TiO2上原子分散的Fe位点促进光催化CO2还原:增强的催化活性、DFT计算和机制洞察(英文)

光催化CO₂高效、环保地转化为高附加值化工产品(CH₄, CO, CH₃OH等),能够有效降低环境污染并且促进资源利用.商用P25(TiO₂)因其具有无毒、化学稳定性和强氧化还原电位而被广泛研究.然而, TiO₂的带隙高达3.0 e V,只有在紫外光激发下才能产生光生载流子,这极大地限制了其在光催化领域的应用.单原子催化剂(SACs)具有金属原子利用率高、选择性高和活性高等优点,可用于精细化工合成、氧还原和污染物降解等催化领域.由于单个原子具有极高的表面自由能,因此如何稳定地保持原子分散,避免原子团聚成为SACs制备和反应过程中的一大挑战.本文通过简单的负压封装后热解方法实现了Fe在TiO₂表面的原子级分散负载,所制备的Fe SA/TiO₂催化剂展现出高效的光催化CO₂还原性能,并且利用多种表征手段及理论计算研究了TiO₂表面Fe位点促进CO₂高效转化的反应机制.扫描透...     

钯化学态对g-C3N4光催化还原CO2的影响:单原子态在促进CH4生成中的独特作用(英文)

化石燃料过度消耗引起的CO₂过量排放和能源短缺问题日益突出.利用太阳能和光催化剂将CO₂转化成高附加值化学原料,可以同时缓解温室效应与能源短缺,是实现“碳中和”与社会可持续发展的有效途径.目前在光催化剂合成方面已取得巨大进步,但由于电荷重组严重,表面反应动力学迟缓, CO₂还原效率仍普遍偏低.助催化剂修饰是改善催化剂催化CO₂还原效率的有效策略.贵金属是提升催化剂性能最显著的一类助催化剂,然而其资源有限,优格昂贵,将贵金属助催化剂的尺寸减小至单原子,可以最大限度地提高原子利用率,大幅降低成本,显著提升催化剂的催化性能.现有研究在揭示贵金属助催化剂性能提升机制时,主要集中在其对基底材料性质的影响,忽略了单原子态与其它化学价态的区别.因此本文以g-C₃N₄(CN)纳米片为基底,研究Pd单原子(Pd-SA), PdO_x, Pd纳米颗粒(Pd-NP)修饰对CN光催化还原CO₂性能的影响及性能提升差异显著的内在机制.利用透...     

氧空位修饰的暴露TiO2{001}的Ru/TiO2增强光热协同CO2甲烷化活性和稳定性

利用太阳能在温和条件下实现CO₂还原反应,不仅可以缓解过度消耗化石能源造成的能源危机,还可以改善诸如温室效应和海洋酸化等环境问题.光热协同催化可以有效降低催化反应温度,具有较大的应用前景.本文利用Ru与暴露TiO₂{001}晶面的TiO₂载体产生的金属-载体相互作用,经过高温氢气煅烧后,获得具有丰富表面氧空位的Ru/TiO₂催化剂.活性测试结果表明,具有丰富表面氧空位的Ru/TiO₂表现出优异的CO₂甲烷化活性,反应过程中甲烷的TOF值在300°C时可以达到22 h-1,但该催化剂却表现出较差的稳定性,在反应10小时后,甲烷的TOF值逐渐降低到19 h-1.将紫外光引入到Ru/TiO₂热催化甲烷化体系中,甲烷的TOF值增加到30 h-1,且兼具高稳定性.热催化反应过程中逐渐消失的表面氧空位和部分氧化的Ru是活性降低的主要原因.在光热协同反应中,光生电子的产生稳定了Ru表面的电子密度,同时也再生了催化剂上表面氧空位,这有效地提高了反应的活性和稳定性.程序升温原位红外和X射线光电子能谱实验结果表明,当催化剂表面具有丰富的表面氧空位时,CO₂可以有效地在Ru纳米粒子上解离成CO中间体,随后吸附在Ru上的CO中间体解离成表面碳物种,并加氢产生甲烷.在热催化反应过程中,Ru纳米粒子逐渐被氧化成Ru Ox物种,且表面氧空位被CO中间物种覆盖,降低了催化反应的稳定性.当紫外光引入到上述反应中,催化剂的表面氧空位可有效提高光生载流子的分离能力.TiO₂载体产生的光电子转移至Ru表面,稳定了金属Ru纳米粒子的价态.另外,载体产生的光生空穴加速了H₂质子化,提高了催化剂对氢气的活化迁移能力,促进了CO中间体的加氢甲烷化反应,进而再生表面氧空位.因此在紫外光照下,兼顾提高了热催化CO₂甲烷化的活性和稳定性.值得注意的是,当Ru负载于暴露少量TiO₂{001}晶面的TiO₂载体上时,产生了强金属-载体相互作用并抑制了H₂在催化剂上的吸附活化,不利于产生表面氧空位.因此暴露少量TiO₂{001}晶面的Ru/TiO₂催化剂也不利于光生载流的产生和分离,这导致热催化或光热协同催化反应活性较低.     

