Bi–O–Si键作为热电子传输通道增强SiO_2@Bi微球的等离子体光催化效率（英文）

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.SiO_2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SiO_2修饰Bi单质的相关报道.本文通过溶剂热法制备了SiO_2@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SiO_2@Bi光催化氧化NO性能中的作用机制.结果显示,用SiO_2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,SiO_2纳米颗粒负载于Bi球上,且SiO_2@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·O_2~-的产量,增强SiO_2@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,SiO_2@Bi在光催化反应中产生的·OH和·O_2~-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→NO_2→NO_3~-反应的进行.此外,SiO_2@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SiO_2@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.     

石榴状单质铋(Bi)球与g-C3N4复合材料表现出超强可见光氧化NO性能

采用一种原位合成工艺制备了具有类石榴结构的金属铋(Bi)单质修饰的g-C3N4复合材料(Bi-CN),并用于可见光氧化NO反应中.金属Bi单质镶嵌在CN层间形成的复合物,由于金属Bi单质显著的表面等离子体共振(SPR)作用可将光吸收范围由紫外光延展至近红外,极大地提高了复合物的光吸收.此外,由于Bi单质存在于复合物界面可产生内建莫特-肖特基效应,从而加快光生载流子的分离与转移.由此,Bi-CN复合物光催化剂展现出超强的光催化去除NO性能.我们提出了类石榴结构的形成以及相应的Bi-CN复合物光催化活性的提高机理.这不仅为高效的金属铋单质改性的g-C3N4基光催化剂提供了一种新的设计方案,也对g-C3N4基光催化的机制理解提出了新的见解.通过X射线衍射、红外光谱和X射线光电子能谱结果发现Bi是以金属单质的形式存在于Bi-CN复合物中,这得益于我们采用了二水合铋酸钠(NaBiO3·2H2O)作为铋前驱体,从而成功避免了氧化态铋的形成.Bi-CN复合物中金属铋单质的存在有诸多优点.首先,金属铋单质具有显著的表面SPR效应,它的引入可大大提高复合物的光吸收能力和太阳光利用率.有研究表明,直径为150–200 nm的铋球能够在紫外-可见漫反射图谱(UV-vis)在λ=500 nm处呈现出典型的SPR峰,但本样品在λ=200–800 nm区间内并未发现该SPR峰.由于铋单质的共振受限于其尺寸大小、颗粒形状和构造环境.本文中球形铋单质的直径约为1μm,其可能发生共振效应的峰位置应超过800 nm,因此未发现相应的SPR峰.其次,金属铋单质分散在CN层表面上构建的肖特基垫垒能够高效地阻止光生电子与空穴的复合,促进了光生载流子的分离与转移,从而提高光氧化NO进程.再者,金属铋单质的介入成功构造了Bi-CN异质结,在可见光照射下NO氧化反应中,Bi-CN复合物活性显著高于CN(22.2%)、CN-EG(36.4%)和Bi(14.1%),其中以10%Bi-CN活性最佳,NO去除率到70.4%,远远超过K插层的g-C3N4、Ag掺杂的g-C3N4和氧化石墨烯修饰的g-C3N4.当复合物中金属铋单质含量超过10%时,其活性明显下降.这是因为大量的金属铋单质积聚在Bi-CN复合物表面上而造成物理堵塞,妨碍了CN吸收可见光,从而降低了其可见光吸收能力;同时导致只会吸收更多的紫外光(λ<280 nm)而不是可见光,因而其可见光催化氧化NO能力下降.     

利用Bi的SPR效应增强Bi_2WO_6的可见光催化NO氧化去除性能（英文）

作为大气中的典型污染物之一,化石燃料燃烧产生的NO不仅会引起酸雨,还会影响人体呼吸系统.半导体光催化技术可以利用太阳能和空气中的氧气来分解环境污染物,因而得到了国内外学者的广泛关注.作为最具代表性的半导体光催化材料,TiO_2虽然具有较强的氧化能力和优异的生物相容性,但是其禁带宽度较大(3.2 eV)而只能被紫外光激发,无法充分利用太阳能.因此,开发新型可见光响应的半导体催化材料具有重要意义.Bi_2WO_6是一种独特的具有层状结构半导体光催化材料,因其具有可见光响应性能而受到了广泛关注;但是可见光响应范围窄(禁带宽度2.6?2.8 eV)以及其较快的光生载流子复合,导致Bi_2WO_6其光催化效率不高,迫切需要采取有效措施对Bi_2WO_6进行改性.贵金属(诸如金和银)纳米粒子可见光区的表面等离子体效应(SPR),可以用来增强半导体材料的可见光催化性能.但是,贵金属的价格昂贵,难以满足实际需求.近来的研究发现,非贵金属Bi同样具有类似的表面等离子体效应.因此,本文选用以乙二醇为还原剂,通过低温还原Bi(NO_3)_3的方式,在花球Bi_2WO_6表面,成功制备了沉积了Bi纳米球复合光催化次材料.本文用NO的可见光催化氧化来评价Bi/Bi_2WO_6复合材料的光催化性能的可见光催化性能,所使用的光源为可见光LED灯(λ400 nm).结果发现:(1)单一组分的Bi金属和Bi_2WO_6前驱体花球均表现出非常差的光催化活性,NO去除率分别仅为7.7%和8.6%;(2)随着Bi纳米球的负载量从0增加至10 wt%,复合材料Bi/Bi_2WO_6的NO去除效率从12.3%稳定增加至53.1%至20 wt%时开始降低.这可能是由于Bi纳米球阻碍了Bi_2WO_6对光的吸收;(3)改性后的Bi/Bi_2WO_6具有良好的可见光催化稳定性,循环使用在五次后其活性变化不大.光催化机理研究结果显示,Bi/Bi_2WO_6增强的可见光NO去除性能归因于Bi纳米球的SPR效应.在可见光照射下,Bi纳米球的SPR效应产生的电场可以显著促进Bi_2WO_6的光生载流子分离效率.同时,Bi纳米球可以快速转移Bi_2WO_6导带上的光生电子,生成超氧游离基(·O_2~?),从而抑制了光生电子和空穴的复合.Bi_2WO_6表面的空穴可以被表面吸附水捕获,产生羟基自由基(·OH).在活性氧物种·OH和·O_2~?的不断进攻作用下,NO最终被氧化.本文为宽禁带半导体的非贵金属敏化,提升其可见光催化性能解决环境问题提供了新思路.     

