Ag-NaTaO3-RGO复合物的合成及其改进的光催化制氢性能

以石墨粉,钽酸钠以及硝酸银为原料,通过三步合成法制备出一系列Ag-NaTaO₃-RGO复合材料。并对样品在紫外光照射下的光解水制氢活性进行了评价。结果表明：系列Ag-NaTaO₃-RGO复合材料均表现出较高的光解水制氢活性。其中,性能最优的0.2Ag-NaTaO₃-RGO的制氢速率分别是NaTaO₃,Ag-NaTaO₃,和NaTaO₃-RGO的5.64,1.97和1.48倍。对Ag-NaTaO₃-RGO复合材料光催化制氢性能改进的原因进行了探讨：（1）石墨烯具有优异的电子转移性能,能够有效阻止光生电子、空穴的复合。（2）银纳米颗粒充当电子陷阱,能够进一步提高电子空穴分离速率。（3）石墨烯的引入增强了复合物的光吸收性能。最后,根据所得实验数据,给出了Ag-NaTaO₃-RGO复合材料光催化制氢的反应机理。     

Ag-NaTaO3-RGO复合物的合成及其改进的光催化制氢性能

以石墨粉,钽酸钠以及硝酸银为原料,通过三步合成法制备出一系列Ag-NaTaO₃-RGO复合材料。并对样品在紫外光照射下的光解水制氢活性进行了评价。结果表明：系列Ag-NaTaO₃-RGO复合材料均表现出较高的光解水制氢活性。其中,性能最优的0.2Ag-NaTaO₃-RGO的制氢速率分别是NaTaO₃,Ag-NaTaO₃,和NaTaO₃-RGO的5.64,1.97和1.48倍。对Ag-NaTaO₃-RGO复合材料光催化制氢性能改进的原因进行了探讨：（1）石墨烯具有优异的电子转移性能,能够有效阻止光生电子、空穴的复合。（2）银纳米颗粒充当电子陷阱,能够进一步提高电子空穴分离速率。（3）石墨烯的引入增强了复合物的光吸收性能。最后,根据所得实验数据,给出了Ag-NaTaO₃-RGO复合材料光催化制氢的反应机理。     

石墨烯助剂与Ni(Ⅱ)活性位点协同增强TiO_2制氢性能

采用水热法和低温浸渍法制备了电子助剂还原石墨烯(rGO)和界面活性位点Ni(Ⅱ)共修饰的高效TiO_2光催化剂(简称Ni(Ⅱ)/TiO_2-rGO)。制氢性能测试结果表明:相比于TiO_2和单独还原石墨烯复合的TiO_2,经还原石墨烯与Ni(Ⅱ)协同修饰后的TiO_2表现出更高的光催化制氢性能。其中,Ni(Ⅱ)/TiO_2-rGO(0.1 mol·L-1)具有最高制氢性能,制氢速率达到77.0μmol·h-1,分别是TiO_2(16.4μmol·h-1)和TiO_2-rGO(28.0μmol·h-1)的4.70倍和2.75倍。还原石墨烯助剂与Ni(Ⅱ)活性位点协同增强制氢性能的原理是:还原石墨烯作为电子助剂可以快速捕获和传输电子,Ni(Ⅱ)作为界面活性位点可以从溶液中捕获H+,提高界面反应速率,2种助剂协同作用加快了TiO_2上的光生电子-空穴对的有效分离。     

微观形貌可控TiO2的制备及其光解水产氢性能

通过简单的沉淀、水热、溶剂热和溶胶凝胶法分别制备出实心球(s-TiO_2)、空心球(h-TiO_2)、纳米管(a-TNT)和介孔形状(mTiO_2)的锐钛矿晶型结构TiO_2光催化材料。采用HRTEM、FESEM、XRD、UV-Vis、N2吸-脱附和光解水制氢反应等对催化材料的微观表面结构、光吸收性能以及不同形貌光催化剂的光解水制氢的性能对比研究。结果表明:s-TiO_2具有最高的光催化活性,主要归功于s-TiO_2独特的微观形貌结构所致,s-TiO_2是由亚微晶颗粒组成的介孔状实心球,亚微晶粒径相比较其它形貌的材料要小,有利于光生载流子的迁移,抑制电子-空穴对的体相复合,导致活性提高。同时,晶化过程用于传质通道的无序微孔可以束缚用作牺牲剂的CH3OH分子,使得空穴快速被牺牲剂消耗,减少与电子复合。     