Ti3C2 MXene助催化剂组装的介孔TiO2用以增强光催化甲基橙降解和产氢活性

利用太阳能驱动半导体光催化剂进行光催化降解污染物和产氢被认为是解决环境问题和能源危机最有效的方法之一.在众多的半导体光催化剂中,TiO₂因其优异的化学稳定性、环境友好和成本低等优点,在光催化领域具有不可或缺的作用.介孔TiO₂由于具有独特的介孔结构,更有利于光催化过程中反应物的吸附和传输.然而,单一TiO₂具有较高的光生载流子重组效率和低的光利用率等缺点,导致其光催化活性低.通过负载助催化剂可以增强光吸收、促进光生载流子的分离以及提供更多活性位点,是提高光催化活性的一种有效策略.目前,常用的高效助催化剂主要为贵金属,如Pt,Pd和Au等,但昂贵的价格及稀缺性限制了其在未来的广泛应用.因此,寻找新型的非贵金属助催化剂来提高光催化剂的活性具有重要意义.MXene作为一种新型的二维过渡金属碳化物和/或氮化物,具有丰富的表面亲水性官能团、良好的金属导电性和较高的载流子迁移率等特性,适合用于光催化中作为助催化剂来提高光催化性能.受此启发,本文利用静电自组装策略将介孔TiO₂纳米颗粒均匀地固定在Ti₃C₂MXene助催化剂上,构建了紧密的介孔TiO₂/Ti₃C₂复合材料,并研究其光催化降解甲基橙(MO)和产氢性能.Zeta电位测试结果表明,带有相反表面电荷的介孔TiO₂和Ti₃C₂可以通过静电作用构筑稳定的复合材料.X-射线粉末衍射、拉曼光谱、X-射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜等表征也进一步表明,成功制备了介孔TiO₂/Ti₃C₂复合材料.XPS也证明在复合材料中光生电子从TiO₂转移到Ti₃C₂助催化剂上,表明两者之间具有强相互作用.BET测试结果表明,相比单一的介孔TiO₂,复合材料具有更大的比表面积和孔体积,可提供更多的活性位点,有利于提高光催化活性.紫外-可见漫反射光谱表明,Ti₃C₂助催化剂的引入提高了材料的光吸收能力.荧光光谱、时间分辨荧光光谱、光电流密度和电化学阻抗等测试结果表明,复合材料具有优异的光生载流子分离和转移能力.在光催化性能测试中,最佳Ti₃C₂含量(3wt%)的介孔TiO₂/Ti₃C₂复合材料在40 min内对MO的光催化降解效率可达99.6%,并利用自由基捕获实验和电子自旋共振表征证实了活性物种·O₂-和·OH在光催化降解过程中起主要作用.此外,该复合材料也表现出了较好的产氢性能(218.85μmolg^-1h^-1),约为单一介孔TiO₂的5.6倍,且三次循环后仍保持稳定的产氢效率.综上,MXene族材料可以作为一种高效的非贵金属助催化剂应用于光催化领域.     