石榴状单质铋(Bi)球与g-C_3N_4复合材料表现出超强可见光氧化NO性能（英文）

采用一种原位合成工艺制备了具有类石榴结构的金属铋(Bi)单质修饰的g-C_3N_4复合材料(Bi-CN),并用于可见光氧化NO反应中.金属Bi单质镶嵌在CN层间形成的复合物,由于金属Bi单质显著的表面等离子体共振(SPR)作用可将光吸收范围由紫外光延展至近红外,极大地提高了复合物的光吸收.此外,由于Bi单质存在于复合物界面可产生内建莫特-肖特基效应,从而加快光生载流子的分离与转移.由此,Bi-CN复合物光催化剂展现出超强的光催化去除NO性能.我们提出了类石榴结构的形成以及相应的Bi-CN复合物光催化活性的提高机理.这不仅为高效的金属铋单质改性的g-C_3N_4基光催化剂提供了一种新的设计方案,也对g-C_3N_4基光催化的机制理解提出了新的见解.通过X射线衍射、红外光谱和X射线光电子能谱结果发现Bi是以金属单质的形式存在于Bi-CN复合物中,这得益于我们采用了二水合铋酸钠(NaBiO_3·2H_2O)作为铋前驱体,从而成功避免了氧化态铋的形成.Bi-CN复合物中金属铋单质的存在有诸多优点.首先,金属铋单质具有显著的表面SPR效应,它的引入可大大提高复合物的光吸收能力和太阳光利用率.有研究表明,直径为150-200 nm的铋球能够在紫外-可见漫反射图谱(UV-vis)在λ=500 nm处呈现出典型的SPR峰,但本样品在λ=200-800 nm区间内并未发现该SPR峰.由于铋单质的共振受限于其尺寸大小、颗粒形状和构造环境.本文中球形铋单质的直径约为1μm,其可能发生共振效应的峰位置应超过800 nm,因此未发现相应的SPR峰.其次,金属铋单质分散在CN层表面上构建的肖特基垫垒能够高效地阻止光生电子与空穴的复合,促进了光生载流子的分离与转移,从而提高光氧化NO进程.再者,金属铋单质的介入成功构造了Bi-CN异质结,在可见光照射下NO氧化反应中,Bi-CN复合物活性显著高于CN(22.2%)、CN-EG(36.4%)和Bi(14.1%),其中以10%Bi-CN活性最佳,NO去除率到70.4%,远远超过K插层的g-C_3N_4、Ag掺杂的g-C_3N_4和氧化石墨烯修饰的g-C_3N_4.当复合物中金属铋单质含量超过10%时,其活性明显下降.这是因为大量的金属铋单质积聚在Bi-CN复合物表面上而造成物理堵塞,妨碍了CN吸收可见光,从而降低了其可见光吸收能力;同时导致只会吸收更多的紫外光(λ280 nm)而不是可见光,因而其可见光催化氧化NO能力下降.     

Bi/BiOI/(BiO)2CO3异质结可见光催化净化NO的性能增强

窄带隙Bi OI光催化剂因电荷重组速率快而导致其可见光下的光催化效率较低.本文以NaBH4为还原剂,采用简单的常温原位组装法在Bi OI上构建氧空位、金属Bi颗粒和Bi_2O_2CO_3共作用,以克服Bi OI的缺点.在合成的三元Bi/BiOI/(BiO)_2CO_3中,氧空位、双异质结(即Bi/BiOI和Bi OI/(BiO)_2CO_3)以及Bi粒子的表面等离子体共振效应均促进了电子-空穴分离和电荷载流子浓度的增加,从而提高了可见光的整体光催化效率.将制备的催化剂用于可见光下去除连续流空气中的ppb级NO.结果表明, Bi/BiOI/(BiO)_2CO_3的NO去除率显著增强,大约为50.7%,并远高于BiOI(1.2%).密度泛函理论计算和实验结果表明, Bi/BiOI/(BiO)_2CO_3复合材料可明显促进光催化NO氧化的活性氧生成.本文可提供一个新的策略来改性窄带隙半导体和探索其他含铋异质结构的可见光驱动光催化剂.XRD结果发现, BOI-70中出现Bi和(BiO)_2CO_3的特征峰,但BOI却很微弱; XPS结果表明,高价态Bi~(3+)被NaBH4部分还原而形成低价态金属Bi颗粒,且I3d峰位结合能进一步证实了BOI-70样品中存在BiOI,由此可见,成功制备了三元Bi/BiOI/(BiO)_2CO_3异质结催化剂, EPR结果表明氧空位的产生.SEM和TEM结果表明, Bi OI和三元Bi/BiOI/(BiO)_2CO_3催化剂为纳米片组装的花状结构.HRTEM的结果进一步显示了金属铋、正方晶相Bi OI和(BiO)_2CO_3对应的晶格间距.紫外-可见光催化去除NO的测试结果表明, BOI-70(50.7%)的光催化活性明显高于BOI(1.2%)和P25(11.5%),且在循环测试实验中表现出优异的稳定性.UV-visDRS测试结果显示, BOI-70具有更强的光吸收;PL结果表明,其光生电子-空穴对的分离效率更高.ESR结果表明,参与反应的主要活性物种为·O2-和·OH自由基.DFT计算结果证实了OVs对电荷载流子的局部环境和快速传输:OV为电子捕获陷阱,使电子从OVs转移到O_2分子形成活性氧物种;O2表面的吸附能从无缺陷BiOI时的–0.29 e V降到有缺陷的–0.76 eV, O-O键长从1.30增至1.37?,说明OVs通过降低氧的吸附能可促进O2分子在光催化剂表面的吸附.综上所述,由于BiNPs的异质结效应和SPR效应以及OVs的存在, Bi/BiOI/(BiO)_2CO_3三元体系的原位组装通过增加载流子浓度和加速电子空穴分离使光催化活性显著增加.     

