MgAl-LDH强化Bi单质等离子体光催化性能的机制

通过液相超声辅助组装的方式将铋纳米球(Bi-NPs)均匀负载于层状氢氧化镁铝(MgAl-LDH)纳米片上,成功合成Bi@MgAl-LDH复合光催化剂.该催化剂在光照射下,可通过Bi单质等离子体效应连续高效氧化空气中ppb(十亿体积气体中所含污染物体积)浓度量级的NO(去除效率可稳定在56%).采用X射线衍射仪(XRD)、电子扫描显微镜(SEM)和紫外可见漫反射光谱(UV-visDRS)等手段对催化剂物相、形貌、化学组成和光学性质进行了表征分析,结合电子顺磁共振(ESR)氧化自由基捕获实验并采用原位红外光谱技术对光催化氧化NO过程进行动态监测发现,虽然MgAl-LDH作为载体没有与Bi球形成异质结结构,但其表面富含丰富的氢氧根离子,能与Bi球上光激发产生的空穴快速结合,形成·OH自由基;而光生空穴的快速消耗又能降低其与光生电子的复合,增强光电分离,促进超氧自由基形成,通过这两方面的协同作用增强了Bi球对NO的光催化氧化效果.更重要的是,LDH具有独特的水分子记忆效应,在光催化过程中被消耗的氢氧根离子可通过吸附空气中水分而不断补充,促使催化活性的稳定高效.本文的研究结果为Bi单质基等离子体直接光催化降解气相污染物性能强化提供了新的策略,同时对光催化反应机制的研究提出了新的思路.     

微结构优化与GO耦合大幅提高(BiO)_2CO_3可见光催化性能

以柠檬酸铋、无水碳酸钠和氧化石墨烯(GO)为原料,采用一步水热法合成(Bi O)2CO3与GO复合的新型三维(3D)分级结构光催化剂(BOC-GO).通过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱、表面积测定、紫外可见漫反射光谱和荧光光谱对样品进行表征分析.结果表明,(Bi O)2CO3微球分散在GO薄膜上,形成了新颖的3D分级结构.这种特殊的新结构作为光催化剂,在可见光照射下对ppb级NO(1ppb=1μg/m3)表现出了大幅增强的可见光催化活性和良好的光化学稳定性,远高于(Bi O)2CO3以及其他可见光催化剂.BOC-GO优异的活性可归因于3D分级结构与GO的耦合.一方面(Bi O)2CO3微球特殊的3D分层结构,既能诱导入射光产生多次的散射和反射效应,增加对可见光的捕获利用,也能促进光催化过程中反应物和中间产物的快速转移和运输,为催化剂提供更多的活性位点;另一方面归因于GO自身优越的电子迁移能力,能够将(Bi O)2CO3的导带电子迅速转移和运输,从而促进(Bi O)2CO3上电子-空穴对的有效分离.将光催化剂自身微结构优化与GO耦合是一种大幅提高可见光催化性能的新方法.     

Ag/AgCl-LaCO3OH纳米棒可见光催化净化NO的性能增强及反应机理

采用化学沉淀法制备三元Ag/AgCl-LaCO_3OH纳米棒光催化剂.将Ag/AgCl引入LaCO_3OH(LCO)纳米棒后,可同时实现光吸收范围紫外光区拓展至可见光吸收和光生载流子的高效分离.可见光照射下,金属Ag单质等离子共振(SPR)效应诱导电荷-空穴有效分离,使其热电子传输至LCO样品缺陷能级.随后表面O_2捕获光生电子产生超氧自由基·O_2-,该自由基对氧化NO过程起主导作用.空穴可以迁移至AgCl表面与Cl~-相互作用转化Cl~0,直接参与氧化NO后再还原为Cl~-, Cl~-再与Ag~+结合生成AgCl,有效避免了AgCl的光腐蚀.优化过后的Ag/AgCl-LaCO_3OH纳米棒复合材料的可见光净化NO去除率高达54.0%,远高于纯的LCO(3.1%)和Ag/AgCl(8.0%)的可见光催化性能.利用原位红外光谱实时动态监测Ag/AgCl-LaCO_3OH光催化氧化NO的反应过程,结合自由基捕获结果,从分子层面揭示其反应机理,并提出Ag/AgCl-LaCO_3OH光催化性能增强机制.本研究结果对等离子体基半导体复合材料光催化反应机理及环境净化应用提供新的认识.     

