太阳能光解水制氢催化剂研究进展

利用太阳能制氢是将太阳能转换成氢能的有效方式。近年来国内外发展了不同类型的太阳能光解水制氢催化剂：金属配合物、金属氧化物、无机层状化合物、Z型光催化制氢反应体系和光生物催化反应体系等,通过金属负载、离子掺杂、复合半导体、燃料光敏化、电子捕获剂、表面螯合及衍生作用、外场耦合等途径可以有效提高光催化剂活性,开发具有特殊结构的新型光催化剂、无贵金属负载催化剂以及循环使用牺牲剂将是未来太阳能光解水制氢的发展方向。     

太阳能光催化制氢反应体系及其材料研究进展

光催化制氢是利用太阳能获取氢能的重要途径,是当前研究热点。长期以来,人们致力于各种新型可见光光催化制氢材料的研究并取得较大进展。反应体系的设计和选择是实现高效光催化制氢和能否走向工业化的核心问题之一,因此,近年来研究者开始对光催化制氢反应体系加大研究。光催化制氢主要有非均相光催化制氢(HPC)和光电催化制氢(PEC),不同的体系具有各自的优缺点和应用范围。重点介绍光催化制氢半反应、光催化完全分解水和光电催化分解水3种主要反应体系,分析各种反应体系的特点,阐述各个体系涉及的光催化材料的发展进程,并展望太阳能光催化制氢研究前景,其中,新型高效的PEC-PV(光伏)耦合光化学转化系统有望为光解水制氢实现工业化提供一种重要的发展途径。     

新型光解水制氢催化剂及研究进展概述

文章主要介绍了能够用来太阳能光催化分解水制氢的几种新型光催化剂,比如钛酸盐、钽酸盐等,并提出提高光催化剂反应活性的途径,开辟出利用太阳能光解水制氢的研究道路,旨在更好的促进太阳能光催化分解水制氢发展,为人类社会生产发展提供更多清洁能源。     

多孔g-C3N4基光催化材料的制备及应用研究进展

多孔g-C₃N₄基光催化材料由于具有较高的比表面积、丰富的反应活性位点和较短的电子传递路径等特点,能较好地解决块体g-C₃N₄基材料存在的比表面积小、光生载流子复合快及可见光利用效率低等问题,因而具有广阔的发展前景和应用潜力。本文主要从以下方面进行综述：多孔g-C₃N₄基光催化材料常用的制备方法,包括硬模板法、软模板法、水热合成法、热聚合法、超分子自组装法;多孔g-C₃N₄基材料在光催化领域的应用,包括光解水制氢、光催化降解有机污染物、光催化去除氮氧化物和光催化还原CO₂等;最后指出了当前影响多孔g-C₃N₄基光催化材料发展的关键问题,并对其在光催化领域的应用前景进行了展望。     

纳米管阵列光催化剂研究进展

TiO₂纳米管阵列以其优异的性能成为很有发展前景的新型纳米结构材料。综述了目前制备TiO₂纳米管阵列的3种方法,即模板合成法、水热合成法和阳极氧化法。阐述了提高TiO₂纳米管阵列的光催化活性常采用的改性方法,包括贵金属沉积、金属离子掺杂、非金属掺杂和半导体复合以及TiO₂纳米管阵列在染料敏化太阳能电池、光解水制氢、光催化降解有机污染物和气敏传感材料等领域的应用研究进展,提出通过改进制备工艺和改性方法制备高性能的TiO₂纳米管阵列光催化剂是未来主要的研究方向。     

g-C3N4基材料光催化分解水产氢的研究进展

由于化石燃料大量消耗导致的能源危机和环境问题日趋严重，将氢能作为一种替代传统能源的绿色能源成为当下的研究热点。用以光催化分解水产氢的石墨相氮化碳(g-C₃N₄)基材料不仅制氢规模大，而且投入成本少，近年已成为产氢的最优方案之一。但通过对g-C₃N₄改性，可有效提高其产氢效率，并解决g-C₃N₄材料固有的可见光响应范围窄、电子—空穴复合严重、光催化产氢效率低等问题。本文回顾了近年来各种基于g-C₃N₄基材料光催化分解水产氢的方法和手段，重点介绍了g-C₃N₄光解水产氢的机理、g-C₃N₄的掺杂改性，并总结了影响g-C₃N₄基材料光催化分解水产氢效率的因素。最后，讨论了g-C₃N₄基材料光催化分解水产氢的一些关键限制条件和未来前景。     

