g_C_3N_4光催化性能的研究进展_楚增勇

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g_C_3N_4光催化性能的研究进展_楚增勇

第29卷 第8期 无 机 材 料 学 报

Vol. 29

No. 8

2014年8月

Journal of Inorganic Materials Aug., 2014

收稿日期: 2013-12-04; 收到修改稿日期: 2014-01-16

基金项目: 国家自然科学基金(51073172); 湖南省自然科学杰出青年基金(14JJ1001)

National Natural Science Foundation of China (51073172); Hunan Provincial Natural Science Foundation for Disting uished Young Scholars(14JJ1001)

文章编号: 1000-324X(2014)08-0785-10 DOI: 10.15541/jim20130633

g-C 3N 4光催化性能的研究进展

楚增勇,原 博,颜廷楠

(国防科学技术大学 理学院, 长沙410073)

摘 要: 利用光催化剂将太阳能转化为人类可以直接利用的能量, 并用其解决地球资源的枯竭和生存环境的恶化是可再生清洁能源研究的一个方向。g-C 3N 4的独特结构赋予其良好的光催化性能, 使之成为光催化领域的研究热点。目前在光催化领域, g-C 3N 4主要用于催化污染物分解、水解制氢制氧、有机合成及氧气还原。在实际应用中, 为进一步提高g-C 3N 4的光催化效果, 科研工作者开发了多种改进方法, 例如物理复合改性、化学掺杂改性、微观结构调整等。本文主要论述了g-C 3N 4在光催化领域的应用以及光催化性能的改进方法, 简要阐述了光催化和各种改进方法的机理, 分析了目前g-C 3N 4在光催化领域面临的问题和挑战, 展望了g-C 3N 4的应用前景。 关 键 词: g-C 3N 4; 光催化; 改进方法; 综述 中图分类号: TB321 文献标识码: A

Recent Progress in Photocatalysis of g-C 3N 4

CHU Zeng-Yong, YUAN Bo, YAN Ting-Nan

(College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract: Based on photocatalysts, solar energy can be converted into the energy that human can directly utilize, so

as to solve the problems such as the depletion of the Earth’s resources and the deterioration of living environments. The unique structure of g-C 3N 4 gives it good photocatalytic performance. Its development and utilization have been a research hotspot recently. Generally, g-C 3N 4 can be used in the degradation of pollutions, hydrolysis to generate hy-drogen and oxygen, organic synthesis and oxygen reduction. However, in practical, its performance is not satisfactory. Researchers have tried many new methods to improve its photocatalysis, which include physical coupling modification, chemical bonding modification and microstructural modification. The review summarizes its photocatalysis and im-proving methods, briefly illustrates the catalysis mechanism, and presents detailed discussions and analysis on the ex-isting problems as well as potential applications.

Key words: g-C 3N 4; photocatalysis; improving methods; review

太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源, 人类正致力开发高效的光催化剂, 以实现对太阳能的转化利用。目前, 已开发出的光催化剂大体可分为三种: 金属氧化物、硫化物(如TiO 2[1]、ZnO [2]、CdS [3]等), 贵金属半导体(如Bi 2MoO 6[4]、BiOBr [5]、Ag 3PO 4[6]等), 非金属半导体(如g-C 3N 4[7], 红磷[8]等)。ZnO(3.3 eV)和TiO 2(3.2 eV)带隙较宽, 仅能利用只占太阳能

4%的紫外光。CdS(2.4 eV)带隙较窄, 但稳定性较差。Bi 2MoO 6(2.9 eV)和BiOBr(2.8 eV)带隙适中, 但含有贵金属元素, 价格较高。g-C 3N 4是一种非金属半导体, 由地球上含量较多的C 、N 元素组成, 带隙约2.7 eV, 对可见光有一定的吸收, 抗酸、碱、光的腐蚀, 稳定性好, 结构和性能易于调控, 具有较好的光催化性能, 因而成为光催化领域的研

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无 机 材 料 学 报 第29卷

究热点。

g-C 3N 4, 即石墨相的C 3N 4, 是五种C 3N 4中最稳定的一种, 其结构如图1(a)所示。关于g-C 3N 4的单层结构, 人们主要有两种不同的看法: 一种认为单层g-C 3N 4以三嗪环(C 3N 3环)为结构单元(如图1(b))[9-12]; 另一种认为单层g-C 3N 4的基本结构单元是3-s-三嗪环(C 6N 7环)(如图1(c))[13-15]。通过密度泛函(DFT)计算, 基于3-s-三嗪环的g-C 3N 4结构比基于三嗪环的g-C 3N 4结构稳定[16], 近年来, 大多数对g-C 3N 4的研究都以3-s-三嗪环结构为理论模型。

在自然界中, 至今还没有发现存在天然的g-C 3N 4晶体。所以, g-C 3N 4的研究依赖于实验合成。合适的碳源和氮源在一定条件下反应可得到g-C 3N 4, 常用的反应物有三聚氰胺、三聚氰氯、氰胺、二氰二胺、尿素等。目前, g-C 3N 4的主要合成方法有: 高温高压法[17]、溶剂热法[18]、沉积法[9, 19]、热聚合法[15, 20]等。热聚合法可以方便地通过加入其他物质或改变反应条件来调节g-C 3N 4的结构, 从而提高g-C 3N 4的光催化性能, 是目前g-C 3N 4研究中常用的合成方法。

1 g-C 3N 4光催化的类型

g-C 3N 4独特的结构决定了其独特的性质, 并赋予了其在光催化领域的广泛应用。目前, g-C 3N 4主要应用于光催化污染物分解[21-22]、光解水制氢制氧[23-24]

、光催化有机合成[15, 25]和光催化氧气还原[26]等。

1.1 光催化污染物分解

应用于g-C 3N 4光催化性能研究的主要污染物有两类, 即有机染料(亚甲基蓝(MB)[21]、甲基橙(MO)[27]和罗丹明B(RhB)[28]等)和小分子化合物(苯酚[29-31]、2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)[32]、2,4,6-三氯苯酚(2,4,6,-TCP)[22]、十溴联苯醚[33]、乙醛[34-35]、NO [20]和Cr(Ⅵ) [36-37]等)。光照下, g-C 3N 4价带电子激发至导带形成电子–空穴对, 电子与氧气分子结合, 并进一步与水分子反应。上述三个过程促使三种活性粒子的生成, 即h +、?O 2-和?OH [21](图2(a))。这些活性粒子可促使有机染料(图2(b))和某些有机物分解。NO 与活性粒子经一系列的反应可生成HNO 3、HNO 2(如图2(c)), 从而实现对含NO 气体的净化[20, 38]。

图1 g-C 3N 4的结构模型

Fig. 1 Structure models of g-C 3N 4

(a) Crystal model [17]; (b) S-triazine model [7]; (c) 3-s-triazine model [7]

图2 活性粒子的产生(a)[21]与其催化有机染料降解(b)[27-28]和含NO 气体净化的机理(c)[38]

Fig. 2 Generation of reactive species (a)[21] and action mechanism for degradation of organic dye (b)[27-28] and purification of gas

containing NO (c)[38]

第8期楚增勇, 等: g-C3N4光催化性能的研究进展 787

Cr(Ⅵ)/Cr(Ⅲ)的还原电势为1.33 V, 而g-C3N4的价带(1.5 V)和导带(–1.2 V)跨立在其两端, 故

g-C3N4在光激发产生的电子可将剧毒的Cr(Ⅵ)还原为低毒的Cr(Ⅲ)[36-37]。

1.2 光催化水解制氢制氧

g-C3N4的导带和价带跨立在H+/H2和H2O/O2还原电势的两侧, 所以g-C3N4可用来催化水的分解。在g-C3N4光催化水解制氢时, 激发至导带的电子与氢离子结合, 留下的空穴由催化体系中加入的三乙醇胺[39]、维C[40]或甲醇[41]及时移除。由于超电势的存在, g-C3N4光激发产生的电子不能快速地转移给氢离子, 影响了光解制氢的速率。在g-C3N4表面沉积一定量的Pt可以有效解决这个问题, 这是由于Pt可以和H形成Pt-H键, 有利于电子的迅速转移使H+转化为H2[42]。金属Pt的使用增加了水解制氢的成本, Hong等[43]使用NiS作为共催化剂, 取得了与使用Pt作为共催化剂相当的催化速率。