Cu、Mn、Ce改性V2O5-WO3/TiO2/堇青石催化剂Urea-SCR脱除NO

采用硅胶为黏结剂,在堇青石蜂窝陶瓷上以涂覆法依次负载Cu、Mn、Ce改性的纳米TiO₂粉末、W改性的V₂O₅粉末得到复合催化剂,在120～550 ℃用尿素选择性催化还原(Urea-SCR)氮氧化物时显示良好活性。与商业催化剂V₂O₅-WO₃/TiO₂相比,添加Cu、Mn、Ce后,催化剂脱硝活性显著提高,活性温度窗口明显拓宽。结果表明,催化剂的高活性与催化剂表面适度的酸碱性、高比值的V⁴⁺/V⁵⁺以及良好的氧化还原性能和锐钛矿相的TiO₂、丰富的表面裂纹的存在等因素有关。     

电镀法制备Pt/TiO2纳米管电极及其电催化析氢性能

采用阳极氧化法制备得到锐钛矿型二氧化钛(TiO₂)纳米管阵列,在其表面通过电镀法沉积Pt,得到了低铂的Pt/TiO₂纳米管电极(Pt/TiO₂?NTs)。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜对其进行形貌表征后发现,Pt较为均匀地分布于TiO₂纳米管阵列中。进一步的电催化析氢结果表明,Pb/TiO₂?NTs在10 mA·cm^-2时,过电位为0.079 V,塔菲尔斜率为42.7 mV·dec-1,较Pt/TiO₂致密膜电极(Pt/TiO₂?F)以及商业Pt/C催化剂显示了更为优异的催化活性。同时,在长循环稳定性测试(3000个周期)中,Pb/TiO₂?NTs相较于上述2种对比电极显示了更为优异的稳定性。     

TiO2光催化还原CO2

光催化还原CO₂技术在CO₂的治理与利用方面有着潜在的应用价值和良好的开发前景。该文简要综述了近年来用于光催化还原CO₂反应的TiO₂光催化剂材料,包括纯TiO₂催化剂、负载型TiO₂催化剂、金属改性TiO₂催化剂、半导体复合TiO₂催化剂和有机光敏化TiO₂催化剂等,并介绍了各类催化剂光催化还原CO₂的反应性能。     

WO3对MnOx/TiO2低温脱硝SCR催化剂的改性研究

以醋酸锰为前驱物通过浸渍法制备了MnO_x/TiO₂催化剂,用WO₃对载体进行改性制得一系列MnO_x-WO₃/ TiO₂催化剂,采用X射线衍射（XRD）、比表面积测定(BET)、拉曼光谱(LRS)、原位红外(FT-IR)光谱等表征技术进行相关的微观表征分析,同时在模拟氨气选择性催化还原NO_x（NH₃-SCR）的反应条件下对催化剂的脱硝反应活性进行了考察。研究表明,添加5%的WO₃拓展了载体的比表面积,提高了催化剂的抗热性,增加了催化剂表面的Brnsted酸位,拓宽其选择性催化还原脱硝活性温度窗口,对MnO_x/TiO₂催化剂有很好的改性作用;先钨后锰的负载顺序优于先锰后钨;随着温度的升高,化学催化反应速率提高,催化剂表面NH₃吸附峰呈减弱或消失趋势,故催化剂脱硝活性温度曲线呈中间高、两头低。     

具有丰富晶界的铜催化剂在气-液平衡扩散电极上高效电还原CO2制C2H4(英文)

