多相催化与材料表征技术应用于物理化学实验：Ag/SiO2催化剂的制备及其催化氧化CO实验

制备了一个贵金属负载型催化剂并对其催化氧化CO性能进行了测试。采用等体积浸渍法制备了Ag/SiO2催化剂,并通过X射线粉末衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、N2-吸脱附曲线及程序升温还原（H2-TPR）表征了催化剂的结构和形态。结合材料的表征数据及性能测试结果分析探讨银的负载量对催化氧化CO活性的影响,进一步探究该催化反应的进行机制。该实验将多相催化和现代测试技术与物理化学实验教学相结合,可以让学生获取催化学科的前沿知识,了解催化反应以及各种现代测试技术的基本原理,从而提高学生的综合实验能力,激发独立思考和创新的意识,有利于创新性人才的培养。     

环境化学综合设计实验:钙钛矿的制备、表征及其微波诱导降解有机废水性能研究

制备一种钙钛矿催化剂并对其微波诱导降解碱性品红染料废水性能进行了研究，同时将微波诱导催化技术和现代表征技术与环境化学实验教学相结合。采用溶胶-凝胶法制备LaMO3（M=Fe，Ni，Co，Cu，Mn）钙钛矿催化剂，通过N2吸附-脱附（BET）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）以及热重分析（TGA）表征了催化剂的结构、形态以及微波催化性能。结合材料的表征数据及性能测试结果分析探讨不同B位元素对钙钛矿微波催化降解碱性品红活性的影响，进一步探究该催化反应的进行机制。该综合性设计实验有利于学生获取高级氧化技术的前沿知识，拓宽专业视野，培养综合思维、科研精神以及创新能力。     

高分子材料专业组合实验教学探索与实践

设计了2组高分子材料组合实验：石墨型氮化碳/聚苯胺（g-C3N4/PANI）复合催化剂的制备及其催化性能研究和孔状g-C3N4/PANI复合催化剂的制备及其催化性能研究。在学生查阅文献及了解实验原理后,确定实验方案,即首先通过直接加热双氰胺制备g-C3N4（或孔状g-C3N4）,然后通过界面聚合法制备复合催化剂。在对所得材料进行结构表征基础上,研究其催化性能及影响因素。该实验集仪器分析、高分子材料制备与高分子物理性能分析于一体,不仅能够全面提高学生综合实验能力,而且能够串联学科间知识点,为培养全面型人才提供支撑。     

基于可见光催化分解水制氢的物理化学综合实验设计

将可见光催化分解水制氢引入物理化学综合实验,系统介绍了催化剂制备、表征及光催化反应性能评价等实验内容.以无毒、易制备的g-C3N4作为实验用可见光催化剂,考查了制备温度对催化剂的结构及光催化性能的影响.     

钾离子掺杂对石墨型氮化碳光催化剂能带结构及光催化性能的影响

以双氰胺和氢氧化钾为原料制备了能带可控的钾离子掺杂石墨型氮化碳(g-C3N4)光催化剂,并与碱处理的g-C3N4及g-C3N4/KOH复合催化剂进行了对比。采用X射线衍射(XRD)光谱、紫外-可见(UV-Vis)光谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、N2吸附、电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、荧光(PL)光谱、X 光电子能谱(XPS)等分析手段对制备的催化剂进行了表征。结果表明,钾离子含量对氮化碳催化剂的价带及导带位置有显著影响。此外,钾离子的引入抑制了氮化碳晶粒的生长,提高了氮化碳的比表面积以及对可见光的吸收,降低了光生电子-空穴对的复合几率。以染料罗丹明B的降解为探针反应系统研究了钾离子掺杂对g-C3N4在可见光下催化性能的影响,研究了光催化反应机理。结果表明,钾离子掺杂后氮化碳的光催化性能显著提高。制备的钾离子掺杂氮化碳催化剂表现出良好的结构及催化稳定性。     

