钨掺杂BiVO4光阳极降解环丙沙星的表面态行为

采用简单浸渍的方法对BiVO₄光阳极进行表面钨(W)掺杂,以环丙沙星(CIP)为药品和个人护理产品(PPCPs)模型污染物,研究了W掺杂BiVO₄光阳极降解CIP的表面态行为。结果表明,低浓度W掺杂对BiVO₄光阳极的晶体结构、表面形貌和光吸收性能没有显著影响。但W掺杂取代了BiVO₄光阳极表面的V⁵⁺,能抑制BiVO₄光阳极表面V⁵⁺/V⁴⁺还原过程,减少复合中心表面态,同时引入更多氧空穴,增加活性位点表面态。CIP的降解反应受表面活性位点控制。表面W掺杂能有效促进CIP降解的电荷转移,提高BiVO₄光阳极光电催化降解性能。     

高匹配的BiVO4/WO3纳米碗异质结光阳极用于高效光电化学分解水(英文)

光电化学(PEC)分解水制氢,已成为将太阳能转化为绿色可持续氢能极具潜力的途径之一.目前,单斜相钒酸铋(BiVO₄)因其合适的带隙及能带位置、无毒且含量丰富等优点,被认为是理想的光阳极材料.然而, BiVO₄较低的载流子迁移率(4×10^-2 cm²V^-1s^-1和较短的空穴扩散长度(<100 nm),导致BiVO₄光阳极电子-空穴复合较严重,极大地限制了其性能.为克服上述缺陷,除减小BiVO₄纳米颗粒的粒径以匹配其较短的空穴扩散长度,使空穴能有效转移到其表面参与水氧化反应;或在其表面沉积一层薄的氧气释放反应助催化剂(OEC)层以增强水氧化反应动力学以外,还应关注如何进一步有效提升BiVO₄电荷分离效率.因此,在BiVO₄和氟掺杂的氧化锡(FTO)电极界面之间插入另一种半导体材料构筑异质结以促进BiVO₄电荷分离,进一步提升BiVO_4<...     

硫化钴装饰BiVO4光阳极提升其光电化学水分解性能

太阳能驱动的光电化学(PEC)水分解可以有效地将太阳能转化为化学能,作为解决环境排放和能源危机最具前景的途径之一,已经引起了科学界的广泛关注.PEC水分解系统由两个半反应组成:在光阳极上的析氧反应(OER)和光阴极上的析氢反应(HER).PEC系统的太阳能转化效率主要由光阳极/电解质界面的OER过程所决定,这是一个非常复杂且涉及质子偶联的多步四电子转移过程.钒酸铋(BiVO₄)是应用于PEC水分解的典型且具有实际应用前景的光阳极材料之一.然而,由于不良的表面电荷转移、电荷在光阳极/电解质结面处的表面复合以及缓慢的OER动力学等因素,导致BiVO₄的PEC性能受到严重限制.本文开发了一种新颖有效的解决方案,以低成本、高电导率和具有快速电荷转移能力的硫化钴装饰来提升BiVO₄光阳极的PEC活性,X射线多晶衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等表征,研究结果表明CoS成功装饰于BiVO₄表面.采用紫外-可见吸收光谱(UV-VisDRS)研究了BiVO₄和复合光阳极CoS/BiVO₄的光学性质,结果表明,与纯的BiVO₄相比,CoS/BiVO₄光阳极在可见光范围内光吸收能力有所增强.将制备的BiVO₄和CoS/BiVO₄光阳极应用于PEC分解水实验中,结果表明,相对于1.23 V可逆氢电极,在光照下,CoS/BiVO₄光阳极的光电流密度显著提升,可高达3.2 m Acm^-2,是纯BiVO₄的2.5倍以上.与纯BiVO₄相比,CoS/BiVO₄光阳极的起始氧化电位显示出负向偏移0.2 V,表明析氧过电势得到有效减小.入射光子转换效率(IPCE)测试结果表明,CoS/BiVO₄光阳极的入射光子转换效率在500 nm之前的可见光范围内得到明显提升,其中,CoS/BiVO₄的IPCE值在380 nm处达到最大.此外,由于CoS的装饰作用,CoS/BiVO₄光阳极的电荷注入效率和电荷分离效率均得到较大的提升,分别达到75.8%(相较于纯BiVO₄光阳极的36.7%)和79.8%(相较于纯BiVO₄光阳极的66.8%).电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明,通过CoS的装饰,CoS/BiVO₄光阳极的界面电荷转移电阻得到有效降低,证明其界面电荷转移动力学得到有效提升.光致发光光谱测试结果表明,CoS的装饰显著提高了BiVO₄的光生电子-空穴对的分离效率,进一步证明BiVO₄表面的CoS装饰在其PEC分解水中起着非常积极的作用.本文为通过表面修饰设计应用于PEC水分解的有效的光阳极提供了新思路.     

