半导体基异质结光（电）催化还原CO2研究进展

在实现碳中和可持续发展的进程中,CO₂捕获、封存和转化一直是学术界和工业界研究的重点．光（电）催化CO₂转化已被认为是解决能源短缺和缓解CO₂过量排放最有效的策略之一,同时有望实现太阳能经济和碳基经济．本文介绍了异质结催化剂在光（电）催化还原CO₂为燃料（如CH₄、C_nH_2n+1OH）或化学品（如HCOOH、CH₃COCH₃）领域的研究进展,重点综述了多种半导体基异质结体系对光（电）催化还原CO₂性能的影响,具体阐述了Ⅱ型、Z型、晶面异质结的电荷转移机制,还讨论了各类异质结体系的优势及存在的问题。为设计和合成具有出色的催化性能、优异的选择性和良好的稳定性的异质结催化剂提供新的见解．      

纳米ZnO的温和液相法制备及其光催化性能

以ZnCl₂作为锌源,采用液相法制备了由粒径约17 nm的氧化锌粒子组合而成的花状六方纤锌矿晶体结构的氧空位缺陷型ZnO纳米材料,对制备的ZnO纳米材料的结构、形貌和成分进行了表征,计算了其禁带宽度,并通过光催化降解亚甲基蓝研究了其光催化性能.结果表明:氧空位缺陷型ZnO纳米材料具有很好的结晶度和形貌,且禁带宽度为3.17 eV,低于普通ZnO的禁带宽度.当光催化降解亚甲基蓝溶液0.5、2.5 h时,降解率分别为20%和80%,降解速度是普通Ag纳米颗粒掺杂氧化锌的4倍,表明制备的氧空位缺陷型ZnO纳米材料具有优异的光催化性能.     

WO3/石墨烯的湿化学法制备及其室温光激发甲苯气敏性能

采用简单的低温化学合成法成功制备出WO₃/石墨烯纳米复合材料,该材料在室温下表现出极佳的光激发甲苯气敏性能。结果表明:石墨烯的加入会使WO₃片层尺寸减小到300 nm左右,同时会组装成球状结构。在复合材料中石墨烯与WO₃会以化学键结合,有效降低WO₃中氧空位的浓度。在蓝光激发下,WO₃/石墨烯复合材料对100 mL/m3甲苯的气敏响应性能比WO₃材料提高了3.3倍。该甲苯传感材料在易爆、易燃和有毒环境中有很好的应用前景。     

MnOx/Rh(111)模型表面的制备及其CO加氢催化性能研究

金属-氧化物载体界面在多相催化中起着至关重要的作用．本研究制备了MnO_x/Rh(111)模型表面，采用原位镜面反射红外吸收光谱(IRAS)、扫描隧道显微镜(STM)、俄歇电子能谱(AES)和低能电子衍射(LEED)对其进行表征，并考察其在真空高温退火处理下的稳定性和CO加氢催化性能．结果显示：在Rh(111)单晶上沉积了规整有序且热稳定性好的不同覆盖度的MnO_x薄膜，MnO_x在Rh(111)上逐层生长，并在亚单层时形成清晰的二维团簇；低覆盖度时MnO_x二维簇以MnO的形式优先生长在Rh(111)的台阶位，并大多呈三角形，在亚单层Rh-MnO_x界面周边估测的长度随MnO_x覆盖度呈火山型变化，在0.4～0.5 ML(单层)之间有最大值．Rh(111)表面上CO加氢反应主要生成甲烷，部分覆盖MnO_x后显著抑制甲烷的生成而乙醇的选择性显著提高，且MnO_x盖满单层以后表面的催化活性下降．这些结果表明Rh-MnO_x...     

氧空位调控BiVO4纳米片的制备及光解水制氧性能

采用水热和烧结方法制备了氧空位调控的BiVO₄纳米片。通过X射线衍射仪、电子自旋共振谱仪、透射电子显微镜、紫外-可见分光光度计、荧光光谱仪和光解水制氧系统研究了不同氧空位含量(O_V)BiVO₄纳米片的结构和光解水制氧性能。通过对氧空位含量的调控,实现了对BiVO₄纳米片的光吸收和光电性能的优化,极大提高了BiVO₄纳米片的光解水制氧效率。结果表明:引入氧空位后,BiVO₄纳米片在可见光区的光吸收明显增强,并且随着氧空位含量的增加,样品的吸收边发生明显红移。适量氧空穴的引入显著提高了光生电子和空穴的分离,从而提高光生电子的利用率。BiVO₄-O_V2纳米片的光催化产氧速率约433 μmol/(h·g),约为BiVO₄纳米片的10倍。     

氧原子补偿缺陷对Ni3S2(101)晶面析氧反应性能的影响

为深入了解催化剂中晶体缺陷对析氧反应(oxygen evolution reaction, OER)催化性能的影响，运用第一性原理研究S空位对Ni₃S₂(101)晶面的影响，并通过O原子补偿空位提高催化剂的催化活性.计算结果表明：空位的引入有利于OER过程中含氧中间体的吸附，但却严重阻碍了其解吸附，导致催化活性降低；当O原子通过替位掺杂对S空位进行补偿时，可有效改善催化剂活性位点的解吸附能力，使缺陷体系的催化活性得到大幅提高.本文所得结果为设计高效的Ni₃S₂基二维电催化剂提供了参考.     