在Cr(Ⅵ)和4-氯酚复合污染系统中多孔石墨相氮化碳的协同光催化效应

随着工农业的迅速发展,多组分复合污染系统广泛分布于自然环境中,例如电镀废水、污水处理厂污泥、城市生活垃圾等.自1972年光催化劈裂水产氢被发现以来,光催化技术已被广泛应用于解决环境污染问题.一方面,光生电子在酸性条件下能将重铬酸根(Cr2O72–)中高毒性的Cr(VI)还原成低毒性的Cr(Ⅲ).另一方面,水中有机污染物通过光催化氧化过程可被降解为二氧化碳和水.然而在目前的光催化领域,大部分研究者专注于新型光催化剂的开发,并在单组份光催化系统中测试所开发材料的光催化活性,而忽视了蕴藏在光催化反应本身中的科学问题.事实上,将光催化技术应用于复合污染系统具有非常大的现实意义.少数研究者试图通过光催化过程处理多组分废水.然而,在复合污染系统中的协同光催化效应和机理尚未明确.近几年,基于可见光响应、环境友好、成本低等优点,作为一种不含金属的半导体光催化剂,石墨相氮化碳(g-C3N4)已被广泛应用于环境光催化领域.然而在实际应用中,g-C3N4的光催化活性却较差,因为聚集态层状结构不但限制了光生载流子的表面迁移,而且还增加了光催化反应的传质阻力.因此,人们尝试形貌控制策略来提高g-C3N4的光催化活性,例如氮化碳纳米片、空心球、量子点的构建.在前期工作中,我们通过一种简单的前驱体预处理策略使用盐酸和乙二醇共处理的三聚氰胺作原料成功制备出了多孔石墨相氮化碳(pg-C3N4),因其具有丰富的多孔微观结构而表现出了卓越的光催化活性.本文初步研究了在酸性条件下使用所制备g-C3N4或pg-C3N4光催化还原水中Cr(Ⅵ)成Cr(Ⅲ)的反应.然后在不同pH条件下进一步研究了在Cr(Ⅵ)和4-氯酚(4-CP)复合污染系统中的协同光催化效应.结果发现,与单组分光催化系统相比,在Cr(Ⅵ)和4-CP复合污染系统中Cr(Ⅵ)的还原效率和4-CP的降解效率同时提高,即在Cr(Ⅵ)和4-CP复合污染系统中存在协同光催化效应.最后讨论了在Cr(Ⅵ)和4-CP复合污染系统中的协同光催化效应可归因于pg-C3N4的电子转移作用加速了Cr2O72–和4-CP之间的氧化还原反应.在用稀H2SO4调节pH至3的Cr(VI)和4-CP复合污染系统中,由于Cr2O72–中氧原子的电子云密度较低,因此Cr2O72–和4-CP之间的氧化还原反应通过pg-C3N4的电子转移作用易于进行,因而表现出明显的协同光催化效应.     

Ag/NH_2-MIL-125(Ti)的构建及可见光还原水中Cr(Ⅵ)

开发高效、稳定的复合光催化材料是当前环境领域的迫切需求。本文采用溶剂热协同紫外光还原法成功制备了复合光催化材料Ag/NH_2-MIL-125(Ti),并通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱(EDS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)及X射线光电子能谱(XPS)等技术手段对其形貌、结构及光学性质进行分析,考察了Ag/NH_2-MIL-125(Ti)可见光(λ≥420 nm)催化还原Cr(Ⅵ)的性能,并优化了催化剂用量、Cr(Ⅵ)浓度、空穴捕捉剂种类及用量等条件。结果表明,在最佳条件下,Ag/NH_2-MIL-125(Ti)具有良好的吸附及光催化还原Cr(Ⅵ)性能,其吸附及光催化还原率是NH_2-MIL-125 (Ti)的3. 11倍,Ag/NH_2-MIL-125(Ti)特殊的"芝麻饼"形貌以及Ag~0与NH_2-MIL-125(Ti)之间形成的异质结有助于增强复合材料的光催化还原Cr(Ⅵ)的性能。同时,通过条件实验,提出了光催化还原过程中主要的活性物种以及Cr(Ⅵ)的还原机理。本研究将为金属有机骨架(MOFs)复合材料在可见光催化环境修复领域的应用提供理论依据和实验参考。     