光催化CO2和CH4重整催化剂研究进展

太阳能驱动的CO₂与CH₄转化为合成气是一种非常有前景的生产可再生燃料的技术，然而太阳能驱动的CH₄重整催化剂存在转化效率低、光生电子与空穴复合速率快及催化剂稳定性差等问题。本文简述了光催化CO₂与CH₄重整的可能机理，包括CO₂和CH₄的吸附、光生电子与空穴的迁移及产物的脱附过程。重点介绍了光催化CO₂和CH₄重整过程中贵金属催化剂、非贵金属催化剂及碳氮化合物等催化剂的研究进展，并总结归纳了各类催化剂的优点与不足。最后，本文探讨了光催化转化CO₂与CH₄制合成气研究领域未来可能的发展方向：开发设计高效的光催化剂提高反应效率；通过密度泛函理论计算及高端表征技术探究催化机理。     

三维WO3/rGO复合物的制备及光解水制氢性能研究

通过水热法制备出WO₃/rGO复合物用于可见光下光解水制氢。采用XRD和SEM表征手段对复合物组成、形貌进行研究,同时进行光解水制氢性能测试并对其机理进行探讨。研究结果表明,WO₃样品呈海草状,具有丰富的空隙,可以更大程度上提升光解水制氢性能,WO₃/rGO复合物与未复合石墨烯的WO₃样品比较,其形貌没有明显变化。并且还原氧化石墨烯(rGO)的导电性在提高光感应电荷载流子分离效率中也起着关键作用。WO₃/rGO复合物产氢速率为236μmol/h,而WO₃样品的产氢速率为212μmol/h,氧化石墨与WO₃复合后样品对光解水制氢性能得到提升。增强的光解水制氢性能归因于rGO的优异电导率和WO₃/rGO复合物纳米结构的协同作用。     

CuInS2-Cd(In)S-MoSe2纳米异质结增强光催化析氢反应的构建

利用太阳能分解水的半导体催化剂是最有希望解决能源危机和全球环境问题的方法之一。利用连续外延生长和阳离子交换法成功构建了独特的三元CuInS₂-Cd(In)S-MoSe₂纳米异质结构，并应用在光催化析氢反应(HER)中。实验结果表明，合成的CuInS₂-Cd(In)S-MoS₂异质结在HER中表现出良好的光催化活性和稳定性。该光催化剂设计方法可以应用到其他半导体材料系统，为设计具有整体高分解水性能的光催化剂提供有效的策略。     

模板法制备石墨型氮化碳及其光催化制氢性能研究

石墨型氮化碳(g-C_3N_4)因独特的禁带宽度(2.7 e V)、较高的太阳能利用率、较强的热稳定性和化学稳定性被认为是较好的光催化剂,以g-C_3N_4为催化剂利用太阳能光解水制氢对解决能源和环境问题具有重要意义。以SBA-15为模板通过热分解制备g-C_3N_4,通过X-射线衍射图谱、元素分析、X-射线光电子能谱、紫外可见吸收光谱、荧光光谱等对其结构进行了表征,并测定了其光催化制氢性能。结果表明,模板法制备的g-C_3N_4具有较好的光催化制氢性能,经过25h光催化反应后,其制氢速率达到108.3μmol·h~(-1)。     

光催化分解水制氢中硫化物空心结构的研究进展

利用太阳能进行的分解水制氢技术,可以促进太阳能的有效利用和清洁能源氢能的研发。在光催化制氢中,半导体光催化材料的性能是光催化反应性能提升的核心要素,制备优异、高效的光催化剂是提升光催化反应活性的关键步骤。本文从材料形貌和制备角度出发,选取金属硫化物为光催化中的主体半导体,对国内外金属硫化物空心结构的研究、应用和进展进行了回顾,分析了空心结构对增大材料比表面积、增强太阳光吸收、加速载流子分离以及提升反应活性的重要性,提出了空心结构在光催化发展中的优势,对空心结构的发展提出了展望,为这些新型材料的未来研发提供参考,从而能尽快提高光催化反应的太阳光利用率和氢气产量,有助于进一步实现光催化技术的工业化应用。     