可见光诱导Ag/AgX等离子体光催化净化NO的性能与机理

贵金属纳米颗粒的表面等离子共振效应使之在可见光区表现出显著的特征吸收.在可见光的诱导下,银/卤化银(Ag/Ag X,X=Cl,Br,I)复合物在污染物净化中表现出了优良的光催化性能.本研究采用室温沉淀法制备了Ag/Ag X等离子体光催化剂,对催化剂的微结构和光学性质进行了表征分析.将制备的Ag/Ag X应用于光催化净化空气中NO,Ag/Ag Cl因具有更强的等离子体效应和更高的电荷分离效率而表现出较高的光催化性能.运用原位红外光谱动态监测了Ag/Ag Cl光催化净化NO的反应过程,从分子层面揭示了Ag/Ag Cl等离子体可见光催化氧化NO的反应机理.本研究为贵金属基等离子体光催化剂的作用机理及空气净化应用提供了新的认识.     

K掺杂C_3N_4的原位合成、禁带结构解析及其可见光催化性能增强机制

以硫脲和碘化钾为原料,采用热聚合法合成了K掺杂g-C_3N_4光催化剂(CN-K),通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线能谱(XPS)、比表面积(BET)、紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)和荧光光谱(PL)等对样品进行微结构表征分析,并在优化晶体结构模型基础上,采用第一性原理计算模拟并解析能带结构和态密度分布.结果表明,掺杂K离子与N形成K–N键,并存在于g-C_3N_4层间.在可见光照射下对ppb级NO表现出了显著增强的可见光催化活性和良好的光化学稳定性.CN-K优异的活性可归因于K掺杂作用对g-C_3N_4电子结构的调变.K掺杂作用调节禁带位置,价带与导带的位置均下移,其中导带下移幅度高于价带,使催化剂禁带宽度减小,因此拓宽了光响应范围,使其可见光区域吸光能力增强;K掺杂使光生载流子的分离效率增加;K掺杂g-C_3N_4比纯g-C_3N_4的价带位置更正,K的掺杂作用使其光生空穴的氧化能力增强.本文阐明了K掺杂g-C_3N_4改性作用机理以及其可见光催化净化NO的机理.本文为光催化剂碱金属改性降解污染物提供了新的认识.     

(BiO)_2CO_3和N掺杂(BiO)_2CO_3分级微球可见光催化氧化NO机理的原位红外光谱

通过一步水热法分别合成了(BiO)_2CO_3和N掺杂(BiO)_2CO_3分级微球光催化剂,并将制备的催化剂应用于低浓度NO的净化.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外可见漫反射光谱仪(UV-vis DRS)等表征手段对催化剂微结构进行表征分析.利用原位红外技术对样品可见光催化氧化NO的反应过程进行实时动态检测分析,结合电子自旋共振(ESR)对自由基的捕获结果,提出了其反应机理.结果表明,相较于纯(BiO)_2CO_3,N掺杂(BiO)_2CO_3的反应过程中生成了中间产物NO+,使得其反应路径与机理与纯(BiO)_2CO_3不同,且中间产物的存在提高了反应速率与效率.同时N原子原位取代(BiO)_2CO_3表面的O原子,改变了其表面结构,产生了更多氧缺陷作为活化NO的反应位点,提高了反应效率.本文对于光催化反应过程研究和光催化剂结构优化提供了新思路.     

NiO/TiO2纳米纤维的制备、表征及光催化性能

采用静电纺丝和程序升温焙烧的方法制备了NiO/TiO₂纳米复合光催化剂. 利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、紫外可见漫反射光谱(UV-vis DRS)等测试技术对样品的结构与性能进行了表征, 并研究了该催化剂在可见光下对有机染料罗丹明B催化降解反应的活性. 结果表明, 合成的NiO/TiO₂复合纳米材料尺寸均匀, 该催化剂相对于纯的TiO₂具有更强的紫外光吸收性能, 煅烧温度为600℃时, NiO/TiO₂的光催化活性最高. 而且, 该催化剂也可被循环使用, 这使得该复合光催化剂具有广阔的应用前景.     