增强可见光催化活性的Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂的制备（英文）

全球工业化进程的加快使人们饱受环境污染问题的困扰.半导体光催化技术作为一种高效、绿色、有潜力的新技术,在环境净化方面有着广阔的应用前景.Bi2O4是近年来新开发出的一种铋基光催化剂,在环境净化方面已有一些研究.但是,单体光催化剂通常存在光响应范围窄、光生载流子复合率高等问题,这些不足限制了Bi2O4的进一步应用.因此,需要通过适当的改性来拓宽其光响应范围和提高其载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.构建Z型异质结被认为是提高光催化剂光生载流子分离效率并进一步提高光催化活性的有效方法.MoO3是一种宽禁带的n型半导体,具有独特的能带结构、光学特性和表面效应,是一种非常有前景的半导体光催化剂.虽然MoO3材料的光生载流子复合率高,带隙(2.7-3.2 eV)大,不利于其参与光催化反应,但MoO3与其他合适的半导体配位形成复合材料后能够有效提高其光生载流子的分离效率,从而提高其光催化活性.本研究采用简单的水热法制备了一种新型Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂,SEM和TEM分析结果表明,MoO3和Bi2O4紧密结合在一起.X射线光电子能谱分析表明,MoO3和Bi2O4之间存在很强的界面相互作用,这有助于电荷转移和光生载流子的分离.光致发光光谱、电阻抗和光电流测试也证明了MoO3/Bi2O4复合光催化剂的光生载流子分离效率更高,形成了更强的光电流.通过在可见光下降解RhB溶液评价了所合成光催化剂的光催化性能.15%MoO3/Bi2O4(15-MB)复合光催化剂表现出了最佳的可见光催化活性,在40 min内对10 mg/L RhB溶液的降解率达到了99.6%,其降解速率是Bi2O4的2倍.此外,15-MB复合光催化剂在经过五次循环降解RhB溶液后仍保持良好的光催化活性和稳定性,表明MoO3/Bi2O4复合光催化剂具有较强的应用潜力.通过自由基捕获实验确定了光催化反应中主要的活性自由基为 O2-和h+.通过莫特-肖特基测试和带隙计算得到MoO3和Bi2O4的价带和导带位置.最后,根据实验和分析结果提出了Z型MoO3/Bi2O4复合光催化剂在可见光下降解RhB溶液的机理.本研究为设计铋基Z型异质结光催化剂用于高效去除环境污染物提供了一种有前景的策略.     

简易构筑Bi2Mo3O12@Bi2O2CO3异质结增强光催化脱除NO性能及其转化过程（英文）

电荷分离及转移是影响光催化效率的重要因素之一.本文采用简易的水热焙烧法,设计并构筑了Bi2Mo3O12@Bi2O2CO3(BMO@BOC)异质结,促进了光生载流子的分离与迁移,并优化了异质结构中的BMO与BOC的组分比例,其中BMO@BOC-1样品展现了最高的光催化脱除NO效率(~35%),且具有优异的循环稳定性.SEM与TEM结果表明,BMO@BOC-1样品是由超薄纳米片构成,可以提供丰富的反应活性位点,从而促进光催化反应的发生.HRTEM,XRD及Raman充分证明已成功合成不同组分比例的BMO@BOC异质结.同时, Raman与XPS结果表明, BMO@BOC异质结由Bi, O,C及Mo组成, XPS图谱中拟合峰位置的偏移是由异质结组分不同所致.值得注意的是, UV-visDRS结果表明,BMO@BOC-4具有最好的光谱吸收性能,但它与BMO@BOC-2和BMO@BOC-1样品的吸收带边相近,而PL结果则表明BMO@BOC-1具有更好的电荷分离性能,以及合适的组分比例,在一定程度上可以促进光吸收,并能最大限度的促进光生载流子的分离.BMO@BOC-1样品的ESR测试结果说明,·OH与·O2-的含量随着光照时间的延长而增加,证实了它们是光催化NO氧化的活性中间物种.另外,光催反应机制的研究在高效光催化剂的研发及其商业化应用中具有深远意义.本文还利用原位红外实时动态监测手段,采用"连续流测试法"与"间歇流测试法"直观动态地研究了BMO@BOC异质结催化剂表面光催化NO脱除反应过程.结果表明,在开灯前的吸附阶段于催化剂表面形成了NO-, NO2-以及NO2等中间产物,开灯后的氧化阶段出现终产物(NO3-).进一步深入分析,中间产物NO-和NO2-在氧化阶段会被氧化活性物种进一步氧化成NO3-,而中间产物NO2可能作为一种毒副产物影响NO的完全氧化.综上所述,本文将为理解NO氧化过程提供直观且动态的研究方法,对光催化技术的发展具有重要的指导意义.     