Fe掺杂g-C_3N_4的制备及其可见光催化性能

以硝酸铁和三聚氰胺为原料制备不同含铁量的Fe掺杂石墨氮化碳(g-C3N4).采用X射线衍射光谱(XRD)、紫外-可见(UV-Vis)光谱、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、荧光(PL)光谱、X光电子能谱(XPS)等分析手段对制备的催化剂进行了表征.结果表明,铁以离子形式镶嵌在gC3N4的结构单元中,影响了g-C3N4的能带结构,增加了g-C3N4对可见光的吸收,降低了光生电子-空穴对的复合几率.以染料罗丹明B的降解为探针反应系统研究了不同含铁量对g-C3N4在可见光下催化性能的影响.结果表明,m(Fe)/m(g-C3N4)=0.14%时,制备的Fe掺杂g-C3N4表现出最佳的光催化性能,120 min内罗丹明B的降解率高达99.7%,速率常数达到0.026 min-1,是纯g-C3N4的3.2倍.以叔丁醇、对苯醌、乙二胺四乙酸二钠为自由基(·OH)、自由基(O2-·)和空穴(h+VB)的捕获剂,研究了光催化反应机理.     

纤维素氨基甲酸酯/MoS_2分离膜的制备及光催化还原Cr(Ⅵ)研究

本研究针对印染废水处理及有毒重金属Cr(Ⅵ)处理困难的问题,通过制备纤维素氨基甲酸酯(Cellulose carbamate,CC)/二硫化钼(MoS_2)复合分离膜,借助二者对Cr(Ⅵ)的吸附作用以及MoS_2的光催化还原作用,从而实现了染料分离过程中的Cr(Ⅵ)的同步脱毒。实验利用拉曼光谱、扫描电镜以及EDX表征证明了MoS_2在CC膜中的成功负载;通过表面接触角测量仪、吸附实验以及光催化过滤实验等手段评价了MoS_2的负载对膜性能的影响。实验结果表明,MoS_2的添加一方面改善了膜的亲水性,提高了膜的通量;另一方面也提升了膜整体对Cr(Ⅵ)的吸附能力。在施加可见光光照过滤含铬染料废水的过程中,CC/MoS_2分离膜对染料的优异截留性能避免了其与Cr(Ⅵ)在膜内的竞争吸附现象,使Cr(Ⅵ)在膜内得到更好的吸附和光催化还原效果,最终实现染料高效截留的同时,通过光催化还原一定程度上消除了染料废水中Cr(Ⅵ)的毒性。     

纳米TiO2-有机物体系光催化还原Cr(Ⅵ)的研究

研究了Cr(Ⅵ）在纳米TiO2-有机物体系中的光催化还原效果，考察了起始浓度，pH值，催化剂投加量、温度，共存有机物等因素对Cr(Ⅵ）光解速率的影响，揭示了Cr(Ⅵ）多相光催化还原反应的特点，反应过程符合一级动力学规律，酸性条件最有利于Cr(Ⅵ）的还原，在低光强下增加温度可以适当提高Cr(Ⅵ）的还原速率，催化剂的投加量存在一最佳值，溶液中有机物的存在可以作为光生空穴的捕获剂而提高Cr(Ⅵ）的光催化还原效率。     

