倪紫琳
,
张文东
,
蒋光明
,
王小平
,
鲁贞贞
,
孙艳娟
,
李欣蔚
,
张育新
,
董帆
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62849-3
具有等离子体效应的贵金属Au和Ag等常被用于修饰半导体光催化剂.非贵金属Bi成本低,来源丰富,最近被报道可以直接作为等离子体光催化剂应用于空气中NO净化.为了进一步提高Bi单质的光催化活性,需对其进行改性.SiO2的禁带宽度过大,不能单独作为光催化剂,但它的稳定性好,比表面积大,因而常作复合材料用于提高光催化剂的反应效率、稳定性及对反应物的吸附能力.目前,尚未见SiO2修饰Bi单质的相关报道.本文通过溶剂热法制备了SiO2@Bi微球,并对其微结构进行了表征,对光催化氧化NO的反应过程进行了原位漫反射红外光谱(DRIFTS)分析,揭示了Bi–O–Si键在提升SiO2@Bi光催化氧化NO性能中的作用机制.结果显示,用SiO2纳米颗粒修饰Bi球,形成的Bi–O–Si键作为热电子传输通道,能显著提高Bi单质光催化氧化去除NO的能力.扫描电镜、透射电镜、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱等表征结果表明,SiO2纳米颗粒负载于Bi球上,且SiO2@Bi内形成了Bi–O–Si键.作为光生热电子的传输通道,Bi–O–Si键能促进光生电子的转移和载流子的分离,提高活性自由基?OH和?O2?的产量,增强SiO2@Bi在紫外光下等离子体光催化氧化NO的能力.自由基捕获测试(ESR)表明,SiO2@Bi在光催化反应中产生的?OH和?O2?数量均明显高于单质Bi在反应中形成自由基的数量.原位DRIFTS发现,Bi–O–Si键能快速转移光生电子,从而有利于NO→NO2→NO3?反应的进行.此外,SiO2@Bi的比表面积变大,因而对NO的吸附能力增强,同时促进了光催化反应.本文揭示了SiO2@Bi等离子体光催化性能增强的微观机制和光催化氧化NO的反应机理,为Bi基光催化剂的改性和应用提供了新的认识.
关键词:
SiO2@Bi金属
,
Bi–O–Si键
,
电子传输
,
原位漫反射红外光谱
,
光催化去除一氧化氮
黎经纬
,
傅敏
,
董帆
,
廖佳珍
,
边际
,
李红梅
,
刘红艳
人工晶体学报
以工业偏钛酸为前驱体、尿素为氮源,混合煅烧制备了不同氮含量的TiO2光催化剂(记为TiO2-xN-温度).用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、荧光光谱和紫外-可见光漫反射吸收光谱(UV-Vis/DRS)等对催化剂进行了表征.以亚甲基蓝为目标污染物,评价了样品的可见光光催化活性.结果表明,当催化剂中尿素与TiO2质量比为3∶1,煅烧温度为400℃(即TiO2-3N-400℃)时制得的样品活性最高.500 W的长弧氙灯照射4h,对亚甲基蓝降解率达到93.9％.
关键词:
二氧化钛
,
偏钛酸
,
氮掺杂
,
亚甲基蓝
,
光催化
段秋宴
,
傅敏
,
董帆
,
皮俊敏
,
郭寰
,
刘海涛
人工晶体学报
以工业TiO2为原料,在不同氨气浓度下采用热处理法制备了N掺杂的光催化剂.用XRD,TEM,XPS,UV-visDRS和PL等对其结构进行了表征,以亚甲基蓝为目标化合物,评价了其可见光催化活性.结果表明,当氨气浓度为99％时,工业TiO2在500℃下煅烧3h后,具有优良的可见光催化活性,对亚甲基蓝的去除率达到93％.当煅烧温度升高到600℃后,TiO2的晶相由锐钛矿向金红石转变,随着煅烧过程中氨气浓度的增加,所制备的催化剂对亚甲基蓝的降解显著增加.