S型Sb2WO6/g-C3N4复合光催化剂及其增强的可见光诱导的光催化氧化NO性能

近年来,随着工业化和城镇化的飞速发展,作为一种典型的空气污染物,NOx已经造成严重的环境问题,甚至威胁到人类的身体健康.为了解决这个问题,科研工作者研发了许多NOx去除技术,其中光催化技术被认为是一种能有效地去除空气中NOx的技术.作为一种廉价、无毒、热稳定性强、能带结构合适的光催化材料,石墨相氮化碳(g-C3N4)能够有效的利用可见光,将NO光催化氧化为NO3^-.但是由于自身的光生载流子复合率较高,光谱响应范围较窄等缺点,g-C3N4不能有效的光催化去除空气中持续流动的低浓度NO,限制了其在光催化领域中的实际应用.因此,有必要合成出高催化活性、高光响应范围的S型复合光催化剂来克服以上光催化材料的不足.为此,我们利用超声辅助法制备了一系列的S型Sb2WO6/g-C3N4复合光催化剂,呈现出优异的光催化活性:与其纯组分相比,所制备的15-Sb2WO6/g-C3N4复合光催化剂在可见光下照射30 min,可去除68%以上的持续流动的NO(初始浓度400 ppb),且五次循环实验后,Sb2WO6/g-C3N4复合光催化剂仍然具备良好的光催化活性和稳定性.透射电子显微镜结果清楚地表明,Sb2WO6颗粒已成功地均匀地负载到g-C3N4纳米片表面.紫外可见漫反射光谱的结果表明,Sb2WO6和g-C3N4的复合可以有效地提高对可见光的吸收能力.与纯g-C3N4样品相比,复合样的吸收带边具有明显的红移.光致发光光谱结果表明,在Sb2WO6/g-C3N4复合半导体中,光生载流子的复合受到抑制.光电流与电阻抗分析可知,与纯Sb2WO6和g-C3N4相比较,在15-Sb2WO6/g-C3N4复合光催化剂中的光生载流子的迁移速率和分离效率较高.通过对样品的能带结构分析并已有参考文献,我们认为Sb2WO6和g-C3N4的接触边界形成了S型异质结,使光生载流子的转移速率更快,改善了光生电子-空穴对分离,而且增强可见光的利用效率,从而提高了光催化性能.自由基捕获实验结果证实,?O2^-主导了Sb2WO6/g-C3N4复合光催化剂去除NO反应,h^+也在一定程度上参与了光催化氧化NO的反应.通过原位红外光谱技术研究了Sb2WO6/g-C3N4光催化NO氧化的反应机理,研究发现,Sb2WO6/g-C3N4复合光催化剂光催化去除是氧诱导的反应.具体反应机理是在可见光的驱动下,光催化剂表面的光生电子会与被吸附的O2反应生成?O2^-,并与光生h^+一起,共同将低浓度的NO光催化氧化为亚硝酸盐或硝酸盐.该研究有助于深入研究光催化氧化NO机理,并为设计高效光催化剂用于光催化氧化ppb级NO提供了一种极具前景的策略.     

Bi2O3-WO3光催化臭氧氧化降解糖蜜酒精废水的研究

采用固相合成法制备了Bi2O3-WO3光催化剂,研究了Bi2O3-WO3光催化与臭氧氧化协同降解糖蜜酒精废水的多相催化降解过程,并采用X射线衍射光谱(XRD)、紫外漫反射光谱(DRS)、热重-差热扫描(TG-DSC)等手段对Bi2O3-WO3催化剂进行了表征.研究发现:Bi2O3-WO3是一性能良好的光催化剂,臭氧强化了Bi2O3-WO3光催化氧化过程,反应2 h后,糖蜜酒精废水的脱色率可达90.2%.Bi2O3-WO3光催化剂的禁带宽度为2.92 eV,其中γ-Bi2WO6和Bi2W2O9是其活性中心.焙烧温度对Bi2O3-WO3光催化剂的活性有较大的影响,其中1 073 K为适宜的焙烧温度.     

La掺杂BiOI微球可见光下光催化氧化NO性能研究（英文）

光催化氧化技术被广泛认为是一种经济有效的治理低浓度NO的技术。三维Bi OI微球是一种典型的可见光光催化剂,其光催化氧化NO的性能常受限于快速的光生载流子复合以及较差的导电性。然而,由于Bi OI微球的尺寸较大,其与其它半导体或者助催化剂的复合通常不匹配,缺乏足够的接触界面。本文通过简易的一步水热法,首次采用稀土金属La掺杂策略改性Bi OI微球,并系统研究了其可见光光催化氧化NO的性能。实验优化调整了La的前驱体以及掺杂量。研究结果发现,同La Cl_3和La(AC)_3相比,La(NO_3)_3的效果最佳。0.3%La/Bi OI光催化氧化NO的转化率最优(74%),远高于单纯的Bi OI微球(44%),且其在连续5次循环实验中也表现出优异的稳定性。理化性质分析发现,La掺杂可促进Bi OI结晶,但对其形貌和结构几乎不产生影响。La~(3+)可能会通过取代Bi~(3+)进入Bi OI的晶格中,或形成La_2O_3纳米簇均匀的分散在BIOI微球的介孔中。机理分析进一步发现,La掺杂不仅减小了Bi OI的带隙,促进了对太阳光的吸收,而且可引入更多的氧空位,有利于水分子解离,生成更丰富的·OH。这些因素共同提升了Bi OI光催化氧化NO的性能。此外,La/Bi OI主要将NO氧化成NO_2,且形成的NO_2倾向于从催化剂表面脱附,这不仅保全了催化剂表面的活性位点,NO光催化氧化反应得以持续进行,而且可避免催化剂频繁洗涤再生,因此La/Bi OI具有优异的稳定性,且使用寿命长。此外,生成的NO2可轻易彻底地被尾部碱性液体吸收,有效避免了二次污染。本研究表明掺杂是一种有效改善三维Bi OI微球光催化性能的改性方法,期待其可为各种应用于光催化反应的三维半导体材料的改性和合理设计提供新颖的思路。     