钴基复合氧化物氧化降解甲苯的结构与催化性能

采用溶胶-凝胶法制备了钴基复合氧化物A-Co（A=Cu,Mn,Ce）,测定和评价了A-Co复合催化剂氧化降解甲苯的催化性能.结果表明,二元钴基复合氧化物氧化降解甲苯的催化活性均优于纯钴氧化物催化剂,其中,Ce-Co氧化物的t10和t90(分别为达到10%和90%的甲苯转化的温度)分别为221,238 ℃,催化活性最高.在240 ℃连续使用50 h,Ce-Co氧化降解甲苯降解转化率仍为99%以上,具有较好的催化稳定性.应用X射线衍射、氮气吸脱附、扫描电子显微镜、氢气程序升温还原和X射线光电子能谱等表征技术,研究了钴基催化剂的结构与催化性能的关系,在Ce-Co催化剂上形成的Ce⁴⁺/Ce³⁺和Co³⁺/Co²⁺氧化还原对促进了催化剂上氧的迁移,提高了表面氧的可还原性,在甲苯氧化降解过程中产生协同作用.     

镧钴钙钛矿催化剂制备及其催化氧化甲苯性能与机理

开发高效、稳定、经济的催化剂是催化氧化技术在消除气态VOCs中的核心问题.探究了溶胶凝胶形成温度和煅烧温度对最终制得的镧钴钙钛矿(LaCoO₃)催化剂的结构及催化氧化甲苯性能的影响,并研究其作用机理.结果表明,在以80℃为最佳溶胶凝胶形成温度、700℃为最佳煅烧温度的条件下,稳定制得的LaCoO₃催化剂在225℃下达到90%的甲苯转化率(甲苯浓度：436 mg/L,空速：22 500 mL/(g·h)),在98%甲苯转化率稳定运行24 h后,催化剂依然能保持完整结构.机理研究表明,在LaCoO₃催化氧化甲苯的过程中,催化剂上的氧物种能够直接参与到反应中,同时气相氧的加入可以促进甲苯在催化剂上的转化.     

全水解制氢用自支撑多孔NixFe–S/NiFe2O4异质结构双功能电催化剂

稳定的非贵金属双功能电催化剂是可再生能源驱动的波动全水电解面临的难题之一。本文在三维碳纤维布上电沉积制备了多孔Ni–Fe金属阵列,并在此基础上进行原位氧化和化学硫化,构建了一种新型的自支撑分级多孔Ni_xFe–S/NiFe₂O₄异质结构双功能电催化剂。研究结果表明,Ni_xFe–S/NiFe₂O₄异质结构催化剂对析氢反应(HER)和析氧反应(OER)都表现出良好的催化活性和稳定性,优异的催化性质与其大比表面积提供丰富的活性位点、异质结构的协同效应、超亲水表面和稳定的自支撑结构密不可分。分析结果证析氧过程异质结构中的Ni_xFe–S转化为金属氧化物/氢氧化物和Ni₃S₂。与商用20wt% Pt/C||IrO₂-Ta₂O₅相比,自支撑Ni_1/5Fe–S/NiFe₂O₄||Ni_1/2Fe–S/NiFe₂O₄在10-500mA/cm2的波动电流密度范围内表现出更好的稳定性和更低的槽电压。在500 mA/cm2的工业电流密度下,Ni_1/5Fe–S/NiFe₂O₄||Ni_1/2Fe–S/NiFe₂O₄的槽电压仅为约3.91 V,比Pt/C||IrO₂–Ta₂O₅ (约4.79 V)降低了约20%。     