棒状石墨相氮化碳的制备及可见光催化性能

利用太阳能光解水制氢和降解有机污染物对解决能源和环境问题具有重要意义.本文通过"由上到下"水热法处理块状石墨相氮化碳(g-C_3N_4),得到棒状g-C_3N_4.采用X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见漫反射光谱(DRS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、荧光光谱(PL)和比表面积测试(BET)等分析手段对棒状g-C_3N_4进行了表征.结果表明,棒状g-C_3N_4为长约2.4μm,宽约45 nm的棒状结构,该结构能增大g-C_3N_4的比表面积;同时观察到光生电子-空穴对的复合几率降低,并且由于缩聚程度的不同可能会影响能带结构.以可见光光催化降解亚甲蓝水溶液和光解水制氢的实验结果为依据评价了棒状g-C_3N_4的可见光催化活性,棒状g-C_3N_4的活性远优于块状g-C_3N_4.     

封面说明

正低浓度NO是环境大气中的主要污染物之一,是产生PM2.5的重要前驱体.传统的热催化、吸附和吸收等技术不适用于低浓度NO的净化.等离子体光催化是一种净化NO的绿色技术,具有广泛的应用前景.但等离子体光催化净化NO的反应机理受到研究手段的限制未能充分揭示.为了从分子层面理解该反应机理这一关键科学问题,董帆课题组运用装载了光催化反应仓的原位红外光谱,模拟并动态监测了在可见光照射下,Ag/     

TiO_2@SiO_2负载MnPcS光催化降解有毒有机污染物

以正辛胺(n-octylamine,OA)为模板通过溶胶-沉淀法制备了TiO2@SiO2.以TiO2@SiO2为载体负载磺基锰酞菁(manganese phthalocyanine tetrasulfonic acid,MnPcS),制备了MnPcS-TiO2@SiO2复合体光催化剂.通过X射线衍射(XRD)和紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)对催化剂进行了表征.在可见光(λ420nm)照射下,以催化剂对有机染料罗丹明B(Rhodamine B,RhB)的催化降解和对无色小分子邻苯二胺(o-phenylenediamine,OPDA)的催化氧化为探针反应,探讨了MnPcS-TiO2@SiO2的光催化降解特性.通过对RhB降解过程中总有机碳(CODCr)的跟踪测定,评价了光催化对有机污染物的深度氧化(矿化)效果;以顺磁共振(ESR)测定RhB降解过程中氧化物种的变化,研究了光催化反应机理.结果表明,在实验条件下,MnPcS-TiO2@SiO2复合体光催化剂对RhB具有较好的光催化降解效果,可见光照240min能使RhB完全褪色,光照24h后RhB的CODCr去除率达到64.02%.ESR结果表明,降解过程主要涉及羟基自由基(·OH)和超氧自由基(O2-·)的氧化机理.     

缺陷型石墨相氮化碳光催化剂的制备与应用研究进展

半导体光催化剂是解决环境污染和能源危机的有效途径之一.石墨相氮化碳(g-C_3N_4)作为一种新兴的高效催化剂,具有较好的稳定性,在光催化技术中展现出巨大的工程应用潜力.然而,未经改性的g-C_3N_4可见光响应范围有限,并且光激发电荷载流子复合速率高,从而导致光催化活性较低.通过向g-C_3N_4中引入缺陷,可以扩展光响应区域,并作为电子空穴激发的活性中心,提高光催化性能.本文在实验和理论研究进展的基础上,系统地综述了缺陷g-C_3N_4的合成方法、缺陷位点对g-C_3N_4的影响以及其在水处理中的应用,如抗生素、有机农药的降解及降低重金属毒性等处理方面,还有在水分解、二氧化碳转化及光催化脱氮上的应用.最后,针对缺陷g-C_3N_4应用所面临的挑战,本文从机理探索和材料开发两方面提出了展望.     