有序介孔三氧化二铟/还原氧化石墨烯纳米复合材料的制备及可见光催化性能

以有序介孔三氧化二铟(m-In2O3)和还原氧化石墨烯(RGO)为原料,采用紫外光照射法合成了介孔三氧化二铟/还原氧化石墨烯(m-In2O3-RGO)复合光催化剂.利用N2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、漫反射吸收光谱(DRS)和光电流测试等手段对样品进行表征.在可见光照射下,以对氯苯酚(4-CP)为目标污染物,考察了m-In2O3-RGO光催化剂的催化性能.结果表明,m-In2O3-RGO光催化剂具有完整的晶型和规则的孔道结构,有利于光生电子和空穴的分离.同时,作为固态电子受体与传输体的RGO促进了光生电子-空穴对的传输和分离,有效提高了可见光催化性能.掺杂2%(质量分数)RGO的复合光催化剂性能最佳,4 h可将4-CP降解96%以上,催化剂经多次循环使用后,其光催化活性基本保持不变.     

Pt-M(M=Co,Ni,Fe)/g-C_3N_4复合材料构建及其高效光解水制氢性能（英文）

铂(Pt)是公认的优秀助催化剂:一方面,Pt能抑制光催化过程中光生载流子的复合;另一方面,Pt能降低光解水制氢反应过电势。尽管如此,高昂的价格和极低的丰度限制了Pt在光解水制氢中的应用。Pt基过渡金属合金在多种催化反应中呈现出卓越的催化性能,是潜在的助催化材料。在本工作中,我们利用Co、Ni、Fe等过渡金属部分取代贵金属Pt,并以乙二醇为还原剂,通过原位还原H_2PtCl_6和过渡金属盐制备了Pt-M/g-C_3N4_ (M=Co, Ni, Fe)复合材料。在可见光照射下,1%(w) Pt_(2.5)M/g-C_3N_4 (M=Co, Ni, Fe)均表现出比同样条件下Pt负载的复合材料更高或者相当的光解水制氢性能。其次,我们通过调节Pt/Co的原子比例以及Pt-Co合金的负载量进一步优化了光催化性能。结果显示:1%(w) Pt_(2.5)_Co/g-C_3N_4复合材料表现出最高的光解水制氢性能,是同样条件下Pt负载的1.6倍。电化学阻抗谱(EIS)和光致发光光谱(PL)表明光催化性能的提升得益于电子从g-C_3N_4向Pt_(2.5)Co的有效传输以及光生载流子复合被有效抑制。这一工作显示Pt基过渡金属合金在高效光解水制氢中具有潜在的应用前景,对于开发低成本、高效助催化剂具有一定的指导意义。     

TiO2/石墨烯复合材料的合成及光催化分解水产氢活性

利用石墨粉根据Hummers氧化法制得氧化石墨,并进一步还原得到石墨烯。采用溶胶-凝胶法以钛酸四丁酯和石墨烯为起始材料制备了二氧化钛(TiO₂)和石墨烯的复合光催化材料。研究了该复合材料在紫外-可见光以及可见光条件下的光催化分解水制氢活性。结果表明,紫外-可见光照射下,TiO₂/石墨烯复合光催化材料的光催化分解水产氢速率为8.6 μmol·h^-1,远大于同条件下商业P25的产氢速率 (4.5 μmol·h^-1),光解水产氢活性提高了近2倍;可见光下光照3 h,TiO₂/石墨烯复合材料的光催化分解水产氢量约为0.2 μmol。     

RGO/C_3N_4复合材料的制备及可见光催化性能

通过半封闭一步热裂解法和改进的Hummers法分别制备了类石墨氮化碳(C3N4)和氧化石墨烯(GO),再利用光还原方法制得还原氧化石墨烯/氮化碳(RGO/C3N4)复合材料。采用X射线衍射(XRD),场发射扫描电镜(FESEM),X射线光电子能谱(XPS),紫外-可见漫反射吸收光谱(DRS),光致荧光(PL)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等测试技术对复合材料进行表征。以罗丹明B(RhB)为探针分子在可见光下考察RGO/C3N4复合材料的光催化活性,结果表明:RGO的引入显著提高了C3N4的光催化活性,且6.0%RGO/C3N4复合物的光催化活性最高,可能的原因是RGO具有优良的接受和传导电子性能,抑制了C3N4光生电子-空穴的复合机率,进而提高了光催化活性。     