在光解水制氧时, H2O分子与光激发产生的空穴结合, 释放出氧气, 电子则需要加入AgNO3[42, 44]等试剂去除。为了防止H+的积累导致pH的下降, 可使用缓冲试剂维持pH在8~9之间, 如La2O3[44]等。由于N原子相对于O易被氧化, 光解水制氧可能会生成N2[42], 所有光解制氧时需要加入RuO2等试剂及时将空穴从g-C3N4中导出。g-C3N4光解水制氧的能力较弱, 这可能是由于g-C3N4的价带(1.5V)与H2O/O2的电势(1.2V)较为接近, 热力学氧化驱动力不足造成的[42], 因此可以通过降低价带的位置来提高水解制氧的速率[23]。

1.3 光催化有机合成

在有机合成中, 利用O2作为氧化剂制备某些有机物时, 由于O2氧化能力较强, 不可避免地会产生大量的过度氧化产物, g-C3N4的加入可有效地解决这一问题, 实现精确性氧化[45-46]。在反应体系中, 氧气在g-C3N4表面与光激发产生的电子结合形成?O2-, 由于空穴静电作用, ?O2-吸附在g-C3N4表面。附着在g-C3N4上的反应物经?O2-氧化后吸附能力减弱, 发生脱附, 因催化体系中没有游离的?O2-而避免了被过度氧化[47]。在羟胺化合物的帮助下, g-C3N4能很好地活化丙烯基位的碳氢键, 用于相应醛酮的合成[48]。CO2的活化利用是有机合成的一个发展方向, Huang等[15]在SBA-15的孔道中合成了g-C3N4, 经金属离子修饰后能够很好地活化CO2用于环氧化合物和烯类化合物的合成。g-C3N4还能催化CO2转化为CH4[49], 这将在燃料动力设备中发挥重要作用。g-C3N4中起桥连作用的N原子是Lewis碱活性位点, 可催化Knoevenagel缩合反应[50]。除此之外, g-C3N4可催化对苯二甲酸转化生成2-羟基对苯二甲酸[29, 51]、β-酮酯的酯交换反应[52]、苯的傅–克酰基化反应[53]、苯甲醛与醇的酯化反应[54]和胺类的二聚反应[55]等。

1.4 光催化氧气还原

氧气的还原反应(ORR)是燃料电池的一个重要的半反应。碳材料中共轭的N原子可以有效地催化ORR[56], 故对ORR的催化已成为g-C3N4应用研究的一个方向[57]。O2的最低空轨道(LUMO)与g-C3N4中的共轭氮原子相互作用, 发生电荷的转移, 从而促进氧气的还原[58]。研究表明, g-C3N4对ORR的光催化是一个较为复杂的过程, 其可分为四电子还原

--

22

O2H O+4e4OH

+→

和双电子还原

---

222

---

22

O H O+2e HO OH

HO H O+2e3OH

+→+

+→

两种[59]。经石墨烯/CoO[60]、石墨烯/Co[61]、C[62]、Fe[63]修饰的g-C3N4对ORR具有较好的催化活性, 具有较好的应用前景。

除了上面几种在光催化领域的应用外, 科研人员还开发了g-C3N4的其他用途, 例如对钢材的电化学保护[64]、合成石墨烯的模板[65]、光生电[66]、超级电容器[67]、荧光探测和成像[12, 68-69]等。

2 g-C3N4光催化性能的改进方法

g-C3N4有着广泛的应用, 但由于电子空穴复合快和比表面积不够大等原因, 实际应用效果并不理想。为此, 科研人员开发了多种方法改进g-C3N4, 例如物理复合改性、化学掺杂改性、微观结构调整等。

2.1 物理复合改性

物理复合改性是最方便的改进方法。目前, 选用的复合物主要有金属化合物(如CdS[40]、Fe3O4[27]、ZnO[28]、AgX[70](X= Br, I)、TiO2[30, 71]、SmVO4[72]、MoS2[41]、Bi2WO6[73]等)、类石墨烯材料(如石墨烯[74]、氧化石墨烯[32]、碳纳米管[75]等), 高分子化合物(如P3HT[76]、PANI[77]等)和贵金属(如金[77])等, 复合后g-C3N4的光催化性能都有一定提高(如表1)。g-C3N4与复合物质之间并非简单的物理混合, 而是充分接触并形成异质结。由于二者导带和价带位置的差异, g-C3N4光激发产生的电子或空穴转移至复合物的导带或价带中, 电子空穴分离(如图3), 复合率降低, 从而可以更高效地利用光激发产生的活性粒子。经

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第29卷

表1 g-C 3N 4与物质复合后光催化性能的提高

Table 1 Improvement of photocatalytic performance of g-C 3N 4 physically coupled with other materials

Photocatalyt Application

Photocatalytic performance of pure g-C 3N 4 [a]/ (min -1 or μmol ?g ?h -1) photocatalytic performance

of modified g-C 3N 4 [a]/ (min -1 or μmol ?g ?h -1) Reference Fe 2O 3/g-C 3N 4 Degradation of MO 0.0030 0.0163

[27] AgX/g-C 3N 4(X=Br, I)

Degradation of MO 0.0006 0.1900 [b] 0.0068 [c] [70] ZnO/g-C 3N 4 Degradation of RhB 0.0078 0.0239 [28] SmVO 4/g-C 3N 4 Degradation of RhB 0.0143 0.0338 [72] GdVO 4/g-C 3N 4 Degradation of RhB 0.0142 0.0434 [80] DyVO 4/g-C 3N 4 Degradation of RhB 0.0142 0.0365 [81] Formate anion/g-C 3N 4

Reduction of Cr(Ⅵ) 0.0010 0.0033 [37]

MoS 2/g-C 3N 4 Hydrogen generation by hydrolysis 0.15 23.10 [41] CdS QDs/g-C 3N 4 Hydrogen generation by hydrolysis 38 4494 [40] Gr/g-C 3N 4 Hydrogen generation by hydrolysis 147 451 [74] P3HT/g-C 3N 4 Hydrogen generation by hydrolysis

1.8 555.0 [76] TiO 2/g-C 3N 4 Degradation of phenol 0.022 0.053 [30]

Degradation of MB 0.0054

0.0338

g-C 3N 4/rGO/MoS 2 Reduction of Cr(Ⅵ) 0.0028 0.0157 [82] Degradation of RhB 0.0041 0.0156 GO/g-C 3N 4

Degradation of 2,4-DCP

0.0037

0.0077

[32]

[a] min for degradation of pollution, μmol ?g ?h for hydrogen generation by hydrolysis; [b] degradation rate of MO by utilizing AgBr/g-C 3N 4; [c] degradation rate of MO by utilizing AgI/g-C 3N 4

图3 g-C 3N 4与物质复合后电子和空穴的分离

Fig. 3 Separation of electrons and holes of g-C 3N 4 physically coupled with other materials

(a) Convection-type charge transfer [30, 40] (such as TiO 2, CdS); (b) Advection-type charge transfer [27, 74] (such as Fe 3O 4, graphene); (c) Z-type charge

transfer [35, 71]

某些颜料(如曙红Y [78])光敏化的g-C 3N 4对可见光的吸收增强, 光催化能力明显提高。复合物的加入还可赋予催化剂一些独特的优点, 例如g-C 3N 4与Fe 3O 4[27]、Bi 25FeO 40[79]复合后具有磁性, 方便了光催化剂的回收利用。

2.2 化学掺杂改性

化学掺杂改性能够很好地改变g-C 3N 4的电子结构, 从而改善光催化性能。目前, 常采用杂环[44, 83-85]和杂原子(如S [29]、P [66]、B [86]、F [87]等)进行掺杂。杂环的引入使g-C 3N 4的电子电势重新分配, 氧化还原位点分离[44], 光催化性能提高(如图4、表2)。S 、P 、B 、F 等杂原子与C 、N 原子的电负性不同, 它们的引入必然引起电子在整个网络中的不均匀, 导

致电子结构的改变[88-89], 从而影响g-C 3N 4的光催化性能(如表2)。异类元素的引入容易导致不对称掺杂或杂质, 这些都可以作为电子空穴的复合中心, 从而不利于光催化性能的提高, 故Dong 等[90]研究了C 的自掺杂对g-C 3N 4光催化性能的影响, 发现掺杂的C 取代了g-C 3N 4网络中起桥连作用的N, 扩大了电子的离域范围, 增加了电导率, 降低了带隙, 光催化性能得到了提高。

2.3 微观结构调整

在现有的g-C 3N 4光催化体系中, 都需要催化剂分散在溶剂中并与目标物充分接触, 活性粒子经催化剂表面作用于目标物, 所以g-C 3N 4的比表面积和微观形貌也影响了其光催化性能。因此, g-C 3N 4光

第8期

楚增勇, 等: g-C 3N 4光催化性能的研究进展 789

图4 引入不同的杂环对g-C 3N 4水解制氢速率的影响[83]