电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)可以将二氧化碳转化为具有高经济价值的碳氢化合物,被认为是实现碳中和并缓解能源危机的一种有潜力的技术.铜(Cu)作为一种最有应用前景的非贵金属催化剂之一,表现出较高的催化CO₂RR转化为多碳产物(C₂₊)的活性.然而,电催化CO₂还原成C₂₊产物涉及一个动力学过程缓慢的C-C偶联反应,这导致C₂₊产物的选择性较低,电流密度低,阻碍了其在工业电解槽中的实际应用.同时,CO₂RR产物的选择性不仅取决于热力学速率决定步骤,还取决于传质控制动力学.CO₂RR发生在固-气-液三相反应界面,气-液的平衡扩散可以有效抑制析氢竞争反应,进而提高CO₂RR的反应效率.本文设计合成了一种富晶界的Cu纳米带催化剂,并构建了气-液平衡扩散的电极结构,用于高效电催化二氧化碳还原制备乙烯(C₂H₄).以一种碱式碳酸铜(Cu₂     

γ-Al2O3对SCR脱硝催化剂V2O5-WO3/TiO2的改性研究

采用溶胶凝胶法制备了不同γ-Al₂O₃含量的钛铝复合载体,以此为载体采用浸渍法负载V₂O₅和WO₃制备了一系列催化剂。采用X射线衍射(XRD)、比表面积测定(BET)、程序升温还原(H₂-TPR)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)等表征技术对催化剂表面形态进行分析,同时在模拟氨气选择性催化还原NO(NH₃-SCR)的反应条件下,对催化剂的脱硝反应活性和SO₂抗中毒进行考察。结果发现,TiO₂和γ-Al₂O₃之间的协同作用使得V₂O₅-WO₃/TiO₂-γ-Al₂O₃催化剂的脱硝效率及活性窗口明显优于单一载体制备的催化剂,表现出了良好的热稳定性和抗SO₂毒化能力,特别是V₂O₅-WO₃/TiO₂-15% γ-Al₂O₃在310~460 ℃,NO的转化率均在80%以上,反应窗口最宽。各种表征结果表明,TiO₂-γ-Al₂O₃复合载体中γ-Al₂O₃高度分散在TiO₂上,复合载体具有较大的比表面积,同时具有较强的还原能力。     

制备方法对Fe2O3/Al2O3-ZrO2在乙苯脱氢反应中催化性能的影响

为提高含铁催化剂的脱氢活性,采用浸渍法和一步沉淀法制备了Fe、Al和Zr含量相同的F4AZ10-imp和F4AZ10-pre催化剂,在550 ℃考察了其在乙苯CO₂氧化脱氢制苯乙烯反应过程中的催化性能,并结合XRD、N₂-吸附、NH₃-TPD、CO₂-TPD和H₂-TPR等表征手段对催化剂进行了分析。结果表明,与浸渍法相比,一步沉淀法制备的催化剂更有利于活性组分Fe₂O₃在催化剂表面的分散及反应物CO₂的转化。     

低温静电自组装法制备贵金属修饰TiO_2纳米结构薄膜及其增强的光催化性能(英文)

以碱-水热法在金属Ti片上原位生长了TiO2纳米结构(纳米花和纳米线)薄膜,并采用低温静电自组装方法将超细贵金属(金、铂、钯)纳米颗粒均匀沉积于多孔TiO2薄膜上.负载于Ti片上的贵金属/TiO2纳米结构薄膜具有一体化结构、多孔架构和高光催化活性.超高分辨率场发射扫描电子显微镜(FESEM)直接观察表明贵金属纳米颗粒在TiO2表面分布均匀,且颗粒之间相互分离,金、铂、钯纳米颗粒的平均粒径分别约为4.0、2.0和10.0nm.俄歇电子能谱(AES)纵深成分分析表明贵金属不仅沉积于薄膜表面,且大量分布于TiO2纳米结构薄膜内部,其深度超过580 nm.X射线光电子能谱(XPS)分析表明,经300°C下在空气中热处理后,纳米金仍保持金属态,纳米铂部分被氧化成PtOabs,而钯粒子则完全被氧化成氧化钯(PdO).以低温静电自组装法沉积贵金属,贵金属负载量可通过调节组装时间与溶胶pH值来控制.光催化降解甲基橙的结果表明,沉积的纳米金和铂能显著增加TiO2纳米结构薄膜的光催化活性,说明金和铂粒子可促进光生载流子的分离;但负载的PdO对TiO2薄膜的光催化性能增强几乎无作用.     