关键词:
二氧化钛
,
热处理
,
光催化
,
亚甲基蓝
熊婷
,
张会均
,
张育新
,
董帆
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60980-9
半导体光催化技术是一种环境友好技术,它既能在温和条件下应用于环境领域——利用光能降解有机和无机污染物,又可应用于能源领域——将低密度的太阳能转化为高密度的洁净能源,因而在解决环境污染和能源匮乏问题方面展现出巨大的应用潜力.最近,一种新型Bi基光催化剂, BiOIO3,表现出优异的紫外光催化性能.它由层状[Bi2O2]2+和[IO3]?组装而成,带隙为3.1 eV左右.然而,其较大的带隙限制了其对太阳光的利用.近年来,多种方法如金属掺杂、非金属掺杂、半导体复合、光敏化改性和加氢处理被用来提高半导体的光催化效率.其中,以Ag/AgX (X=Cl, I和Br)作为助催化剂可提高体系的可见光吸收和载流子的分离能力,从而增强光催化性能.基于此,我们设计并合成了一种新型的三元光催化剂.首先采用水热法合成了BiOIO3纳米片,然后在室温条件下原位引进Ag/AgCl,制备了Ag/AgCl/BiOIO3三元异质结构.与Ag/AgCl和纯的BiOIO3相比,该三元Ag/AgCl/BiOIO3复合物光催化剂对NO表现出优异的可见光光催化去除性能.本文采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描式电子显微镜(SEM)、电化学测试(光电流和阻抗谱)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)等表征手段研究了Ag/AgCl/BiOIO3光催化性能增强的机制. SEM结果表明,制备的Ag/AgCl/BiOIO3三元复合物为纳米颗粒和纳米片形貌, Ag/AgCl的引入对BiOIO3形貌影响不大. XRD和XPS测试结果表明,与纯的BiOIO3相比,随着Ag/AgCl ；的加入,复合物的峰位置发生了明显位移,表明Ag, AgCl和BiOIO3三组分间存在强的相互作用.光电流响应图谱表明,随着Ag/AgCl的加入, Ag/AgCl/BiOIO3的光电流强度明显增强,同时阻抗谱的圆弧直径明显减小,表明电子和空穴的分离能力增强. UV-Vis图谱中, BiOIO3在可见光区几乎没有吸收,而三元复合物表现出明显的可见光吸收,且随着Ag/AgCl量的增加,复合物的可见光吸收增强,该吸收归结于复合物中Ag的表面等离子体吸收.结合之前报道的光催化剂体系如Ag/AgCl和Ag/AgCl/TiO2,我们提出了Ag/AgCl/BiOIO3复合物光催化剂性能增强的机制.在可见光照射下, Ag0因其表面等离子体吸收而产生电子空穴对.由于功函数不同, Ag和BiOIO3之间形成肖特基势垒.电子从Ag0表面转移到BiOIO3的导带上, BiOIO3导带上电子的电势不足以把O2氧化成?O2?,但电子能以多电子的形式与O2和H+生成水.同时, Ag0表面的空穴能将AgCl表面的Cl?氧化成Cl0.光照诱导AgCl表面的部分Ag+离子被还原,所以AgCl粒子的表面带负电荷. Cl0是活性自由基,能够氧化去除NO,反应之后自身被还原成Cl?.由此可见,在三元复合光催化剂中, Ag0在可见光照射下因其表面等离子体效应产生电子空穴对,随后BiOIO3有效地分离了光生载流子,使得复合材料能有效地利用光生电子和空穴.故三元Ag/AgCl/BiOIO3复合物光催化剂增强的光催化性能可归结于Ag的表面等离子体吸收和BiOIO3的载流子分离能力.该结果有助于设计和制备具有优异的光催化性能的BiOIO3基材料.
关键词:
银/氯化银/碘酸氧铋
,
三元复合物
,
可见光催化
,
一氧化氮去除
,
载流子分离
王崇均
,
边际
,
马宪法
,
董帆
,
张炜
人工晶体学报
以硝酸铋为前驱体,通过一步沉淀法在室温下反应1h合成了BiO1.8·0.04H2O纳米光催化剂.通过XRD,SEM,TEN,XPS和紫外可见漫反射等研究了催化剂的物理化学性质.合成的BiO1.8·0.04H2O纳米颗粒具有孔径为14.8 nm的介孔结构,禁带宽度为3.05 eV.BiO1.8·0.04H2O纳米颗粒被用来去除气相污染物NOx,并表现出良好的光催化活性,超过了Bi2O3和TiO2(P25)的光催化活性.通过活性的循环测试可知,该光催化剂具有良好的稳定性.本研究能为低温合成铋基光催化剂提供一种新颖而简单的方法.