Fig. 4 Influence of different heterocycles introduced into g-C 3N 4 on the rate of hydrogen production [83]

Every figure (μmol/h) below heterocycles means the rate of hydrogen production and the rate of hydrogen production of unmodified g-C 3N 4 is

18 μmol/h

催化性能的提高也可通过g-C 3N 4微观结构的多孔化和低维化来实现。多孔、纳米颗粒、纳米棒、纳米薄层等结构的g-C 3N 4, 比表面积较大、结晶度较高, 光催化性能明显提高(如表3)。 2.3.1 多孔结构

利用SiO 2作为硬模板, 可合成出多孔结构的g-C 3N 4[45, 52-53, 92-94](如图5(a)), 其光催化苯的傅–克酰基化反应、光解水制氢和对醇的选择性氧化的能力明显提高。多孔结构使g-C 3N 4比表面积增加, 电子的捕捉位点增多, 减缓了电子空穴对的复合, 使其能克服带隙略微增加带来的不利影响而提高光催化性能[94]。

多孔g-C 3N 4合成后, 需要去除硬模板, 这往往需要使用剧毒的HF [92]或NH 4HF 2[47], 对人体的伤害较大。Xu 等[95]在前驱体中加入硫脲合成出多孔g-C 3N 4。同样, Dong 等[94]用三聚氰胺的盐酸季铵盐作为前驱体, 也合成出多孔的g-C 3N 4。硫脲和盐酸等软模板的加入, 不仅促使多孔结构的形成, 而且有效避免剧毒物质的使用。另外, 还可使用刻蚀液(如碱液[38])将g-C 3N 4中不稳定的区域刻蚀掉, 得到多孔的g-C 3N 4。

2.3.2 纳米颗粒和纳米棒

除了多孔结构外, 还可利用空间限制直接合成法[23, 96]或合成打碎法[97]将g-C 3N 4做成纳米颗粒[96]

(如图5(b))和纳米棒结构[23](如图5(c))。这些纳米结构某些方向的尺寸较小, 减少了缺陷, 提高了结晶度, 缩短了光激发产生的电子和空穴转移至g-C 3N 4表面的距离, 使之较快地被利用, 降低了电子空穴的复合率。

2.3.3 纳米薄层

g-C 3N 4具有类石墨烯的结构, 所以可以将g-C 3N 4做成纳米薄片甚至单层的结构(如图5(d))。目前, 制备g-C 3N 4纳米薄层结构主要采用剥离法, 包括热剥离和溶剂剥离。热剥离是将g-C 3N 4在空气中进行热处理, 块状结构逐渐分解, 最后留下纳米薄层[20,51]。对块状g-C 3N 4进行溶剂剥离常使用的溶剂为水[12, 68]和异丙醇(IPA)[39]等。Wu 等[14]经计算得出, 双层g-C 3N 4具有很好的光吸收性能, 但目前难以精确控制g-C 3N 4的层数。

除了上述方法外, 还有一些其他的改性手段, 例如利用NaNO 3引入活性缺陷[98]等。单一的改性方法对光催化性能的提高都是有限的, 同时应用多种改性方法[83, 99]有望获得更好的效果。

3 结语与展望

g-C 3N 4是一种新型的非金属光催化剂, 仅由C 、N 组成, 价格便宜。其带隙约为2.7 eV , 在太阳光照

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表2化学掺杂对g-C3N4光催化性能的影响

Table 2 Influence of chemical binding modification on photocatalytic performance of g-C3N4 Introduced

component

Application of unmodified g-C3N4[a]

/(μmol?h-1, min-1 or %)

of modified g-C3N4[a]/

(μmol?h-1, min-1 or %)

Reference Hydrogen generation by hydrolysis7.0 20.6

Oxygen generation by hydrolysis 0.8 7.7

Degradation of MO 0.0050 0.0557

[44]

18[b] 147[b]

ABN

Hydrogen generation by hydrolysis

127[c] 229[c]

[83]

148.2[d] 253.1[d]

BA

Hydrogen generation by hydrolysis

6.5[e] 29.4[e]

[84]

[f][f]

F

Oxidation of benzene 0.0001 0.0021

[87]

20[d] 160[d]

S Hydrogen generation by hydrolysis

10[e] 75[e]

[29]

B Degradation of RhB 0.055 0.199 [86]

Reduction of Cr(Ⅵ) 0.0010 0.0017 C

Hydrogen generation by hydrolysis17.8 25.3

[90]

[a]: μmol/h for hydrogen and oxygen generation by hydrolysis, min-1 for degradation of pollution, % for oxidation of cyclohexane; [b]: ABN was introduced into bulk g-C3N4; [c]: ABN was introduced into mg-C3N4; [d]: The catalytic system was irradiated in light of λ>300 nm; [e]: The catalytic system was irradiated in light of λ>420 nm; [f]: The Conversion rate of cyclohexane

射下, 价带电子跃迁, 形成电子–空穴对, 并进一步

产生活性粒子, 催化污染物的分解、水解制氢制氧

和氧气的还原, 另外还可实现有机物的精确合成。

在这几种光催化反应类型中, g-C3N4光解污染物和

水的效果较好, 研究较多, 大多的改进方法也都是

针对这两种光催化类型的。

由于电子空穴复合较快、比表面积小等原因,

g-C3N4的光催化性能不是很理想, 目前已开发出三

种主要的改进方法, 即物理复合改性、化学掺杂改

性和微观结构调整。物理复合改性可降低电子空穴

的复合率, 提高电子或空穴的利用率; 化学掺杂改

性可以很好地调整g-C3N4的电子结构; 微观结构调

整可增大比表面积, 使活性位点增多。这三种改进

方法中, 物理复合改性研究较多, 机理较为清楚,

光催化性能的提高也较为明显。

g-C3N4的结构独特、光催化效果良好和改进方

法简单, 使之成为光催化领域的研究热点, 对其的

开发和利用必然引起未来环境治理与新能源开发

的重大革新, 但目前其还面临着以下几个困难和

挑战:

(1) 虽然有许多改性方法, 但g-C3N4的可见光

吸收主要集中在蓝紫光, 对可见光的利用有限, 因

而光催化性能仍不高。

(2) 各种改性方法也有一定的缺陷, 选用的复

合物质大都含有Ti、Zn、Sm、Ag等贵重金属, 不

仅价格昂贵, 且对水体有一定的污染。对g-C3N4进

行化学掺杂时难以精确控制, 易引入杂质。微观结

构也难以达到精确控制, 结构的控制方法较为单一,

且效果有限。

(3) 在催化某些有机合成物时, 虽然能够实现

产物的精确化, 但反应进行的较慢, 反应物的转化

率偏低。

(4) 实验室中合成的g-C3N4往往含有大量的缺

陷, 结晶度不高, 且在水中的分散性较差, 制约了

光催化性能的提高。

第8期

楚增勇, 等: g-C 3N 4光催化性能的研究进展 791

表3 微观结构对g-C 3N 4光催化性能的影响

Table 3 Influence of microstructure on the photocatalytic performance of g-C 3N 4

Microstructure Application

Photocatalytic performance

of bulk g-C 3N 4[a] /(μmol ?h -1, min -1 or %) Photocatalytic performance of modified g-C 3N 4[a]/ (μmol ?h -1, min -1 or %)

Reference Porous structure Degradation of RhB 0.014

0.131

[94]

Porous structure Oxidation of toluene 24[b] >99[b] [47] Porous structure Friedel-Crafts reaction of benzene

0[c] 90[c] [53] Nanosheet Degradation of RhB 0.0012 0.0163 [20] Hydrogen generation by hydrolysis 28 84 Nanorod Hydrogen generation by hydrolysis

3.9

7

[23] 0.0017[d] 0.0025[d] Nanorod Degradation of MB

0.0021[e] 0.0029[e] [97] 31.0[f] 169.7[f] Nanosheet Hydrogen generation by hydrolysis 10.7[g] 31.8[g] [51] Nanosheet

Hydrogen generation by hydrolysis

10.4

93.1

[39]

[a]: μmol/h for hydrogen generation by hydrolysis, min -1 for degradation of pollution, % for oxidation of toluene and Friedel-Crafts reaction of ben-zene; [b]: Formaldehyde content in production; [c]: The conversion rate of benzene; [d]: The catalytic system was irradiated in light of λ>420 nm; [e]: The catalytic system was irradiated in light of λ>290 nm; [f]: The catalytic system was irradiated in ultraviolet light; [g]: The catalytic system was irradiated in visible light

图5 不同微观结构的g-C 3N 4

Fig. 5 Different microstructures of g-C 3N 4

(a) Porous structure [94]; (b) Nanoparticle [96]; (c) Nanorod [23]; (d) Nanosheet [51]

