自由基和超氧自由基.在CN-Bi S-2样品中羟基自由基和超氧自由基的电子顺磁共振信号都比g-C3N4有明显的增强,表明复合样品中能够产生更多的羟基自由基和超氧自由基.基于光电流,交流阻抗,荧光光谱,自由基捕获和电子顺磁共振的结果,我们提出了高能电子由硫化铋转移到g-C3N4,同时空穴由g-C3N4转移到硫化铋的电子空穴转移机制.此外,红外热成像的结果表明, g-C3N4/Bi2S3异质结材料具有更强的光热转换能力,从而有利于加速光生载流子分离.     

2D-2D CdS/Cu7S4层状异质结高效可见光光催化产氢（英文）

利用太阳能将水转化为清洁可持续的化学燃料是一种很有前途的策略.光催化水分解制氢技术是有效解决能源可持续发展和环境保护问题的重要技术.CdS由于具有较窄的带隙(2.4 eV)和合适的能带位置而被认为是最有潜力的光催化水产氢催化剂之一.然而,CdS强光的腐蚀性和快速的电子空穴复合导致光催化剂活性低、稳定性差,严重阻碍了CdS光催化剂的广泛应用.为了有效提高光催化产氢活性及稳定性,人们对CdS光催化剂进行了大量改性研究.其中,合理巧妙地加载助催化剂和构造纳米结构CdS被认为是两种极为重要的改性策略,两种策略的有效耦合可以更有效地利用太阳能,实现清洁氢燃料的生成.一方面,各种形貌的CdS光催化剂均已被开发,例如纳米线、纳米棒、纳米片和量子点等.然而,由于制备工艺复杂,在以往的报道中很少有超薄2D CdS纳米片用于光催化产氢.另一方面,由于贵金属(Ag,Pt,Au)的稀缺性和高成本阻碍了其修饰光催化剂的实际应用,所以利用非贵金属助催化剂(MoSx,CuS,Ni3C,WS2,NiS,MXene,CoxP和MoP)修饰CdS提高光催化产氢活性近年来备受关注.对于地球丰富的2D层状助催化剂Cu7S4而言,具有优异的光电催化产氢活性和简单制备方法,但是在光催化产氢领域的应用上未引起足够重视.因此,本文充分利用超薄CdS纳米片以及Cu7S4纳米片各自的独特优势,构建了独特的2D-2D层状异质结,实现了高效协同光催化产氢.我们首先以乙酸镉和硫脲为原料通过一步水热法合成了超薄2D CdS纳米片,并用静电自组装方法制备了CdS/Cu7S4.在可见光下进行了产氢测试,实验结果证实了优化的2D CdS/2%Cu7S4层状异质结在含有Na2S·9H2O和Na2SO3的水溶液中光催化析氢活性最高(27.8 mmol g^-1 h^-1),是原始CdS纳米片(2.6 mmol g^-1 h^-1)的10.69倍.经过4次连续循环反应,CdS/Cu7S4二元复合体系展现出良好的稳定性.为深入探讨高效产氢机制,对纳米级CdS复合材料的光催化物化性能及载流子分离机制进行了表征.通过X射线衍射确定了CdS和CdS/Cu7S4的晶体结构.用高分辨电子显微镜和X射线光电子能谱证实合成了CdS催化剂和Cu7S4助催化剂的超薄纳米片结构且成功复合.用紫外-可见漫反射光谱法对制备的纯CdS和CdS/Cu7S4复合样品的光吸收特性进行了表征.结果表明,在CdS上负载Cu7S4以后,可以明显观察到样品对可见光的吸收能力明显增强.对CdS/Cu7S4进行XPS测试分析,进一步证明了样品中S、Cd和Cu的化学成分和状态.利用PL发射光谱研究了CdS/Cu7S4光催化剂的电荷载流子复合和转移行为.进一步对纯CdS和CdS/Cu7S4复合光催化剂的瞬态光电流响应(I-t曲线)进行了研究,确定了光生载体的分离效率.阻抗是深入研究电荷载流子迁移和界面转移的最有力技术,利用阻抗技术证实CdS/Cu7S4界面高效的载流子分离性能.极化曲线结果表明,加入Cu7S4可以降低CdS的产氢过电势,因此加速表面产氢动力学.由此可见,本文所构建的2D-2D CdS/Cu7S4二元层状异质结可以同时实现光生电子空穴对的快速分离、电子的转移和增加光生电子在表面利用效率,从而最大幅度地提高其光催化水分解产氢活性.本文所采用基于CdS纳米片的2D-2D界面耦合策略可以作为一种通用策略扩展到各种传统半导体纳米片的改性,从而极大地推进高效光催化产氢材料的持续进步.     

Synthesis,properties and mechanism of photodegradation of core–shell structured upconversion luminescent NaYF4:Yb3+,Er3+@BiOCl

Microspherical bismuth oxychloride (BiOCl) can only utilize ultraviolet (UV) light to promote photocatalytic reactions. To overcome this limitation, a uniform and thin BiOCl nanosheet was synthesized with a particle size of about 200 nm. As results of UV–visible diffuse reflectance spectroscopy showed, the band gap of this nanostructure was reduced to 2.78 eV, indicating that the BiOCl nanosheet could absorb and utilize visible light. Furthermore, the upconversion material NaYF₄ doped with rare earth ions Yb³⁺ and Er³⁺ emitted visible light at 410 nm following excitation with near‐infrared (NIR) light (980 nm), which could be utilized by BiOCl to produce a photocatalytic reaction. To produce a high‐efficiency photocatalyst (NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺@BiOCl), BiOCl‐loaded NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺ was successfully synthesized via a simple two‐step hydrothermal method. The as‐synthesized material was confirmed using X‐ray diffraction, scanning electron microscopy, X‐ray photoelectron spectroscopy as well as other characterizations. The removal ratio of methylene blue by NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺@BiOCl was much higher than that of BiOCl alone. Recycling experiments verified the stability of NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺@BiOCl, which demonstrated excellent adsorption, strong visible‐light absorption and high electron–hole separation efficiency. Such properties are expected to be useful in practical applications, and a further understanding of the NIR‐light‐responsive photocatalytic mechanism of this new catalytic material would be conducive to improving its structural design and function.