BiVO4/ZnFe2O4同型异质结光阳极的构筑及其光电催化分解水性能

光生电子-空穴对的复合被认为是限制BiVO₄材料光电催化转换效率的重要原因之一。基于此,通过简单的水热-煅烧方法构筑了BiVO₄/ZnFe₂O₄同型异质结光阳极,BiVO₄/ZnFe₂O₄复合光阳极在1.23 V(vs RHE)下的光电流密度为3.33 mA·cm^-2,较纯BiVO₄提升了2倍(1.20 mA·cm^-2)。相关的结构及性能测试表明,BiVO₄和ZnFe₂O₄形成了带隙错开的n-n异质结,使得光生载流子得到有效分离,更有效地参与水氧化过程,进而提高了BiVO₄的光电催化水分解性能。     

BiVO4/CuBi2O4薄膜光电极的制备及光电性能

通过金属有机物分解法(MOD)协同光电化学沉积法, 将p型氧化物半导体CuBi₂O₄沉积在BiVO₄纳米薄膜上, 形成包覆性异质结结构, 制备了一种新型p-n异质结光阳极n-BiVO₄/p-CuBi₂O₄, 用于太阳能光电化学(Photoelectrochemical, PEC)水分解. 研究结果表明, 在1.23 V(vs. RHE)电势下, BiVO₄/CuBi₂O₄ 异质结光阳极表现出优良的PEC水氧化性能, 光电流密度达到2.8 mA/cm², 负载磷酸钴(Co-Pi)的BiVO₄/CuBi₂O₄/Co-Pi光电极, 光电流密度达到4.45 mA/cm², 分别为BiVO₄电极光电流密度的3.1倍和4.9倍. X射线衍射(XRD)、 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、 电化学阻抗谱(EIS)和能级结构图等结果也证实, BiVO₄/CuBi₂O₄和BiVO₄/CuBi₂O₄/Co-Pi复合电极材料在内建电场和能带弯曲作用下, 光吸收特性增强, 载流子界面转移电阻减小, 具有良好的光电化学性能与稳定性.     

Cr负载V2O5-WO3/TiO2催化剂的低温NH3-SCR脱硝活性

采用浸渍法制备了一系列不同Cr负载量的CrO_x-V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂, 研究了Cr改性对该催化剂脱硝活性及抗硫性能的影响. 结果表明, Cr的引入使V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂的低温NO_x去除效果和抗硫性能显著提升. Cr的负载量为3%(以Cr₂O₃计算质量分数)时, 催化剂具有最佳的低温脱硝活性和N₂选择性. 结构表征结果表明, 改性催化剂中Cr元素主要以Cr³⁺形式存在, Cr的引入使催化剂的氧化性能明显提升, 并使表面弱酸位点、 强酸位点和催化剂表面吸附氧数量增多. XPS分析结果表明, Cr能使催化剂中V⁵⁺/V⁴⁺比例降低, 促进催化剂中自由电子的迁移. In situ DRIFTs表征结果显示, Cr的引入能促进NO与吸附在Brönsted酸位点上的NH₃在低温条件下反应, 从而使催化剂具有更好的低温脱硝活性. UV-Vis光谱分析结果表明, CrO_x负载量提高会显著增加高价态Cr的烧结聚集. 同时, 提出了一种选择性催化还原(SCR)反应中Cr-V协同催化的机理.     

丙烷氧化脱氢催化剂V2O5/MPO4(M=Al,Zr,Ca)的研究

制备了3种磷酸盐(MPO₄,M=Al,Zr,Ca)载体,并在其上负载0.6%～6.0%的V₂O_5.活性评价结果表明,负载型V₂O₅/MPO₄催化剂在丙烷氧化脱氢反应中具有良好的催化性能.丙烯选择性按V₂O₅/Ca₃(PO₄)₂>V₂O₅/Zr₃(PO₄)₄>V₂O₅/AlPO₄顺序降低,这与载体的碱性强弱顺序变化一致.载体的性质和钒的负载量影响催化剂的氧化还原性能.ESR结果表明,V⁴⁺离子能可逆存在于催化剂中,暗示V⁵⁺/V⁴⁺氧化还原偶参与了氧化还原反应.     