参考文献:

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影响纳米材料光催化性能的因素

二、影响纳米材料光催化活性的因素。 1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值λg与Eg有关,其关系式为:λg=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势,从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低(更正);而给体电势比半导体价带电势高(更负)。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正,空穴的氧化能力越强,导带底CBB越负,电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好,光生电子或空穴的迁移能力越强,越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂,导带底位置必须比 H+/H2O(-0.41eV)的氧化还原势负,才能产生H2,价带顶必须比O2/H2O(+0.82eV)的氧化还原势正,才能产生O2,。因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置,而且考虑到超电压的存在,半导体禁带宽度Eg应至少大于1.8eV。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度,这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径,其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说,光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂,分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子,可能生成活性物种·OH,它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应,是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧,它既能够抑制电子与空穴的复合,同时也是氧化剂,可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响,晶体结构(晶系、晶胞参数等)也影响半导体的光催化活性。TiO2是目前认为最好的光催化剂之一。TiO2主要有两种晶型—锐钛矿和金红石,两种晶型结构均可由相互连接的TiO6八面体表示,两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石,且带间隙(3.2eV)略大于金红石(3.1eV),这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律,除了在绝对零度,所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布,实际晶体都是近似的空间点阵式结构,总有一种或几种结构上的缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体时,也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷的存在对光催化活性可能起着非常重要的影响。有的缺陷可能会成为电子或空穴的捕获

Tio2的光催化性能研究

TiO2的光催化性能研究 摘要:主要介绍二氧化钛的光催化原理,基本途径,以及光催化剂的结构特性和影响因素,还讲述了关于二氧化钛的光催化应用。 关键字:二氧化钛光催化光催化剂 二氧化钛,化学式为TiO2,俗称钛白粉,多用于光触媒、化妆品,能靠紫外线消毒及杀菌,现正广泛开发,将来有机会成为新工业。二氧化钛可由金红石用酸分解提取,或由四氯化钛分解得到。二氧化钛性质稳定,大量用作油漆中的白色颜料,它具有良好的遮盖能力,和铅白相似,但不像铅白会变黑;它又具有锌白一样的持久性。二氧化钛还用作搪瓷的消光剂,可以产生一种很光亮的、硬而耐酸的搪瓷釉罩面。 1 TiO2的基本性质 1.1结晶特征及物理常数 物性:金红石型锐钛型 结晶系:四方晶系四方晶系 相对密度:3.9~4.2 3.8~4.1 折射率: 2.76 2.55 莫氏硬度:6-7 5.5-6 电容率:114 31 熔点:1858 高温时转变为金红石型 晶格常数:A轴0.458,c轴0.795 A轴0.378,c轴0.949 线膨胀系数:25℃/℃ a轴:7.19X10-6 2.88?10-6 c轴:9.94X10-6 6.44?10-6 热导率: 1.809?10-3 吸油度:16~48 18~30 着色强度:1650~1900 1200~1300 颗粒大小:0.2~0.3 0.3 功函数:5.58eV

2TiO2的光催化作用 2.1光催化作用原理 二氧化钛是一种N型半导体材料,锐钛矿相TiO2的禁带宽度Eg =3.2eV,由半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度E g的关系式: λg (nm)=1240/Eg(eV) 可知:当波长为387nm的入射光照射到TiO2上时,价带中的电子就会发生跃迁,形成电子-空穴对,光生电子具有较强的还原性,光生空穴具有较强的氧化性。在半导体悬浮水溶液中,半导体材料的费米能级会倾斜而在界面上形成一个空间电荷层即肖特基势垒,在这一势垒电场作用下,光生电子与空穴分离并迁移到粒子表面的不同位置,还原和氧化吸附在表面上的物质。除了上述变化途径外,光激发产生的电子、空穴也可能在半导体内部或表面复合,如果没有适当的电子、空穴俘获剂,储备的能量在几个毫秒内就会通过复合而消耗掉,而如果选用适当的俘获剂或表面空位来俘获电子或空穴,复合就会受到抑制,随后的氧化还原反应就会发生。在水溶液中,光生电子的俘获剂主要是吸附在半导体表面上的氧,氧俘获电子形成O2-;OH-、水分子及有机物本身均可充当光生空穴俘获剂,空穴则将吸附在TiO2表面的OH-和H2O氧化成具有高度活性的?OH自由基,活泼的?OH 自由基可以将许多难以降解的有机物氧化为CO2和H2O。其反应机理如下: TiO2 + hv → h+ + e- h+ + e- →热量 H2O → H+ + OH- h+ + OH- → HO? h+ + H2O + O2- → HO?+ H+ + O2- h+ + H2O → HO?+ H+ e- + O2→ O2- O2- + H+ → HO2? 2HO2?→ O2 + H2O2 H2O2 + O2- → HO?+ OH- + O2 H2O2 + hv → 2HO? 从上述光催化作用原理分析可知道,光催化过程实际上同时包含氧化反应和还原反应两个过程,分别反映出光生空穴和光生电子的反应性能,同时二者又相互影响,相互制约。

光催化材料的研究与进展

光催化材料的研究与进展 洛阳理工学院吴华光B08010319 摘要: 光催化降解污染物是近年来发展起来的一种节能、高效的绿色环保新技术.它在去除空气中有害物质,废水中有机污染物的光催化降解,废水中重金属污染物的降解,饮用水的深度的处理,除臭,杀菌防霉等方面都有重要作用,但是作为新功能材料,它也面临着很多局限性:催化效率不高,催化剂产量不高,有些催化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。但是我们也应当看到他巨大的发展潜力和市场利用价值,作为处理环境污染的一种方式,它以零二次污染,能源消耗为零,自发进行无需监控等优势必将居于污染控制的鳌头。本文介绍了一些关于光催化研究的制备与发展方向的思考,光催化正在以TiO 2 ,ZnO为主导多种非重金属离子掺杂,趋于多样化的制备方法方向发展。 关键字:光催化催化效率 正文: 光催化(Photocatalysis)是一种在催化剂存在下的光化学反应,是光化学与催化剂的有机结合,因此光和催化剂是光催化的必要条件。“光催化”定义为:通过催化剂对光的吸收而进行的催化反应(a catalytic reaction involving light absorption by a catalyst or a substrate)。氧化钛(TiO 2 )具有稳定的结构、优良的光催化性能及无毒等特点,是近年研究最多的光催化剂, 但是,TiO 2 具有大的禁带宽度,其值为3.2 eV,只能吸收波长A≤387 11111的紫外光,不能有效地利用太阳能,光催化或能量转换效率偏低,使它的应用受到限制。因此,研制新型光催化剂、提高光催化剂的催化活性仍是重要的研究课题]1[。复合掺杂不同半导体,利用不同半导体导带和价带能级的差异分离光生载流子,降低复合几率,提高量子效率,成为提高光催化材料性能的有效方法5]-[2。 与一元氧化物如TiO 2 和ZnO等光催化剂相比,复合氧化物光催化剂,如 ZnO- SnO 2TiO 2 -SnO 2 和WO3- TiO 2 等体系具有吸收波长更长和光催化效率更 高等特点因而成为研究热点. 一、常用的光催化剂的制备方法 (一)水热合成法。 热合成反应是在特制的密封容器中(能够产生一定的压力),以水溶液作为反应介质,通过对反应体系加热或接近其临界温度而产生高压,从而进行材料的合成与制备的一种有效方法。 (二)溶剂热合成法 溶剂热合成技术是在水热法的基础上,以有机溶剂代替水作为介质,采用类似水热合成的原理制备纳米材料,极大的扩展水热法的应用范围。 (三)溶胶-凝胶法

光催化材料研究进展

. 光催化材料研究进展 20 世纪以来, 人们在享受迅速发展的科技所带来的舒适和方便的同时, 也品尝着盲目和短视造成的生存环境不断恶化的苦果, 环境污染日趋严重。为了适应可持续发展的需要, 污染的控制和治理已成为一个亟待解决的问题。在各种环境污染中, 最普遍、最重要和影响最大的是化学污染。因而, 有效的控制和治理各种化学污染物是环境综合治理的重点, 开发化学污染物无害化的实用技术是环境保护的关键。目前使用的具有代表性的化学污染物处理方法主要有: 物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法和高温焚烧法。这些方法对环境的保护和治理起重大作用, 但是这些技术不同程度的存在着或效率低, 不能彻底将污染物无害化, 产生二次污染, 或使用范围窄, 仅[1]。光催化适合特定的污染物而不适合大规模推广应用等方面的缺陷氧化技术是一门新兴的有广阔应用前景的技术, 特别适用于生化、物化等传统方法无法处理的难降解物质的处理。其中TiO 、ZnO、CdS、2 WO 、Fe O 等半导体光催化技术因其可以直接利用光能而被许332[2]。多研究者看好1.1 TiO光催化概述 21.1.1 TiO的结构性质 2二氧化钛是一种多晶型化合物,常见的n型半导体。由于构成原子排列方式不同,TIO在自然界主要有三种结晶形态分布:锐钛矿型、2金红石型和板钛矿型。三种晶体结构的TIO中,锐钛矿和金红石的工2业用