MnWO4/WO3的制备及其光催化性能的研究

光催化技术在解决环境污染和能源危机方面有着巨大的应用潜力,采用浸渍、焙烧的方法制备了一系列MnWO₄含量不同的MnWO₄/WO₃复合光催化剂。利用XRD、SEM、TEM、HR-TEM、BET等方法对MnWO₄/WO₃复合光催化剂的结构形貌进行表征。通过光催化分解水产氧以及降解四环素来评价其光催化活性。通过能带结构、表面光电压(SPV)、荧光(PL)和活性物种实验分析MnWO₄/WO₃复合光催化剂的光催化活性增强机制。实验结果表明,所有MnWO₄/WO₃样品的光催化活性较纯WO₃样品都有提高,且随着MnWO₄含量的增加呈现先增高后下降的趋势,MnWO₄含量为3%的MnW-2样品表现出最优的光催化活性,其氧气产量为89.26 μmol,为WO₃纯样的3.45倍,对四环素的降解率达到了92.1%,一级反应动力学常数为WO₃纯样的8.98倍。通过对其能带结构及光生电子和空穴的分离效率进行分析发现,样品的光催化活性变化主要是由于光生载流子分离效率改变导致。     

光催化分离膜的制备及其在水处理中的应用

光催化分离膜将膜分离与光催化结合在同一处理单元中,可发挥膜分离作用,同时也可以利用光催化剂高效降解水中的有毒有害污染物,提高膜的抗污染性能和水处理效率。因此是水处理领域的研究热点,并显示出巨大的应用潜力。本文综述了基于二氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、石墨相氮化碳（g-C₃N₄）和氧化钨（WO₃）四种常用催化剂的光催化分离膜的研究概况,重点对光催化分离膜的制备方法和性能进行了总结,光催化分离膜具有良好的发展前景,制备高效、稳定的可见光响应光催化分离膜是未来的发展趋势。     

CuCrO2-WO3的制备及光催化产氢性能

作为分解水制氢用光催化剂,p-n半导体物质的复合体具有较好的开发前景。燃烧法合成了p型半导体物质CuCrO₂,钨酸分解法合成了n型半导体物质WO₃,在此基础上经机械研磨及热处理的方法制备了CuCrO₂-WO₃和Ru/（CuCrO₂-WO₃）复合光催化剂。对制得的样品进行了X射线衍射（XRD）、紫外可见漫反射（UV-Vis DR）、扫描电镜（SEM）及X射线光电子能谱（XPS）表征分析。测定了CuCrO₂、WO₃、CuCrO₂-WO₃及Ru/（CuCrO₂-WO₃）在氙灯照射下的产氢活性,考察了研磨介质pH及钌负载量对CuCrO₂-WO₃光催化活性的影响。实验结果表明,CuCrO₂和WO₃单独使用时几乎没有活性,而复合催化剂CuCrO₂-WO₃在以甘油为电子给体的情况下具有产氢活性,研磨介质pH对复合催化剂的活性影响较大;负载钌后CuCrO₂-WO₃的活性得到进一步的提高,能分解纯水放出氢气,以0.5%Ru/（CuCrO₂-WO₃）为光催化剂,在300W氙灯照射下,3 h内分解纯水放出氢气约10 μmol。     

石墨相氮化碳基材料光催化还原除铀研究进展

将光催化技术应用于含铀废水处理具有广阔的前景。石墨相氮化碳(g-C₃N₄)基催化剂因具有合适的能带结构、出色的稳定性以及光电性能,成为了研究最多的光催化除铀材料。因此本文综述了g-C₃N₄基材料在光催化还原除铀中的研究进展,探讨了光催化除铀的机理、g-C₃N₄基光催化剂的合成技术及研究现状,指出了g-C₃N₄基材料光催化还原除铀的应用挑战并展望了未来的发展前景。     

