氧缺位型TiO2的制备、表征及其光催化析氧活性

采用69 ℃饱和水蒸气和H2混合气, 于927 ℃下处理金红石型TiO2, 得到不同氧缺位的光催化剂, 并用X射线衍射(XRD)、比表面(BET)、电子顺磁共振(EPR)、紫外-可见漫反射(DRS)、光电子能谱(XPS)对其进行了表征. 考察了热处理时间对氧缺位型TiO2光催化分解水析氧活性的影响. 结果表明, 适量的氧缺位能显著提高金红石型TiO2光催化分解水的析氧活性, 其最大析氧速率达222 μmol·L-1·h-1.     

SnO_(2)/ITO光电化学电极制备及性能研究EI北大核心CSCD

采用商品化氧化铟锡(ITO)导电玻璃、纳米SnO_(2)水胶体分散液,通过旋涂法制备了高性能SnO_(2)/ITO电极,考察了SnO_(2)旋涂浓度、旋涂量、Triton X-100浓度、煅烧温度对SnO_(2)/ITO电极性能的影响,并优化了缓冲体系、pH、浓度及偏压条件。结果表明,当SnO_(2)水胶体分散液浓度15%、Triton X-100浓度0.01%、煅烧温度450℃时,制备的SnO_(2)/ITO电极具有较高的热稳定性和光电化学性能;草酸-草酸钠缓冲体系有利于光电流的产生,当草酸浓度为30 mmol/L(pH 6.0)、偏压为0.5 V时,可以产生较高的稳态光电流信号,以Ru(bpy)_(2)(dppz)^(2+)为光电化学信号探针,检测限为10 nmol/L。考察了ITO电极的性能差异性,同一批次及不同批次之间的光电流信号一致性相对标准偏差(RSD)在3.9%~5.6%之间。     

Investigation of the effect of calcination temperature on HMDS-treated ordered mesoporous silica film

To reduce signal delay in ultra-large-scale integrated circuits, an intermetal dielectric with low dielectric constant is required. Ordered mesoporous silica film is appropriate for use as an intermetal dielectric due to its low dielectric constant and superior mechanical properties. To reduce the dielectric constant, an ordered mesoporous silica film prepared by a tetraethoxysilane/methyltriethoxysilane silica precursor and Brij-76 block copolymer was surface-modified by hexamethyldisilazane (HMDS) treatment. HMDS treatment substituted OH with Si(CH₃)₃ groups on the silica surface. After treatment, ordered mesoporous silica films were calcined at various calcination temperatures, and the calcination temperature to obtain optimal structural, electrical, and mechanical properties was determined to be approximately 300 °C.     