途较广。和锐钛矿相比,金红石的原子排列要致密得多,其相对密资料Word . 度、折射率以及介电常数也较大,具有很高的分散光射线的能力,同时具有很强的遮盖力和着色力,可用作重要的白色涂料。锐钛矿在可见 光短波部分的反射率比金红石型高,普遍拥有良好的光催化活性,在[3]。光催化处理环境污染物方面有着极为广阔的应用前景 1.1.2TiO光催化反应机理2半导休表面多相光催化的基本原理:用 能量高于禁带宽度(Eg)的光照射半导体表面时,价带上的电子被激发,跃迁到异带上,同时在价-+)随后h(e,.)—空穴(带产生相应的空穴,这样就半导体内部生成电子电子-空穴对迁移到粒子表面不同位置、 与吸附半导体表面的反应物发生相应的氧化或还原反应,同时激发态 的二氧化钛重新回归到基态。与电荷分离相逆的是电子-空穴对的复 合过程,这是半导体光催化剂失活的主要原因。电子-空穴对的复合将在半导体体内或表面发生,并释放热量。 1.1.3 TiO催化剂的局限及改性途径2作为光催化剂,虽然二氧化钛 具有其他催化剂难以比拟的无毒、价廉以及稳定等优点。但是目前二氧化钛光催化还存在着一些不足和局限,致使其不能再现实中得到大 规模应用。究其原因,主要在于二氧化钛催化剂对太阳光的利用率不 高并且其量子产率太低。锐钛矿相和金红石相二氧化铁的带隙分别为3.2eV和3.0 eV,对应的吸收阈值分别为420nm和380nm。它们所吸 收的光的波长主要集中在紫外区,而在照射到地球表面的太阳光中,

光催化材料研究进展概要

光催化材料研究进展 20 世纪以来, 人们在享受迅速发展的科技所带来的舒适和方便的同时, 也品尝着盲目和短视造成的生存环境不断恶化的苦果, 环境污染日趋严重。为了适应可持续发展的需要, 污染的控制和治理已成为一个亟待解决的问题。在各种环境污染中, 最普遍、最重要和影响最大的是化学污染。因而, 有效的控制和治理各种化学污染物是环境综合治理的重点, 开发化学污染物无害化的实用技术是环境保护的关键。目前使用的具有代表性的化学污染物处理方法主要有: 物理吸附法、化学氧化法、微生物处理法和高温焚烧法。这些方法对环境的保护和治理起重大作用, 但是这些技术不同程度的存在着或效率低, 不能彻底将污染物无害化, 产生二次污染, 或使用范围窄, 仅适合特定的污染物而不适合大规模推广应用等方面的缺陷[1]。光催化氧化技术是一门新兴的有广阔应用前景的技术, 特别适用于生化、物化等传统方法无法处理的难降解物质的处理。其中TiO2、ZnO、CdS、WO 3、Fe 2 O 3等半导体光催化技术因其可以直接利用光能而被许多研究者看好[2]。 1.1 TiO 2光催化概述 1.1.1 TiO 2的结构性质 二氧化钛是一种多晶型化合物,常见的n型半导体。由于构成原子排列方式不同,TIO2在自然界主要有三种结晶形态分布:锐钛矿型、

金红石型和板钛矿型。三种晶体结构的TIO2中,锐钛矿和金红石的工业用途较广。和锐钛矿相比,金红石的原子排列要致密得多,其相对密度、折射率以及介电常数也较大,具有很高的分散光射线的能力,同时具有很强的遮盖力和着色力,可用作重要的白色涂料。锐钛矿在可见光短波部分的反射率比金红石型高,普遍拥有良好的光催化活性,在光催化处理环境污染物方面有着极为广阔的应用前景[3]。 1.1.2TiO2光催化反应机理 半导休表面多相光催化的基本原理:用能量高于禁带宽度(Eg)的光照射半导体表面时,价带上的电子被激发,跃迁到异带上,同时在价带产生相应的空穴,这样就半导体内部生成电子(e-)—空穴(h+)随后,.电子-空穴对迁移到粒子表面不同位置、与吸附半导体表面的反应物发生相应的氧化或还原反应,同时激发态的二氧化钛重新回归到基态。与电荷分离相逆的是电子-空穴对的复合过程,这是半导体光催化剂失活的主要原因。电子-空穴对的复合将在半导体体内或表面发生,并释放热量。 1.1.3 TiO2催化剂的局限及改性途径 作为光催化剂,虽然二氧化钛具有其他催化剂难以比拟的无毒、价廉以及稳定等优点。但是目前二氧化钛光催化还存在着一些不足和局限,致使其不能再现实中得到大规模应用。究其原因,主要在于二氧化钛催化剂对太阳光的利用率不高并且其量子产率太低。锐钛矿相和金红石相二氧化铁的带隙分别为3.2eV和3.0 eV,对应的吸收阈值分别为420nm和380nm。它们所吸收的光的波长主要集中在紫外区,

NiCr-LDHs的制备及光催化性能研究

化学工程学院 新产品开发训练报告 2014-12 课题名称: CoCr-LDHs的制备及光催化性能研究 课题类型:论文 班级:应化 1102 姓名:周柳 学号: 1112083076 指导教师:薛莉 (使用说明:设计/论文请选一使用,左侧装订)

第一部分文献综述 1.1 水滑石的定义及研究背景 层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxide,LDH)是水滑石(Hydrotalcite,HT)和类水滑石化合物(Hydrotalcite-Like Compounds,HTLCs)的统称,由这些化合物插层组装的一系列超分子材料称为水滑石类插层材料(LDHs)[1]。 水滑石材料属于阴离子型层状化合物。层状化合物是指具有层状结构、层间离子具有可交换性的一类化合物,利用层状化合物主体在强极性分子作用下所具有的可插层性和层间离子的可交换性,将一些功能性客体物质引入层间空隙并将层板距离撑开从而形成层柱化合物。水滑石类化合物(LDHs) 是一类具有层状结构的新型无机功能材料, LDHs的主体层板化学组成与其层板阳离子特性、层板电荷密度或者阴离子交换量、超分子插层结构等因素密切相关。 LDHs的发展已经历了一百多年的历史,但直到二十世纪六十年代才引起物理学家和化学家的极大兴趣。1842年,Hochstetter首先在片岩矿层中发现了天然水滑石矿物。[2]后来又相继在挪威的Sunarum地区以及俄罗斯的Ural地区发现了少量的天然水滑石矿。在二十世纪初,人们发现了LDH对氢加成反应具有催化作用,并由此开始了对LDH结构的研究。1942年,Feitknecht等首次通过金属盐溶液与碱金属氢氧化物反应人工合成出了LDH,并提出了双层结构模型的设想。1966年,Kyowa公司首先将LDH的合成工业化。1969年,Allmann等通过测定LDH单晶结构,首次确认了LDH的层状结构。[3,4]七八十年代时,Miyata等对其结构进行了详细研究,并对其作为新型催化材料的应用进行了探索性的工作。在此阶段,Taylor和Rouxhet 还对LDH热分解产物的催化性质进行了研究,发现它是一种性能良好的催化剂和催化剂载体。Reichle等研究了LDH及其焙烧产物在有机催化反应中的应用,指出它在碱催化、氧化还原催化过程中有重要的价值。 进入二十世纪九十年代,人们对LDHs的研究更为迅速。随着现代分析技术和测试手段的广泛应用,人们对LDHs结构和性能的研究不断深化,对LDHs层状结构的认识加深,其层状晶体结构的灵活多变性被充分揭示。特别是近年来,基于超分子化学定义及插层组装概念,有关LDHs的研究工作获得了更深层次上的理论支持,在层状前体制备、结构表征、超分子结构模型建立、插层组装动力学和机理、插层组装体的功能开发等诸方面得到了许多具有理论