硝酸活化三聚氰胺前驱体对g-C3N4结构和可见光催化性能的影响

为缩短e-和h+的迁移途径而改善g-C3N4易发生光生载流子复合的缺陷,采用不同物质的量浓度的HNO3活化三聚氰胺前驱体,通过形成质子化氨基基团,制备了一系列x-HNO3-g-C3N4(x=1,2,3,4,5 mol·L^-1)光催化剂。采用N2物理吸附-脱附、X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、瞬态光电流响应谱(TCS)和电化学阻抗图谱(EIS)等测试手段对上述光催化剂进行了表征分析,以考察催化剂的结构与其光催化性能之间的影响作用规律。以罗丹明B(RhB)为模拟染料污染物,分别以x-HNO3-g-C3N4和直接煅烧三聚氰胺得到的g-C3N4为光催化剂,进行了可见光催化降解活性差异性能测试研究。由实验结果可知:3 mol·L^-1-HNO3-g-C3N4的光催化活性最高,相较于直接煅烧三聚氰胺得到的g-C3N4,在60 min内,其可将RhB的降解率从38%提高到99%。将3 mol·L^-1-HNO3-g-C3N4催化剂循环使用4次后,催化效果仍为99%。这是因为三聚氰胺前驱体经HNO3活化后,可使经热聚合制备而成的g-C3N4产品具有较高的聚合度,从而得到具有大比表面积的多层g-C3N4;此外,PL结果证明其荧光强度明显降低,而使载流子寿命获得了显著提高;EIS结果表明其载流子传输能力有了明显的增强,从而提高了g-C3N4的光催化活性。     

利用Ni(OH)x助催化剂修饰提高g-C3N4纳米片/WO3纳米棒Z型纳米体系的可见光产氢活性的研究

光催化技术是目前解决能源和环境问题最具前景的手段之一,因此寻找高效光催化剂已成为光催化技术的研究热点.而在众多半导体催化剂中,廉价、环保且性能稳定的g-C3N4光催化剂在太阳光开发利用方面尤其引人关注.然而,由于g-C3N4的比表面小,活性位点少,以及光生电子/空穴对易复合等不足,严重导致其较低的光催化量子效率.因此,构造Z型体系和负载助催化剂等策略被广泛应用于提高g-C3N4光催化效率.在过去几年中,TiO2,Bi2WO6,WO3,Bi2MoO6,Ag3PO4和ZnO已经被成功证实可以与g-C3N4耦合而构造Z型光催化剂体系.其中,WO3/g-C3N4光催化剂体系,具有可见光活性的WO3导带中的光生电子和g-C3N4价带中的光生空穴容易实现Z型复合,从而保留了WO3的强氧化能力和g-C3N4的高还原能力,最终大幅度提高了整个体系的光催化活性.在g-C3N4的各种产氢助催化剂中,由于常用的Pt,Ag和Au等贵金属的高成本和低储量等问题严重限制了它们的实际应用,所以近年来各种非贵金属助催化剂(包括纳米碳,Ni,NiS,Ni(OH)2,WS2和MoS2等)得到了广泛的关注.我们采取廉价且丰富的Ni(OH)x助催化剂修饰g-C3N4/WO3耦合形成的Z型体系,开发出廉价高效的WO3/g-C3N4/Ni(OH)x三元产氢光催化体系.在该三元体系中,Ni(OH)x和WO3分别用于促进g-C3N4导带上光生电子和价带的光生空穴的分离及利用,从而使得高能的g-C3N4的光生电子在Ni(OH)x富集并应用于光催化产氢,而高能的WO3的光生空穴被应用于氧化牺牲剂三乙醇胺,最终实现了整个体系的高效光催化产氢活性及稳定性.我们通过直接焙烧钨酸铵和硫脲制备出WO3纳米棒/g-C3N4,并采用原位光沉积方法将Ni(OH)x纳米颗粒负载到WO3/g-C3N4上.随后,我们采取X射线衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)和比表面和孔径分布等表征手段来研究光催化剂的结构与形貌;采取紫外-可见漫反射表征方法来研究其光学性能;采取荧光光谱,阻抗和瞬态光电流曲线等表征手段来测试光催化剂的电荷分离性能;采取极化曲线和电子自旋共振谱等表征手段来证明光催化机理;采取光催化分解水产氢的性能测试来研究光催化剂的光催化活性与稳定性.XRD,HRTEM和XPS表征结果,表明WO3为有缺陷的正交晶系的晶体,直径为20–40纳米棒且均匀嵌入在g-C3N4纳米片上;Ni(OH)x为Ni(OH)2与Ni的混合物,其Ni(OH)2与Ni的摩尔比为97.4 : 2.6,Ni(OH)x粒径为20–50 nm且均匀分散在g-C3N4纳米片上,WO3/g-C3N4/Ni(OH)x催化剂界面之间结合牢固,其中WO3和Ni(OH)x均匀分布在g-C3N4上.紫外-可见漫反射表征结果表明,随着缺陷WO3的负载量增加,复合体系的吸收边与g-C3N4相比产生明显的红移,而加入Ni(OH)x助催化剂使得催化剂体系的颜色由黄变黑,明显地增加了可见光的吸收.荧光光谱,阻抗和瞬态光电流曲线结果表明,WO3和Ni(OH)x的加入能有效地促进光生电子/空穴的分离.极化曲线结果表明,掺入WO3和Ni(OH)x能降低g-C3N4的析氢过电位,从而提高光催化剂表面的产氢动力学.?O2?和?OH 电子自旋共振谱表明成功形成了WO3/g-C3N4 耦合Z 型体系.光催化分解水产氢的性能测试表明,20%WO3/g-C3N4/4.8%Ni(OH)x产氢效率最高(576 μmol/(g?h)),分别是g-C3N4/4.8%Ni(OH)x,20%WO3/g-C3N4和纯g-C3N4的5.7,10.8和230倍.上述结果充分证明,Ni(OH)x助催化剂修饰和g-C3N4/WO3 Z型异质结产生了极好的协同效应,最终实现了三元体系的极高的光催化产氢活性.     