表面缺陷与钯的沉积对硫化镉纳米晶粒的光催化制氢性能的影响（英文）

近年来,光解水制氢的发展引起了人们的高度关注。CdS是一种具有可见光响应的很有潜力光催化剂,但由于光生电子/空穴对的快速复合和表面上的析氢反应速率低,所以它仅表现出有限的光解水制氢活性。对CdS表面结构和性能的影响的研究仍然非常有限。在本工作中,我们制备了三种具有不同形貌的CdS纳米晶体(长棒状,短棒状和三角片状)用于光解水制氢。随着纵横比的增加,非极性表面暴露面积增大,表面缺陷程度也随之增加,而表面缺陷可以捕获光生电子/空穴,从而降低其复合机会。我们发现氢的生产率可能与表面缺陷的程度有关。另外,这些缺陷可以用来固定Pd粒子形成异质结结构,有利于光生电荷的分离。在1%(w,质量分数) Pd的协助下,所有CdS催化剂的氢气产率都大大提高。值得注意的是,sr-CdS/Pd的制氢产率达到了7884μmol·h~(-1)·g~(-1),与文献报道的最高值相当。希望本文能够为了解晶体结构和性能对光催化的影响提供认识。     

CdS/石墨烯复合材料的制备及其可见光催化分解水产氢性能

以氧化石墨烯和CdS为原料, 在乙醇水溶液中采用CdS光催化还原法制备了CdS/石墨烯复合光催化材料, 并用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)和瞬态光电流等技术对复合材料的结构和光电性能进行了表征. 可见光照射下(λ≥420 nm), 研究了该复合材料光催化分解水产氢的性能. 结果表明, 可见光照射下CdS的光生电子可有效地还原氧化石墨烯, 得到CdS与石墨烯之间具有强相互作用力的CdS/石墨烯复合材料. 与CdS相比, 复合材料中石墨烯作为良好的电子受体和传递介质, 可明显加快CdS光生电子的迁移速率, 提高光生载流子的分离效率, 从而增强复合材料的光电性能和光催化分解水产氢的活性.     

具有增强可见光催化活性的Co掺杂Sn_3O_4纳米光催化剂

本文通过简单的一步水热法将非贵金属Co掺杂在Sn_3O_4纳米片的晶格中合成了Co-Sn_3O_4纳米光催化剂,并以可见光光催化分解水制氢评价了其光催化性能.研究表明,Co-Sn_3O_4纳米材料表现出优异的光催化制氢性能(114.5μmol·h~(-1)·g~(-1)),约是纯Sn_3O_4的15.2倍.增强的性能主要归因于掺杂的Co可以充当生长结晶导向剂提高了材料的结晶度,并通过透镜电镜(TEM),X射线衍射(XRD)和拉曼谱表征得到证实;通过掺杂,在Sn_3O_4中引入缺陷位点,有利于电子/空穴对的分离,从而能够生成更多的活性氧自由基参与光催化反应.     