影响纳米材料光催化性能的因素教学文案

影响纳米材料光催化性能的因素

二、影响纳米材料光催化活性的因素。 1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值入g 与Eg有关,其关系式为:入g=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势,从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低(更正);而给体电势比半导体价带电势高(更负)。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正,空穴的氧化能力越强,导带底CBB越负,电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好,光生电子或空穴的迁移能力越强,越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂,导带底位置必须比H+/H2O(-0.41eV)的氧化还原势负,才能产生H2,价带顶必须比O2/H2O(+0.82eV)的氧化还原势正,才能产生O2,。因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置,而且考虑到超电压的存在,半导体禁带宽度Eg应至少大于1.8eV。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度,这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径,其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说,光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂,分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子,可能生成活性物种? OH,它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应,是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧,它既能够抑制电子与空穴的复合,同时也是氧化剂,可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响,晶体结构(晶系、晶胞参数等)也影响半导体的光催化活性。TiO2是目前认为最好的光催化剂之一o TiO2主要有两种晶型一锐钛矿和金红石,两种晶型结构均可由相互连接的TiO6八面体表示,两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石,且带间隙( 3.2eV)略大于金红石(3.1eV),这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律,除了在绝对零度,所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布,实际晶体都是近似的空间点阵式结构,总有一种或几种结构上的缺陷。

影响纳米材料光催化性能的因素

1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值λg与Eg有关,其关系式为:λg=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势,从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低(更正);而给体电势比半导体价带电势高(更负)。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正,空穴的氧化能力越强,导带底CBB越负,电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好,光生电子或空穴的迁移能力越强,越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂,导带底位置必须比H+/H 2 O的氧化 还原势负,才能产生H 2,价带顶必须比O 2 /H 2 O(+的氧化还原势正,才能产生O 2 ,。 因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置,而且考虑到超电压的存在,半 导体禁带宽度Eg应至少大于。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度,这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径,其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说,光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂,分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子,可能生成活性物种·OH,它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应,是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧,它既能够抑制电子与空穴的复合,同时也是氧化剂,可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响,晶体结构(晶系、晶胞参数等)也影响半导体的光催化活性。TiO 2 是目前认为最 好的光催化剂之一。TiO 2 主要有两种晶型—锐钛矿和金红石,两种晶型结构均可 由相互连接的TiO 6 八面体表示,两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石,且带间隙()略大于金红石(),这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律,除了在绝对零度,所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布,实际晶体都是近似的空间点阵式结构,总有一种或几种结构上的缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体时,也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷的存在

光催化研究发展综述性报告

光催化研究发展综述性报告 本人申请攻读动力工程与工程热物理专业博士学位,由于对后续能源与新能源技术专业太阳能分解水制氢方向有浓厚的兴趣,通过对相关文献的阅读和参加相关报告,对太阳能光催化分解水制氢有了详细的了解,对其发展简述如下: 1.前言 当今人类社会面临能源和环境两大问题[1-2]。能源的短缺和环境的污染严重制约着人类社会的发展。一方面,社会的高速发展使得人类对于能源的需求越来越大,而我们目前所用的能源还是以传统的化石燃料为主,但是因为化石燃料的不可再生性,或者说是形成的时间周期太长,使得其必有枯竭的一天。据估计,按照目前的开采水平和消耗量,石油还能够维持四十年左右,煤炭最多也就是两百年,而天然气还可以维持大概六十多年。另一方面,化石燃料的燃烧,引起严重的环境污染和对环境的危害,如温室效应、酸雨、光化学烟雾等等,对人类的生存产生了严重的威胁。 研究自然的、社会的、生态的、经济的以及利用自然资源过程中的基本关系,以确保全球的可持续发展已经成为各国都十分关注的一个话题。就像美国,在2009年提出的7870亿美元的巨额经济刺激计划中,把发展新能源定位于抢占未来发展制高点的重要战略产业,并提出在未来的三年的时间里,国内可再生能源产量要增加一倍。而我国人口众多,常规能源储备远低于世界平均水平,而且近几十年来,环境污染也是日益严峻。这使得寻找一种清洁可持续的替代能源变得更加迫切。而我国幅员辽阔,拥有极为丰富的太阳能资源,开发潜力巨大,从长远发展来看完全可以满足国家可持续发展的需求。但太阳能能量密度低、分散性强、不稳定、不连续的缺点使得我们至今仍缺乏对其高效低成本大规模利用的有效手段。但是考虑到占地表约3/4的水域和植物的光合作用,我们是不是可以利用太阳能分解水,制取氢气,而氢气又是是一种无色无臭无味无毒的清洁燃料,

银基光催化材料的研究进展

14 近些年来,随着可持续发展战略的推行,我国的科学技术水平也飞速提升,在国民生活质量得到全面改善的同时,环境不断恶化、资源大大短缺等问题也日益严峻。导致环境恶化的污染物主要为工业生产中排放的废渣、废气、废水等物质,它们成分大都比较复杂,基本为不同类型的有机物,若直接处理难度非常大。在实际生产过程中,如果对污染物的深度处理操作不能在短时间内完成,则必定会导致该企业的运营成本提高。如今,水资源的污染是世界各国普遍存在且急需解决的重大问题之一。许多对人体和动植物有毒害作用的污染物质很难被土壤、水体等环境自我降解去除,同时,它们在水资源和土壤等环境中存在范围很广、时间很长,对人类健康存在很大的威胁。对于这些难降解的有毒有害污物若继续沿用传统的物理、化学、生物等工艺进行处理已收效甚微,因此,为了提高污水处理效率及循环利用率,开展经济而有效的水体中难降解有机污染物控制技术的研究课题迫在眉睫。 1?光催化降解技术 光催化降解技术被认为是当前在处理工业污水、环境污物等方面最有效且最具有应用前景的一种技术。光催化降解技术与传统的降解方法不同之处在于它主要是利用太阳全光或其中的可见光来降解空气和水体中的有机污物,其降解过程绿色环保,不易产生二次污染,同时操作过程简单易懂、成本较低,因此,该处理方法被认为是在处理废水方面最有研究价值的技术之一。 2?传统光催化材料 目前应用最广泛的光催化剂是TiO 2纳米材料,其具有优秀的光稳定性和光催化活性。但TiO 2纳米材料只能受太阳光光谱中含量仅为4 %的紫外光照射,才能表现出其优异的催化活性,这严重阻碍了TiO 2纳米材料在光催化方面的实际应用[1]。因此,为了拓宽纳米材料在光催化领域的应用范围,有必要合成一些能充分利用太阳光光谱中含量为43%的可见光的新型纳米光催化剂,如WO 3,CdS,Bi 2O 3,Cu 2O 等,它们均可利用 太阳光处理环境中难以去除的有机污物。在大量的新型纳米光催化剂中,银基纳米复合材料展现出许多优异的特性,特别是在对太阳光中的可见光吸收方面,绝大部分银基纳米复合物都具有较宽的可见光的吸收范围。所以,近些年银基纳米化合物已成为可见光催化领域中的重要研究材料。 3?银基纳米光催化材料 银基催化剂,如AgSbO 3、AgVO 3、Ag 3PO 4、AgX (X=Br,I)、Ag 2CO 3、Ag 2O、AgNbO 3、AgMO 2(M=Al,Ga,In等)[2]、等均具有很强的可见光光催化活性。它们的光催化降解能力远远高于传统的可见光光催化剂,如P25,N-TiO 2等,有些甚至达到它们的20倍左右。早在2003年,叶金花教授就致力于研究AgInW 2O 8纳米化合物对有机污物的光催化降解作用[3]。在此后的近十年时间里,其课题组对AgIn 5S 8、AgMO 2(M=Al,Ga,In 等)、Ag 2ZnGeO 4、Ag 2O、β-AgAl1-xGaxO 2等一系列含银纳米材料进行了广泛而深入地研究。上述的银基多金属氧化物的价带顶均由O2p和Ag4d的电子轨道杂化形成,而导带底均由其它的金属离子和Ag5s的最外层s电子轨道或d电子轨道杂化形成,它们的带隙较窄,能够很好地吸收太阳中的可见光部分。除此之外,上述的银基多金属氧化物的空穴氧化能力很强,且价带电势位置较正,所以它们可受太阳光中的可见光的激发,高效地降解有机污染物,且其效果远远超过传统的TiO 2纳米光催化剂。到了2010年,该课题组还发表了磷酸银纳米光催化剂在可见光照射下光解水分子产生氧,同时能高效地降解RhB等有机污物,其中磷酸银纳米材料的量子效率超过90%[4]。同时,其他外国学者们也对AgSbO 3、AgGaO 2等一系列银基纳米复合物的可见光光催化性能进行了广而深地研究。在中国,国家生态环境研究中心的胡春课题组正长期研究含银纳米复合材料在可见光照射下的光催化性能。他们的研究说明了AgVO 3、AgX (X=Br,I)等银基纳米复合材料均具有很强的可见光光催化降解性能。南京大学的邹志刚教授课题组也对 银基光催化材料的研究进展 陈颖 广州工程技术职业学院 广东 广州 510075 摘要:纳米半导体材料光催化技术在处理环境污染方面具有潜在的应用研究价值,是当今环保领域的重要研究热点。银基光催化纳米材料由于其在可见光催化降解环境污物中的突出表现已逐步发展成为当今催化领域的重要课题之一。 关键词:光催化技术 银基?纳米 Research?Progress?of?Silver-based?Photocatalytic?Materials? Chen?Ying? Guangzhou Vocational College of Engineering and Technology ,Guangzhou 510075 Abstract:Semiconductor?photocatalytic?technology?has?potential?application?value?in?environmental?treatment,and?it?is?an?important?and hot?research?topic?in?the?environmental?protection?field.?Ag-based?catalytic?materials?have?wide?application?prospects?in?photoelectricity?and?catalysis?etc?due?to?their?excellent?photocatalytic?activity,promising?high?photo-response?performance. Keywords:photocatalytic?activity;Ag-based;Nano (下转第13页)