钾掺杂g-C3N4薄膜光阳极的制备及光电催化氧化降解水中双氯芬酸钠性能

兼具高光学质量和电化学性能的薄膜光电极难以制备, 限制了光电催化氧化技术在水处理中的的应用. 本文采用原位煅烧法制备了负载在氧化铟锡(ITO)玻璃上的石墨相氮化碳(g-C₃N₄)薄膜电极, 并通过掺杂K⁺提高其光电催化氧化性能; 对电极进行了表征, 研究了其光电催化氧化降解水中双氯芬酸钠(DCF)的效率及降解路径. 结果表明, 原位煅烧法能制备出高质量的K⁺/g-C₃N₄薄膜光电极, K⁺的掺杂并未明显改变电极上g-C₃N₄的晶型、 价态和多孔形貌, 但可以提高ITO玻璃上g-C₃N₄的负载量, 增强电极对可见光的响应; K⁺的最佳掺杂浓度为0.002 mol/L, K⁺/g-C₃N₄薄膜电极光电催化氧化降解DCF的速率常数是纯g-C₃N₄薄膜电极的1.86倍; 当初始pH值为4, 电压为1 V, 光源强度为0.96 W/cm², 反应2 h后水中DCF降解率达到70%. K⁺/g-C₃N₄薄膜电极光电催化氧化过程中, 光催化氧化和电化学氧化之间存在协同作用, 两者相互增强, 并提高了反应过程中光生 空穴(h⁺)和羟基自由基(·OH)浓度, 在这两种活性物质作用下, 水中DCF分别被h⁺氧化生成咔唑衍生物、 与·OH发生加成反应生成多羟基芳香化合物, 最后开环生成小分子物质.     

Cu、Mn、Ce改性V2O5-WO3/TiO2/堇青石催化剂Urea-SCR脱除NO

采用硅胶为黏结剂,在堇青石蜂窝陶瓷上以涂覆法依次负载Cu、Mn、Ce改性的纳米TiO₂粉末、W改性的V₂O₅粉末得到复合催化剂,在120～550 ℃用尿素选择性催化还原(Urea-SCR)氮氧化物时显示良好活性。与商业催化剂V₂O₅-WO₃/TiO₂相比,添加Cu、Mn、Ce后,催化剂脱硝活性显著提高,活性温度窗口明显拓宽。结果表明,催化剂的高活性与催化剂表面适度的酸碱性、高比值的V⁴⁺/V⁵⁺以及良好的氧化还原性能和锐钛矿相的TiO₂、丰富的表面裂纹的存在等因素有关。     

Keggin型钼钒磷杂多酸催化剂上丙烷选择氧化性能的研究

系统研究了不同数目V⁵⁺取代的钼钒磷杂多酸H_3+nPMo_12－nV_nO₄₀ (n＝0～4)催化剂上丙烷选择氧化反应性能. 通过BET, IR, TPR, 紫外-可见光谱等表征手段对催化剂的理化性质进行了考察, 并对催化剂的结构-性能关系进行了初步关联. 在杂多酸的一级结构中, V⁵⁺对Mo⁶⁺的取代不仅改变了杂多阴离子金属-氧桥的键强以及晶格氧的插入能力, 而且也相应地调变了样品的酸量. 催化剂活性随V⁵⁺取代数量的递增而增强; 适宜数量的V⁵⁺取代提高了含氧酸产物的选择性, 而过量的V⁵⁺取代则导致部分氧化产物的深度氧化. 考察了在Keggin型杂多酸二级结构上引入钒物种的影响, 也即将钒物种(VO)²⁺作为抗衡离子取代部分质子以调变催化剂的结构与性质. 实验表明, 处于一级结构和二级结构[(VO)²⁺抗衡离子]中的V在反应中均可离析出少量V₂O₅物种. 适宜量的(VO)²⁺物种以及离析出来的少量V₂O₅物种可能均对催化剂的性能有贡献. 显然, 钒在不同位置的价态变化以及形态的不同, 会导致催化性能的相应改变.     