N2气氛下焙烧制备的Mn基催化剂催化NOx脱除性能的提升机理:低MnOx结晶度与氧化度

在众多的氧化物类NH3-SCR催化剂体系中,Mn基氧化物催化剂因具有极高的低温(≤473 K)脱硝性能而备受关注.其主要原因可能是Mn物种具有丰富的可变价态,作为活性组分的MnOx能够提供自由电子.大量研究发现,由于不同金属元素间协同作用的存在,复合金属氧化物的催化脱硝活性普遍优于单金属氧化物类催化剂.为了抑制MnOx在锻烧过程中的烧结,提高MnOx的催化活性,一系列过渡金属氧化物,如Fe,Cu,Ni和Cr等的氧化物,被用来作为改性剂加入到MnOx催化剂中.近年来,很多研究者将稀土元素作为改性剂加入到MnOx催化剂中,并发现稀土金属氧化物的添加可以改善催化剂的活性、选择性、热稳定性及抗毒性能,是良好的添加助剂,其中对Ce的关注度颇高.而储氧性能是CeO2最重要的性质,CeO2对氧气的存储和释放可以通过Ce4+和Ce3+两种价态之间的变化实现.文献研究表明,将CeO2加入到锰氧化物材料中,能够提高锰氧化物在程序升温脱附过程中氧的脱附量,并且在低温条件下能够为锰氧化物提供氧,从而对锰氧化物的氧化态产生影响.此外,我国拥有丰厚的稀土Ce资源储备,使得锰铈复合氧化物在吸附脱除NOx方面得到广泛应用.催化剂作为选择性催化还原(SCR)工艺的核心,现阶段的研究重点主要集中于新型低温高活性催化剂的研究,如活性组分、载体组分、焙烧温度、焙烧时间及焙烧升温程序等,这表明焙烧过程对于催化剂性能的重要性.然而,在催化脱硝领域,对焙烧气氛的研究极少,但借鉴其他领域对焙烧气氛的研究,确有研究者证实焙烧气氛对材料的颗粒大小、缺陷浓度、价态及物相组成等有着显著的影响,进而影响材料的活性.我们课题组曾研究了焙烧气氛对MnOx/TiO2脱硝性能的影响,并发现惰性气氛中焙烧的催化剂表现出最佳活性,然而对于催化剂催化性能增强的原因并未深入探究.在前期研究基础上,以MnOx和CeOx为活性组分,采用浸渍法制备得到Ce-Mn/TiO2催化剂,通过X射线衍射(XRD)、氢气程序升温还原(H2-TPR)、热重(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)和X射线光电子能谱(XPS)等表征手段系统地研究了MnOx和CeOx担载于TiO2表面制成的催化剂在不同气氛(N2,空气和O2)中焙烧后的催化性能和物相结构.XRD,TG和H2-TPR测试结果表明,在N2气氛中焙烧有利于催化剂氧化度与结晶度的降低,催化剂中主要存在两种主要活性成分:大量的Mn2O3和少量的Mn3O4.SEM图揭示了在N2气氛下焙烧能够有效抑制晶粒长大,促进颗粒分散.NH3-TPD结果表明,N2气氛下焙烧的催化剂拥有更多的表面酸性位点,从而有利于反应气在催化剂表面的吸附和活化.结合XPS分析结果与脱硝活性测试结果,较低价态的MnOx以及较高的表面活性氧浓度(Oα)更有利于NH3-SCR反应的进行.不同焙烧气氛下0.20Ce-Mn/TiO2催化剂(Ce:Ti摩尔比为0.20)上NO转化率顺序如下:N2(94%)>空气(85.6%)>O2(75.6%).以上结果清晰地表明N2焙烧气氛显著提升了催化剂的脱硝活性.     

焙烧温度对V2O5/CNTs-TiO2催化剂脱氯性能的影响

用浓硝酸纯化改性碳纳米管(CNTs),以钛酸四丁酯为原料,通过溶胶-凝胶法制备碳纳米管-氧化钛(CNTs-TiO₂)复合载体并浸渍制得V₂O₅/CNTs-TiO₂催化剂,重点考察了制备过程中焙烧温度对催化剂催化氧化活性的影响.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪、X射线光电子能谱(XPS)仪和紫外-可见(UV-Vis)分光光度计等对催化剂材料的结构、形貌和表面化学性质进行了表征分析.结果表明,硝酸处理后的碳纳米管纯度和石墨化程度增加, 450 ℃焙烧温度制备得到的催化剂活性组分分散度好, V₂O₅/CNTs-TiO₂催化剂中钒钛氧均以有利于催化反应的价态存在;催化剂表面活性氧的含量最高,催化剂表现出很好的电子迁移与氧移动的能力,从而提高催化剂的催化活性.实验表明,在250 ℃、催化剂用量为0.2 g、N₂ (80%) + O₂ (20%)下催化降解六氯苯(HCB)的效率可达到94.78%左右,并在24 h内保持很好的稳定性.     

烧结工艺对Ti/IrO2电极在酸性溶液中的电催化活性的影响

采用循环伏安(CV)与极化曲线测试了几种不同烧结工艺制备所得Ti/IrO2电极在酸性Na2SO4溶液中的电催化活性. 对传统单一高温(500 ℃)烧结与改进的分段烧结及程序升温工艺进行了比较; 扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电化学阻抗谱(EIS)测试表明, 传统工艺所得电极裂纹形貌不明显, 晶粒尺寸及电极的物理电阻均较大, 电化学活性较低; 改进工艺则可明显降低Ti基体的氧化, 提高电极的导电性, 其中程序升温还可使电极表面的裂纹增多, 但若该工艺的起始温度较高, 电极的表观活性下降.     