花状钛酸/石墨相氮化碳复合光催化剂的制备及其性能

光催化是一种绿色环保的污染物去除方法,但高色度印染废水由于其色度高、透光率差的原因,限制了光催化方法在该领域中的应用。本研究通过简易的水热法制备花状钛酸/石墨相氮化碳（FT/g-C3N4）复合光催化剂。通过场发射扫描电子显微镜（FESEM）、紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）等表征了FT与g-C3N4异质结的...     

新颖CdMoO4/g-C3N4复合材料的制备及其可见光增强的电荷分离和光催化活性（英文）

半导体光催化技术因其能够完全矿化和降解废水以及废气中的各种有机和无机污染物而受到越来越多研究者关注.尽管TiO2作为光催化剂显示了良好的应用前景,但其只对紫外光响应,该部分能量大约仅占太阳光谱的5%,从而限制了其实际应用.因此,开发新型可见光响应光催化剂成为光催化领域的研究焦点之一.石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种光催化材料,由于具有良好的热和化学稳定性以及可见光响应而备受关注.然而,单纯的g-C3N4由于光生电荷载流子易复合,光催化效果并不理想.为进一步提高g-C3N4的光催化活性,构建g-C3N4基异质结复合光催化材料被认为是增强g-C3N4光生电子-空穴分离效率的有效方法.CdMoO4作为一种光催化材料,与g-C3N4匹配的能带有利于光生电子-空穴的分离,从而提高g-C3N4的光催化活性.本文通过便利的原位沉淀-煅烧过程,制备了新颖的CdMoO4/g-C3N4异质复合光催化材料.复合材料的晶相构成、形貌、表面化学组分和光学特性等通过相应的分析测试手段进行表征.光催化活性通过可见光下催化降解罗丹明B水溶液来评价.结果显示,将CdMoO4沉积在g-C3N4表面形成复合材料可明显提高光催化活性,且当CdMoO4含量为4.8 wt%时达到最佳的光催化活性.这种显著增强的光催化活性可能是由于CdMoO4/g-C3N4复合物能够有效地传输和分离光生电荷载流子,从而抑制了光生电子-空穴的复合.电化学阻抗、瞬态光电流和稳定荧光光谱测试结果证实,通过CdMoO4与g-C3N4复合可有效增强电荷分离效率.此外,活性物捕获实验表明,在光催化过程中空穴(h+)和超氧自由基(?O2?)是主要活性物种.根据莫托-肖特基实验并结合紫外-可见漫反射吸收光谱,得到了单纯g-C3N4和CdMoO4的能带结构,提出了形成的II型异质结有助于增强光催化活性的机理.     

