多级结构形貌β-Bi2O3/BiOCOOH复合光催化剂的制备及其光催化性能

用水热法合成具有多级结构形貌的甲酸氧铋,将其作为自牺牲前驱体调节热处理温度制备出不同的产物,其中一种是具有可见光响应的新型β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合光催化材料。使用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、扫描电子显微镜(SEM)和光电化学响应等手段表征不同温度热处理后产物的晶型结构、光吸收性能、形貌、光电流等物理化学性质。以罗丹明B作为光催化活性评价的探针分子,研究了在不同温度热处理产物的可见光光催化性能。结果表明,热处理温度从250℃提高到330℃、400℃、450℃,甲酸氧铋发生以下转变：BiOCOOH→β-Bi₂O₃/BiOCOOH→β-Bi₂O₃→α-Bi₂O₃。在330℃和350℃热处理后的β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合光催化剂可见光催化性能最优,其降解速率比β-Bi₂O₃、α-Bi₂O₃分别高6.7倍和100倍。对罗丹明B表现出最佳脱色率的样品,光照90 min的矿化率可达88%。与纯相物质(β-Bi₂O₃、BiOCOOH)相比β-Bi₂O₃/BiOCOOH复合材料具有更大的光电流响应和更小的阻抗。结合UV-vis DRS和莫特-肖特基曲线可推测,β-Bi₂O₃与BiOCOOH可紧密结合形成Z-型光催化结构,具有更高的光生载流子分离效率并实现光生电荷的分离。     

ZnO/In2O3纳米异质结的合成及其光催化性能的研究

通过热水解法成功制备出了形貌均一的ZnO/In₂O₃异质结光催化材料, 采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)以及透射电子显微镜(TEM)对样品的形貌及结构进行表征。结果表明: ZnO/In₂O₃异质结是由直径约200~300 nm、厚度约40~60 nm的六边形纳米片镶嵌着In₂O₃纳米小颗粒组成。对比纯ZnO、纯In₂O₃和该光催化材料对罗丹明B(RhB)的可见光降解效率, 发现ZnO/In₂O₃异质结光催化材料对RhB具有较高的光催化效率, 其原因是窄带系半导体In₂O₃能够有效地吸收可见光, 当ZnO与In₂O₃ 形成异质结时, In₂O₃能带上被可见光激发的电子会迁移到ZnO的导带上, 而光激发的空穴仍保留在In₂O₃价带, 这样有助于光生电子和空穴的分离, 降低其复合几率, 从而有效地提高了ZnO的光催化效率。     

带状γ-Fe2O3/ZnO异质结光催化剂光催化降解四环素

针对传统ZnO光催化活性不高的问题,采用Zn(CH₃COO)₂和FeCl₃作为ZnO和Fe₂O₃的前驱体,水热条件下采用“一锅法”制备带状γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂,采用XRD、BET比表面积测量仪、TEM、紫外-可见漫反射、电子顺磁共振(EPR)等对其晶体化学结构进行表征。在可见光光源下,探究了不同γ-Fe₂O₃负载量时γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂对四环素的光催化降解的效果。研究表明,ZnO负载γ-Fe₂O₃后比表面积和光照吸收显著改善,禁带宽度有所减小,可见光光照120 min,n(Zn)∶n(Fe) (原子比)为20∶1的γ-Fe₂O₃/ZnO异质结光催化剂对四环素的降解率高达97.2%,多次重复使用后四环素的降解率保持在95%以上。      

锌铈共掺杂二氧化钛纳米材料制备与表征及其抗菌性能的研究

采用溶胶-凝胶法, 在不同的焙烧温度下合成锌/铈共掺杂二氧化钛纳米材料。用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射光谱(DRS)对样品进行了表征。采用抑菌环法, 以大肠杆菌为实验菌种, 对Zn/Ce-TiO₂纳米材料抗菌性能进行检测。结果表明: 样品的结晶度和晶相完全取决于焙烧温度的高低; 部分锌进入二氧化钛晶格中, 其余掺杂离子以CeO₂和Zn₂Ti₃O₈形式存在; 与暗态下相比, 在可见光激发下, Zn/Ce-TiO₂纳米材料具有超强的抗菌性。对锌/铈共掺杂作用机制进行了深入探讨。     