Boosting the Photoactivity of BiVO4 Photoanodes by a ZnCoFe-LDH Thin Layer for Water Oxidation

Monoclinic bismuth vanadate (BiVO₄) has been used as an efficient photoanode material for photoelectrochemical water oxidation owing to its suitable band gap and nontoxicity. Nevertheless, the practical application of BiVO₄ photoanode has been severely limited by the surface charge recombination and sluggish kinetic, which leads to the obtained photoactivity of BiVO₄ is much lower than its theoretical value. In this case, ZnCoFe-LDH thin layer is conformally decorated on the porous BiVO₄ photoanode through a simple electrodeposition process. The results show that a boosted photoactivity and a remarkably enhanced photocurrent density (3.43 mA cm⁻² at 1.23 V_RHE) are attained for BiVO₄/ZnCoFe-LDH. In addition, the optimized BiVO₄/ZnCoFe-LDH photoanode exhibits significant negative shift in the onset potential (0.51 V_RHE to 0.21 V_RHE), promotes charge separation efficiency (49.3% to 60.4% in the bulk, 29.6% to 61.9% on the surface at 1.23 V_RHE) and enhanced IPCE efficiency (25.5% to 54.7% at 425 nm) compared with that of bare BiVO₄ photoanode. It is demonstrated that the boosted photoactivity of BiVO₄/ZnCoFe-LDH photoanode is mainly ascribed to the synergy effects of the formation of p-n heterojunction between ZnCoFe-LDH and BiVO₄ to accelerate the photogenerated charge transfer and separation, broaden light absorption, as well as promote the surface water oxidation kinetics.     

二元ZnCo-LDH助催化剂对BiVO4光电化学性能的促进

钒酸铋(BiVO_4)是最有前景的将太阳能转化为氢能(STH)的光阳极材料之一,但其本身严重的电子-空穴复合严重影响了其实用性。本文中,我们报道了用一步电沉积法将高效的二元ZnCo-LDH助催化剂沉积在钒酸铋(BiVO_4)光阳极上,大大提升了钒酸铋(Bi VO4)的光吸收能力,并且加速了水氧化反应动力学,显著促进了光生空穴向半导体表面的转移,减轻了表面电荷复合。BiVO_4/ZnCo-LDH光阳极在1.23 V(vs RHE)偏压下,0.5 mol·L-1磷酸钾(KPi)电解液中的光电流密度达到2.85 mA·cm~(-2),是纯BiVO_4的2.59倍,且起始电位(Von)从930 m V下降到270 m V。BiVO_4/ZnCo-LDH复合光阳极表现出65%的高表面电荷分离效率(1.23 V(vs RHE)),而纯BiVO_4的仅为30%。     

Bi/BiVO4&Bi4V2O11复合催化剂的制备及其光催化性能

经由溶剂热反应、光辅助还原过程制备Bi/Bi VO_4Bi_4V_2O_(11)纳米复合光催化材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、N_2吸附-脱附等温线和光致发光(PL)等手段对该复合物进行表征。实验结果表明当金属Bi与BiVO_4Bi_4V_2O_(11)的质量比值为0.8,可见光照射30 min时,Bi/BiVO_4Bi_4V_2O_(11)复合催化剂对罗丹明B(RhB)的降解率可达95.6%。此外,Bi/BiVO_4Bi_4V_2O_(11)对四环素(TC)的降解也表现出增强的光催化性能。Bi/BiVO_4Bi_4V_2O_(11)复合材料提升的光催化性能可能归因于金属Bi的表面等离子体共振(SPR)效应、拓宽的可见光吸收范围和增大的比表面积。此外,提出了复合光催化剂可能的光催化机理。     

BiVO4/ZnFe2O4同型异质结光阳极的构筑及其光电催化分解水性能

光生电子-空穴对的复合被认为是限制BiVO₄材料光电催化转换效率的重要原因之一。基于此,通过简单的水热-煅烧方法构筑了 BiVO₄/ZnFe₂O₄同型异质结光阳极,BiVO₄/ZnFe₂O₄复合光阳极在 1.23 V(vs RHE)下的光电流密度为 3.33 mA·cm^-2,较纯BiVO₄提升了2倍 (1.20 mA·cm^-2)。相关的结构及性能测试表明,BiVO₄和ZnFe₂O₄形成了带隙错开的n-n异质结,使得光生载流子得到有效分离,更有效地参与水氧化过程,进而提高了BiVO₄的光电催化水分解性能。     

Stable Cocatalyst-Free BiVO4 Photoanodes with Passivated Surface States for Photocorrosion Inhibition

Improving charge transport and reducing bulk/surface recombination can increase the activity and stability of BiVO₄ for water oxidation. Herein we demonstrate that the photoelectrochemical (PEC) performance of BiVO₄ can be significantly improved by potentiostatic photopolarization. The resulting cocatalyst-free BiVO₄ photoanode exhibited a record-high photocurrent of 4.60 mA cm⁻² at 1.23 V_RHE with an outstanding onset potential of 0.23 V_RHE in borate buffer without a sacrificial agent under AM 1.5G illumination. The most striking characteristic was a strong “self-healing” property of the photoanode, with photostability observed over 100 h under intermittent testing. The synergistic effects of the generated oxygen vacancies and the passivated surface states at the semiconductor–electrolyte interface as a result of potentiostatic photopolarization reduced the substantial carrier recombination and enhanced the water oxidation kinetics, further inhibiting photocorrosion.     