离子交换法制备高光催化活性Bi2WO6@Bi2S3异质结纳米片

社会经济快速发展的同时, 也带来了日益严峻的环境污染问题. 半导体光催化氧化技术因节能环保而在环境领域有广阔的应用前景. 作为最具有代表性的半导体光催化材料, TiO2因为其禁带宽度(3.2 eV)比较大, 只能被紫外光激发, 因而对太阳能的利用率较低. 作为一种最简单的含铋层状氧化物, Bi2WO6的禁带宽度(2.7 eV)相对较小, 可以部分利用太阳光中的可见光, 因而受到广大研究者的青睐. 但是, Bi2WO6光催化材料的可见光响应范围较窄, 仅能被波长小于450 nm的光激发, 且激发后的光生载流子容易复合, 导致光催化效率不高. 因此, 迫切需要对Bi2WO6光催化材料进行结构修饰与改性,采用拓展其光响应范围和抑制载流子复合, 来提高其光催化活性.本文采用离子交换法原位合成了具有核-壳结构的Bi2S3@Bi2WO6纳米片, 充分利用Bi2S3优良的可见光响应性能和半导体异质结光催化剂的构建, 来提高Bi2WO6的光催化活性. 结果表明, 随着Na2S·9H2O用量从0增加到1.5 g, 所得催化剂的光活性不断提高, X3B的降解速率常数由0.40×10-3min-1增加到6.6×10-3min-1, 催化剂活性提高了16.5倍. 当进一步增加Na2S·9H2O的用量时(1.5-3.0 g), 复合催化剂的光活性下降. 这是由于过多Na2S·9H2O的引入导致在催化剂表面生成了没有光活性的NaBiS2层(Bi2S3+ Na2S = 2NaBiS2), 占据了催化剂的活性位点, 阻碍了染料分子与催化剂的直接接触. Bi2WO6@Bi2S3异质结纳米片光活性的提高, 可归因于Bi2S3的敏化作用极大拓展了复合催化剂的光响应范围; 另一方面, Bi2WO6和Bi2S3两者之间的半导体异质结效应有效促进了光生载流子在空间的有效分离, 抑制了光生电子-空穴的复合, 从而提高了复合催化剂的催化效率. 本研究为其他半导体复合材料的原位生长制备提供了新的思路.     

废弃塑料光催化转化制备低碳数有机化合物

大量废弃塑料引发了一系列的环境和生态问题,其转化和利用一直受到广泛关注.塑料中含有丰富的碳元素,但这些碳元素往往以惰性的C–C键和C–H键形式存在,因此如何利用这些碳资源成为一大难题和挑战.以往部分研究已经提供了塑料催化转化制备碳材料、化学品和燃料的可能性,但是自然界中的废弃塑料总量庞大,需要考虑其转化过程中的能量来源.地球上有丰富的太阳能资源,光催化过程有可能利用太阳能来实现温和条件下的废弃塑料转化.在以往的研究中,光催化塑料降解和光催化塑料重整过程主要关注的目标产物分别是CO₂和H₂.相较而言,光催化塑料转化制备低碳数有机化合物的过程有望助力碳循环经济的发展.近年来报道了一些光催化塑料转化制备低碳数有机化合物的研究工作,这些研究为获取和利用塑料中的碳资源提供了新的研究思路和策略.本文概括对比了光催化塑料降解、光催化塑料重整和光催化塑料转化制备低碳数有机化合物三种过程的差异,包括其中的目标产物和相应的反应活性物种.此外,本文总结了光催化塑料转化制备低碳数化合物的反应方法.简要地说,塑料可以经过光催化选择性氧化、氧化偶联和水解脱氢等策略来得到低碳数的化学品和燃料,涉及利用光催化氧化过程断裂塑料中的C–C键,利用水解过程断裂塑料的C–N和C–O键,以及利用光催化脱氢过程断裂中间产物的O–H键和N–H键等关键步骤.在光催化塑料转化到低碳数有机产物的文献报道中,主要涉及液固相反应体系和反应器,需要考虑反应溶剂的选择.水是理想的溶剂,但对塑料的溶解能力有限.当使用其他有机溶剂时,需要利用同位素标记实验验证产物中的碳物种来源.此外,实际废弃塑料上残留的其他杂质会影响光催化剂的吸光过程,降低光催化反应效率,因此亟需设计和开发合理的光反应器来提高对光能的利用率,实现塑料的高效转化.虽然塑料制备低碳数化学品和燃料的光催化转化策略已有研究报道,但未来仍需探索更加高效的转化路线.此外,塑料主要呈现高分子聚合物的结构,未来的研究可以借鉴对生物质等天然聚合物分子的转化策略.     