铋掺杂提高氧化铈中氧空位浓度增强CO2光催化还原性能

氧空位在CO₂光催化还原过程中往往发挥重要作用。本工作中, 用水热法合成了不同Bi掺杂量的二氧化铈光催化剂Ce_1-xBi_xO_2-δ, 其中Ce_0.6Bi_0.4O_2-δ在Xe灯照射下表现出最高的光催化活性, 其CO产率为纯二氧化铈纳米棒的4.6倍。X射线衍射(XRD)分析表明固溶体保留了二氧化铈的萤石结构;紫外-可见漫反射(UV-Vis)光谱表明固溶体可见光吸收增强;X射线光电子能谱 (XPS)和拉曼光谱(Raman)分析表明, 掺杂后氧空位浓度明显提高。结合原位傅里叶变换红外光谱(in-situ FT-IR), 发现引入Bi提高了固溶体中氧空位的浓度, 并改变了CO₂在催化剂表面上的吸附/活化行为, 光照下碳酸氢根、碳酸根、甲酸等中间产物明显增多, 从而增强了CO₂光催化还原性能。     

Mn掺杂Ni(OH)2的合成及电化学性能研究

本工作采用缓冲溶液法制备Mn掺杂Ni(OH)₂(Ni_1-xMn_x(OH)₂, x=0.1, 0.2, 0.3, 0.4), X射线衍射测试表明样品主要是β相, 有少量Mn₃O₄杂相; 循环伏安测试表明, x=0.2的材料还原峰积分面积最大、还原分支的峰电流最高; 恒流充放电测试表明, 在100 mA/g电流密度下, Ni_0.8Mn_0.2(OH)₂放电比容量最高, 其第20次循环放电比容量为271.8 mAh/g, 同等条件测试的商用β-Ni(OH)₂放电比容量为253.6 mAh/g; 在300、500 mA/g电流密度下, Ni_0.8Mn_0.2(OH)₂放电比容量仍保持最高, 分别为294.7、291.5 mAh/g, 而且Mn掺杂Ni(OH)₂的循环稳定性也优于商用β-Ni(OH)₂。Mn掺杂可改善镍电极的循环稳定性、降低镍电极成本, 具有广阔的应用前景。     

Bi2O3-Bi2WO6 直接Z-scheme异质结的制备、表征及光催化还原U(VI)的性能

根据能带理论,以Bi(NO₃)₃·5H₂O为铋源,采用水热煅烧法制备了Bi₂O₃-Bi₂WO₆复合光催化材料,SEM、XRD、XPS、紫外可见漫反射(UV-vis DRS)、电化学阻抗(EIS)等表征手段对材料进行表征与分析,以U(VI)为目标污染物,在可见光下进行光催化还原U(VI)的性能研究。结果表明:与纯Bi₂WO₆相比,Bi₂O₃-Bi₂WO₆复合材料具有较高的光催化活性,当Bi₂O₃与Bi₂WO₆的摩尔比为2.4∶1时,Bi₂O₃-Bi₂WO₆的光催化活性最好,光催化活性增强归因于Bi₂O₃的加入,在Bi₂O₃与Bi₂WO₆界面形成的直接Z-scheme异质结,提高了光生电子-空穴的传输速率,降低了其复合率;另一方面,Bi₂O₃的加入使Bi₂WO₆带隙变小,扩大对可见光的响应范围,从而提高了Bi₂O₃-Bi₂WO₆光催化剂的活性。本研究为设计和合成具有高可见光活性的光催化剂和了解增强U(VI)光催化还原机理提供了新的思路。      

研磨-焙烧法制备La2O3/BiOCl复合光催化剂及其对高浓度染料降解性能

首先利用沉淀法合成了BiOCl纳米片, 然后利用研磨-焙烧法将La₂O₃纳米颗粒复合到BiOCl纳米片中, 制备了一系列La₂O₃/BiOCl复合光催化剂(La₂O₃: 1wt%、2wt%、4wt%、8wt%)。运用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和光致发光(PL)谱等对样品的晶相、光吸收和表面性能等进行了表征。以紫外灯(λ = 254 nm)为光源, 评价了所制备样品光催化降解高浓度染料酸性橙II(40×10^-6)的活性。结果表明, 经过研磨-焙烧后该系列催化剂均具有较好的结晶性能, 同时2~5 nm的La₂O₃纳米粒子粘附在BiOCl纳米片表面。200℃焙烧制备的1wt%La₂O₃/BiOCl催化剂具有丰富的表面羟基, 对染料表现出较强的吸附性能。该催化剂表现了最高的光催化活性, 活性为纯BiOCl的2.4倍。另外, La₂O₃/BiOCl中的La³⁺提供的氧化-还原势阱可能捕获光生电子, 从而阻止了光生电子(e^-)和空穴(h⁺)的复合, 有利于光催化活性的提高。     