2D TiO2/Ag3PO4异质结复合催化剂的制备及其光催化性能研究

采用溶剂热法制备了二维TiO₂纳米片（2D TiO₂）,然后通过原位生长法在其表面沉积Ag₃PO₄,得到2D TiO₂/Ag₃PO₄异质结复合光催化材料。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、紫外可见分光光谱法（UV-Vis）、X射线光电子能谱（XPS）、N₂吸附-脱附法（BET）等手段对催化材料进行了表征,评价了2D TiO₂/Ag₃PO₄在可见光下催化降解罗丹明B （RhB）的性能,并结合荧光和电化学测试结果,提出了2D TiO₂/Ag₃PO₄的可见光催化机理。结果表明,2D TiO₂/Ag₃PO₄的吸附-光催化降解性能随着Ag₃PO₄含量的增加而提高;少量H₂O₂可以极大地提高2D TiO₂/Ag₃PO₄的光催化活性;光催化降解RhB过程中的主要活性物质是·OH和·O^-₂,异质结的存在使2D TiO₂/Ag₃PO₄具有比2D TiO₂更优异的光催化活性、电荷分离能力和更快的光电子转移速率。     

空心绣球状MoS2/ZnS/ZnO异质结材料的制备及太阳光下降解四环素的研究

采用水热法制备绣球状ZnO纳米微球,再以其为晶核,通过原位生长及氨的渗入腐蚀成功制备了空心绣球状MoS₂/ZnS/ZnO异质结光催化材料。采用SEM、TEM、XRD、XPS、BET及UV-VIS对样品的形貌、组织结构、成分、比表面积及光吸收等性能进行了表征。探讨了空心绣球状MoS₂/ZnS/ZnO异质结材料的形成机制,研究了空心绣球状MoS₂/ZnS/ZnO异质结材料催化降解机理及四环素的降解过程。结果表明：尺寸均一、比面积大的空心绣球状MoS₂/ZnS/ZnO异质结材料不仅能实现宽窄带隙材料的有效杂化,促进材料对太阳光中可见光的利用,还能使光生电子及空穴分别转移至ZnO CB和MoS₂ VB中,有效地分离了光生电子空穴,光催化性能最佳。在太阳光模拟器的照射下反应2 h之后,8 h合成的空心绣球状MoS₂/ZnS/ZnO异质结材料对四环素的降解效果最好,降解率高达91%。     

SnO2(110)表面In掺杂对NO2气敏吸附性能提升的理论研究

为了阐明In的掺杂能提高SnO₂(110)表面气敏性能的反应机制,采用密度泛函理论研究了NO₂分子在In掺杂SnO₂(110)表面的吸附行为. 计算结果表明:In的掺杂可以提高材料表面的导电性,形成具有氧空位的缺陷表面,有利于发生活性氧在表面的预吸附过程. 掺杂的In_5c/SnO₂(110)表面对NO₂表现出良好的吸附性,对NO₂气体的选择性和灵敏度提高的主要原因是In掺杂后氧空位缺陷表面的形成. 此外,活性氧物种的预吸附对材料表面气敏性能的影响取决于NO₂在材料表面的具体吸附位点,其中Sn_5c位点的吸附促使电荷从表面转移到气体分子,导致表面电阻的增大以及氧空位的产生,从而表现出优异的气敏吸附性能.     

CeO2/Ti3C2/CdS Z型异质结复合物的制备及其光催化降解甲基橙

采用水热法制备了CeO₂/Ti₃C₂/CdS Z型异质结复合物，并对其进行了光催化降解甲基橙的研究.结果表明：制备所得CeO₂/Ti₃C₂/CdS复合物具有较大的比表面积，表现出较高的可见光催化降解活性.以Ti₃C₂为传输介质，CeO₂/Ti₃C₂/CdS Z型异质结复合物的形成促进了电荷的转移，有效抑制光生载流子的复合，增强了体系的氧化还原降解能力，加速了活性物种的产生，提高了体系对甲基橙的可见光催化降解性能.其中，CeO₂/Ti₃C₂/CdS-1∶3具有高的光催化活性.     

BiOBr/ZnFe2O4磁性纳米复合材料的制备与其光催化性能的研究

利用水热法分别合成了BiOBr、ZnFe₂O₄纳米晶体和BiOBr/ZnFe₂O₄磁性纳米复合材料.通过X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(SEM)分析了三种样品的结构和微观形态.分别以其为光催化剂,通过紫外-可见分光光度计(UV-3600)对有机污染物四环素(TC)的催化降解过程进行了记录,对三种样品的催化性能进行对比研究,并利用振动样品磁强计(VSM)对其磁学性能进行分析.结果表明,三种催化剂均能够有效降解有机污染物TC,BiOBr/ZnFe₂O₄磁性纳米复合材料的催化性能最强,并且可以进行磁回收,循环5次后仍保持优异的光催化性能.这项研究为光催化剂的性能优化提供了独特的思路,并在有机废水的处理方面具有广泛的应用前景.     