Photocatalytic Degradation of Palm Oil Mill Effluent (POME) Waste Using BiVO4 Based Catalysts

Disposal of palm oil mill effluent (POME), which is highly polluting from the palm oil industry, needs to be handled properly to minimize the harmful impact on the surrounding environment. Photocatalytic technology is one of the advanced technologies that can be developed due to its low operating costs, as well as being sustainable, renewable, and environmentally friendly. This paper reports on the photocatalytic degradation of palm oil mill effluent (POME) using a BiVO₄ photocatalyst under UV-visible light irradiation. BiVO₄ photocatalysts were synthesized via sol-gel method and their physical and chemical properties were characterized using several characterization tools including X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), surface area analysis using the BET method, Raman spectroscopy, electron paramagnetic resonance (EPR), and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy (UV-Vis DRS). The effect of calcination temperature on the properties and photocatalytic performance for POME degradation using BiVO₄ photocatalyst was also studied. XRD characterization data show a phase transformation of BiVO₄ from tetragonal to monoclinic phase at a temperature of 450 °C (BV-450). The defect site comprising of vanadium vacancy (V_v) was generated through calcination under air and maxima at the BV-450 sample and proposed as the origin of the highest reaction rate constant (k) of photocatalytic POME removal among various calcination temperature treatments with a k value of 1.04 × 10⁻³ min⁻¹. These findings provide design guidelines to develop efficient BiVO₄-based photocatalyst through defect engineering for potential scalable photocatalytic organic pollutant degradation.     

电解液成分、厚度及表面改性对旋涂法制备的BiVO4膜层光电化学性能的影响

采用旋涂法在FTO（SnO₂∶F）导电玻璃衬底上沉积得到BiVO₄多孔薄膜用以光解水,改变前驱体的浓度和旋涂次数以调控薄膜的厚度。研究了电解液成分、膜层厚度及表面改性等因素对刚经历过退火处理的BiVO₄薄膜光电化学（PEC）性能的影响。结果表明：通过在电解液中添加适量的空穴吞噬剂Na₂SO₃,或对表面进行Co-Pi改性均能有效改善BiVO₄薄膜的PEC活性。这些措施均能有效抑制固液界面处的载流子复合反应。经Co-Pi改性的BiVO₄薄膜在0.6 V（vs SCE）偏压下,0.1 mol·L^-1 Na₂SO₄+0.1 mol·L^-1 Na₂SO₃的电解液中展现出最高的光电流密度（4.3 mA·cm^-2）。此外,选用一个代表性BiVO₄薄膜作为光阳极制备了一个PEC生物传感器,在检测谷胱甘肽（GSH）上表现出比较高的灵敏度。本研究证实了BiVO₄薄膜的PEC性能严重依赖着光俘获效率和载流子输运过程。     

Insight into the Key Restriction of BiVO4 Photoanodes Prepared by Pyrolysis Method for Scalable Preparation

Bismuth Vanadate (BiVO₄) photoanode has been popularly investigated for promising solar water oxidation, but its intrinsic performance has been greatly retarded by the direct pyrolysis method. Here we insight the key restriction of BiVO₄ prepared by metal–organic decomposition (MOD) method. It is found that the evaporation of vanadium during the pyrolysis tends to cause a substantial phase impurity, and the unexpected few tetragonal phase inhibits the charge separation evidently. Consequently, suitably excessive vanadium precursor was adopted to eliminate the phase impurity, based on which the obtained intrinsic BiVO₄ photoanode could exhibit photocurrent density of 4.2 mA cm⁻² at 1.23 V_RHE under AM 1.5 G irradiation, as comparable to the one fabricated by the currently popular two-step electrodeposition method. Furthermore, the excellent performance can be maintained on the enlarged photoanode (25 cm²), demonstrating the advantage of MOD method in scalable preparation. Our work provides new insight and highlights the glorious future of MOD method for the design of scale-up efficient BiVO₄ photoanode.