Cu2O/g-C3N4催化合成吲哚-2-羧酸酯

我们通过原位还原的方法将吸附在g-C3N4表面上Cu2+还原,制备出Cu2O/g-C3N4复合材料,并利用XRD、SEM、FT-IR、XPS等分析手段表征Cu2O/g-C3N4.表征结果显示:Cu元素主要以Cu2O的形式吸附在g-C3N4载体上.另外,还考察了Cu2O/g-C3 N4在“一锅法”合成吲哚-2-甲酸乙酯的反应中的催化性能.结果表明:即使在较低的催化担载量和温和的反应条件下,Cu2O/g-C3 N4仍能表现出良好的催化性能并获得44.1％的收率.     

石墨相氮化碳的红外辅助微波法制备及光催化固氮性能

采用红外辅助微波法制备了可见光下具有优越固氮性能的石墨相氮化碳催化剂(g-C3N4).采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、氮气吸附、紫外-可见光谱(UV-Vis)、荧光光谱(PL)、N2-程序升温脱附(TPD)和电子顺磁共振谱(EPR)等对催化剂进行了表征.结果表明,微波处理在催化剂表面形成许多孔状结构,增大了催化剂的比表面积,抑制了催化剂光生电子-空穴的复合;微波处理还会产生大量氮空穴,这些氮空穴一方面可以吸附并活化氮气分子,另一方面可提升电荷从催化剂到氮气分子的界面转移能力,显著提高催化剂的光催化固氮性能.采用红外辅助微波法制备的g-C3N4催化剂比采用单纯微波法制备的催化剂具有更多的氮空穴,表现出更高的光催化固氮性能.     

Fe-P共掺杂石墨相氮化碳催化剂可见光下催化性能研究

采用双氰胺、硝酸铁和磷酸氢二铵为原料制备Fe-P共掺杂石墨相氮化碳(g-C3N4).使用X射线衍射光谱(XRD)、N2吸附、紫外可见光谱(UV-Vis)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、荧光光谱(PL)、X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对制备的催化剂进行了表征.结果表明,引入掺杂剂可以抑制g-C3N4的晶粒生长,提高催化剂比表面积,降低带隙能,抑制光生电子和空穴的复合.在可见光下降解罗丹明B的实验表明Fe-P共掺杂g-C3N4的反应速率常数是纯g-C3N4的6倍.我们推测了P和Fe可能的掺杂态以及光催化反应机理.     

Ag/Ag_3PO_4/g-C_3N_4复合光催化剂的合成与再生及其可见光下的光催化性能(英文)

研究了用离子交换沉淀法制备的Ag/Ag3PO4/g-C3N4的可见光光催化性能及再生方法.通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱及X射线光电子能谱(XPS)对其进行了结构特性分析.XRD结果显示再生后催化剂的结构未发生改变.FESEM及UV-Vis分析结果说明催化剂由Ag3PO4与g-C3N4复合而成.XPS分析结果表明催化剂表面出现少量的银单质.利用可见光(λ420nm)照射下的苯酚降解实验评价了样品的光催化活性,并通过活性物种及能带结构的分析对催化剂的光催化机理进行了推测.研究表明,Ag/Ag3PO4/g-C3N4的光催化活性明显高于纯Ag3PO4及纯g-C3N4,主要原因归结为单质银、Ag3PO4及g-C3N4的协同效应.经过氧化氢和磷酸氢铵钠(NaNH4HPO4)的再生可完全恢复催化剂的活性,这表明该绿色环保的再生方法可实现Ag/Ag3PO4/g-C3N4催化剂在环境中的实际应用.     

