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光催化最新科研动态导读(2018-2)

发表时间:2018-03-16 09:06:46|点击次数:1632


1. 一种单晶纳米复合材料的合成及对有机污染物的去除研究2018

原题: Facile synthesis and enhanced photocatalytic activity of single-crystalline nanohybrids for the removal of organic pollutants

引自:Pervaiz E, Liu H, Yang M. Facile synthesis and enhanced photocatalytic activity of single-crystalline nanohybrids for the removal of organic pollutants[J]. Nanotechnology, 2017, 28(10).

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1. 纳米杂化物(a-c)GMO-0(d)GMO-2的场发射扫描电子显微镜图像

快速的工业化进程导致每个工业过程都需要化学处理各种金属和非金属前体,金属络合物,有毒阴离子和有机物分子。这些工业过程产生的废水会对环境带来巨大危害,因此必须对废水进行预处理。目前用于处理废水的技术很多,但效率低下。在过去的几十年中已经逐步引入光催化技术处理废水,这是一项能够持续利用光催化作用降解水中有毒化学物质同时产生CO2,H2O和无毒化合物的技术,吸引了很多科学家的关注。

本文采用一种新颖的低温路线合成出氧化钼/氧化石墨烯纳米杂化材料,所制得的材料具有高纯度结晶均匀的纳米带。采用草酸作为氧化剂在聚乙烯吡咯烷酮存在下合成了尺寸分布均匀的高纵横比纳米带,聚乙烯吡咯烷酮具有结构导向作用。 氧化石墨烯的后续增加增大了材料的表面积并且增强了材料的光催化性能。在纳米复合材料中添加氧化石墨烯使得合成样品的袋间隙(Eg)从2.82eV降低到2.51eV,从而增加了材料的可见光吸收范围。氧化石墨烯作为α-氧化钼上染料固定的高效助催化剂,与α-氧化钼的协同吸附作用导致光催化材料在几分钟内能够100%去除罗丹明,通过实验观察到羟基自由基作为光化学反应过程的活性中间体。

2. 天然铬铁矿响应面优化染料污染物在水中的光催化降解2018

原题Photocatalytic degradation and photo-Fenton oxidation of Congo red dye pollutants in water using natural chromite—response surface optimization

引自:Shaban M, Abukhadra M R, Ibrahim S S, et al. Photocatalytic degradation and photo-Fenton oxidation of Congo red dye pollutants in water using natural chromite—response surface optimization[J]. Applied Water Science, 2017(2):1-14.

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2. 铬铁矿样品的XRD图谱和FT-IR图谱

近年来随着城市化工业化的快速发展,导致重金属,染料,农药等有毒物质不断涌入到自然环境中造成水体的严重污染。水污染已成为全球最大的环境问题之一。因此消除水污染物是当代世界的共同目标。染料是用于着色应用的芳香化合物,被广泛应用于纺织,皮革,造纸,印刷,涂料,颜料,橡胶和塑料。世界上已知有超过100,000种商业合成染料。年产染料约79105- 19106,这些数量的10-15%作为未经处理的流出物排放到周围环境和水体中染料是有毒和不可降解的污染物,它们在自然水体中的存在阻碍了水生植物光合作用破坏的光穿透。据我们所知,天然铬铁矿矿物作为非均相光催化降解有机污染物的评价和应用并不是。铬铁矿是属于尖晶石族的氧化物矿物-FeO·Cr2O368%Cr2O332%FeO),它是世界上铬的主要来源,用于冶金,耐火和化学工业的各种用途,天然铬铁矿矿物作为非均相光催化材料,具有降解有机污染物的作用,本文用光催化和光 - 芬顿氧化表征天然铬铁矿用于刚果红染料在水中的低成本降解,并且研究了光照时间,初始浓度,催化剂质量和溶液pH等操作参数对染料降解机理的影响。

在这项研究中,采用统计中心复合旋转设计(CCRD)和响应面法(RSM)评估参数相互作用的影响,推导出最佳染料降解条件。实验结果表明光催化降解色度与零级,一级和二级动力学模型拟合较好,然而光催化机理与二阶代表性较好。同时Fenton氧化光催化氧化速率常数与二阶动力学模型仅适中,但光催化氧化的动力学速率常数大于光催化降解动力学速率常数。因此实验过程中铬铁矿的刚果红染料的降解通过光 - 芬顿氧化机理进行。在响应面分析的基础上得出结论,采用铬铁矿最大去除刚果红染料的预测条件为光照时间10h,矿石质量0.10g,初始染料浓度13.5mg / LpH=4。实验方案显示刚果红染料完全还原在初始浓度为12mg /L,使用0.14g铬铁矿作为催化剂,在pH=3下处理11h。

3. 不同碳同素异构体助催化剂对光催化降解污染物的促进作用2018

原题:The Promoting Role of Different Carbon Allotropes Cocatalysts for Semiconductors in Photocatalytic Energy Generation and Pollutants Degradation

引自:Han W, Li Z, Li Y, et al. The Promoting Role of Different Carbon Allotropes Cocatalysts for Semiconductors in Photocatalytic Energy Generation and Pollutants Degradation[J]. Frontiers in Chemistry, 2017, 5.