纳米异质结光催化剂制氢研究进展（英文）

随着世界经济的迅猛发展,人们生活水平飞速提高的同时,能源短缺和环境污染成为当前人类可持续发展过程中的两大严峻问题.氢作为一种能源载体,能量密度高,可储可运,且燃烧后唯一产物是水,不污染环境,被认为是今后理想的无污染可再生替代能源.20世纪60年代末,日本学者Fujishima和Honda发现光照n-型半导体TiO_2电极可导致水分解,使人们认识到了利用半导体光催化分解水制氢可直接将太阳能转化为氢能的可行性,利用半导体光催化分解水制氢逐渐成为能源领域的研究热点之一.然而,单相光催化材料的光生电子和空穴复合仍然严重,光催化制氢效率低,无法满足实际生产需要;另外,单相光催化材料不能同时具备较窄的禁带、较负的导带和较正的价带.近年来,国内外学者在新型光催化材料的探索、合成和改性以及光催化理论等领域开展了大量研究工作.不断有不同种类的半导体材料被研究和发展为光催化分解水制氢催化材料.例如,具有可见光催化活性的阴、阳离子掺杂TiO_2,具有可见光下光解纯水能力的In_(0.9)Ni_(0.1)TaO_4,在256 nm紫外光辐照下量子效率达到56%的镧掺杂NaTaO_3,CdS以及(AgIn)_xZn_(2(1-x))S_2等.在现有的光催化材料中,单相光催化材料可以通过掺杂、形貌控制合成、晶面控制合成、染料敏化和表面修饰等提高其光催化活性.复合型光催化材料则能通过组合不同电子结构的半导体材料并调控其光生载流子迁移获得优异的光催化制氢性能,大幅拓展了光催化制氢材料的研究范围和提升了光催化制氢性能.构建异质结能够有效提高光生电子-空穴分离效率,促使更多的光生电子参与光催化制氢反应,提高其氧化还原能力,从而提高其光催化制氢效率.在I-型纳米异质结中,半导体A的价带高于半导体B,而导带则是前者高于后者,光照时,光生电子-空穴对的迁移速率是不同的,延长了光生电子的寿命,从而提高了材料的光催化活性.但是在I-型异质结中,电子和空穴都集中在B半导体上,这样光生电子-空穴对的复合几率仍然很高.II-型异质结中电子和空穴的富集处各不相同,因此使用范围也更广泛一些.光辐照激发时,光生电子从半导体B的导带迁移到半导体A的导带上,而空穴则从半导体A的价带向半导体B的价带上转移,从而形成了载流子的空间隔离,有效抑制其复合.但是,在这个类型的异质结中,光生电子转移到了相对位置较低的导带,而空穴则转移到相对位置较高的价带,这样就降低了光生电子的还原能力和空穴的氧化能力.pn型异质结中,在两种半导体相互接触时,由于电子-空穴对的扩散作用,两种半导体的能带发生漂移,其中p型上移,n型下移.而且在两种半导体异质结的界面处会产生空间电荷层,在这个电荷层的作用下,在异质结界面上形成内建电场.在合适波长的光源辐照的条件下,两种半导体同时被激发,光生电子在内建电场的作用下,从p型半导体快速迁移到n型半导体上,而n型半导体中留在价带上的空穴则快速迁移到p型半导体上,这样光生电子-空穴对就得到了有效的分离.在以Z型载流子迁移为主导的异质结构材料中摈弃了中间媒介,通过控制界面的载流子迁移使低能量的光生电子与空穴直接复合保留高能量的光生电子-空穴,从而提高了材料的光催化效率.本文介绍了纳米异质结光催化剂在设计合成方面的研究进展,总结了几种纳米异质结(I-型、II-型、pn-型及Z-型)的光催化原理及其在制取氢气方面的研究进展,并展望了研究发展方向.期望本文能够加深研究者对该领域的理解,为今后高效光催化材料的设计提供帮助和指导.     

TiO2/石墨烯复合材料的光生电荷分离调控与光催化产氢性能研究

半导体光生电荷分离是光催化过程中的关键步骤之一,其效率极大地影响了最终光催化性能.将TiO₂纳米片与石墨烯复合,能够促进TiO₂中光生电子和空穴的分离,从而提高其光催化活性.为了研究光生电荷的分离对TiO₂/石墨烯复合材料光催化性能的影响,通过调控TiO₂纳米片的尺寸来调节TiO₂/石墨烯复合材料中光生电荷分离的能力,然后研究其对TiO₂/石墨烯复合材料光催化性能的影响.合成了一系列不同厚度的TiO₂纳米片,将其与石墨烯复合,并通过光沉积负载Pt纳米颗粒作为助催化剂,用于光催化产氢.实验结果显示,随着TiO₂纳米片厚度减小,其与石墨烯形成的复合结构的光催化性能显著提高.这主要是由于TiO₂纳米片厚度减小时,光生电子沿厚度方向穿过TiO₂纳米片迁移到石墨烯的距离缩短,从而减少了光生电子在迁移过程中与空穴的复合;同时TiO₂纳米片厚度减小使其比表面积增大,使得TiO₂/石墨烯界面面积增大,从而使石墨烯更好地分离出TiO₂中的光生电子,有更多的光生电子到达石墨烯参与催化反应,提高TiO₂/石墨烯复合材料的光催化性能.此研究表明通过控制TiO₂纳米片的尺寸来调控TiO₂/石墨烯复合材料中光生电子和空穴的分离,是显著提高其光催化性能的有效途径.     