改性纳米氧化锌的光催化性能研究

改性纳米氧化锌的光催化性能研究 改性纳米氧化锌的光催化性能研究 摘要:本文考察了光降解时间、亚甲基蓝溶液的PH值、亚甲基蓝溶液的初始浓度、催化剂的用量等对亚甲基蓝光催化降解率的影响。实验结果表明,纳米ZnO具有荧光性,掺入不同的金属离子能够改变纳米ZnO对亚甲基蓝溶液的降解效果,其中掺铈纳米ZnO降解效果最好;掺铬纳米ZnO的降解率最低。 关键词:纳米ZnO 掺杂光降解亚甲基蓝溶液 氧化锌,俗称锌白,属六方晶系纤锌矿结构,白色或浅黄色晶体或粉末,无毒,无臭,系两性氧化物,不溶于水和乙醇,溶解于强酸和强碱,在空气中能吸收二氧化碳和水。ZnO是具有较大能隙及优良光学性质的n-型半导体材料,常被用于制备场发射显示器及阴极射线发射装置,光催化材料,紫外半导体激光的发生介质,这些应用主要利用了纳米ZnO粒子吸收紫外光后发出荧光的特点。所吸收与发出的荧光波长取决于其能隙大小。如何降低纳米氧化锌等材料的制备成本、也是纳米氧化锌能否应用于环境污染物治理的关键因素之一,因此探讨氧化锌的光催化性能具有十分重要的意义。 一、实验试剂和实验装置图 (一)仪器试剂 79-1磁力加热搅拌器(江苏金坛市中大仪器厂);UV751GD紫外可见分光光度计(重庆医药股份有限公司化玻分公司);真空干燥箱(重庆银河试验仪器有限公司);高硼紫外线杀菌灯管(ZGZ30W启东市海联有限公办公司);水浴锅;电子天平;马弗炉 乙酸锌、二乙醇胺、四水硫酸铈、硝酸镍、硫酸铬、硝酸铁、无水乙醇、亚甲基蓝均为国产分析纯。 二、纯纳米ZnO和掺杂纳米ZnO的制备 量取50ml无水乙醇置于烧杯中,开始搅拌。称取二水乙酸锌约4.39g(0.02mol),搅拌下加入,缓慢滴加二乙醇胺约2ml。在二乙醇胺溶解之后室温下反应3h,静置陈化24h,水浴锅中控制水温在蒸

光催化氧化反应的研究进展

杨 尧(浙江大学材料与化学工程学院,浙江杭州310027) 摘要:概述了光催化氧化技术降解废水废气的原理,影响因素,提高光催化剂活性的途 径,以及光催化技术在有机合成中的应用。制备高效的催化剂,解决太阳光的利用问题,开发光催化反应器将是今后研究的重点。 关键词:光催化氧化;光催化反应器 以太阳能化学转化和储存为主要背景的半导体光催化特性的研究始于1917年,1972年Fujishima和Honda在Nature杂志发表关于TiO2电极分解水的论文标志着光催化新时代的开始。1977年Bard提出利用半导体光催化反应处理工业废水中的有害物质以后,在半导体微粒悬浮体系中进行光催化消除污染物的研究日趋活跃起来。光催化过程采用半导体材料作为光催化剂,在常温常压下进行,如果利用太阳光作光源,则可大大降低污水处理费用。更主要的是,光催化技术可将污染物降解为无毒的无机小分子物质如CO2、H2O及各种相应的无机离子而实现无害化,为治理水污染提供了一条新的、有潜力的途径。 科学技术的进步和对光催化技术广泛而深入的研究,使光催化技术得到迅速发展。除了利用半导体材料来进行光催化氧化降解废水、废气以外,也有不少研究机构利用该技术为有机合成提供了一条新途径。 1光催化氧化处理废水、废气的研究现状 1.1TiO2光催化氧化处理废水、 废气的原理1976年Garey等首先应用二氧化钛光催化降解水中的氯代联苯并取得成功。三十多年来,TiO2光催化氧化技术迅速发展,研究者已利用TiO2催化降解了水和空气中几千种不同的有毒化合物,其中包括许多难解有机化合物,如有机氯化物、农药、氯酚类、染料类以及近年来倍受人们关注的环境荷尔蒙 类物质。因此,可以说TiO2光催化技术是国内外的研究前沿和开发热点。 TiO2是一种多晶形的化合物,目前研究最多的 是锐钛矿型TiO2。它是一种N型半导体材料,它的光催化活性高,反应速率快,对有机物的降解无选择性且能使之完全矿化。它的能带结构一般由填满电子的低能价带和空的高能导带构成,它们之间由禁带分开,其禁带宽度为3.2eV,根据λg(nm)=l240/Eg(eV)可知,其激发波长为387.5nm。当吸收了波长小于或等于387.5nm的光子后,价带电子被激发,越过禁带进入导带,形成带负电的高活性电子e-,同时在价带上产生带正电的空穴h+。在电场的作用下,电子与空穴发生分离,迁移到粒子表现的不同位置。热力学理论表明,电子具有还原性,空穴具有氧化性。吸附在 TiO2表面的氧俘获电子形成O2-,分布在表面的h+可 以将吸附在TiO2表面OH-和H2O分子氧化成?OH自由基,而?OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化大多数的有机污染物及部分无机污染物,并将其最终降解为CO2、H2O等无害物质。由于?OH自由基对反应物几乎无选择性,因而在光催化氧化中起着决定性的作用。 1.2影响光催化氧化的因素 以TiO2为例,TiO2的粒径小,光生电子和空穴 从TiO2体内扩散到表面的时间短,它们在TiO2体内的复合几率减小,到达表面的电子和空穴数量多,因此光催化活性高。 此外,粒径小,比表面积大,有助于氧气及被降解有机物在TiO2表面的预先吸附,则反应速率快,光催化效率必然增大。当颗粒大小为1~10nm时,出 收稿日期:2007-01-18 作者简介:杨尧(1983 ̄),男,浙江大学材料与化学工程学院化工所研究生,应用化学专业。主要从事精细有机化工产品的合成与研究。 光催化氧化反应的研究进展 文章编号:1006-4184(2007)05-0017-05

半导体光催化综述

硫及金属硫化物-类石墨相氮化碳纳米复合材料的制备,表征及其光催化性能的研究

第一章绪论 自18世纪60年代的第一次工业革命到现在以来,科学技术迅猛发展、日新月异。工业革命(第一次科技革命)以瓦特的蒸汽机的发明为标志,宣告了人类社会由原来的火器时代,进入到了蒸汽时代。第二次科技革命发生在19世纪70年代,在这个时期,自然科学取得了飞速的进展,由于资本主义制度的逐渐形成和完善,资本主义国家为了生存和发展,开始了大量的对世界资源进行掠夺。两次工业革命对然建立了世界的初步两极格局,但是两次科技革命的功劳还是不容忽视的,它们推动了传统的农业,手工业向现代化工业以及机器化工业的飞速发展,并且带给了人类社会巨大的物质财富,在资本主义国家逐利的对外扩张过程中,不可否认的是它们的争斗促进了人类文明的进步和繁荣。但是,当资本家们在大力发展社会生产力,提高生活水平的同时,对环境也造成了严重的破坏,至今,已严重威胁着我们所处在的的生存环境。 特别是在进入20世纪50年代之后的第三次科技革命;随着工业现代化进程的加快,人类向所生存的环境排放了大量的生产废水、废气,它们其中含有大量的有毒污染物如医用药品、农药、工业染料、表面活性剂和含有重金属离子的溶液等,含有上述物质的这些废水给人类的健康和生存环境带来巨大的威胁。而且在上述这些污染物中,用传统的处理方法很难将其完全消灭和降解。废水中的很多有机化合物能使水中的厌氧微生物发生异变,从而产生明显的毒害作用;所以必须创造出一些其它的非生物的降解技术来除去这些有机化合物[1-3]。因此,开发一种简便、有效、快捷、无害的方法来治理水体污染和大气污染是当前社会一个亟待解决的问题。并且,社会现代化的发展需要消耗大量的能源,据专家分析,传统的化石能源已经不能继续维持人类社会的长期发展,而且传统的化石能源的使用是当前引发严重环境问题的万恶之源。所以,环境问题和能源问题是21世纪可持续发展战略的两大亟待解决的严重问题。