负载型CuO/TiO2催化剂催化CO2加氢制甲醇

采用浸渍法制备了CuO/TiO_2负载型催化剂,并将其用于CO2加氢制甲醇反应。重点考察了铜的负载量对催化剂性能的影响,并对其物化性能和催化性能之间的关系进行了讨论。结果发现,随着铜负载量的增加,催化剂中金属铜的比表面先增加后减小,当铜的负载量为10%(质量百分数)时达到最大值。催化剂的表面碱性位数量随铜含量的增加持续减小,中等碱位和强碱位的强度下降。当铜的负载量不高于10%时,CO2的转化率与铜的比表面积呈线性关系。甲醇选择性与催化剂的表面碱位性质有关,过强的碱性位会降低甲醇选择性。     

负载型CuO/TiO2催化剂催化CO2加氢制甲醇

采用浸渍法制备了CuO/TiO₂负载型催化剂,并将其用于CO₂加氢制甲醇反应。重点考察了铜的负载量对催化剂性能的影响,并对其物化性能和催化性能之间的关系进行了讨论。结果发现,随着铜负载量的增加,催化剂中金属铜的比表面先增加后减小,当铜的负载量为10%（质量百分数）时达到最大值。催化剂的表面碱性位数量随铜含量的增加持续减小,中等碱位和强碱位的强度下降。当铜的负载量不高于10%时,CO₂的转化率与铜的比表面积呈线性关系。甲醇选择性与催化剂的表面碱位性质有关,过强的碱性位会降低甲醇选择性。     

H2 production with low CO selectivity from photocatalytic reforming of glucose on metal/TiO2 catalysts

H₂ with low CO concentration is produced via photocatalytic reforming of glucose (as a representative of biomass component) on metal/TiO₂ catalyst (metals: Pt, Rh, Ru, Ir, Au, Ni, Cu). It is shown that the loaded metals generally enhance the rate of H₂ production, while they depress the CO selectivity. Both H₂ production and CO selectivity are strongly dependent on the kind of deposited metals on TiO₂. For example, Rh/TiO₂ catalyst is found to be most active for H₂ production while with the most extremely low CO concentration from the photocatalytic reforming of glucose. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 20403018, 20503034), National Basic Research Program of China (Grant No. 2003CB214504), and Knowledge Innovation Program of the Chinese Academy of Sciences (DICP K2006E2)     

TiO2纳米管阵列覆盖Si薄膜光催化还原CO2性能的研究

本工作采用CVD法在阳极氧化TiO2纳米管阵列膜表面沉积一层非晶Si膜,通过退火后得到晶化了的Si膜/TiO2纳米管阵列的复合结构,并初步就其光催化还原CO2制备碳氢化合物的活性进行研究。拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、高分辨透射电子显微镜(TEM)等微结构表征结果表明所制备的TiO2纳米管阵列的厚度为270 nm左右,管直径约为70 nm,管壁厚度约为16 nm。覆盖的Si膜已晶化,其厚度约为300 nm。通过高效液相色谱(HPLC)及总有机碳(TOC)来检测光催化还原液相产物中的甲酸及总有机碳含量,发现负载Si膜后的TiO2纳米管阵列光催化性能有所提高,在装有400cut滤光片氙灯照射2 h下TOC含量从21.2 mg.L-1增长到29.5 mg.L-1,表明Si与TiO2的复合可有效的提高光催化还原CO2的活性,这可能与该异质结结构可增加对光的吸收并且可降低光生空穴-电子对复合有关。光催化循环实验表明所制得的催化剂在循环5次后仍可保持91.6%的催化活性。     

