摘要：太阳能驱动的光催化反应在未来构建低碳可持续社会方面具有广阔的应用前景,合理设计和合成高效乙型异质结光催化材料并有效促进光生电荷分离是提高光催化性能的关键。常规乙型异质结体系中往往存在I型异质结电荷转移路径,不利于光催化性能的提高。因此,有效抑制II型异质结电荷转移、提高电荷分离效率对于发展高效乙型光催化体系至关重要。黑龙江大学井立强和伦敦大学学院唐军旺等在Angewandte Chemie-International Edition上发表的成果,成功地发展了引入宽带隙氧化物半导体作为能量平台的普适性策略,有效地抑制了与乙型电荷转移路径相竞争的II型异质结电荷转移,形成了高效的联级z型体系,并利用时间分辨荧光光谱等手段深入地揭示了异质结材料的光生电荷转移与分离机制,对设计高活性纳米异质结光催化材料具有重要的意义。

摘要：z型异质结(z Scheme heterojunctions)可将电子和空穴在不同半导体材料上实现空间分离,具有光谱响应宽、电荷分离效率高、氧化还原能力强、稳定性高等优势,在光催化CO_(2)还原(CO_(2) reduction reaction,CO_(2)RR)等应用中具有广阔前景,是未来光催化剂材料设计等领域的重点研究方向。综述了z型异质结在光催化还原CO_(2)领域的研究进展,具体阐述了液相、全固态和直接型三代z型异质结的电荷转移机制,分别讨论了各类z型异质结光催化体系的优缺点,并结合CO_(2)RR原理总结了三类z型异质结光催化剂在光催化CO_(2)RR领域的应用现状。指出未来高性能z型异质结光催化剂设计及光催化还原CO_(2)研究应重点关注CO_(2)还原产物(特别是C_(2)及C_(2)+产物)的生成机理,深入研究z型异质结中电荷转移机理,重视还原产物溯源、提高实验设计与反应结果评价的严谨性,同时应面向大规模工业化应用开展系统性研究。

摘要：利用太阳能驱动的半导体光催化技术将H_(2)O和O_(2)转化为H_(2)O_(2),是传统蒽醌工艺的可持续替代方案之一.在光催化O_(2)还原生产H_(2)O_(2)的过程中,主要涉及到O_(2)的还原和H_(2)O的氧化两个半反应.然而,单一的窄带隙半导体往往难以满足整体反应的热力学电位要求.为了克服这一挑战,研究人员借鉴自然光合作用的原理,提出了构建z型异质结体系的策略.这种体系不仅能有效促进电荷的分离,从而增强光催化效率,而且能保留光生电荷较强的氧化还原能力,这对于H_(2)O_(2)的光合成至关重要.此外,O_(2)的活化对于H_(2)O_(2)光合成同样重要.然而,目前在构建z型异质结时,对于z型异质结的两组分自身电荷传输方向的匹配性鲜有关注.因此,构建具有电荷定向传输的z型异质结,并精准负载O_(2)活化位点,对于提高H_(2)O_(2)的光合成效率和稳定性具有重要意义.本文以苝-3,4,9,10-四羧酸二酐(PTCDA)为前驱体,在水解的过程中,引入预制备的钒酸铋量子点(BQD),原位构建BQD/PTA z型异质结.然后,通过低温辅助光还原策略将纳米Au精确修饰在苝四甲酸(PTA)上,制得具有定向电荷传输的BQD/PTA-Au z型异质结.形貌表征结果表明,PTA的形态为平均厚度为3.5 nm的不规则纳米片,其表面均匀负载了直径约为7 nm的BQD纳米颗粒,而超小的Au纳米粒子(直径约为5 nm)则负载在PTA纳米片的边缘.优化后的BQD/PTA-Au异质结光催化H_(2)O_(2)产率为218.6μmol g^(-1)h^(-1),约为PTA纳米片的6.4倍;此外,在405 nm波长下,该异质结的表观量子产率为PTA的4.8倍.在模拟太阳光条件下,BQD/PTA-Au异质结的太阳能到化学能转换效率(SCC)为0.47%;且在连续5次的循环实验中表现出良好的稳定性.光物理和光化学测试结果表明,BQD/PTA z型异质结的构建显著促进了PTA的电荷分离,Au修饰后复合体的电荷分离进一步增强.扫描开尔文探针(SKP)测试结果表明,BQD和PTA的能带结构满足z型电荷传输路径,电子顺磁共振和原位X射线光电子能谱分析结果表明,所构建的z型异质结由于电荷传输方向匹配,显著促进·O_(2)-自由基的形成;而后续的Au修饰则能够定向接受来自PTA的光生电子.旋转圆盘电极测试结果表明,BQD/PTA-Au的平均电子转移数最接近2,说明其遵循两电子氧还原反应(ORR)路径.结合物种捕获实验推测,·O_(2)-自由基是BQD/PTA-Au异质结光合成H_(2)O_(2)的主要活性物种.原位漫反射红外光谱测试证实,纳米Au修饰可进一步提高O_(2)在催化剂表面吸附,并加速两电子的O_(2)还原反应.综上,本文围绕着具有各向异性电荷迁移的PTA,设计构建了电荷定向迁移的z型异质结体系,实现了高效的H_(2)O_(2)光合成,为高效z型异质结体系设计构建提供了新思路.

