在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu2O/g-C3N4异质结膜

近几十年来,光电化学分解水制氢作为一种洁净的、能持续利用太阳能的技术受到极大关注.在众多光催化材料中,p型半导体氧化亚铜(Cu2O)被认为是最有前途的可见光光电分解水材料之一.理论上,它的光能转换为氢能的效率可达到18.7%.然而,目前所报道的Cu2O光转换效率远远低于此值;同时,纯Cu2O在光照条件下的稳定性较差.研究表明,Cu2O与其它半导体复合可以增强其光电转换效率和提高稳定性.如Cu2O和能带匹配的石墨相氮化碳(g-C3N4)复合后,光催化性能和稳定性都有较大提高.但目前所报道的Cu2O/g-C3N4复合物几乎都是粉末状催化剂,不便于回收和重复使用.本文首先采用电化学方法在FTO导电玻璃上沉积Cu2O薄膜,采用溶胶凝胶法制备g-C3N4纳米颗粒材料,然后采用电化学法在Cu2O薄膜表面沉积一层g-C3N4纳米颗粒,得到了Cu2O/g-C3N4异质结膜.分别利用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和光电化学分解水实验分析了Cu2O/g-C3N4异质结的组成结构、表面形貌、光吸收性能及催化剂活性和稳定性.XRD和HRTEM表征显示,本文成功合成了Cu2O/g-C3N4异质结材料,SEM图表明g-C3N4纳米颗粒在Cu2O表面分布均匀,大小均一.可见光光电化学分解水结果显示,异质结薄膜的光电化学性能比纯的Cu2O和g-C3N4薄膜材料有极大提高.当在Cu2O表面沉积g-C3N4的时间为15 s时,得到样品Cu2O/g-C3N4-15异质结膜,其在–0.4 V和可见光照射条件下,光电流密度达到了–1.38 mA/cm2,分别是纯Cu2O和g-C3N4薄膜材料的19.7和6.3倍.产氢速率也达到了0.48 mL h–1 cm–2,且产氢和产氧的速率之比约为2,说明此异质结材料在可见光作用下能全分解水.经过三次循环实验,光电化学分解水的效率仅降低10.8%,表明该材料具有良好的稳定性.根据UV-Vis表征和光电化学性能对比,Cu2O/g-C3N4-15的光电性能最好,但其光吸收性能并不是最好,说明光电化学性能与光吸收不是成正比关系,主要是由于Cu2O和g-C3N4两个半导体相互起到了协同作用.机理分析表明,Cu2O/g-C3N4异质结薄膜在光照下,由于两者能带匹配,Cu2O的光生电子从其导带转移到g-C3N4的导带上,g-C3N4价带上的空隙转移到Cu2O的价带上,从而降低了光生电子和空隙的复合,提高了其光催化性能.由于g-C3N4的导带位置高于H2O(或H+)还原为H2的电势,Cu2O的价带位置低于H2O(或OH–)还原为O2的电势,所以在外加–0.4 V偏压和可见光照射条件下,Cu2O/g-C3N4能全分解水,光生载流子越多,光电化学分解水的速率越大.综上所述,在Cu2O薄膜上沉积g-C3N4后得到的异质结薄膜具有高效的光能转换为氢能性能.     

Bi_2WO_6/Bi-TiO_2复合光催化剂的制备及催化氧化甲醛性能研究

研究采用水热法制备了花状Bi_2WO_6与TiO_2和Bi-TiO_2相复合的光催化剂,并使用新型LED节能灯为光源催化氧化室内甲醛.研究发现,粉末态Bi_2WO_6显示出花状结构,但无光催化氧化活性,而将Bi_2WO_6粉末与TiO_2和Bi-TiO_2复合后,两者相互作用所形成异质结结构形态,尤其Bi_2WO_6/Bi-TiO_2催化剂,所制样品展示出更佳的催化氧化活性,而经浸渍法所得样品几乎无光催化氧化活性,催化剂随着TiO_2和Bi-TiO_2含量的增加,复合催化剂显现出不尽相同的氧化活性规律,其中Bi_2WO_6与Bi-TiO_2质量比为1∶2样品表现最佳,36 h催化氧化甲醛转化率高达92.2%,甲醛浓度低于我国居室空气中甲醛最高容许浓度,且催化剂显示出良好的稳定性及重复性.     