钛基体Ti4O7阳极在高盐体系下的电催化降解性能

针对高盐废水成分复杂、可生化性差等处理难题，采用等离子喷涂技术制备一种新型钛基体亚氧化钛电极——Ti₄O₇电极，对该电极性能进行全面评价，解释电极的失效机理，并将其应用于高盐体系下的有机物电催化降解过程，考察不同因素对降解效果的影响。结果表明：Ti₄O₇电极具备丰富的孔洞结构、较高的析氧过电位、优异的导电性能和良好的稳定性。高盐体系下，电流密度的提高会促进酸性红G染料降解，但单位能耗会显著增加；含盐量和pH值对降解效果的影响甚微，这也得益于亚氧化钛材料电极的稳定性能；在电流密度为15 mA/cm²、含盐量为1%、初始pH值为8.5时，降解效果最佳，120 min内脱色率为99.91%,化学需氧量(COD)去除率为71.88%。Ti₄O₇电极在高盐废水的电化学处理领域有良好的应用前景。     

钯单原子负载氮掺杂碳催化剂的制备及其室温催化甲醛水溶液制氢性能

以高温热解金属有机框架生成的氮掺杂碳材料(CN)为载体，钯单原子(Pd₁)为活性组分，制备负载Pd₁的催化剂(Pd₁/CN)。使用X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)对Pd₁/CN催化剂进行了结构和形貌表征，并评价了其在室温条件下催化甲醛产氢性能。结果表明：Pd₁/CN催化剂的制氢性能明显优于常规Pd纳米颗粒(NPs)和负载Pd纳米颗粒的Pd/CN。分析反应条件对产氢性能的影响发现，在1 mol/L NaOH和0.6 mol/L HCHO浓度下，Pd₁/CN催化剂30 min内的产氢量最高，可达54.5 mL,并表现出优异的循环稳定性。     

负载型Au/Al2O3系列催化剂的研究进展

负载型金催化剂作为一种新型催化剂,它优异的催化氧化性能引起越来越多化学工作者的关注.Au/Al₂O₃是催化剂制备中大量使用的典型氧化物载体.综述了近年来以Au/Al₂O₃为载体的系列Au/Al₂O₃催化剂的制备方法、催化性能及其活性中心结构的研究状况和发展趋势,讨论的主要反应包括CO低温催化氧化为CO₂、汽车尾气净化、含卤有机化合物的消除和甲烷催化燃烧.     

Bi2WO6-Cu2S复合材料的制备及其有机物降解应用

针对传统光催化剂可见光利用率低下以及体相/界面光生电子-空穴复合严重难题，利用水热法制备二维结构的Bi₂WO₆纳米片，为进一步改善光吸收，基于能级匹配原则，通过水热法在二维Bi₂WO₆纳米片表面原位生长Cu₂S构建Bi₂WO₆-Cu₂S异质结，基于二维Bi₂WO₆纳米片优良的压电性能以及Bi₂WO₆-Cu₂S异质结良好的光吸收及载流子传输性能，构建光-电-压电三种效应协同催化体系，探索最优降解实验条件，并成功用于水中罗丹明B的降解中。结果表明在光-电-压电效应协同作用下，设计的Bi₂WO₆-Cu₂S对罗丹明B的降解率在40 min内达到87%,为利用光电催化和压电催化的协同作用设计独特的异质结结构开辟了一条新途径。     

Ag/Co-OMS-2催化氧化邻二甲苯性能研究

采用氧化还原沉淀法和沉积沉淀法得到Ag/Co-OMS-2催化剂,并用于邻二甲苯的催化氧化.结果表明,Ag/Co-OMS-2催化活性高,其T₁₀₀,T₅₀,T₂₀分别为180,162,152℃,较OMS-2分别降低了30,32,35℃.各种表征结果表明,Co掺入OMS-2晶格中,使OMS-2发生晶格畸变.结构的改变增加了催化剂氧空位的含量、提升了其晶格氧的低温还原能力以及分子氧的活化能力.这些可能是Ag/Co-OMS-2催化活性高的原因,而且Ag/Co-OMS-2具有良好的稳定性.     

铜锰铈三元复合氧化物的共沉淀法制备及其甲苯催化氧化性能研究

选用共沉淀法制备了不同Cu/Mn/Ce摩尔比的铜锰铈氧化物催化剂,采用催化氧化法降解甲苯,对其理化进行了XRF、BET、XRD、H2-TPR表征。材料制备时在Cu/(Mn+Ce)摩尔比恒定的前提下用Mn元素取代Ce元素,考察其材料表征结果与催化降解甲苯性能之间的关系,研究发现加入的Mn元素将与Cu元素结合形成新的表面活性中心,并在CeO2的作用下高度分散,有利于催化剂上氧的移动性,从而提高催化剂催化氧化甲苯活性。结果显示,当Cu/Mn/Ce摩尔比为1∶1∶3时所合成催化剂催化氧化甲苯的性能最佳,T90为193℃。