摘要：光催化技术处理含铬废水存在降解速率慢、外加有机牺牲剂等问题,限制了其实用化。设计构建了z型异质结光催化剂C_(3)N_(4)/WO_(3)并用于处理含铬(Cr)废水,z型异质结结构保证了其在可见光驱动下的光生载流子的有效分离,同时兼具WO_(3)的强氧化性和g-C_(3)N_(4)的强还原性;利用水或牺牲剂消耗光生空穴,可有效提升其对Cr(Ⅵ)的光还原效率和速率。在以甲醇为牺牲剂时,光反应36 min内可将Cr(Ⅵ)完全去除。通过对pH和催化剂用量的优化,无牺牲剂的体系中光还原反应50 min即可达到98.37%的降解率。

摘要：为了拓展对可见光的吸收范围、抑制光生载流子的复合,并增强催化剂的光催化性能,通过将CdS原位生长于In_(2)O_(3)表面的方法制备出In_(2)O_(3)/CdS催化剂。结果表明:在可见光照射60 min后,In_(2)O_(3)/CdS异质结对盐酸强力霉素的去除效率达84.0%,远高于In_(2)O_(3)和CdS单体的降解效率,降解过程符合一级动力学。In_(2)O_(3)/CdS对盐酸强力霉素的降解速率常数为0.028 min^(-1),分别为In_(2)O_(3)和CdS单体的13.7倍和1.5倍。自由基捕获实验表明:·O^(-)_(2)和·OH是主要的活性基团,光催化性能的提高主要得益于z型异质结的形成,有效加速了光生电子和空穴的转移和分离效率。

摘要：z型异质结由于具有促进载流子分离能力和保持较高氧化还原能力的优点成为近几年光催化领域的研究热点之一.本文通过水热法制备了znO/CoO/CDs(碳点)的z型异质结复合材料,有效的电荷传输促进了复合材料光催化产氢能力.同时CDs的引入调节了复合材料的形貌,提供更多的反应活性位点.产氢测试结果表明,znO/CoO/CDs z型异质结复合材料的产氢量是znO/CDs单一光催化剂的2倍多,说明该材料在光催化分解水领域具有潜在应用前景.该工作思路为基于CDs的z型异质结光催化剂材料的设计合成提供一定理论指导.

摘要：染料废水对人类和环境危害较大且难以降解,光催化反应作为新兴的绿色环保处理技术,仅利用太阳光激活光催化剂,就可以把废水中难降解的有机污染物转化为CO_(2)和H_(2)O等小分子.光催化技术弥补了传统污水处理技术去除率低、效果不稳定等缺陷,具有可重复利用、无二次污染、处理效率高等优势.z型异质结作为提高光催化性能的有效手段,具有降低光生电子-空穴对复合速率、扩大光响应范围、高氧化还原性等优点,是近年来新型光催化剂的研究热点,在降解染料废水方面有广泛的应用前景.本文综述了光催化降解污染物的机理、z型异质结的优势,以及z型异质结光催化剂在降解染料废水中的应用,提出目前仍存在的问题和今后的研究方向.

