摘要：C–S键的构建在化学中具有非常重要的意义.利用硫醇和烯烃/炔烃的硫氢化反应来构建C‒S键是一种绿色、可持续和低成本的方法.本文以ZnCl_(2),InCl_(3),硫代乙酰胺为前驱体,在微量IrCl_(3)存在条件下,通过一步溶剂热法制备得到了含有不同Ir摩尔比(0.5 mol%,1 mol%和2 mol%)的Ir_(2)S_(3)/ZnIn_(2)S_(4)纳米复合材料,并考察了它在可见光下诱导烯烃/炔烃的硫氢化反应中的催化性能.以苄基硫醇和苯乙炔的硫氢化反应为模型反应,发现在ZnIn_(2)S_(4)中引入微量的Ir_(2)S_(3)可明显提升其性能,其中以0.5 mol%Ir_(2)S_(3)/ZnIn_(2)S_(4)为催化剂时反应性能最佳;反应15 h后苄基硫醇的转化率为97%,苄基苯乙烯基硫醚的产率为95%,明显高于以未修饰的ZnIn_(2)S_(4)为催化剂时的转化率和产率.在反应中加入自由基捕获剂TEMPO之后可淬灭该反应,表明与未修饰的ZnIn_(2)S_(4)相同,以Ir_(2)S_(3)/ZnIn_(2)S_(4)复合材料催化的硫氢化反应同样是由硫醇自由基诱发的反应.这种微量Ir_(2)S_(3)对ZnIn_(2)S_(4)上光诱导硫氢化反应的提升作用在所考察的多个系列底物的反应中都有不同程度的体现,尤其对于一些空间体积较大的底物,其提升作用尤为明显,表明微量Ir_(2)S_(3)的存在对ZnIn_(2)S_(4)上光诱导硫醇和烯烃/炔烃硫氢化反应的提升作用具有普适性.通过研究负载不同助催化剂(MoS_(2),NiS和Pd)的ZnIn_(2)S_(4)纳米复合材料在烯烃/炔烃硫氢化反应中的性能及其电化学交流阻抗,我们发现,Ir_(2)S_(3)的存在可促进ZnIn_(2)S_(4)上光生电子空穴的分离,从而有利于巯基自由基的生成,同时还抑制了副物氢气的产生,因此,烯烃/炔烃的硫氢化反应性能显著提高.该文提出了一种在可见光下利用半导体光催化来构建C‒S键的绿色途径,对于理解和设计新的光催化有机合成反应体系具有一定的指导意义.

摘要：太阳能光催化水直接制氢被认为是未来解决全球能源危机和环境污染问题的有效途径之一.COFs是一类新兴的有机结晶多孔聚合物光催化剂,具有巨大的发展空间.当前研究最多的是亚胺键连接的COFs光催化剂,其骨架的π-共轭程度相对较低,且亚胺键上的氮容易受到质子攻击,会影响光化学过程和光催化性能.烯烃(C=C键)连接的COFs是全π-共轭的,具有促进的载流子迁移率和超高的化学稳定性,是极具潜力的光催化反应平台.然而,由于C=C键的不可逆特性,成功构筑具有高结晶度和孔隙率的烯烃连接的COFs仍极具挑战.构建D-A结构被认为是提升其光催化活性的有效策略之一,但目前具有D-A结构的烯烃连接的COFs光催化研究较少.本文提出了一种简单的分子工程策略来调控烯烃连接COFs的D-A相互作用以实现高效的光催化产氢.将2,4,6-三甲基1,3,5-三嗪(TM)分别与对苯二甲醛(TA)、2,5-二甲基对苯二甲醛(MA)和3,3’-二甲基-4,4’-二醛基联苯(DMA)通过Knoevenagel聚合反应制备三种D-A型烯烃连接的COFs,即TM-TA-COF,TM-MA-COF和TM-DMA-COF,系统考察了引入甲基和苯环等较弱电子给体对光催化析氢性能的影响.结果发现,当将电子基团锚定在框架中时,可提供不同程度的D-A相互作用力,从而精准调控COFs光催化剂的激子解离效率、电荷传输行为、光响应能力和HOMO-LUMO水平,优化COFs的光催化产氢活性.傅里叶红外光谱、固体核磁和X射线光电子能谱证明了三种COFs材料的成功合成.粉末X射线衍射和氮气吸脱附结果表明,三种COFs具有良好的结晶性和高孔隙率(比表面积分别为911,747和1021 m^(2)g^(-1)).光物理测试结果表明,三种COFs都具有可见光响应能力和合适的导带位置以驱动可见光光催化分解水产氢,且光生载流子的复合程度和激子结合能随着给体共轭程度的增强而降低,其中TM-DMA-COF具有最优的载流子分离能力.光催化分解水产氢结果表明,TM-DMA-COF具有最高的产氢活性,可达4300μmolh^(-1)g_(cat)^(-1),高于大多数COFs光催化剂的析氢性能,与预测结果一致.光(电)化学测试结果表明,TM-DMA-COF表现出最高产氢催化活性,这与其具有最佳的电荷转移动力学以及最强的与Pt助催化剂相互作用力有关.理论研究结果表明,D-A相互作用随着给体共轭程度的提高而增强,这有利于载流子动力学以及降低H_(2)形成的能量势垒,最终提升光催化活性.综上,本文制备了三种具有高结晶度和孔隙率的D-A型烯烃连接COFs,以阐述甲基和苯环等相对较弱的给电子基团在COFs光催化剂结构设计中的价值,为调节COFs的光催化性能提供了一种新的简单有效的策略.