Bi2Fe4O9/g-C3N4/UiO-66三元复合材料的协同光催化作用

通过水热法合成具有协同机制的三元复合材料Bi₂Fe₄O₉/g-C₃N₄/UiO-66,研究表明三元复合光催化剂的催化活性要高于二元材料和纯材料。这主要是由于Bi₂Fe₄O₉更易于和g-C₃N₄结合形成稳定的Z-scheme异质结结构,使三元复合材料增强了可见光响应能力,提高了电子-空穴分离能力,增强了空穴和电子的氧化还原能力。     

基于水滑石前驱体制备ZnCr_2O_4-ZnO复合光催化剂及产氢性能

以研磨水热法合成ZnCr_2O_4-ZnO异质结型光催化剂,对所得样品进行了TG-DTA、XRD、SEM、HRTEM、DRS和N2吸附-脱附表征分析;在模拟太阳光下,以草酸为牺牲剂对样品的光催化产氢活性进行评价,并分别与共沉淀法、尿素回流法和尿素水热法制备的ZnCr_2O_4-ZnO样品进行比较,探讨了异质结型ZnCr_2O_4-ZnO复合光催化剂的产氢机理。结果表明,四种方法制备的Zn-Cr前驱体都具有一定的水滑石结构,经500℃焙烧后,均为球形纳米粒子,但团聚情况各异,比表面积和孔结构参数有较大差别。其中,研磨水热法所得样品ZnCr_2O_4-ZnO粒子均匀,光电流响应强度最大,产氢效率最高,为0.956 mmol/(h·gcat),分别是共沉淀法、尿素回流法和尿素水热法制备样品产氢量的2.3、1.5和3.0倍。     

MoS_2/TiO_2复合催化剂的制备及其在紫外光下的光催化制氢活性

为了研究复合光催化剂在光催化中的制氢效率,采用水热法制备了Mo S2纳米片,然后通过水热法在Mo S2纳米片上负载了TiO_2纳米颗粒,形成了Mo S2/TiO_2异质结复合催化剂。采用冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、拉曼光谱(Raman),X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构和光学性能表征并进行分析。通过光催化制氢测试对光催化剂进行评价,实验结果表明,在波长为365 nm的紫外光照射下,最高光催化制氢速率为1004μmol·h-1·g-1,对应的催化剂的Mo S2含量为30%,其催化速率远大于单一的Mo S2和TiO_2,表明Mo S2/TiO_2复合催化剂在紫外光照下能显著提高光催化产氢性能。基于Mo S2/TiO_2复合光催化剂优越的光催化产氢性能,本文对复合光催化剂的产氢机理做了研究和分析。     

WO3/g-C3N4异质结催化剂的制备及其氧化脱硫性能

以尿素和钨酸铵为原料采用浸渍法制备了金属氧化物三氧化钨（WO₃）与石墨相氮化碳（g-C₃N₄）异质结复合材料WO₃/g-C₃N₄。采用XRD、UV-vis、SEM、PL和XPS表征手段考察了催化剂的理化性质,发现WO₃与g-C₃N₄存在较好的相互作用和电子转移,保证了WO₃/g-C₃N₄本身所具有较高的氧化脱硫活性。以WO₃/g-C₃N₄作为催化剂,过氧化氢异丙苯为氧化剂,考察其光催化氧化脱硫性能,在反应温度80℃,O/S物质的量比为3.0的反应条件下,反应180 min,二苯并噻吩（DBT）转化率可以达到72.79%。通过游离基捕获实验,发现超氧自由基（·O₂^-）、电子（e^-）、羟基自由基（·OH）起到了促进反应速率的作用,并对该体系的反应机理进行了探讨。     

瓜环与2,2''''-联吡啶衍生物的相互作用

利用~1H NMR技术、紫外吸收光谱及荧光光谱方法,考察了对六、七以及八元瓜环与多种2,2'-联吡啶衍生物相互作用形成的主客体配合物结构及光学性质.研究结果显示,不同的2,2'-联吡啶衍生物与瓜环作用不仅形成多种不同包结比的稳定包结配合物,且所形成的主客体包结配合物的结构及光谱性质也各不相同;同时用几种方法协同考察起到了互为补充、互为验证的良好效果.     

β-环糊精/KI3包合物的制备及性质研究

研究了室温下β-CD/KI₃包合物溶液和固体的稳定性,以及固体的热分解性质,通过 ¹H NMR方法证实了KI₃与β-CD的包结作用,并用UV/Vis方法测定了形成常数。结果表明,通过β-CD的包结作用,可增加KI₃的稳定性。     

Bi2SiO5半导体光催化剂

Bi基半导体光催化剂具备独特的电子能带结构、可调节与可拓展的光谱响应范围、低毒及组成元素供给丰富等优点,使其成为高效、可实用型光催化剂的重要候选者。而Bi基非金属氧酸盐作为新型半导体光催化剂,其非金属氧酸根的表面修饰作用及高结晶性使其呈现出更加独特的光催化活性。本文简要介绍了Bi基半导体光催化剂的结构特性及近几年的研究进展,重点综述了Bi基非金属氧酸盐的一员--Bi₂SiO₅及其制备、异质结的构建和电子能带结构的研究进展,并对其今后的研究与应用方向作了进一步的展望。