摘要：作为一种典型的钙钛矿结构半导体,BaTiO_(3)因其具有良好的物理化学稳定性及铁电极化电场,在光催化领域受到了广泛的关注.然而,纯相BaTiO_(3)的光吸收能力比较差并且其光生电荷的复合率仍较高.构建异质结被认为是一项促进载流子分离的有效策略.本文结合水热法及室温沉淀法制备了一系列不同摩尔比的2D/3D AgIO_(3)/BaTiO_(3)复合光催化剂,并以300 W氙灯照射下降解有机染料罗丹明B评价其光催化性能.结果表明,当AgIO_(3)与BaTiO_(3)的摩尔比为1时,样品具有最佳的降解效率,其降解反应速率是BaTiO_(3)的51.3倍,是AgIO_(3)的9.9倍.基于光电化学与荧光光谱的分析结果,这被归因为AgIO_(3)/BaTiO_(3)z型异质结的形成提高了光生载流子的分离效率,有效抑制了光生电子-空穴复合,并且2D和3D的微观结构提供了丰富的活性位点,进一步促进了光生载流子的快速迁移.此外,循环实验表明随着循环次数的增加而降解性能有所提升并趋于稳定,这是由于复合光催化剂中的AgIO_(3)在光催化降解中被部分分解为Ag和AgI,Ag和AgI的生成进一步促进了光生载流子的分离以及光催化剂的光吸收能力,从而一定程度上改善了样品在循环后的光催化性能.本研究为设计和构筑高效异质结复合光催化剂提供了新思路.

摘要：研究了采用水热法制备g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)WO_(6)复合光催化剂,并探究了其在可见光下催化还原Cr(Ⅵ)的性能及机制。结果表明:g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)WO_(6)为纳米片堆积成的花瓣状结构,比表面积比g-C_(3)N_(4)和Bi_(2)WO_(6)更大,可为光催化反应提供更多活性位点;在40 min黑暗条件下,g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)WO_(6)对Cr(Ⅵ)的吸附率为43.2%,其吸附行为符合准二级动力学模型;可见光照射100 min后,g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)WO_(6)对Cr(Ⅵ)的光催化还原率为81.3%,其光催化还原过程符合准一级动力学模型;g-C_(3)N_(4)与Bi_(2)WO_(6)复合后形成了z型异质结,拓宽了其光吸收范围,促进了光生电子-空穴的分离,从而显示出优异的可见光催化活性。

摘要：利用光催化技术将CO_(2)转化为燃料有望解决能源危机和温室效应。zn_(1-2x)(CuGa)_(x)Ga_(2)S_(4)具有可见光响应及较高的导带电势,从热力学角度上看是较为理想的CO_(2)还原材料,但是其光催化CO_(2)还原活性仍然较低,亟待从动力学角度提高其活性。本研究采用zn_(0.4)(CuGa)_(0.3)Ga_(2)S_(4)与不同比例的CdS纳米颗粒复合,制备了zn_(0.4)(CuGa)_(0.3)Ga_(2)S_(4)/CdS异质结半导体材料。通过材料表征证明CdS在zn_(0.4)(CuGa)_(0.3)Ga_(2)S_(4)微米颗粒上均匀生长并形成了全固态z型异质结的复合结构。这种结构有效抑制了电子空穴对的复合,保持了较高的还原电势,有利于提高光催化性能。在溶液体系中,所制备的zn_(0.4)(CuGa)_(0.3)Ga_(2)S_(4)/CdS能够有效地将CO_(2)光催化还原为CO。研究表明,当zn_(0.4)(CuGa)_(0.3)Ga_(2)S_(4)与CdS的摩尔比为2:1时,样品的光催化活性达到最优,是zn_(0.4)(CuGa)_(0.3)Ga_(2)S_(4)材料的1.7倍,CdS材料的1.6倍。本工作通过构造异质结构,提高了zn_(0.4)(CuGa)_(0.3)Ga_(2)S_(4)半导体材料的光催化CO_(2)还原活性,对人工光合成材料的设计与制备具有较大的参考价值。