Immobilization of Penicillin G Acylase on Calcined Layered Double Hydroxides

A hydrotalcite-like Mg2 /Al3 layered double hydroxide (LDH) material was prepared by means of amodified coprecipitation method involving a rapid mixing step followed by a separate aging process. LDH calcined at 500℃ , denoted as CLDH, was characterized by XRD, IR and BET surface area measurements.CLDH has a poor crystalline MgO-like structure with a high surface area and porosity. CLDH was used as asupport for the immobilization of penicillin G acylase(PGA). The effect of varying the immobilization conditions, such as pH, contact time and the ratio of enzyme to support, on the activity of the immobilized enzymein the hydrolysis of penicillin G has been studied. It was found that the activity of the immobilized enzyme decreased slightly with decreasing pH and reached a maximum after a contact time of 24 h. The activity of theimmobilized enzyme increased with increasing the ratio of enzyme to support. It was found that the adsorption of PGA inhibited the expected reaction of CLDH with an aqueous medium to regenerate a LDH phase. Itsoriginal activity(36%) after 15 cycles of reuse of the immobilized enzyme was retained, but no further loss in the activity was observed.     

相转移有机前驱体BiOAc0.6Br0.2I0.2固溶体合成表面富有氧空位的棒状S型 Bi4O5I2/Bi4O5Br2异质结

近年来,卤氧铋(BiOX,X=Cl,Br,I)作为多功能半导体光催化材料,因其具有独特的层状结构和电子结构,吸引了广泛关注.然而,相对低的导带(CB)和高的价带(VB)位置导致其氧化还原能力弱,从而限制了其实际应用.研究表明,通过富铋策略调控BiOX中元素化学计量比,可以实现对其能带结构的可控调控.尽管富铋半导体材料被视为有效的可见光光催化剂的候选材料之一,但是单一组分的富铋光催化剂不利于光生载流子的分离和迁移.具有匹配能带结构的富铋基复合光催化剂的构建已被证实可以加速光生电子-空穴对的分离和迁移.与传统的Ⅱ型异质结构相比,S型异质结既可以有效地分离光生载流子,又可以增强其氧化还原能力.如果双富铋基半导体之间能形成S型异质结,不仅可以拓展可见光响应,而且还可以增强光生电荷的氧化还原能力.基于Bi₄O₅I₂/Bi₄O₅Br₂的匹配能带,制备具有强氧化还原能力的S型Bi₄O₅I₂/Bi₄O₅Br₂异质结是可行的.除了电子结构外,表面缺陷的引入也对改善光催化性能起到了重要作用.氧空位(OVs)作为一种典型的缺陷,可以捕获电子来抑制光诱导载流子的复合,并加速这些捕获载流子向吸附剂的转移.此外,它们还可以充当有机污染物和分子氧的吸附位点,促进吸附和降解效率.目前,光催化材料中OVs的形成通常需要复杂、苛刻的条件,如高温、高压、惰性或还原气氛处理等,因此寻找简便有效的方法生成OVs仍然具有挑战性.此外,在无惰性或还原气氛下对有机前驱体进行热处理被认为是形成OVs的有效方法.鉴于此,本文通过低温煅烧二维纳米片有机前驱体BiOAc_0.6Br_0.2I_0.2(Ac-=CH3COO-)固溶体,成功合成了表面富有氧空位的一维纳米棒状的S型Bi₄O₅I₂/Bi₄O₅Br₂异质结(Bi₄O₅I₂/Bi₄O₅Br₂-OV).X射线衍射、高分辨率透射电子显微镜电子顺磁共振以及X射线光电子能谱分析(XPS)等结果均证实了表面氧空位的存在.同时,根据吸收光谱图和肖特基曲线计算出Bi₄O₅I₂和Bi₄O₅Br₂的能带结构,而且通过XPS价带谱进一步证实了所计算的价带的可靠性.根据捕获剂实验、氯化硝基四氮唑蓝(NBT)转移以及对苯二甲酸荧光均证实了h+、·OH和·O2-是参与光催化降解的主要活性物种.再结合上述能带结构以及活性物种的类型推断出光生载流子的迁移方式将遵循S型机制,而不是传统的II型异质结.而且,通过光电流、阻抗和稳态荧光均证实了表面OVs和S型异质结的协同效应,有利于提高Bi₄O₅I₂/Bi₄O₅Br₂-OV的光生电子空穴对的分离效率,并延长其寿命,从而有效地提高其光催化性能.在可见光照射下,OVs和S型异质结的协同效应赋予Bi₄O₅I₂/Bi₄O₅Br₂-OV显著的可见光光催化性能,对抗生素四环素和染料罗丹明B的去除率分别高达90.2%和97.0%,均高于Bi₄O₅I₂(56.8%和71.8%)、Bi₄O₅Br₂(47.4%和68.4%)、固溶体BiOAc_0.6Br_0.2I_0.2(67.0%和84.0%)以及表面具有低氧空位浓度的Bi₄O₅I₂/Bi₄O₅Br₂-P(30.6%和40.4%).此外,在实际废水或电解质存在下,S型Bi₄O₅I₂/Bi₄O₅Br₂-OV异质结仍呈现出优异的光催化性能.本文不仅为OVs修饰的富铋基异质结的设计提供了有效策略,也为界面载流子的分离和迁移提供了切实可行的途径.     