AuAg/Bi2O3复合材料的光催化降解和还原性能

先用聚丙烯酰胺凝胶法制备出Bi₂O₃颗粒,然后用光还原法将粒径为6~18 nm的AuAg合金纳米颗粒修饰在Bi₂O₃颗粒表面,制备出AuAg/Bi₂O₃复合光催化剂。AuAg合金纳米颗粒的等离子体共振吸收效应(SPR)使AuAg/Bi₂O₃复合物能吸收波长为~577 nm的可见光,拓展了Bi₂O₃的光响应范围,还促进了Bi₂O₃中光生电荷的分离。以甲基橙(MO)、罗丹明(RhB)和铬离子(Cr(VI))作为目标反应物,在模拟太阳光和可见光照射下考察了AuAg/Bi₂O₃的光催化降解和还原活性,发现AuAg合金纳米颗粒修饰提高了Bi₂O₃的光催化性能。用模拟太阳光照射2 h后,RhB和MO的降解率以及Cr(VI)的还原效率分别提高了~34.2%,~38.0%和~56.7%。同时,AuAg/Bi₂O₃还具有良好的光催化和结构稳定性。基于以上结果,提出了AuAg合金纳米颗粒对Bi₂O₃光催化性能的改性机理。     

低负载量Pd/CeO2/γ-Al2O3催化剂用于低温催化氧化VOCs

采用直接吸附法制备了Pd负载量为0.03% (质量分数)的Pd/γ-Al₂O₃和Pd/CeO₂/γ-Al₂O₃催化剂, 并用于评价VOCs的催化氧化性能。通过X射线衍射(XRD)、N₂吸附-脱附(BET)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H₂-TPR)等对催化剂的结构和表面性能进行了表征。结果表明, 在VOCs体积分数为0.1%, 空速(GHSV)为18000 mL/(g·h)条件下, Pd/CeO₂/γ-Al₂O₃催化剂上甲苯、丙酮和乙酸乙酯实现98%转化率的温度分别为205、220和275 ℃, 比Pd/γ-Al₂O₃分别降低了15、15和20 ℃, 而且即使在较高的气体空速下, Pd/CeO₂/ γ-Al₂O₃催化剂仍能展现出优异的催化氧化性能, 且具有很好的稳定性和选择性。氧化铈的加入对材料的物理化学性质和催化活性有一定的影响, 其中Pd/CeO₂/γ-Al₂O₃含有Ce ³⁺和高含量的PdO, 活性物种主要以PdO形式均匀地分散在载体γ-Al₂O₃表面。另外, PdO与非化学计量的CeO₂之间的金属-载体相互作用增强了Pd/CeO₂/γ-Al₂O₃催化氧化性能。     

一步法直接合成rGO/Bi2O2CO3及其光催化性能研究

采用简单易行的一锅水热法, 制备了还原氧化石墨烯(RGO)复合的Bi₂O₂CO₃光催化剂。通过XRD、N₂吸附、XPS、SEM和TEM等测试手段对光催化剂进行表征。结果表明: 石墨烯与Bi₂O₂CO₃纳米片形成了有效复合。在设计吸附饱和排除RGO物理吸附的影响下, 发现复合光催化剂的性能明显提高, 其中RGO复合量为6.0wt%时活性最佳, 其光催化降解RhB的速率是Bi₂O₂CO₃的3.02倍, 并具有良好的循环稳定性。光电谱学分析表明复合RGO有效抑制了光生电子-空穴对的复合, 且拓宽和增强了催化剂的可见光吸收。机理分析表明: RGO/Bi₂O₂CO₃中O₂可多位点捕获光生电子, 从而产生更多活性物种O₂^-·, 实现对污染物的快速有效降解。     

ZnFe2O4/TiO2复合材料的表征及其光催化性能研究

以钛酸四丁酯、无水氯化锌、六水氯化铁为原料，采用自组装法制备了ZnFe₂O₄/TiO₂复合材料。采用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、漫反射光谱(DRS)、振动样品磁强(VSM)等手段对样品进行测试表征，并对ZnFe₂O₄/TiO₂复合材料进行了光催化性能测试。结果表明：ZnFe₂O₄/TiO₂光催化剂质量比为1∶15时具有最佳的光催化效果，100W紫外光照射下45min对活性Red 24的降解率就能达到100%,表现出优异的光催化性能，可为复合材料光催化剂的研究提供一种有效的思路。     

