电化学制备异质二氧化钛结构增强其在光电分解水中转化效率（英文）

本文描述了一种利用电化学方法合成第二型异质二氧化钛纳米棒结构的方法,这种纳米棒由部分还原的黑色二氧化钛和原始的白色二氧化钛组成.这种异质结结构的半还原的二氧化钛纳米棒与原始的白色二氧化钛和完全还原的黑色二氧化钛纳米棒相比,展现出更好的光电催化性能.这可归结于这种条件下合成的纳米棒具备的协同作用.一方面,这类结构增强了整个太阳光光谱的利用率.底层的黑色二氧化钛能够大量吸收可见光,而上层的白色二氧化钛能够较好的利用太阳光中紫外光的部分.另一方面,因为形成了第二型异质结结构,电荷的激发分离和传输得到了有效的控制.这种简单的制备方法可进一步拓展合成其他金属氧化物,来进一步研究光电分解水的性能.本文利用传统的三电极系统:0.05 mol/L的硫酸作为电解液,在加–0.5 V的偏压下进行.相比与已报道的还原手段,该电解液中质子的浓度相对比较低,可以保证这个还原过程逐步发生.电化学还原曲线可以明显反映二氧化钛还原的过程,尽管从扫描电子显微镜中很难观察到响应的区别,但是在该过程中,电极片的颜色发生了明显的变化.相应的,我们将这个系列的电极进行了光学和晶体学的研究,发现其在还原过程中,能带能够逐步减小.而在X射线衍测试当中,仅最终完全还原的得到的样品在20度左右出现两个额外的峰,可归结为还原状态的二氧化钛.电化学扫描进一步测试其能带的相应位置,证明了黑色被还原的二氧化钛和白色的原始二氧化钛是同时存在的.最后将这个系列光电极光电催化分解水的性能进行了比较,发现在同等的测试条件下,形成异质结结构的二氧化钛具有最高的光催化效率,其值大约是白色二氧化钛的三倍,同时也比纯黑的二氧化钛增长了20%左右.另外,异质结结构的二氧化钛与黑色的相比,在可见光区域有相同的效率的同时具备更好的紫外光转化效率.最后,我们分析了异质结形成以后的相对应的能带结构,该结构能够更好的促进光吸收和转化.     

二氨基马来腈共聚合改性氮化碳光催化剂

利用二氨基马来腈(DMNA)与二聚氰胺(DCDA)的高温共聚合反应, 制备了石墨相氮化碳 (g-C₃N₄), 并通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、透射电镜 (TEM)、氮气吸脱附实验 (N₂-sorption)、电子顺磁共振 (EPR)、紫外-可见漫反射光谱 (UV-Vis DRS) 和荧光 (PL) 光谱等表征手段,系统考察了共聚合改性对g-C₃N₄晶体结构、化学结构、能带结构、织构、光吸收性能和光催化性能等的影响.研究结果表明:共聚合改性后氮化碳材料仍保持石墨相晶体结构, 但其π电子的离域性增强, 并在催化剂表面产生异质结构, 进而提高了氮化碳在可见光区域的光吸收性能, 并促进了光生载流子的有效分离. 性能评价结果显示, DMNA改性的氮化碳在可见光下光催化产氢活性明显高于未改性的样品, 当DMNA用量为0.01g时, 催化剂的产氢速率最高, 达到45.0 μmol·h^-1, 为纯氮化碳样品的4.5倍.     

TiO2光催化剂的光谱研究

采用sol-gel法制备了纳米TiO2光催化剂,运用FTIR,FT－Ranam,DSR等光谱技术对催化剂进行了表征,以光催化解油酸作为模型反应考察光催化活性。实验结果表明,催化剂的烧结温度对催化剂的晶相结构、半导体能带结构、光吸收性能及光催化活性均产生显著的影响,当烧结温度为400℃时,TiO2光催化剂具有最好的表观吸光度,最大的吸收带边,以及最佳的光催化活性。     