关键词:
BiO1.8·0.04H2O
,
半导体
,
低温合成
,
光催化
,
NOx去除
张瑞阳
,
万文超
,
李大为
,
董帆
,
周莹
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62568-8
近年来,光催化技术在解决环境污染和能源短缺方面展现出巨大潜力.二硫化钼(MoS2)作为一种二维层状光催化材料受到广泛关注.MoS2具有可调的带隙(1.2–1.9 eV)、低的成本和高的存储量,是一种可替代铂的理想助催化剂.然而,MoS2本身光催化活性较低.理论和实验已经证明,MoS2只有暴露的边缘具有催化活性,并且MoS2的光生电子-空穴对容易复合,导致其光催化效率低.增加暴露的活性边缘以及有效分离电子-空穴对是提高MoS2光催化活性的关键.而石墨烯气凝胶是一种理想的催化剂载体,其高比表面积和高空隙率可以有效提高催化剂利用率.同时,其高导电性可以促进光生电子-空穴对分离.因此,将MoS2负载到石墨烯气凝胶上制备宏观可回收光催化材料具有广阔的应用前景.然而,目前尚未见到有关MoS2/石墨烯气凝胶光催化产氢以及还原Cr(VI)的报道.本文以钼酸铵为钼源,硫脲为硫源和还原剂,同时加入氧化石墨烯及其还原剂氨水,通过一步水热法制备出二硫化钼/还原氧化石墨烯(MoS2/RGO)水凝胶.最后通过冷冻干燥得到MoS2/RGO气凝胶.经光催化测试发现其产氢达到38.9μmol/g,光还原Cr(VI)达到92%,明显高于MoS2粉体.采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见-近红外吸收光谱(UV-Vis-NIR)及红外光谱(FTIR)等手段研究了其光催化性能提高的原因.XRD测试显示,过量的NH4+离子插入到MoS2层与层之间增加了(002)面的晶面间距;SEM观察到在形成气凝胶后,MoS2从粉末的片状转变成花状,这是因为氧化石墨烯上的含氧官能团促进MoS2成核同时限制其生长导致的;TEM观察到MoS2上存在大量的脱节和扭曲,这是由于过量硫脲阻碍了MoS2晶体的取向生长而产生缺陷;XPS发现,除了形成MoS2之外,还形成了MoO2,同时大量的暴露边缘导致不饱和硫产生;FTIR表明MoS2与RGO之间通过氢键链接在一起;UV-Vis-NIR吸收光谱显示,MoS2/RGO气凝胶在可见光区具有很强的吸收,这是黑色的RGO以及光在花状结构的不断反射共同作用导致的.综合以上结果,我们提出了MoS2/RGO光催化性能增强的机理.首先,三维的气凝胶网状结构以及花状结构的MoS2所带来的高比表面积(599.7 m2/g)使得材料对H+和Cr(VI)吸附量增加;其次,黑色的RGO以及入射光在花状结构层片间的不断反射增加了MoS2/RGO气凝胶对可见光的吸收;最后,RGO本身的高导电性促进了光生电子-空穴有效分离,电子通过RGO快速转移到材料表面参与光催化反应.因此,将MoS2负载在RGO上可提高光催化效率.另外,低密度的MoS2/RGO气凝胶(56.1 mg/cm3)可以有效吸附有机溶剂且容易回收.综上所述,本文制备的MoS2/RGO气凝胶光催化材料在环境与能源方面表现出潜在的应用前景.
关键词:
二硫化钼/石墨烯气凝胶
,
复合材料
,
光催化
,
可见光
,
吸附
孙艳娟
,
肖香
,
董兴安
,
董帆
,
张炜
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62753-0
一维La(OH)3纳米棒具有特殊的电子结构和多功能特性,特别是作为半导体光催化剂引起了人们极大的兴趣.但La(OH)3禁带宽度较大,且只能吸收紫外光,所以光催化效率较低,可见光利用能力较差,限制了La(OH)3的实际应用.因此,需要开发一种高效的改进方法来提高La(OH)3的可见光催化性能.本课题组发展了一种有效的改进La(OH)3方法,通过简易的方法将BiOI纳米颗粒沉积在La(OH)3纳米棒上,有效增强了对可见光的吸收能力和光生载流子的分离能力.本文采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱(PL)、光电子能谱(XPS)、电子自旋共振(ESR)、N2吸附和元素分析等手段研究了BiOI@La(OH)3纳米棒异质结的构建原理及增强可见光催化性能的原因.XRD和XPS结果表明,通过简易化学沉积法原位构建了BiOI@La(OH)3异质结,并且在异质结中没有杂相生成.由SEM图像可见,原始La(OH)3由分散的一维纳米棒组成,平均直径为30–50 nm.通过BiOI与La(OH)3表面的紧密接触成功构建异质结,但BiOI纳米颗粒未改变La(OH)3纳米棒的形貌.由TEM和HRTEM图像可见,La(OH)3纳米棒的平均长度为30–50 nm,并且在BiOI@La(OH)3异质结中可以清晰看出BiOI和La(OH)3之间紧密接触的界面和晶格间距.N2物理吸附结果显示,随着BiOI量的增加,BiOI@La(OH)3异质结的比表面积增加,但孔体积未现明显变化.UV-Vis DRS结果显示,引入BiOI后明显促进了La(OH)3对可见光的吸收能力和利用效率,从而有利于增强可见光催化活性.通过理论计算分别得到BiOI和La(OH)3的价带和导带位置,表明具有非常匹配的能带结构可以促进BiOI光生电子的有效转移.可见光催化去除NO测试结果表明,BiOI@La(OH)3异质结的光催化活性高达50.5%,明显优于BiOI和La(OH)3.ESR测试结果显示,BiOI@La(OH)3异质结可见光催化活性中起主要作用的活性物种是?OH.结合表征结果,BiOI@La(OH)3纳米棒异质结可见光催化性能增强的原因主要有三个:(1)BiOI@La(OH)3异质结增大的比表面积有利于反应物和产物在催化剂表面扩散,同时可提供更多活性位点参与光催化反应;(2)禁带宽度影响光催化效率,当BiOI与La(OH)3达到合适比例时,既可以促进可见光吸收,也可以使光生电子具有较强还原能力;(3)BiOI@La(OH)3异质结有利于光生载流子的分离,从而显著提高其光催化活性.