光解水制氢半导体光催化材料的研究进展

光解水制氢半导体光催化材料的研究进展 田蒙奎1 ,2 ,上官文峰2 ,欧阳自远1 ,王世杰1 (1. 中国科学院地球化学研究所,贵州贵阳550002 ; 2. 上海交通大学机械与动力学院燃烧与环境技术研究中心,上海200030) 摘要: 自从Fujishima2Honda 效应发现以来,科学研究者一直努力试图利用半导体光催化剂光分解水来获得既可储存而又清洁的学能———氢能。近一二十年来,光催化材料的研究经历了从简单氧化物、复合氧化物、层状化合物到能响应可见光的光催化材料。本文重点描述了这些光催化材料的结构和光催化特性,阐述了该课题的意和今后的研究方向。关键词: 光解水;氢能;半导体光催化剂中图分号: X13 文献标识码:A文章编号:100129731 (2005) 1021489204 1 引言 在能源危机和环境问题的双重压力下,氢能因其燃烧值高、储量丰富、无污染而成为最有希望替代现有化石能源的清洁能源,因而氢能的开发成了能源领域的研究热点。自从Fujishima 和Honda 于1972 年发现了TiO2 光电化学能分解水产生H2 和O2 以来[1 ] ,科学研究者实现太阳能光解水制氢一直在作不懈的努力。普遍接受的光解水制氢原理是:半导体光催化剂在能量等于或大于其禁带宽度的光辐射时,电子从最高电子占据分子轨道( HOMO ,即价带) 受激跃迁至最低电子占据分子轨道(LUMO ,即导带) ,从而在价带留下了光生空穴( h + ) , 导带中引入了光生电子(e - ) 。光生空穴和光生电子分别具有氧化和还

原能力。要实现太阳能光解水制氢和氧,光生电子的还原能力必须能还原H2O 产生H2 ,而光生空穴的氧化能力必须能氧化H2O 产生O2 ,即半导体光催化剂的导带底要在H2O/ H2 电位( E0 = 0V ,p H = 0) 的上面(导带位置越高,电位越负,还原能力越强) ;而价带顶在O2 / H2O 电位( ENHE = + 1. 23V ,p H = 0) 的下面(价带位置越低,电位越正,氧化能力越强) 。近一二十年来, TiO2 以外的光催化剂的相继发现,特别是能响应可见光的光催化材料的出现,使得光解水制氢研究进入了非常活跃时期。本文就近期太阳能光解水制氢研究进展中的半导体光催化材料作一综述。 2 简单半导体氧化物,硫化物系光催化剂目前广泛研究的简单化合物半导体材料的能带结构如图1 所示: 图1 部分半导体材料的能带结构示意图 Fig 1 Schematic diagram of band st ructure for some semiconductor s TiO2 光催化剂由于光照不发生光腐蚀、耐酸碱性好、化学性质稳定、对生物无毒性、来源丰富等优点而被广为利用。具有代表性的

TiO2及其光催化剂的活性评价综述

TiO2及其光催化剂的活性评价 实验报告 指导老师: 翁永根 组别: 1 1 组 姓名: 薛尚韬 200921501438 杨昆昊 200921501439 杨丽萍 200921501440

TiO2及其光催化剂的活性评价 [实验目的] 1.了解纳米二氧化钛的制备方法及其应用。 2.熟练掌握用溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛的步骤。 3.学会对纳米二氧化钛产品进行紫外和可见光下的性能评价。 [实验原理] 二氧化钛俗称钛白粉,最初作为颜料用于涂料工业,是一种化学稳定性强、无毒的半导体氧化物。 本实验采用成熟的溶胶-凝胶法,溶胶-凝胶法是制各纳米粒子的一种湿化学法。胶体是一种分散相粒径很小的分散系统,分散相粒子的重力可以忽略,粒子之间的相互作用主要是短程作用力.溶胶是具有液体特征胶体体系,分散的粒子是固体或者大分子.凝胶是具有固体特征的胶体体系被分散的物质连成连续的网状骨架,骨架空隙中充有液体或者气体. 制备溶胶所用的原料为钛酸四丁脂Ti(O-C4H9)4、水、无水乙醇(C2H5OH)以及冰醋酸。反应物为Ti(O-C4H9)4和水,分相介质为C2H5OH,冰醋酸可调节体系的酸度防止钛离子水解过速,使Ti(O-C4H9)4在无水C2H5OH中水解生成Ti(OH)4,脱水后即可获得TiO2。在后续的热处理过程中,只要控制适当的温度条件和反应时间,就可以获得金红石型和锐钛型二氧化钛。 在以C2H5OH为溶剂,Ti(O-C4H9)4和水发生不同程度的水解反应,钛酸四丁脂在酸性条件下,在乙醇介质中水解反应是分步进行的,总水解反应表示为下式,水解产物为含钛离子溶胶。 Ti(O-C4H9)4+4H2O Ti(OH)44C4H9OH + 一般认为,在含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团。上述溶胶体系静置一段时间后,由于发生胶凝作用,最后形成稳定

光催化研究进展

目录 摘要: (1) 关键词: (1) 概述: (1) 1 TiO2光催化氧化机理 (2) 2 光催化氧化降解有机物的机理 (2) 3 应用 (3) 3. 1 悬浮体系光催化氧化 (4) 3. 2 固定相光催化氧化 (4) 4 提高活性的途径 (5) 4. 1 耦合半导体 (5) 4. 2 金属沉积 (6) 4. 3 离子修饰 (7) 4. 4 加氧化剂 (8) 4. 5 电化学辅助光催化 (9) 4 结语 (10) 参考文献 (10)

摘要: 探讨了TiO2 光催化氧化技术的原理,其研究现状,以及可能提高TiO2光催化氧化效率的途径。 关键词: 光催化氧化二氧化钛有机污染物 概述: 世界范围内的环境污染问题越来越受到广泛关注,各国政府对于有害物质的处理提出了更高的要求,制定了更为严格的标准。常规的一些方法由于种种原因,效果尚不理想,难以单独应用。因此,发展新型实用的环保处理技术是非常必要的。随着研究的深入,人们发现半导体催化剂在太阳能储存与利用,光催化转换及 有机污染物的环境处理等方面,有着诱人的前景。其中TiO2因其光稳定性和高效性而倍受人们青睐。在诸如水和空气的纯化、细菌和病毒的破坏、癌细胞的杀伤、异味的控制、光解水产生氢气、固氮及石油泄露的清除等方面得到广泛应用。尤其是多相光催化氧化法对环境中各种污染物的明显去除效果,已引起世界关注。1972年, Fuji shima和Hondo 报道了在光电池中光辐射TiO2可持续发生水的氧化还原反应,产生H2。1976年S. N. Frank等将半导

体材料用于催化光解污染物,取得了突破性的进展。光催化氧化法结构简单、操作条件容易控制、氧化能力强、无二次污染,加之TiO2化学稳定性高、无毒、成本低,故TiO2做催化剂的光催化氧化法是一种具有广阔应用前景的水处理新技术。 1 TiO2光催化氧化机理 TiO2属于一种n型半导体材料,它的禁带宽度为3.2ev(锐钛矿),当它受到波长小于或等于387.5nm的光(紫外光)照射时,价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带,形成光生电子(e-);而价带中则相应地形成光生空穴(h+),如图1-1所示。如果把分散在溶液中的每一颗TiO2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池,则光电效应应产生的光生电子和空穴在电场的作用下分别迁移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生电子e-易被水中溶解氧等氧化性物质所捕获,而空穴h+则可氧化吸附于TiO2表面的有机物或先把吸附在TiO2表面的OH-和H2O分子氧化成·OH 自由基,·OH自由基的氧化能力是水体中存在的氧化剂中最强的,能氧化水中绝大部分的有机物及无机污染物,将其矿化为无机小分子、CO2和H2O等无害物质。 2 光催化氧化降解有机物的机理

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