高温氮化热聚合法制备氮化碳框架材料用于可见光光催化反应

石墨相氮化碳是一种聚合物半导体材料(带隙宽度约为2.7 eV),具有独特的和可调控的光学和电子性质,能够作为半导体光催化剂用于驱动一系列光催化反应,在能源和环境领域具有潜在应用前景.利用简单的热聚合法,在空气或氮气中高温焙烧(500？700 oC)富氮前驱体可以合成氮化碳聚合物.通常,这些富氮前驱物含有三嗪单元(如三聚氰胺和三聚硫氰酸原料)或在热聚合过程中会生成三嗪单元(如氰胺和二聚氰胺原料).由于热聚合反应过程受到反应动力学限制,氮化碳半导体材料的聚合度和结晶度不高,且比表面积较小,使其在光催化反应过程中存在传质作用差、激子结合能高和光生载流子复合严重等问题,不利于光催化反应进行.本课题组发展了氮化碳光催化剂的合成新方法(高温氮化),该方法抑制了热聚合过程中三嗪中间体的快速分解,促进了氮化碳的聚合.我们将所制备的催化剂用于光催化分解水产氢反应,发现高温氮热反应制备的氮化碳样品(CNC)的催化性能显著优于传统氮化碳.傅立叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和13C固体核磁共振谱(13C NMR)的表征结果表明, CNC光催化剂具有与传统氮化碳类似的化学结构和组成(七嗪基本结构单元).然而,对于高温氮化热聚合方法制备得到的七嗪基氮化碳聚合物光催化性能增强的原因并不清楚.基于此,本文采用X射线粉末衍射(XRD)、场发射透射电镜(FE-TEM)、原子力显微镜(AFM)和比表面积(BET)测试等手段研究了不同制备方法得到的氮化碳基光催化剂在可见光光催化分解水产氢反应中催化性能差异的原因. XRD结果表明, CNC系列样品的XRD谱与体相氮化碳相似,具有石墨相氮化碳特征的层间堆积(002)衍射峰和面内重复单元(100)衍射峰.与传统石墨相氮化碳相比, CNC在27o附近的衍射峰发生明显偏移.其(002)晶面衍射峰从27.5o增大到27.8o,使(002)晶面间距从0.325 nm减小到0.322 nm.进一步观察发现, CNC系列样品与体相氮化碳相比,其衍射峰出现明显窄化,且衍射强度增加,表明由高温氮化热聚合法制得的产物具有更好的结晶度.通常,半导体晶体结构缺陷会阻碍光生载流子的快速迁移和分离,提高氮化碳聚合物的结晶度可有效改善其光催化氧化还原反应. TEM结果表明,传统石墨相氮化碳是由大块的(厚重的)片层堆积形成,而高温氮化合成的CNC-3则是由纳米薄片组成,这种形貌差异可能是因为活性前驱体(氨气和三聚氰氯)的使用改善了反应动力学过程.另外, CNC-3纳米片上有一些地方发生卷曲,这种卷曲能够有效减小纳米片表面张力,降低其表面能,使纳米片结构稳定存在,类似于石墨烯中的碳卷曲行为. CNC-3的AFM结果进一步证实形成了纳米片结构,其厚度均匀,约为3–6 nm.我们构筑的这种纳米薄片结构具有高度敞开的平面结构,有利于光生电子-空穴从体相迁移到表面,可有效提高半导体的光催化性能. BET结果表明, CNC系列样品的比表面积均比传统g-C3N4的比表面积大,且随焙烧温度升高而增大. CNC光催化剂增大的比表面积改善了多相光催化反应的传质扩散过程,增加了表面反应活性位,有利于提高氮化碳聚合物的光催化活性.     

Pt助剂对N掺杂TiO2可见光光催化性能的影响

考察了Pt促进的N掺杂TiO2(Pt/N-TiO2)催化剂对光催化降解有机污染物性能的影响及其作用本质.采用X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、光电化学和荧光光谱等手段对催化剂进行了表征,并考察了样品在可见光下光催化降解甲基橙(MO)的反应性能.结果表明,Pt的存在并未明显改变N-TiO2的晶...     

石墨相氮化碳纳米管的合成及光催化产氢性能

通过硬模板法,采用氰胺前驱物和二氧化硅纳米管(SiO₂-NTs)模板,合成石墨相氮化碳纳米管(CN-NTs)光催化剂。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、氮气吸附/脱附测试、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱、热重分析(TGA)等手段对CN-NTs催化剂的结构与性能进行表征。结果表明,CN-NTs的化学组成是石墨相氮化碳(g-C₃N₄),形貌为均匀的纳米管,且是介孔材料。与体相氮化碳(B-CN)和介孔石墨相氮化碳(mpg-CN)相比,CN-NTs的光吸收带边蓝移到440 nm,荧光发射谱的峰强减弱。在可见光(λ>420 nm)照射下,CN-NTs具有较高的光催化分解水活性,产氢速率为58 μmol/h,且表现出良好的光催化活性稳定性和化学结构稳定性。研究结果表明纳米管状结构能有效促进g-C₃N₄半导体激子解离,提高光生电子-空穴的分离效率,进而显著优化g-C₃N₄的光催化产氢性能。     

自清洁陶瓷光催化降解油酸特性的研究

制备了表面镀有ＴｉＯ２薄膜的自清洁陶瓷．利用ＸＲＤ、ＡＥＳ和原位光催化反应等方法研究了其光催化降解油酸的特性,考察了热处理条件、膜厚度、光照时间和陶瓷表面油酸浓度等光催化膜制备与反应条件对自清洁陶瓷光催化活性的影响．研究结果表明．油酸光降解为动力学一级反应;自清洁陶瓷的光催化活性决定于负载光催化膜的晶相组成、晶粒大小及其比表面积．     

氮化碳光催化分解水的研究进展

近年来,以氮化碳为代表的不含金属组分光催化材料逐渐成为国际光催化研究的热点之一.本文从氮化碳材料光催化分解水的构-效关系出发,围绕共聚合氮化碳、结晶相氮化碳和氮化碳光电催化等3个方面,综述提升氮化碳光吸收能力、增强电荷迁移与分离效率等性质的手段,并探讨将氮化碳材料与光电催化体系耦合的方法.最终,对氮化碳材料在光催化分解水的研究现状与发展趋势进行分析与总结.     

国内光催化研究进展简述

分1975~1985, 1985~1995和1995~2012三个时期简要介绍了国内光催化研究进展, 主要侧重于光催化材料及其改性、应用和反应机理方面的研究进展, 并指出了当前光催化领域存在的一些重要问题和未来的发展趋势, 涉及到光解水、CO₂还原、环境净化和选择性有机合成等方面.     

氮化碳光催化分解水研究进展

光能取之不尽用之不竭,利用光催化技术分解水解制氢被认为是解决能源与环境问题的有效手段之一。2009年,氮化碳聚合物半导体实现了光催化产氧与产氢水分解半反应,打破了人们对有机聚合物半导体不宜作为光催化材料的传统认识。氮化碳材料由碳、氮两种元素构成,廉价易得,且光化学性质稳定。近年来,以氮化碳为代表的不含金属组分的光催化材料逐渐成为国际光催化研究的热点之一。本文将从氮化碳材料的光催化分解水的构-效关系出发,围绕共聚合氮化碳、结晶相氮化碳和氮化碳光电极,讨论氮化碳材料在光催化分解水的研究现状与发展趋势。