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3. 基于碳材料的半导体复合材料光催化反应示意图。

来,活性炭(AC),富勒烯(C60),碳纳米管(CNT),石墨烯(GR)和其他碳同素异形体碳材料已经被广泛用作光催化半导体的助催化剂。其中碳纳米管和石墨烯具有较大的比表面积,优异的导电性,较高的机械强度和较好的热稳定性,使其成为贵金属助催化剂的理想替代品Lee等人用一步水热法通过用氧化石墨烯包裹非晶态TiO2纳米颗粒成功地合成了石墨烯纳米颗粒杂化物,该物质在可见光照射下对亚甲基蓝的光降解具有优良的光催化活性。

一般来说,光催化活性增强是由于半导体和碳材料之间的协同作用碳材料在促进半导体活性中作为助催化剂主要有以下四个主要作用 首先碳材料能够提供具有较大比表面积的结构,活性组分能够分散良好。石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的二维纳米片,具有极高的比表面积。其次在有机污染物的光催化降解过程中,碳材料可以作为吸附剂来改善吸附半导体的能力。第三可掺杂碳材料作为带隙缩小的光敏剂,有利于扩大半导体的可见光吸收区域。 最后由于形成碳材料 - 半导体异质结构,可以实现良好的电子转移,从而提高电荷分离效率和光催化活性研究半导体和助催化剂之间的界面应该有助于基于新型碳材料的光催化剂的发展使用DFT的计算化学也可以为光催化剂设计提供有价值的信息。由于碳材料的光催化剂具有解决各种环境和能源相关问题的巨大潜力,所以需要碳材料进行更深入的研究

4. 光催化作用与光合作用中能量转化分析2018

原题Photocatalysis versus Photosynthesis – A Sensitivity Analysis of Devices for Solar Energy Conversion and Chemical Transformations

引自:Osterloh F E. Photocatalysis versus Photosynthesis – A Sensitivity Analysis of Devices for Solar Energy Conversion and Chemical Transformations[J]. Acs Energy Letters, 2017, 2(2).

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4. 光催化作用和光合作用的热力学差异

现今的文献中通常不会区分光催化(PC)和光合(PS)作用(包括人工光合作用),尽管这些反应在热力学上有所不同。光催化过程在热力学上是一个吉布斯自由能下降的过程Δg<0),反应仅仅是由催化剂加速,而光合作用需要吸收能量才能发生光化学反应。在这里我们利用这种差异来分析PC和PS这2种反应设备的基本功能,并制定改进设备性能的设计标准。在最佳光吸收、载流子寿命和电化学速率条件下,光催化作用设备的性能仅受其表面积的影响。

实验结果表明,所有的化学能转换系统可以分为1型和2型光催化作用装置或光合作用装置。由于这2种装置都依赖于光化学反应中载流子的产生和转移,所以这些装置器件的性能随着光吸收系数、电子激发态寿命和电化学反应动力的增大而增强。在没有其它限制因素的情况下,光催化器件的表面积对光催化性能的影响最大,这意味着可以通过增大表面积或减小光吸收器的尺寸来产生更好的光催化剂。整个系统中电荷和传质速率的大小对光合作用装置的性能影响最大。这意味着通过提高试剂和反应中间体(质子和氢氧化物)的电荷载流子迁移率和传质速率可以提高器件的有效电场强度,从而提高光合作用装置的性能。

5. 具有松球结构二氧化钛光催化材料的合成2018

题: Fast and Large-Scale Anodizing Synthesis of Pine-Cone TiO2 for Solar-Driven Photocatalysis

引自:Liu Y, Zhang Y, Wang L, et al. Fast and Large-Scale Anodizing Synthesis of Pine-Cone TiO2 for Solar-Driven Photocatalysis[J]. Catalysts, 2017, 7(8):229.