K2CO3修饰的铁锆复合氧载体-煤焦化学链气化制氢反应特性研究

以K₂CO₃修饰的Fe₂O₃和ZrO₂复合型氧化物为氧载体(K3-Fe70Zr30),在固定床装置上考察了温度和原料配比对煤焦化学链制氢过程中产气率及组成的影响。程序升温实验结果表明,煤焦与氧载体500 ℃时开始反应,温度高于750 ℃时反应速率快速增大;而还原态氧载体与水蒸气400 ℃时开始反应,当温度高于500 ℃时出口氢气浓度明显增大。恒温实验表明,随温度升高,产品气中CO/CO₂体积比增大,导致产氢量降低。随煤焦与氧载体比例增加,产品气体中CO/CO₂体积比增加,而产氢量先增大后降低,其最大值可达1.734 L/g。K3-Fe70Zr30氧载体在前两次循环能维持良好的反应活性,但在第3次循环反应中活性降低,而重新添加K₂CO₃之后氧载体活性恢复,表明氧载体活性降低主要是由于K₂CO₃的流失所致。     

偏硼酸锶催化剂光催化还原CO2合成CH4

采用溶胶-凝胶法制备出偏硼酸锶(SrB₂O₄)光催化剂. 紫外光催化还原CO₂合成CH₄(在液相水中)的实验证明: SrB₂O₄催化剂的光催化活性略高于TiO₂(P25). 利用X射线电子衍射谱(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、荧光(PL)光谱和紫外-可见(UV-Vis)漫反射吸收光谱等技术, 研究了SrB₂O₄ 催化剂的晶体结构、形貌和能带结构. 结果表明: SrB₂O₄ 的价带为2.07 V (vs normalhydrogen electrode (NHE)), 低于(H₂O/H⁺)的氧化还原电位E_redox^o (0.82 V (vs NHE)); 而导带为-1.47 V (vsNHE), 高于(CO₂/CH₄)的氧化还原电位E_redox^o (-0.24 V (vs NHE)). 因此, SrB₂O₄催化剂可以有效地光催化还原CO₂生成CH₄. 与TiO₂(P25)相比, SrB₂O₄催化剂具有相对较高导带, 光生电子的还原能力强于TiO₂(P25), 更有利于CH₄的生成, 从而决定了SrB₂O₄催化剂光催化还原CO₂合成CH₄具有较高的光催化活性.     

Preparation of Pt deposited nanotubular TiO2 as cathodes for enhanced photoelectrochemical hydrogen production using seawater electrolytes

The purpose of this study was to develop effective cathodes to increase the production of hydrogen and use the seawater, an abundant resource in the earth as the electrolyte in photoelectrochemical systems. In order to fabricate the Pt/TiO₂ cathodes, various contents of the Pt precursor (0–0.4 wt%) deposited by the electrodeposition method were used. On the basis of the hydrogen evolution rate, 0.2 wt% Pt/TiO₂ was observed to exhibit the best performance among the various Pt/TiO₂ cathodes with the natural seawater and two concentrated seawater electrolytes obtained from single (nanofiltration) and combined membrane (nanofiltration and reverse osmosis) processes.The surface characterizations exhibited that crystal structures and morphological properties of Pt and TiO₂ found the results of XRD pattern and SEM/TEM images, respectively.     

燃煤烟气中共存杂质对膜分离CO2性能影响的实验研究

利用自行搭建的膜分离实验台,考察了共存气态组分以及颗粒物对于聚二甲基硅氧烷/聚砜(PDMS-PSF)复合膜分离CO₂性能的影响.结果表明,共存气态组分中O₂对于膜分离CO₂有抑制作用;由于SO₂浓度显著低于CO₂,在短时间内对膜分离CO₂没影响;水汽可以促进CO₂的分离;燃煤飞灰细颗粒在分离膜表面沉积会导致膜性能的恶化.在此基础上,采用模拟湿法烟气脱硫系统装置,进行了燃煤湿法脱硫净烟气环境下的膜分离CO₂实验;在测试的50 h以内,水汽、SO₂和O₂的共同作用导致膜分离性能在前期有一定的提高,随着运行时间的延长,细颗粒物对膜的影响程度加大,导致PDMS-PSF复合膜的分离性能逐渐恶化,最终导致膜的CO₂/N₂分离因子和CO₂渗透速率分别下降了17.91%和28.21%.