石墨烯/电气石/二氧化钛复合材料的制备及其光催化降解异丙醇性能

光催化是一种理想的应对全球能源短缺和环境污染问题的绿色化学技术,可以实现有机物降解、水分解和二氧化碳光还原等.光催化反应效率受诸多因素影响,其中光生载流子(电子和空穴)的分离和传输具有至关重要的作用.以往研究表明,构筑多元复合光催化材料体系有利于光生电子和空穴有效分离和传递,促进催化剂表面的还原和氧化反应,从而提高其光催化效率.基于以上考虑,我们提出了一种新型的石墨烯/电气石/TiO2三元复合光催化材料体系,其中TiO2因其价格低廉、无毒和抗光腐蚀等优点而被广泛用作光催化材料;石墨烯(G)拥有独特的二维结构、高的电子迁移率、大的比表面积,是一种优异的催化剂载体;电气石(T)的一个重要性质是表面存在自发极化的静电场,该静电场将会影响光激发载流子的分离、传递和光催化反应过程.利用水热法合成了不同成分的石墨烯/电气石/TiO2三元复合材料体系.为了对比研究石墨烯表面电荷性质的影响,其中一组的石墨烯(氧化石墨)为直接采用改良的Hummers法所制备,其表面带负电;另一组的石墨烯经聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰,使其表面带正电.X射线衍射结果显示,三元复合材料中TiO2为锐钛矿相,其结晶性没有因为与石墨烯和电气石的复合而受到影响.扫描和透射电子显微分析表明,TiO2的平均颗粒大小为15 nm左右,并且与石墨烯和电气石均匀复合.傅里叶变换红外光谱和zeta电位表征分析证实,PDDA可以有效地对石墨烯进行功能化改性,使其表面带正电.紫外-可见分光光谱显示,石墨烯/电气石/TiO2三元复合材料与TiO2的吸收带边一致,复合材料中石墨烯和电气石并没有改变TiO2的光吸收特征.光催化降解异丙醇实验表明,石墨烯/电气石/TiO2三元复合材料优于单纯的TiO2、石墨烯/TiO2以及电气石/TiO2二元复合材料,当石墨烯和电气石的质量百分比分别为0.5%和5%时,三元复合材料降解异丙醇产生丙酮的速率达到最高(223μmol/h).特别值得指出的是,由表面带负电的石墨烯组成的复合材料比由带正电荷的PDDA-石墨烯组成的复合材料具有更高的光催化性能,原因如下:在水溶液中显示正zeta电位值的TiO2与带负电的石墨烯/电气石复合物静电吸引而均匀紧密复合,有利于TiO2中光生电子和空穴的快速分离和传递,从而使得石墨烯/电气石/TiO2三元复合材料具有较高的光催化性能;而带正电的PDDA-石墨烯/电气石复合物和TiO2颗粒相互排斥而不宜复合,导致PDDA-石墨烯基复合材料的光催化活性降低.机理研究揭示,在三元复合材料光催化降解异丙醇的反应中起主要作用的是光生电子和空穴.基于以上研究结果,我们提出了三元复合材料光催化降解异丙醇的反应机理.     