石墨型C_3N_4在泡沫陶瓷表面的原位负载及可见光催化空气净化应用

g-C3N4是一种具有广泛应用前景的无金属可见光催化剂.为了实现g-C3N4在载体表面的有效负载,本研究以二氰二胺为前驱体,通过溶解-再结晶-热处理原位负载工艺,利用g-C3N4和Al2O3之间的独特物理化学作用力,实现了Al2O3泡沫陶瓷上g-C3N4的牢固负载.用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、比表面积测定、紫外可见漫反射光谱和荧光光谱对样品进行表征分析.系统研究了热处理时间对样品微结构和光催化性能的影响.结果表明,当热处理时间为4 h时,负载型g-C3N4具有最优的NO去除率,达57.9%.这可归因于其较大的比表面积和较高的电荷分离效率.本文提供了一种基于光催化剂与载体相互作用的原位负载技术,为g-C3N4在空气净化的实际应用提供了技术支持和理论依据.     

氧空位TiO2高效光催化氧化甲醛及其反应路径

通过采用一步煅烧法制备得到含大量表面氧空位的二氧化钛(TiO_2),将其应用于典型空气污染物甲醛的治理.结果表明,在流动体系的测试环境中,甲醛的最大有效去除率可达95.05%,相比于本底样品(72.52%)提高了1.31倍.研究表明,含氧空位的TiO_2不仅可以增强光吸收范围,还可以利用氧空位捕获光生电子,有效地抑制光生电子和空穴的复合,进而提高光催化活性.通过原位红外光谱对催化剂降解甲醛的反应过程进行实时动态监测,结合密度泛函理论(DFT)计算,表明TiO_2表面的氧空位可以有效地增强甲醛分子的吸附活化,存在的大量离域电子可以注入到甲醛分子中的C=O键并使其活化断裂,从而有效地减少甲醛氧化过程中甲酸的积累,加快甲醛的高效氧化去除.本研究通过分析含氧空位TiO_2对光催化甲醛氧化反应过程的影响,为光催化材料表面缺陷设计和光催化治理气相污染物提供了新的思路.     

可见光诱导TiO2光催化的研究进展

TiO2具有稳定性好、光效率高和不产生二次污染等特点,被认为是最有应用前景的光催化剂.通过金属及非金属掺杂改性的方法可以将只能UV光激发的TiO2光催化反应红移到可见光区域进行,也可以利用表面络合或染料敏化的途径实现可见光光催化反应.本文介绍了国内外在可见光TiO2光催化研究方面的最新进展.     

拉曼光谱技术在二维半导体光催化剂异质结研究中的应用

高活性光催化剂的设计是高效利用太阳能的有效手段，其中二维(2D)半导体光催化剂因其独特的物理化学性质，在光催化研究中有着较大优势。构筑异质结具有改变二维半导体能带结构、抑制光生载流子复合等作用，是一种高效的二维半导体光催化剂的设计方法。拉曼光谱技术因其探测时间短、可原位、无损检测以及样品制备简单等优点，在半导体材料研究中的应用逐渐增多。文章介绍了拉曼光谱技术的基本原理，并对近年来二维半导体光催化剂设计的有关研究进行整理，综述了拉曼光谱技术在二维半导体光催化剂异质结研究中的应用，为新型二维半导体光催化剂的设计奠定了技术基础。     

负偏压作用下TiO2膜电极光催化降解染料MG的机理研究

为了揭示TiO₂光催化降解染料的反应机理, 研究了可见光照射下染料孔雀绿的光电催化降解过程, 同时采用扫描电子显微镜与X射线衍射对自制的TiO₂膜电极进行了表征. 通过紫外-可见吸收光谱、总有机碳与电子自旋共振(ESR)技术等, 检测了不同条件下染料降解的动力学及矿化, 外加偏压对光电流的影响, 偏压诱导染料的吸附, 电子在TiO₂电极中的积累, 各种添加剂如苯醌等对降解动力学的影响及活性氧自由基的形成. 结果表明, 通过调节外加偏压与染料的荷电性质可以控制染料与TiO₂电极表面的作用. 阳离子型染料MG在可见光及负偏压作用下发生有效矿化, 而正偏压作用时主要以脱甲基为主. 在负偏压−0.4 V (vs SCE) 的作用下, TiO₂电极与电解液界面同时形成了超氧自由基与染料正离子自由基, 而且这两种自由基的存在对可见光诱导光催化中染料的矿化起着至关重要的作用.     