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5. 光催化材料对印染废水处理过程的示意图

阳极氧化法被广泛用于制备纳米TiO2薄膜,这种方法制备出的薄膜材料具有良好的光催化性能,可以用于太阳能制氢和环境污染治理领域。然而这通常需要几个小时才能获得少量纳米结构的TiO2材料(例如10毫米×20毫米)。为了适应工业化生产的应用,快速大规模生产TiO2显得特别重要。本文我们展示了一种能够快速大规模生产具有松球结构的TiO2纳米材料,该材料具有很强的太阳能吸收能力,对降解废水中的有机污染物和光解水制氢反应具有很高的光催化活性。

TiO2薄膜对印染行业废水处理的评估实验(四川绵阳佳联印染有限公司,绵阳,中国)是在紫外光下进行的。废水为深棕色,其组成非常复杂(ph=13,化学需氧量COD为2620毫克/升。总有机碳TOC为1030毫克/升)。首先对100毫升废水进行絮凝前处理,然后进行光电催化降解。分别取一个TiO2薄膜(30毫米×40毫米)和一个干净的Ti箔作为工作电极和对电极,以氯化钠作为辅助电解质,将2伏特的偏置电势施加到两个电极上。之后每30分钟取1毫升的钼溶液,测定其吸收光谱,2小时后用重铬酸钾氧化法测定其COD,并用岛津TOC分析仪测定其总有机碳含量。实验结果显示印染废水在紫外光下照射2小时后变得几乎没有颜色,COD和TOC的去除率分别达到90%和72.8%。该TiO2薄膜材料展现出优良的光催化性能。根据以往的甲基橙的降解试验我们可以计算出,一块TiO2薄膜材料(面积300毫米×360毫米)2 h可以净化2.5 L以上的废水,在清洁能源和环保领域具有重大的应用价值。


6. 中文标题:一种合成N, F共掺杂的氧空缺的TiO2光催化材料的以光为辅的简单方法研究,提高TiO2可见光光催化性能

英文题目A Facile Photoassisted Route to Synthesis N, F-Codoped Oxygen-Deficient TiO2 with Enhanced Photocatalytic Performance Under Visible Light Irradiation

引自Xiaolan Kang.et.al. Applied Surface Science S0169-4332(17)33202-6

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6 光还原反应和可见光响应机理图

蓝色、黄色、红色、紫色和红色的空心球分别代表氮原子、氟原子、氧原子、钛原子和氧空穴。

此项研究中,研究者提出了一种简单经济的水热-光辅合成方法,用以合成具有高光催化活性的N, F共掺杂的氧空缺的TiO2光催化材料,该材料具有{001}{101}两个暴露面。研究者主要利用NH4TiOF3介观晶体作为掺杂剂和中间体来合成具有高度活性的{001}面的TiO2,带有{001}NH4TiOF3介观晶体的增长主要是利用低危害性的(NH4)2TiF6来促进H3BO3水溶液能使NH4TiOF3转移至TiO2上,通过NF释放实现共掺杂。基于X射线光电子能谱分析、透射电子显微镜和电子自旋共振综合分析得出氟,氮和氧空穴在光照条件下能同时被引入到TiO2结构中。可见光光催化降解苯酚和罗丹明B的实验表明:制备的NF共掺杂的具有氧空穴的TiO2具有更高的光催化活性,主要原因是:TiO2中氧空穴的存在能形成一系列的缺陷能级,缩小TiO2的能带隙,提高可见光的吸收效率;{001}面的暴露,氧空穴和掺杂降低了电子-空穴对的复合率。研究所提出的这种利用光耦合方法提高可见光和电荷分离率为光催化材料的制备合成,扩大其应用范围提供了具有较强指导意义的研究思路。

7.中文标题:一步水热法合成芍药状Ag/Bi2WO6可见光条件催化降解有机污染物

英文题目One-step hydrothermal synthesis of peony-like Ag/Bi2WO6 as efficient visible light-driven photocatalyst toward organic pollutants degradation

引自Jing Shen. et.al.   J Mater Sci (2018) 53:48484860

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7-1 . 纯度为2% Ag/Bi2WO6 复合物的FE-SEM图(a8h水热反应 (b-d12h的水热反应

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7-2. Ag/Bi2WO6光催化剂表面电子-空穴分离和传递以及在可见光下可能发生的的光催化的反应机理示意图

本研究中,Jing Shen等提出了一步简单水合热法制备Ag/Bi2WO6复合光催化剂,与众不同的是,他们以亮氨酸为模板,合成的该催化剂是芍药状的三维结构。研究者通过一些分析方法,如用X射线衍射、场发射扫描电子显微镜和紫外-可见漫反射光谱等对所得材料的形貌和结构进行了表征,通过可见光降解水体中的有机染料和抗生素的实验研究Bi2WO6Ag/Bi2 WO6的光催化性能,一系列的实验结果表明,通过负载Ag纳米粒子可以显著提高Bi2WO6光催化活性,大约高出单一Bi2WO6材料的3倍,Ag纳米颗粒的最佳质量比为2%。此外,他们提出,制备该复合光催化剂光催化活性提高的原因主要是:合成的特殊芍药状形态结构有利于有机物的吸附,且在Ag纳米粒子和Bi2WO6之间形成高的