碳掺杂TiO2纳米管电极的简易制备及其光电化学性能

通过阳极氧化方法制备了TiO₂纳米管薄膜, 在NaHCO₃存在下对该薄膜进行热处理得到碳掺杂TiO₂(C-TiO₂)纳米管薄膜, 通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱、电化学阻抗谱(EIS)和Mott-Schottky等方法对得到的薄膜进行表征。XRD结果表明C-TiO₂纳米管薄膜中的TiO₂主要为锐钛矿晶型; SEM结果显示薄膜存在纳米管结构; XPS分析表明C-TiO₂纳米管薄膜中的C以替代型掺杂形式进入到TiO₂晶格中; 光电化学性能测试显示, 相对于TiO₂纳米薄膜, C-TiO₂阻抗减小, 平带电位由-0.28 V负移至-0.38 V, 具有更好的紫外-可见光和可见光响应, 紫外-可见光下的光电流是未掺杂的1.7倍。利用阳极氧化的Ti丝作为光阳极和Pt丝作为对电极组装了染料敏化太阳能电池并进行了性能测试, 结果表明, 经过碳掺杂的Ti /TiO₂丝为光阳极电池的短路电流密度和电池效率分别达到0.17 mA/cm²和3.8%, 较未掺杂的Ti/TiO₂丝为光阳极的电池的短路电流密度和电池效率均增大, 表明适量的碳掺杂有利于提高电池效率。     

一步溶剂热法制备铋-氧化铋-溴氧化铋三元复合物及其可见光驱动催化降解亚甲基蓝

构建表面等离子体共振(SPR)、氧空位、异质结是提升半导体光催化剂催化活性的有效方式之一。本文通过改变Bi(NO₃)₃与KBr的摩尔比，采用一步溶剂热法合成了具有SPR效应和氧空位的Bi-Bi₂O₃-BiOBr三元异质结复合材料。利用XRD、电子顺磁共振(EPR)、XPS、SEM、TEM、UV-vis等手段对所得产物的晶相、元素组成和微观形貌进行表征分析，考察Bi(NO₃)₃与KBr的摩尔比对三元复合物可见光驱动光催化降解亚甲基蓝(MB)活性的影响。结果表明：Bi-Bi₂O₃-BiOBr的催化活性依赖于Bi(NO₃)₃与KBr的摩尔比，但高于纯Bi₂O₃和BiOBr。Bi(NO₃)₃与KBr摩尔比为2∶1制备的2∶1-Bi-Bi₂O₃-Bi...     

低温反应溅射Al+α-Al2O3复合靶沉积α-Al2O3薄膜

低温沉积α-Al₂O₃薄膜是拓展其实际工程应用的关键。本研究以Al、α-Al₂O₃和Al + 15wt% α-Al₂O₃为靶材, 用射频磁控溅射在Si(100)基体上沉积氧化铝薄膜。用掠入射X射线衍射(GIXRD)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS)对所沉积薄膜的相结构和元素含量进行研究, 用纳米压痕技术测量薄膜硬度。结果表明, 在550 ℃的基体温度下, 反应射频磁控溅射Al+α-Al₂O₃靶可获得单相α-Al₂O₃薄膜。靶中的α-Al₂O₃溅射至基片表面能优先形成α-Al₂O₃晶核, 在550 ℃及以上的基体温度下可抑制γ相形核, 促进α-Al₂O₃晶核同质外延生长, 并最终形成单相α-Al₂O₃薄膜。     

α籽晶促进低温反应溅射沉积α-Al2O3薄膜

分别使用反应溅射Al+α-Al₂O₃(15% α-Al₂O₃,质量分数)复合靶和在金箔基体表面预植α-Al₂O₃籽晶,促进α-Al₂O₃薄膜的低温沉积。使用扫描电子显微镜(SEM)、掠入射X射线衍射(GIXRD)和能谱仪(EDS)等方法表征薄膜样品的表面形貌、相结构和元素组成。结果表明,在射频反应溅射Al+α-Al₂O₃复合靶、沉积温度为560℃条件下能在Si(100)基体上沉积出化学计量比的单相α-Al₂O₃薄膜;使用射频反应溅射Al靶、沉积温度为500℃条件下能在预植α-Al₂O₃籽晶(籽晶密度为10⁶/cm²)的金箔表面沉积出化学计量比的单相α-Al₂O₃薄膜。两种研究方案的结果均表明,α-Al₂O₃籽晶能促进低温沉积单相α-Al₂O₃薄膜。     

g-C3N4/Bi12O17Cl2复合物的制备及其光催化性能

以硝酸铋、氯化钠和氢氧化钠为原料用液相沉淀法制备g-C₃N₄/Bi₁₂O₁₇Cl₂复合光催化剂,并用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等手段表征其组成、微观形貌和性能,以罗丹明B为模拟污染物研究了在可见光照射下g-C₃N₄对g-C₃N₄/Bi₁₂O₁₇Cl₂复合光催化剂活性的影响及其光催化机理。结果表明,2% (质量分数) g-C₃N₄/Bi₁₂O₁₇Cl₂复合光催化剂的光催化性能最好,见光90 min后对罗丹明B的降解率达到98%。     