利用金属-自由基相互作用调控自由基的定向转化（英文）

近年来光催化研究的兴起极大地促进了传统自由基化学的发展.在光照下,被激发的光催化剂会与底物发生电荷转化,从而在非常温和的条件下产生自由基中间体.自由基物种非常活泼,可快速地发生各类C–C偶联或者断键反应,但自由基的高活性同时意味着难以实现其可控的转化.特别是在多相光催化体系中,实现自由基物种的定向转化仍非常困难.光照条件下,半导体光催化剂的光生电子或空穴可以活化底物产生各种活泼的自由基物种,但往往在随后的自由基转化反应中扮演着旁观者的角色.即产生的自由基中间体可以自由地扩散和反应,它们会彼此碰撞发生自由基-自由基偶联反应,与表面活性氢物种反应,或者进一步被氧化为相应的碳正离子进而转化为一系列复杂的产物.因此,多相光催化剂表面不受控的自由基反应限制了其在很多重要领域(例如合成化学以及生物质转化等)的进一步应用.本文提出在半导体催化剂表面构建特定的金属位点,利用金属-自由基相互作用来调控在半导体表面产生的自由基物种的定向转化.以苯乙酸在金属/TiO₂催化剂上的光催化脱羧为模型反应进行研究.光照条件下,苯乙酸在TiO₂上被光生空穴氧化发生脱羧反应,...     

BN诱导BiOI富氧{110}面的暴露并增强其可见光催化氧化性能（英文）

光催化剂的暴露晶面极大地影响其光催化性能。因此,本文以Bi OI为模型材料,提出了一种提高材料光催化氧化性能的新策略。本文中,BN纳米片的成功复合诱导Bi OI纳米片更倾向于暴露富含表面晶格氧原子的{110}晶面。表面晶格氧原子可以直接参与NO的氧化反应,生成NO2。可见光催化氧化NO性能测试表明,Bi OI复合BN后,NO的去除率可达44.2%,相比于纯相Bi OI (1.4%)提升接近30倍。本文通过构建2D/2D光催化剂来调控材料富氧晶面的暴露,为增强催化剂的光催化氧化性能提供了新的策略。     

氧空位对Bi2MoO6的关键作用:促进可见光光催化活性和反应机理

Bi_2MoO_6(BMO)作为一种典型的Bi基光催化剂,近年来受到越来越多的关注并被广泛应用.然而, Bi_2MoO_6的可见光光催化活性仍然存在一些限制,如有限的光响应范围和低电荷分离效率.为了提高光催化活性,研究者采取了各种策略,包括元素掺杂、形成异质结构和形貌控制等.早期研究表明,氧空位可以拓展光催化剂的光吸收区域,并且氧空位是光催化剂表面反应物活化最活跃的位点,可以促进电荷分离和使电子局域化.因此,制备具有氧空位的Bi基光催化剂可能是提高其光催化性能的有效途径.然而,氧空位对Bi_2MoO_6电子结构和光催化反应机理的影响尚不清楚.本文通过在制备过程中加入NaBH_4诱导氧空位形成,合成出了具有氧空位的可见光驱动的Bi_2Mo_6微球(BMO-X).利用UV-visDRS光谱研究了合成后的光催化剂的光学吸收性能,发现在产生氧空位后, BMO-4在可见区域的吸收显著增强,带隙从BMO的2.40 eV降低到BMO-4的2.07 eV.通常,较强的光吸收能力对光催化反应更有利,因为可以产生更多的光生载流子参与光催化作用.将所制备的催化剂用于光催化净化NO,结果表明具有氧空位的Bi_2MoO_6(BMO-4)的可见光催化NO净化效率为43.5%,远高于本体Bi_2MoO_6(BMO)的可见光光催化活性(25.0%).结合实验表征和理论计算结果,探讨了氧空位对Bi_2MoO_6电子结构和光催化净化NO反应机理的影响.采用低温固态电子顺磁共振(EPR)检测了催化剂中的氧空位,在BMO中仅检测到弱的EPR信号,表明BMO中几乎没有氧空位,而BMO-4上的EPR信号非常强,表明NaBH_4的引入诱导产生了大量的氧空位.DFT计算确认BMO-4的带隙内有中间能级形成.XPS测试结果表明,与BMO相比, BMO-4的Bi–O峰值强度略有下降,可能是由于部分Bi–O中缺少O原子以形成氧空位所致.PL结果表明,具有氧空位的Bi_2MoO_6(BMO-4)显示出显著降低的光激发电子-空穴对分离效率,可能是由于氧空位改变了Bi_2MoO_6的电子结构.此外,理论计算结果发现具有氧空位的Bi_2MoO_6的表面电子可以位于氧空位周围,这有利于电荷分离和反应物活化.同时,该结果表明BMO-4中增强的电荷分离归因于氧缺陷对改进的电子结构的影响.此外,电子局域化可以为反应物活化提供额外的活性位点(O_2, NO等),这可以促进BMO-4中自由基的产生和污染物转化.利用原位红外光谱动态监测光催化NO氧化过程.与本体Bi_2MoO_6相比,引入氧空位后的Bi_2MoO_6光催化净化NO的反应机理未改变.但是, BMO-4上终产物的特征峰强度显著增大.此外, BMO-4上明显增加的多种形式的最终产物,桥接硝酸盐消失并转化为更稳定的双齿硝酸盐.这些结果可归因于氧空位可以促进电荷分离和自由基的大量产生,从而增强光催化氧化性能.本工作为理解光催化氧气空位和气相光催化反应机理提供了新的见解.     