BUC-21/N-K2Ti4O9复合材料光催化去除Cr(Ⅵ):组成上的细微差异导致性能上的巨大差异

近年来,金属-有机骨架(MOFs)作为一种多相光催化剂因其合成方法多样、活性位点可调等优点被越来越多地应用于光催化还原Cr(Ⅵ)、还原CO2和降解有机污染物等领域.但多数MOFs被其电导率低、电子与空穴的快速复合以及仅在紫外光下激发下才能表现出光催化活性等缺点限制了其进一步应用.为此,与g-C3N4、Ag2CO3、TiO2、Bi24O31Br10等半导体、电活性聚合物(PANI)、导体(RGO)、贵金属纳米颗粒(Ag,Pd)等构建复合物是增强MOFs光催化性能的一个有效策略.本文采用简单的机械球磨法,以BUC-21和N-K2Ti4O9为前驱体快速制备了一系列BUC-21/N-K2Ti4O9复合材料(记为B1NX,其中X=0.2,0.5,1,2,3和4,代表N-K2Ti4O9在复合物中的比例).采用粉末X射线衍射(PXRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、高倍透射电镜(HRTEM)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对UAC-X复合物的形貌和结构进行了表征.研究了B1NX在紫外光和白光照射下光催化还原六价铬(Cr(Ⅵ))的性能.探究了不同pH(pH=2-8)、不同小分子有机酸(柠檬酸、酒石酸和草酸)及共存离子(自来水和湖水中的离子)对光催化还原Cr(Ⅵ)的影响.结果表明,PXRD谱图显示B1NX的衍射峰位置分别与BUC-21和N-K2Ti4O9峰位置完全吻合.SEM、TEM、EDS和HRTEM图片证明在B1NX复合物中BUC-21附着在N-K2Ti4O9表面.在紫外光照射下40 min后,B1N0.5的光催化活性最高,还原效率达到100.0%,且还原速率是BUC-21的1.42倍.而在白光照射下,随着N-K2Ti4O9含量的增加,复合物的光催化活性先增后减.最佳比例B1N3可在100 min时还原99%的Cr(Ⅵ),远远优于对Cr(Ⅵ)几乎无还原能力的BUC-21和N-K2Ti4O9.这是因为N-K2Ti4O9含量的增加不仅有利于电荷的转移,也有利于白光的利用.在紫外光和白光照射下,随着溶液pH值从2提高到8,还原效率逐渐降低.这是因为在酸性条件下H+浓度高有利于Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ),而当pH>6时,Cr^3+与OH-形成Cr(OH)3沉淀附着在催化剂表面,影响对光的吸收,降低了光催化效率.当反应体系中加入草酸、柠檬酸和酒石酸等小分子有机酸时,光催化速率得到显著提高,这是由于小分子链烃有机物容易捕捉光生空穴.共存离子实验表明,虽然湖水和自来水中的共存离子对B1N0.5和B1N3的还原性能稍有抑制,但当反应时间延长时,这种影响可忽略不计.表观量子效率实验证明B1NX还原Cr(Ⅵ)是光诱导过程.光致发光分析、时间分辨光致发光分析、电化学分析、电子自旋共振(ESR)和活性物质捕获实验显示,B1N0.5和B1N3中BUC-21最低未占轨道(LUMO)上的光生电子转移至N-K2Ti4O9导带,提高了光生电子和空穴的分离效率,最终增强了光催化还原Cr(Ⅵ)的活性.N-K2Ti4O9的引入也使得BUC-21的光吸收区域拓展至白光,实现了其实际应用的潜力.同时,B1N0.5在紫外光照射下和B1N3在白光照射下经过5次光催化循环实验后其还原Cr(Ⅵ)效率仍然可达99%,且PXRD谱图、SEM和TEM图像未见明显变化,表明其具有稳定性和重复利用性.综上,BUC-21/N-K2Ti4O9是一种具有应用前景的高效复合型光催化剂.     