石墨烯/电气石/二氧化钛复合材料的制备及其光催化降解异丙醇性能（英文）

光催化是一种理想的应对全球能源短缺和环境污染问题的绿色化学技术,可以实现有机物降解、水分解和二氧化碳光还原等.光催化反应效率受诸多因素影响,其中光生载流子(电子和空穴)的分离和传输具有至关重要的作用.以往研究表明,构筑多元复合光催化材料体系有利于光生电子和空穴有效分离和传递,促进催化剂表面的还原和氧化反应,从而提高其光催化效率.基于以上考虑,我们提出了一种新型的石墨烯/电气石/TiO_2三元复合光催化材料体系,其中TiO_2因其价格低廉、无毒和抗光腐蚀等优点而被广泛用作光催化材料;石墨烯(G)拥有独特的二维结构、高的电子迁移率、大的比表面积,是一种优异的催化剂载体;电气石(T)的一个重要性质是表面存在自发极化的静电场,该静电场将会影响光激发载流子的分离、传递和光催化反应过程.利用水热法合成了不同成分的石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料体系.为了对比研究石墨烯表面电荷性质的影响,其中一组的石墨烯(氧化石墨)为直接采用改良的Hummers法所制备,其表面带负电;另一组的石墨烯经聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰,使其表面带正电.X射线衍射结果显示,三元复合材料中TiO_2为锐钛矿相,其结晶性没有因为与石墨烯和电气石的复合而受到影响.扫描和透射电子显微分析表明,TiO_2的平均颗粒大小为15 nm左右,并且与石墨烯和电气石均匀复合.傅里叶变换红外光谱和zeta电位表征分析证实,PDDA可以有效地对石墨烯进行功能化改性,使其表面带正电.紫外-可见分光光谱显示,石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料与TiO_2的吸收带边一致,复合材料中石墨烯和电气石并没有改变TiO_2的光吸收特征.光催化降解异丙醇实验表明,石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料优于单纯的TiO_2、石墨烯/TiO_2以及电气石/TiO_2二元复合材料,当石墨烯和电气石的质量百分比分别为0.5%和5%时,三元复合材料降解异丙醇产生丙酮的速率达到最高(223μmol/h).特别值得指出的是,由表面带负电的石墨烯组成的复合材料比由带正电荷的PDDA-石墨烯组成的复合材料具有更高的光催化性能,原因如下:在水溶液中显示正zeta电位值的TiO_2与带负电的石墨烯/电气石复合物静电吸引而均匀紧密复合,有利于TiO 2中光生电子和空穴的快速分离和传递,从而使得石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料具有较高的光催化性能;而带正电的PDDA-石墨烯/电气石复合物和TiO_2颗粒相互排斥而不宜复合,导致PDDA-石墨烯基复合材料的光催化活性降低.机理研究揭示,在三元复合材料光催化降解异丙醇的反应中起主要作用的是光生电子和空穴.基于以上研究结果,我们提出了三元复合材料光催化降解异丙醇的反应机理.     

石墨烯助剂与Ni(Ⅱ)活性位点协同增强TiO2制氢性能

采用水热法和低温浸渍法制备了电子助剂还原石墨烯(rGO)和界面活性位点Ni(Ⅱ)共修饰的高效TiO₂光催化剂(简称Ni(Ⅱ)/TiO₂-rGO)。制氢性能测试结果表明：相比于TiO₂和单独还原石墨烯复合的TiO₂,经还原石墨烯与Ni(Ⅱ)协同修饰后的TiO₂表现出更高的光催化制氢性能。其中,Ni(Ⅱ)/TiO₂-rGO(0.1 mol·L^-1)具有最高制氢性能,制氢速率达到77.0 μmol·h^-1,分别是TiO₂(16.4 μmol·h^-1)和TiO₂-rGO(28.0 μmol·h^-1)的4.70倍和2.75倍。还原石墨烯助剂与Ni(Ⅱ)活性位点协同增强制氢性能的原理是：还原石墨烯作为电子助剂可以快速捕获和传输电子,Ni(Ⅱ)作为界面活性位点可以从溶液中捕获H⁺,提高界面反应速率,2种助剂协同作用加快了TiO₂上的光生电子-空穴对的有效分离。     

异腈氮杂配铜配合物的合成及光解水制氢性能

设计、合成了供电子性能的异腈二齿配体,可与铜(Ⅰ)和1,10-菲咯啉衍生物发生反应,形成一类异腈氮杂配铜光敏剂4a~4h,并在光解水制氢体系研究了其光催化活性。实验结果表明,2,2′-二异腈基二苯硫醚与2,9位具有取代基的菲咯啉形成的杂配铜配合物具有一定的光敏活性,光解水制氢TON达168。结合这类配合物的光物理性能和光电性能研究,对这类配合物作为光敏剂的构效关系及其内在机理进行了初步地解释与探讨。     