水华蓝藻中微囊藻毒素的提取及其光催化降解

微囊藻毒素(MCs)广泛产生于水华蓝藻中.本研究从太湖水华蓝藻中提取出MCs,发现主要成分为MC-RR.经多级分离和半制备色谱提纯制备得到MC-RR纯品.用水热法合成了钨酸铋(Bi2WO6)催化剂,并对其进行了X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积(SBET)、等电点pH(pHZPC)等表征.利用不同pH条件下制备的Bi2WO6,在近紫外光照射下对MC-RR进行光催化降解,发现在酸性条件下制备的Bi2WO6有较强的降解效果.同时发现,Bi2WO6对MC-RR的降解以空穴直接氧化为主.     

新型AgBr/BiOBr光催化剂的沉积-沉淀法制备、活性与机理

利用沉积-沉淀法将AgBr负载到BiOBr载体上,制备了新型的AgBr/BiOBr复合光催化剂.采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)和紫外-可见漫反射光谱仪(DRS)对AgBr/BiOBr进行了表征.结果表明,AgBr/BiOBr由面心-立方相的AgBr和四方晶系的BiOBr颗粒构成,其中所负载的AgBr颗粒的平均晶粒尺寸小于28.5 nm.随着AgBr含量的增加,AgBr/BiOBr在可见光区的吸收带边发生红移.光催化实验表明,AgBr/BiOBr在可见光下(>420 nm)可以有效降解甲基橙溶液,当AgBr与BiOBr的摩尔百分比为50%时,AgBr/BiOBr具有最大催化活性,甲基橙的降解速率常数kapp为0.00619 min 1.机理研究表明,.O2在降解甲基橙过程中为主要活性物种,AgBr/BiOBr的催化活性增强主要归结为AgBr与BiOBr之间形成的异质结作用.     

可见光诱导TiO2光催化的研究进展

TiO₂具有稳定性好、光效率高和不产生二次污染等特点, 被认为是最有应用前景的光催化剂. 通过金属及非金属掺杂改性的方法可以将只能UV光激发的TiO₂光催化反应红移到可见光区域进行, 也可以利用表面络合或染料敏化的途径实现可见光光催化反应. 本文介绍了国内外在可见光TiO₂光催化研究方面的最新进展.     

夹心型多酸修饰TiO_2在染料敏化太阳能电池中的应用

染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为一种新型的光学器件近年来受到广泛关注.然而,光生电子-空穴复合严重影响染料敏化太阳能电池的光电转化效率.多金属氧酸盐(POMs)具有优良的光电化学性质,能够作为极好的电子萃取剂应用于染料敏化太阳能电池光阳极中.本文通过溶胶凝胶法将具有分子内电子转移特性的夹心型多酸化合物K_(15){K_3[(A-α-PW_9O_(34))_2Fe_2(C_2O_4)_2]}·29H_2O与TiO_2复合,制备POM@TiO_2复合光阳极.光学和电化学测试表明,其最低未占分子轨道(LUMO)能级(-0.06V)低于TiO_2导带,光学带隙为2.82eV.光伏性能测试表明基于POM@TiO_2/P25复合光阳极的DSSC效率达到了6.33%,相比于纯TiO_2光阳极电池(5.52%)提高了15%.电化学阻抗谱(EIS)、暗电流测试和开路电压衰减测试证明夹心型多酸化合物有效地抑制电子-空穴复合,增长电子寿命.入射单色光子-电子转化效率(IPCE)测试进一步证明此多酸的引入增强了单色光转化效率(从35%提高到53%).