Co(OH)2/Ni(OH)2复合电极材料制备及其超级电容性质

以Co(NO_3)_2·6H_2O和Ni(NO_3)_2·6H_2O为钴源和镍源,采用溶剂热法一步合成了Co(OH)_2/Ni(OH)_2复合材料,通过煅烧该复合材料可得到NiCo_2O_4。采用XRD、SEM、BET等对材料进行了表征,结果表明,Co(OH)_2/Ni(OH)_2复合材料是薄片组成的花状形貌,比表面积为37. 48m~2/g。电化学性能测试表明,Co(OH)_2/Ni(OH)_2复合材料比NiCo_2O_4具有更高的比电容值和容量保持率。在0. 5A/g的电流密度下,复合材料比电容值可达到1097. 8F/g,而NiCo_2O_4比电容值仅为86. 1F/g。因此,与煅烧后的NiCo_2O_4材料相比,Co(OH)_2/Ni(OH)_2复合材料具有更加优良的电化学性能,这为高性能超级电容器材料的制备提供了一个新思路。     

焙烧温度对氧化锌纳米棒光催化生产H2O2活性的影响

过氧化氢作为一种对环境友好的、重要的化学原料,被广泛用于化学工业、漂白剂和废水处理等领域.近几十年来,过氧化氢主要通过蒽醌工艺生产.然而,该方法需要多步蒽醌加氢和氧化反应,导致较高的生产成本和能量消耗,同时伴随着大量的二氧化碳排放.另一种替代策略是在贵金属催化剂的辅助下,由氢气和氧气的混合气体在高温下直接合成.但是,氢气和氧气的混合气体在高温下存在爆炸的危险,从而限制了其大规模应用.因此,探索一种低能耗、温和条件下生产过氧化氢具有重要的意义.太阳能驱动光催化生产过氧化氢是解决上述问题的理想途径.通常认为,过氧化氢是由直接双电子还原(E(O2/H2O2)=0.68 V vs.NHE)或间接单电子O2还原(E(O2/?O2?)=-0.33 V vs.NHE)产生的.氧化锌半导体具有很的稳定性好、环保和成本低等优点,因此经常被用于二氧化碳的光催化还原、污水处理和气体传感器等领域.氧化锌的导带电势(ECB=-0.5 V vs.NHE)比氧还原电势更负,意味着它在热力学上满足光催化过氧化氢生产的要求.然而,目前关于氧化锌的光催化生产过氧化氢的研究尚未受到较多的关注.本文采用简单的水热法制备了一维氧化锌纳米棒,在不同温度下热处理后,对其形貌和结构、光学性质和电化学性质进行了表征.同时,系统地研究了以乙醇为牺牲剂光催化生产过氧化氢的性能.结果表明,随着焙烧温度的升高,氧化锌纳米棒内部的氧空位被空气中的氧气重新填充,其催化生成过氧化氢的活性先升高后降低.经300oC焙烧的氧化锌光催化产过氧化氢的活性最好,为285μmol L-1 h-1.同时,对过氧化氢的生成机理研究结果表明,该过程中为间接单电子O2还原过程.氧气先与一个电子反应生成超氧自由基,再与两个质子和一个电子反应生成过氧化氢分子.综上,本文为氧化锌纳米棒光催化产过氧化氢的机理研究提供了新认识,并提出了一种有前途的过氧化氢生产策略.