π-π作用下的VOPc/g-C3N4用于有效提升可见光光催化制氢性能

近年来,随着全球科学技术的进步和工业的不断发展,人们的经济生活水平有了极大的提高,但同时也造成能源短缺和环境污染问题,成为21世纪制约经济和社会进一步发展的严重瓶颈,因此开发和研究环保和可再生的绿色能源技术是一项紧迫任务.自首次报道用二氧化钛为电极、采用光电化学分解水制氢之后,光催化分解水制氢引起了人们极大的兴趣,并被认为是缓解全球能源问题的最有希望的解决方案之一.其中,实现有效的太阳能制氢生产中最关键因素是设计稳定、高效和经济的光催化剂,并且能够利用可见光区进行工作(入射到地球上46%的太阳光谱是可见光).聚合物石墨相氮化物(g-C_3N_4)作为一种对可见光响应的新型无机非金属半导体光催化剂,被认为是一种"可持续"有机半导体材料,目前已并被广泛应用于各种光催化反应中.但是由于其光生电子-空穴在动力学上具有相对较大的复合速率,单纯g-C_3N_4的光催化活性远远达不到人们的要求.因此,应该尽可能的提高电荷转移动力学来抑制g-C_3N_4中光生电荷的复合,从而提高光生电荷从g-C_3N_4转移至反应位点的迁移速率.在前期研究的基础上,本文利用钒氧酞菁(VOPc)分子通过p-p相互作用以修饰g-C_3N_4的表面和电子结构,从而提高其光生电子-空穴的分离效率,最终极大提升其可见光光催化制氢性能.本文采用紫外可见光谱(UV-vis),高分辨透射电镜(HRTEM),傅里叶变换红外光谱(FT-IR), X-射线能谱(XPS),稳态光致发光光谱(PL),时间分辨光致发光光谱(TRPL),光电流和阻抗等一系列表征手段研究了VOPc/g-C_3N_4(VOPc/CN)复合催化剂的结构和性质.FT-IR, XPS及mapping等结果表明, VOPc分子已经成功引入到g-C_3N_4表面且未对其晶相、电子结构及其纳米片结构产生显著影响;UV-vis结果显示, VOPc分子成功引入并通过非共价键的p-p作用连接.总之,引入VOPc分子即拓展了催化剂对可见光的响应区域,又有利于光生载流子的传递和光生电子-空穴对的有效分离.当引入4wt%的VOPc分子时, VOPc/CN复合光催化剂的产氢速率增加至65.52μmolh-1, 420 nm处的量子效率高达6.29%,是单纯g-C_3N_4的6倍.此外,该催化剂在可见光下连续照射反应20 h后,其光催化活性几乎没有降低,表现出良好的光化学稳定性.由于两者LUMO和HOMO轨道之间的良好匹配,在光催化过程中光生电子-空穴在VOPc和g-C_3N_4之间实现了空间分离,有效阻止了光生电子-空穴对的复合,因而g-C_3N_4光催化制氢性能显著提升.同时对比了利用NiS和Ni Px做助剂的g-C_3N_4的可见光光催化制氢性能.结果显示, VOPc/CN复合光催化剂具有较好的光催化性能.总之,本文通过一种简单、经济、有效的方法将两种新兴的功能材料有机地复合在一起,用于可见光照射下高效光催化制氢,为以后合理地开发用于太阳能转换的更为高效经济的材料提供了一个新的思路.     

非贵金属助催化剂Ni3N修饰g-C3N4用于可见光催化产氢的研究

近年来,利用太阳光光解水制氢被认为是解决当前能源短缺和环境污染问题的重要途径之一.众所周知,助催化剂可以有效的降低光催化产氢反应的活化能,提供产氢反应的活性位点,有效的促进催化剂中光生载流子的传输与分离,从而提高光催化剂产氢体系的反应活性和稳定性.然而,鉴于贵金属助催化剂(Pt, Au和Pd等)储量低、成本高,极大地制约了其应用.因而,开发出适用于光催化水分解制氢的非贵金属助催化剂尤为重要.石墨相氮化碳(g-C_3N_4)因其具有热稳定性、化学稳定性高以及制备成本低廉等优点,成为光催化领域研究的热点.然而,由于g-C_3N_4的禁带宽度(Eg=2.7 eV)较宽,致使其对可见光的响应能力较弱,并且在光催化反应过程中其光生电子-空穴对易复合,从而导致其光催化产氢活性较低.因此,如何开发出含非贵金属助催化剂的g-C_3N_4高效、稳定的太阳光催化分解水制氢体系引起了人们极大的关注.本文通过水热法-高温氨化法首次将非贵金属Ni_3N作为助催化剂来修饰g-C_3N_4,增强其可见光光催化性能(l420 nm).采用XRD、SEM、EDS、Mapping、UV-Vis、XPS和TEM等手段对Ni_3N/g-C_3N_4光催化体系进行了表征.结果表明, Ni_3N纳米颗粒成功的负载到g-C_3N_4表面且没有改变g-C_3N_4的层状结构.此外,采用荧光光谱分析(PL)、阻抗测试(EIS)和光电流谱进行表征,结果显示, Ni_3N纳米颗粒可有效促进催化剂中光生载流子的传输与分离,抑制电子-空穴对的复合.同时,将功率为300 W且装有紫外滤光片(λ420 nm)的氙灯作为可见光光源进行光催化产氢实验结果表明,引入了一定量的Ni_3N可以极大提高g-C_3N_4的光催化活性,其中, Ni_3N/g-C_3N_4#3的产氢量为～305.4μmol·h-1·g-1,大约是单体g-C_3N_4的3倍.此外,在450nm单色光照射下, Ni_3N/g-C_3N_4光催化产氢体系的量子效率能达到～0.45%,表明Ni_3N/g-C_3N_4具有将入射电子转化为氢气的能力.循环产氢实验表明, Ni_3N/g-C_3N_4在光催化产氢过程中有着较好的产氢活性和稳定性.最后,阐述了Ni_3N/g-C_3N_4体系的光催化产氢反应机理.本文采用的原料价格低廉,性能优异,制备简单,所制材料在光催化制氢领域展现出重要前景.     