高稳定性的氮掺杂氧化钽光催化甲醇C−H活化和直接C−C偶联制乙二醇

乙二醇是非常重要的基础化学品,不仅可以作为合成聚合物(如聚对苯二甲酸乙二醇酯)的重要单体,也可以用作防冻剂和燃料添加剂等,具有广泛的用途.乙二醇的年产量超过2500万吨,目前主要的工业合成路线是由石油衍生的乙烯通过环氧化制环氧乙烷,环氧乙烷再水解制乙二醇.甲醇是一种清洁的平台化合物,不仅可以由天然气和煤炭通过传统的合成气过程生产,也可以由生物质和CO2直接合成.直接以甲醇为原料是合成乙二醇的理想过程,但目前热催化还未实现该过程.通过太阳能驱动的C?H活化和C?C偶联过程,可以实现甲醇直接偶联制乙二醇的理想反应过程.光催化甲醇制乙二醇可以在十分温和的条件下进行,目前已报道的甲醇制乙二醇光催化剂均为硫化物半导体材料,如CdS,ZnS和Zn2In2S5,但硫化物存在的光腐蚀和毒性等问题迫使我们去发展一种更加稳定和环境友好的光催化剂.氧化物基半导体材料,如Ta2O5,TiO2,ZnO和WO3等,是一类相对硫化物半导体材料更加稳定的光催化材料,然而目前还没有氧化物基半导体光催化剂用于光催化甲醇制乙二醇的报道.本文率先将金属氧化物光催化剂Ta2O5,用于甲醇制乙二醇的光催化反应,实现了乙二醇的选择性合成.在单纯的Ta2O5催化剂上,乙二醇选择性可达73％.Ta2O5十分独特,可以实现甲醇的光催化C?C偶联制乙二醇,而其他金属氧化物光催化剂(如TiO2,ZnO,WO3和Nb2O5)光催化转化甲醇只生成甲醛和甲酸等C1产物.进一步通过简单、方便的氨气焙烧法,制备了一系列不同氮掺杂量的氧化钽(N-Ta2O5)催化剂.在未经助催化剂修饰的氮含量为2.3％的2％N-Ta2O5光催化剂上,乙二醇选择性为71％,生成速率可达4.0 mmol gcat?1 h?1,约为Ta2O5的9倍,同时显著高于已报道的未经助催化剂修饰的CdS催化剂性能.通过光电流、表面光电压谱和理论计算等方法系统地研究了氮掺杂氧化钽具有高的光催化甲醇制乙二醇性能的重要原因,发现氮掺杂氧化钽高的电荷分离能力是决定其具有高活性的关键因素.另一方面,氮掺杂氧化钽表现出了非常高的反应稳定性,在超过160 h的循环测试过程中,乙二醇的生成速率基本保持不变,这是目前已报道的金属硫化物光催化剂所未能实现的.在长达60 h的反应过程中,未经助催化剂修饰的2％N-Ta2O5催化剂上乙二醇生成量基本随时间线性增长,收率可达3.6％.进一步研究发现,钽基半导体材料(Ta2O5和N-Ta2O5)可以在保持甲醇羟基不变的情况下优先活化甲醇C?H键,生成羟甲基自由基(?CH2OH),随后羟甲基自由基经C?C偶联生成乙二醇.钽基半导体光催化剂是一种环境友好且十分稳定的甲醇光催化偶联制乙二醇的优异催化剂,未来基于该类催化剂不仅有希望发展出更加高效、稳定的甲醇制乙二醇光催化剂,还有希望为更广的羟基存在下的C?H键选择性活化反应过程设计高效稳定的催化剂提供借鉴和指导.     

具有贵金属行为的等离子Bi纳米颗粒负载到还原TiO2微米球及其高效全光谱光催化产氧（英文）

化石燃料的快速消耗导致了严重的环境问题,特别是全球变暖和雾霾.寻找替代传统化石能源的清洁能源是当务之急.光催化水分解技术被认为是将太阳能转化为绿色可再生能源的一种很有前景的方法.作为一种用于光催化的半导体材料,需要满足三个条件:(1)带隙要高于水分解的电压(1.23 e V);(2)带边缘位置应跨越氢还原电位和氧氧化电位;(3)在光催化过程中,光催化材料应具有抗光腐蚀的稳定性.然而,水氧化的半反应是非常困难的,主要是涉及到复杂的四电子氧化过程和O-O键形成的高激活能量.TiO2是光催化剂中最重要的材料之一,因为它具有成本低,无毒,光稳定性好等优点。但TiO2的可见光利用率低,载流子复合率高,光催化效率受到严重限制.通过H2还原可以引入Ti3+,还原得到的TiO2带隙变窄,具有较好的可见光催化产氧活性.由于贵金属纳米粒子具有表面等离子体共振(SPR)效应,将贵金属(如金或者银)与TiO2结合是将光催化剂的光吸收边扩展到更长的波长一种有效途径.然而,贵金属的价格限制了它们的商业化,因此需要低成本的金属作为替代品.最近,金属铋(Bi)被证明是贵金属的理想替代品,具有明显的SPR效应,在可见光甚至近红外范围具有优异的光吸收性能.通过光还原,化学还原,水热还原等还原方法,可以方便地获得金属Bi.然而,通过原位沉积的方法将金属Bi纳米粒子直接沉积到半导体表面仍然是一个很大的挑战.本文采用双金属有机骨架衍生的合成策略,通过调节合成温度,将金属Bi原位沉积到还原TiO2微球表面(Bi@R-TiO2).采用X射线衍射,扫描电镜,透射电镜, X射线光电子能谱,漫反射光谱,光致发光光谱,阻抗,光电流响应等表征技术对制备样品的结构和光学性能进行了研究.结果表明,通过乙二醇可以将Ti4+还原为Ti3+得到还原的TiOx, Bi3+同时也被还原为金属Bi.当退火温度控制在300 oC时,相应的Bi@R-TiO2-300表现出最高的全光谱光催化产氧活性(4728.709μmolh–1g–1),分别是的纯TiO2和Bi-Ti双金属有机框架的5.9和9.5倍.这可归因于以下三点:(1)金属Bi作为"电子受体",加速了TiO2向Bi的载流子转移;(2)负载到还原TiO2表面的金属Bi具有SPR效应可以增强可见光和近红外光的吸收能力;(3) Ti3+的产生进一步减小TiO2的禁带宽度.     