MnOx/g-C3N4光热协同催化净化NO的性能增强和反应机理

许多研究表明, MnOx和g-C3N4均有催化氧化NO的活性, 并且探索了它们各自的转化机理. 然而, MnOx/g-C3N4复合材料的光热催化机理仍然是一个未解决的问题. 我们通过室温沉淀法直接合成不同摩尔比的MnOx/g-C3N4, 并发现其表现出良好的光热协同催化氧化NO的性能. MnOx/g-C3N4催化剂在g-C3N4表面含有不同价态的MnOx. 通过原位红外光谱在60 ℃下研究了紫外-可见光诱导的MnOx热催化NO的机理以及MnOx/g-C3N4光热协同催化NO的机理. 结果表明, 光照对MnOx热催化NO的过程几乎没有影响, 但对MnOx/g-C3N4光热协同催化NO产生积极作用并且形成重要的催化循环机制. 具体过程是光生电子(e-)转移到MnOx上参与光热协同的还原循环(Mn4+→Mn3+→Mn2+), 且低价Mn离子易给出电子(e-)与光生空穴(h+)相结合而诱导逆向的循环(Mn2+→Mn3+→Mn4+), 使活性氧空位再生. 通过MnOx(Mn4+/Mn3+/Mn2+)变价而产生的活性氧(O-)可将中间产物(NOH和N2O2-)氧化为终产物(NO2-和NO3-). 这将为开发更好的净化NOx的催化剂提供重要的指导意义. XRD表征结果表明, MnOx/g-C3N4复合催化剂的结晶度较低. TEM和XPS表征结果表明, g-C3N4表面含有多种低结晶度的MnOx, 主要含有MnO, MnO2和Mn2O3. 此外, 通过对比MnOx和1:5 MnOx/g-C3N4催化净化NO的XPS结果, 发现反应后的MnOx含有大量Mn-Nitrate且Mn3+和Mn4+大幅度减少; 同时, 反应前后1:5 MnOx/g-C3N4的Mn2+, Mn3+和Mn4+的含量变化微弱. BET-BJH测试结果显示, MnOx/g-C3N4复合催化剂的比表面积和孔容均高于纯g-C3N4. UV-Vis DRS测试结果显示, MnOx/g-C3N4复合催化剂显示了良好的可见光吸收能力. 紫外-可见光催化去除NO的测试结果表明, 1:5 MnOx/g-C3N4(44%)的光催化活性明显高于MnOx(28%)和g-C3N4(36%). ESR测试结果表明, 参与反应的主要活性物种为·O2-自由基. EPR测试结果表明, 1:5 MnOx/g-C3N4的氧空位明显多于MnOx, 丰富的活性氧空位更有利于电子的迁移且促进Mnn+(n = 2, 3和4)的变价而诱导O2分子形成活性氧(O-). 以上结果清晰地表明1:5 MnOx/g-C3N4表现出不同的理化特性.可见光催化氧化NO的原位红外光谱表明, 光照前后MnOx催化氧化NO的过程没有明显的变化, 表明其属于典型的热催化过程, 综合上述表征结果发现MnOx的氧缺陷是Mnn+(n = 3和4)变价的活性位点, 可诱导O2产生活性氧催化氧化NO为硝酸盐吸附在MnOx上; 光照前后1:5 MnOx/g-C3N4催化氧化NO的过程有明显不同, 光照前主要表现为g-C3N4表面MnOx的热催化过程, 而光照后1:5 MnOx/g-C3N4为光热协同催化NO的过程. 具体过程是g-C3N4的光生电子(e-)转移到MnOx上参与光热协同的还原循环(Mn4+→Mn3+→Mn2+), 且低价Mn离子易给出电子(e-)与光生空穴(h+)相结合而诱导逆向的循环(Mn2+→Mn3+→Mn4+)使活性氧空位再生. 通过MnOx(Mn4+/Mn3+/Mn2+)变价而产生的活性氧(O-)可将中间产物(NOH和N2O2-)氧化为终产物(NO2-和NO3-).