NiS_2助剂修饰g-C_3N_4光催化剂的简易合成及光催化制氢性能增强研究（英文）

g-C_3N_4是一种新型的稳定的半导体光催化材料,它可以通过热缩聚法、固相反应法、电化学沉积法和溶剂热法等制备.g-C_3N_4禁带宽度约为2.7 eV,吸收边在460 nm左右,具有合适的导带位置,可用作可见光响应制氢的光催化材料,但在实际应用中g-C_3N_4光催化性能较低,其原因可归纳为:(1)g-C_3N_4在吸收光子产生电子和空穴对后,光生载流子的传输速率较慢,容易在体相或表面复合,致使g-C_3N_4的量子效率较低;(2)材料在合成过程中易于结块,使g-C_3N_4的比表面积远小于理论值,严重削弱了g-C_3N_4光催化材料的制氢性能.目前已有很多关于g-C_3N_4改性的报道,但一些方法对材料的处理过程耗时较长或者合成过程较难控制.用助剂改性是提高光催化制氢活性的半导体材料的主要策略之一.合适的助剂可改进电荷分离和加速表面催化反应,从而提高光催化剂的制氢活性.虽然稀有金属或贵金属,如铂、金和银可大大提高g-C_3N_4的制氢速率,但由于其昂贵和稀缺性,因而应用严重受限.因此,开发成本低、储量丰富、高性能助剂来进一步提高制氢性能具有重要意义.NiS_2来源丰富、价格低廉.它可在酸性和碱性的环境保持相对较高的稳定性,且其表面电子结构表现出类金属特性.但它较难与半导体光催化剂形成强耦合和界面,通常需要水热等条件下合成.实验表明,g-C_3N_4表面存在着大量的含氧官能团及未缩合的氨基基团,为表面接枝提供了丰富的反应活性位点,因而可利用g-C_3N_4表面均匀分布的含氧官能团等和Ni~(2+)结合,再原位与S~(2-)反应,从而在g-C_3N_4上负载耦合紧密的NiS_2助剂,进一步提高复合材料的光催化制氢活性.本文采用低温浸渍法制备了NiS_2/g-C_3N_4光催化剂.NiS_2助剂在温和的反应条件下与g-C_3N_4光催化剂复合,可以防止催化剂结构的破坏,同时使得助剂均匀地分散,并紧密结合在催化剂表面,从而大大提高光催化剂的制氢性能.该样品制备过程为:(1)通过水热处理制备含氧官能团和较大比表面积的g-C_3N_4;(2)添加Ni(NO_3)_2前驱体后,Ni~(2+)离子由于静电作用紧密吸附在g-C_3N_4表面;(3)在80℃加入硫代乙酰胺(TAA),可在g-C_3N_4的表面紧密和均匀形成助剂NiS_2.表征结果证实成功制备NiS_2纳米粒子修饰的g-C_3N_4光催化剂.当Ni含量为3 wt%,样品表现出最大的制氢速率(116μmol h~(-1)g~(-1)),明显高于纯g-C_3N_4.此外,对NiS_2/g-C_3N_4(3 wt%)的样品进行光催化性能的循环测试结果表明:该样品在可见光照射下可以保持一个稳定的、有效的光催化制氢性能.根据实验结果,我们提出一个可能的光催化机理:即NiS_2促进了物质表面快速转移光生电子,使g-C_3N_4光生电荷有效分离.基于NiS_2具有成本低和效率高的优点,因而有望广泛应用于制备高性能的光催化材料.