热助光催化CO2还原研究进展与展望

光热催化是一种极具前途的CO₂还原策略,可利用太阳光谱的广泛吸收来激发热化学和光化学过程的结合,从而协同推动催化反应的进行,使CO₂在较为温和的条件下实现高效转换。作为光热催化的一种,在光催化中引入热能,可提高太阳光利用率,促进载流子的激发和分离,加快反应分子扩散,提升反升性能。对当前光热催化CO₂还原的概念和原理进行分类,并对热助光催化还原CO₂反应的研究现状进行总结。基于反应产物的差异,介绍热助光催化反应的催化剂选择、反应条件和反应机理,同时介绍了该类反应试验过程中关键的局部测温技术,最后对热助光催化CO₂还原技术的发展进行了展望,未来的研究重点应是提升CO₂转化率和产物选择性,同时利用先进的原位表征技术和理论计算对反应机理进行探究。     

Co3O4-Bi2O2CO3催化剂的制备及其光催化性能

以Bi(NO₃)₃·5H₂O、Co(CH₃COO)₂·4H₂O为原料,采用化学沉淀-水热法制备了Co₃O₄-Bi₂O₂CO₃异质结构复合半导体光催化剂,并通过X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外可见漫反射光谱（DRS）、荧光光谱（PL）等手段对所合成的复合型催化剂进行了理化性能表征。研究结果表明：引入Co₃O₄没有改变Bi₂O₂CO₃物相结构,但促进了Bi₂O₂CO₃ 对可见光的吸收能力,提高了Bi₂O₂CO₃表面吸附氧物种的数量,抑制了光生载流子复合。复合光催化剂对罗丹明B（RhB）的光催化脱色实验显示引入Co₃O₄能够明显提高Bi₂O₂CO₃催化剂的光催化脱色能力。尤其是Co₃O₄引入量为0.6%的Co₃O₄-Bi₂O₂CO₃样品对罗丹明B染料的光催化脱色率可达到97%（模拟日光照射30min）。本文为复合型光催化剂制备提供了简单易行的技术路线,制备的新型半导体复合光催化剂Co₃O₄-Bi₂O₂CO₃在环境净化方面表现出了较好的应用前景。     

溶胶-凝胶-微波法制备银掺杂TiO_2光催化剂及其光催化性能

用硝酸银和钛酸正丁酯为原料,采用溶胶-凝胶-微波辐射干燥法合成银掺杂TiO_2光催化剂TiO_2-Ag。为了提高催化剂的光催化活性和降解有机污染物的速率,用微波辅助Ti O2-Ag光催化剂降解有机污染物。通过扫描电子显微镜、红外光谱法、紫外可见光谱法和荧光光谱法对TiO_2-Ag催化剂进行测试和表征。以甲基橙为有机污染物,分别在太阳光照射和微波、紫外、紫外-微波条件下降解甲基橙以考察催化剂的光催化活性。结果表明,TiO_2-Ag光催化剂最佳制备条件为:银掺杂量n(Ag+)∶n(Ti~(4+))=0.003,离子液体用量3.0 m L,微波干燥功率210 W,微波干燥时间20 min,焙烧温度650℃,焙烧时间3 h,此条件下制备的TiO_2-Ag光催化剂在太阳光照射4 h下,紫外光照、微波辐射和紫外光照-微波辐射分别辐射55 min后,甲基橙降解率分别为98.70%、98.79%和99.05%。     

半导体材料在光催化低浓度氮氧化物的研究进展

氮氧化物（NO_x）是一类有害的空气污染物,会引发酸雨、雾霾、光化学烟雾等严重的环境问题。目前,如何有效地去除空气中低浓度的NO_x（十亿分之一）是研究的热点和难点。半导体光催化氧化法可以将空气中低浓度NO_x氧化成无毒的硝酸盐,是一种经济有效的净化技术之一。本文主要围绕二氧化钛（TiO₂）,氮化碳（g-C₃N₄）和Bi系三类半导体光催化材料,对近年来包括本课题组在内的国内外对光催化去除低浓度NO_x研究进行了简要概述。其中,通过代表性的工作介绍了贵金属沉积、元素掺杂、构建异质结和表面空位缺陷工程等改性策略,以提高半导体材料在去除低浓度NO_x的光催化活性和性能。此外,对半导体材料在光净化低浓度NO_x的未来发展进行了展望,以期待为高性能半导体光催化剂的理性设计和制备以及催化机理的探索等方面的研究提供思路。