非金属S掺杂对NaTaO3可见光下光催化性能的影响

以Ta₂O₅为前驱体, Na₂S₂O₃为S源, 采用水热法成功合成了新型S掺杂NaTaO₃, 并以甲基橙为目标降解物,研究S元素掺杂对提高纳米NaTaO₃的可见光光催化机理和反应历程。采用场发射扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱仪(UV-Vis DRS)和X射线衍射仪(XRD)等对所得样品进行分析。实验结果表明, 掺入S元素后, NaTaO₃晶体的表面电荷和表面形貌没有发生明显变化。UV-Vis漫反射光谱分析结果表明S^2-部分取代晶格中的O^2-离子形成Ta-S-Ta键, 掺杂后的NaTaO_3-xS_x样品的光响应范围拓展至可见光区域。光降解实验结果表明, S掺杂NaTaO₃在可见光下其光催化活性明显高于纯相NaTaO₃。这是因为在NaTaO_3-xS_x晶体内S^2-离子取代了部分O^2-离子形成掺杂态。GC-MS实验结果表明, NaTaO_3-xS_x样品能够在可见光条件下将甲基橙(质荷比m/z=304)降解至m/z=156, 226和276的化合物, 随着降解时间增加, 可继续降解至m/z=156或m/z=212的化合物, 并最终转化为无机小分子(SO₄^2-, NO₃^-和NH₄⁺)。而且, NaTaO_3-xS_x在光降解过程中非常稳定, 重复使用10次后光催化活性因催化剂损失而略微下降。     

Ag-ZnO/生物质炭纳米复合材料的制备及协同可见光催化性能

以醋酸锌(Zn(CH₃COO)₂·2H₂O)为锌源、硝酸银(AgNO₃)为掺杂源、纤维素纳米晶体(Cellulose nanocrystal, CNC)为生物模板，通过溶胶-凝胶法结合碳化处理，制备了Ag-ZnO/生物质炭(Biochar)复合材料。采用TEM、XRD、BET、UV-Vis DRS对所制得的Ag-ZnO/Biochar复合材料进行表征。以亚甲基蓝(MB)为模型污染物，评价Ag-ZnO/Biochar复合材料在可见光源照射下的光催化性能，进一步阐明其光催化机制。结果表明:碳化后纳米ZnO仍保持良好的分散性，球形Ag纳米粒子均匀分散在ZnO表面，形成Ag-ZnO/Biochar三元复合材料。与Ag-ZnO和ZnO/Biochar复合材料相比，Ag-ZnO/Biochar复合材料在可见光下的光催化降解率显著提高。这是由于生物质炭赋予复合体系良好的吸附性能，使MB的光催化降解反应持续发生；而Ag纳米粒子的表面等离子体共振(Surface plasmon resonance, SRP)效应则增强了复合体系在可见光区的吸收。其中，当AgNO₃、CNC、Zn(CH₃COO)₂·2H₂O的质量比为0.01:0.25:1时，制得的Ag-ZnO/Biochar复合材料在可见光下具有最佳的光吸收性能和MB降解效率:室温条件下，黑暗中吸附30 min，再用可见光照射120 min，即可达到99%的MB降解率，显著高于Ag-ZnO(约23%)和ZnO/Biochar复合材料(约64%)。      

一步法合成磷掺杂石墨相氮化碳及其光催化性能

以尿素(CO(NH₂)₂)和磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)作为原料, 通过热聚合法制备了磷(P)掺杂石墨相氮化碳(g-C₃N₄)材料(P-CN)。通过X射线衍射、红外光谱、X射线光电子谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、紫外可见漫反射光谱和N₂吸附-脱附对样品进行了表面形貌及结构表征, 通过对罗丹明B(RhB)的降解实验, 研究了样品的可见光催化性能, 对其催化机理进行了分析。结果表明, 合成过程中磷原子的掺杂会取代g-C₃N₄中的C原子, 从而改变g-C₃N₄的表面形貌和电子结构。在可见光条件下, P-CN材料表现出优异的光催化性能, 其对RhB的降解速率明显优于纯氮化碳。其中3%P-CN样品催化活性最高, 反应30 min时, RhB降解率达到96.8%。分析认为, P原子对g-C₃N₄中的C原子的取代使P-CN样品表面处于富电子状态, 并导致P-CN样品导带位置升高, 光电子还原性增强。这些电子与水中的溶解氧形成超氧自由基(·O₂^-), 从而使得光催化性能显著提高。