光/电化学氧化诱导C–H键官能团化

C–H键活化及其官能团化一直被认为是合成化学的圣杯,光/电氧化诱导C–H键官能团化反应为追求更为绿色、原子经济性、步骤经济性更高的现代合成化学提供了新思路.我们借助可见光或电化学氧化诱导策略实现了直接C–H键官能团化,即底物无需预官能团化,无需外加氧化剂,可直接实现碳–碳以及碳–杂键的构建.通过光/电化学氧化诱导策略使得反应在更为温和的条件下进行,能够兼容更多官能团,并且为合成化学提供一条新的途径.近些年,该策略已经应用于不同化学环境C–H官能团化构建多种化学键.本文结合该领域的代表性工作,重点介绍本课题组近些年在光/电氧化诱导C–H键官能团化反应上的研究进展,并对这一领域的前景进行了展望.     

BiO3对染料的光催化降解性能

近年来 ,利用半导体材料光催化降解有害污染物已成为比较热门的研究课题之一 [1,2 ] ,因其能有效地利用太阳能并在反应中产生强氧化能力的空穴和羟基自由基 ,因而备受人们的关注 .目前使用较多的是催化活性高 ,稳定性好的 Ti O2 [3] ,但由于其带隙较宽 ( 3.2 e V) ,只能吸收波长 λ≤ 387nm的紫外光 .因此研制新型光催化剂或改善催化效率仍是重要研究课题 .近年来 ,有报道用 Bi2 O3光催化处理含亚硝酸盐废水的实验研究 [4 ] ,结果比较满意 .本研究对 Bi2 O3的制备、表征及其作光催化剂处理各种染料溶液进行实验 ,结果表明 ,Bi2 O3具有较…     

具有高效电荷分离的2D/2Dα-Fe2O3/Bi2WO6S型异质结增强光-芬顿催化活性

近年来,Fenton反应由于其成本低,反应速度快,操作简单等优势受到了广泛的研究.传统的均相Fenton反应可通过H2O2氧化Fe2+产生具有强氧化性的羟基自由基,用于处理难降解的有机物.然而,Fenton反应存在两个主要问题,首先,在Fenton反应中需要加入大量的酸来维持酸性环境,以保证反应的最佳活性.其次,Fenton反应中铁离子不断流失并形成固体污泥,这严重影响了Fenton反应产生?OH的效率.目前,将光催化反应与非均相芬顿反应相结合是改善这些问题的有效方案.非均相光芬顿反应不仅能提高有机物降解的活性,而且通过光催化剂导带上的电子有效减少Fe^3+的浸出和铁氢氧化物沉淀的产生.最近,作为一种可见光Fenton催化剂,α-Fe2O3可以在几乎中性的条件下发生光芬顿反应,这解决了在反应过程中需要随时调整PH值的问题.此外,光照条件下α-Fe2O3价带上的电子能跃迁至导带并将Fe3+还原成Fe^2+,从而减少铁离子的损耗.然而,由于光生载流子复合率较高等问题,单一α-Fe2O3光催化剂的催化活性仍不理想.构建具有2D/2D结构的S型异质结可以缩短电子在界面间的传输距离,增大材料的活性位点,将光生电子-空穴在空间上分离,从而有效增强光生载流子的分离效率.因此,构建2D/2Dα-Fe2O3/Bi2WO6 S型异质结,并用于光芬顿反应有望进一步提高对有机污染物的降解效率.本文通过简易的水热法制备了具有2D/2D结构的α-Fe2O3/Bi2WO6 S型异质结光芬顿催化剂,并通过XRD、BET、TEM、XPS和UV-Vis等手段对催化剂的晶体结构、元素状态、微观结构、光学性质和化学组分进行了表征.通过在可见光照射下降解甲基蓝(MB),考察了α-Fe2O3/Bi2WO6的光芬顿催化活性.结果表明,由于光催化反应与Fenton反应的协同作用,α-Fe2O3/Bi2WO6表现出了明显增强的光-Fenton催化活性,最佳比例的α-Fe2O3/Bi2WO6的活性分别是单一α-Fe2O3和Bi2WO6的11.06倍和3.29倍.本文将光催化反应与Fenton反应相结合,一方面,光催化反应对Fe^3+的还原有促进作用,提高了Fe2+的浓度,从而提升羟基自由基的产量;另一方面,Fenton反应对α-Fe2O3/Bi2WO6中电子的利用阻止了光生载流子的复合,进一步提高了光催化降解效率.此外,由于二维纳米片之间具有更大的接触面积,2D/2D异质结可以缩短电荷传输时间和距离,促进了光生电子-空穴的分离.同时,具有较大比表面积的2D/2D材料可以在催化剂表面提供大量用于有机物氧化分解的活性位点.而S型异质结的构建不但促进了界面电荷的转移和分离,还能维持最佳的电荷氧化还原电位,这都提升了催化剂的光芬顿催化活性.总之,本文为合成可高效降解有机污染物的非均相光-芬顿催化剂提供了新的思路.