关键词:
BiOI@La(OH)3异质结
,
纳米棒
,
光催化
,
可见光
,
一氧化氮去除
张文东
,
赵再望
,
董帆
,
张育新
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(16)62585-8
类石墨相氮化碳(g-C3N4)具有特殊的层状二维结构、独特的电子结构、合适的能带结构、良好的热稳定性和化学稳定性等理化性能,因而在可见光催化净化环境污染物领域广受关注.但原始块状g-C3N4的可见光催化活性较弱,还不能满足实际应用需求.因此,亟需开发一种高效的改性方法来提高g-C3N4的光催化性能.本课题组发展了一种有效的改进g-C3N4方法,以硫脲为前驱体,去离子水(制备样品标记为CN-W)或无水乙醇(制备样品标记为CN-E)为溶剂,通过一步高温缩聚制得具有高可见光催化性能的介孔g-C3N4.然而,对于不同溶剂效应原位改性g-C3N4及其增强可见光催化性能的机理还不清楚.因此,本文采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、荧光光谱(PL)、N2吸附和元素分析等手段研究了去离子水和无水乙醇作为溶剂原位改性g-C3N4的理化性能差异及增强可见光催化性能的原因.XRD结果表明,去离子水和无水乙醇不会改变g-C3N4的晶体结构,但会抑制其晶体结构的生长.由TEM图像可见,因去离子水和无水乙醇在热聚合过程中产生的气泡可以作为软模板,导致CN-W和CN-E纳米片均为酥松多孔层状结构,其中CN-W更薄更小.元素分析测试结果表明,无水乙醇和硫脲在热聚合过程中导致碳自掺杂g-C3N4.UV-Vis DRS结果显示,CN-W和CN-E分别发生了相对的蓝移和红移现象.荧光寿命测试结果显示,CN的短荧光寿命和长荧光寿命(0.805 ns,3.269 ns)明显高于CN-W(0.756 ns,3.125 ns)和CN-E(0.743 ns,2.749 ns),表明CN-W和CN-E纳米薄片可以促进光生电子的储存和往复运动,有利于光生电子的迁移.此外,通过理论计算得CN-E的电子迁移速率(1.04×108 s?1)明显快于CN-W(0.81×108 s?1),表明CN-E和CN-W都有利于光生电子的迁移猝灭.另外,BET-BJH测试结果显示,CN-W(32.73 m2/g,0.22 cm3/g)和CN-E(25.59 m2/g,0.18 cm3/g)的比表面积和孔容均显著高于未改性的g-C3N4(13.81 m2/g,0.12 cm3/g),表明溶剂和前驱体在热聚合过程中产生的H2O,C2H5OH,H2S,CO2和NH3气体有利于层状结构和丰富孔结构的形成,因而CN-W和CN-E的比表面积和孔容显著增加.由此可见,无水乙醇和去离子水在辅助制备介孔g-C3N4过程中表现出不同的作用.可见光催化去除NO的测试结果表明,CN-E(48.3%)和CN-W(37.2%)的光催化活性明显高于g-C3N4(19.5%),CN-E和CN-W的可见光催化活性也明显优于我们以前报道的BiOBr、C掺杂TiO2和BiOBr/C3N4异质结.结合表征结果,CN-E和CN-W可见光催化性能增强的原因主要有两个:(1)CN-E和CN-W增大的的比表面积和孔容有利于NO的吸附、反应中间产物的转移和提供更多的活性位点参与光催化氧化反应;(2)更薄的纳米片结构和C掺杂g-C3N4有利于促进光生电子的迁移,从而显著提高其光催化活性.
关键词:
溶剂辅助
,
类石墨相氮化碳
,
可见光
,
光催化性能
,
一氧化氮去除