摘要：光热催化是一种高效利用太阳光,将二氧化碳转化为高价值产物的方法.本工作以石墨相氮化碳为载体,通过水热-浸渍两步法制备了负载铂、铁氧化物的石墨相氮化碳催化剂.该催化剂具备优异的光热转换性能,可实现7.36 mmol·h^(−1)·gcat^(−1)的二氧化碳还原活性和97%的一氧化碳选择性.使用X射线晶体衍射(XRD)、配备能量色散X射线谱(EDS)的球差校正扫描透射电子显微镜(Cs-S/TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(DRS)等表征手段从催化剂物相、微观结构、表面状态、光学性能等方面对催化剂进行了表征.结果显示,催化剂能吸收全谱太阳光,且具备较高的载流子分离效率.基于原位傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)表征结果,提出了二氧化碳在催化剂表面的可能的反应机理,并对铂在铁氧化物表面的氢溢流效应进行了表征.结果表明二氧化碳和氢气分别在铁氧化物、铂位点被活化,参与催化反应.本工作对后续光热二氧化碳还原催化剂的设计、合成与机理研究具有一定的参考作用.

摘要：氢燃料具有无污染与高质量能量密度的特点使其成为一种重要的清洁能源.通过半导体光催化过程将太阳能转化为氢能,是应对能源与环境问题的理想方案之一.在传统光催化产氢过程中,光生电子可将质子还原生成氢气,而同步产生的光生空穴一般被牺牲剂消耗.虽然反应体系中牺牲剂的添加可以有效提升产氢速率,但是空穴的氧化能力没有得到有效利用.同时,昂贵牺牲剂的使用极大制约了光催化制氢半反应的经济效益和应用前景.通过有机物无氧脱氢反应,同步生成氢气和高附加值有机化合物,不仅实现了电子和空穴的同步利用,而且提升了太阳能的转化效率.尽管这类双功能催化剂近年来已有少量报道,但仍存在光吸收范围窄(紫外-可见光)、掺杂贵金属或载流子分离效率低等问题.因此,开发廉价、高活性、全光谱吸收的催化材料及体系仍是重要且极具挑战性的任务.本文报道了一种非贵金属(MoO_(3-x))等离子共振增强的全光谱响应(200–1400 nm)Zn_(0.1)Cd_(0.9)S/MoO_(3-x) S型异质结光催化剂.以乳酸为牺牲剂时,该催化剂可实现高效光解水产氢,其产氢速率高达149.2 mmol·g^(–1)·h^(–1),是纯Zn_(0.1)Cd_(0.9)S体系的6倍.此外,当以苯甲醇同时充当电子受体和给体时,可见光(420–780 nm)和近红外光(780–1050 nm)激发均可驱动苯甲醇无氧脱氢,生成苯甲醛和氢气,从而同步有效利用光生电子与空穴.该体系较高的催化效率主要由于:Zn_(0.1)Cd_(0.9)S纳米棒和MoO_(3-x)纳米片之间的界面紧密接触以及内建电场对光生电子转移的动力学促进;S型异质结的构建有效提升了载流子分离效率,同时提高了光生载流子的氧化-还原能力;MoO_(3-x)纳米片的LSPR效应使得Zn_(0.1)Cd_(0.9)S/MoO_(3-x)复合材料具备了包含紫外-可见-近红外光区域的宽光谱吸收范围.综上,本文系统研究了不同激发能量下产氢过程的反应机理,为理性设计双功能光催化氧化-还原反应体系,实现光催化产氢与精细化学品的同步合成提供了借鉴.

摘要：环境污染和能源短缺是制约当今社会发展的重大问题.光催化技术可直接利用太阳能驱动一系列重要的化学反应,具有能耗低、反应条件温和、无二次污染等优点,是解决这一问题的有效途径.实现这个过程的关键在于寻找设计高效的光催化剂.目前,光催化材料主要由无机半导体组成,其结构的改造和修饰难度很大,难以根据实际需要来控制其大小、形状以及物理化学特性.而有机化合物具有优良的分子剪裁与修饰的功能,但它们却在坚固性与稳定性等方面具有明显的缺点.因此如果能发展既具有无机化合物的稳定性又具有有机化合物的可剪裁与修饰性的新型光催化材料,无疑将促进光催化的发展和应用.金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)正是这样一类结合了无机物的稳定性和有机物的可修饰性的杂化材料.MOFs是一类以金属阳离子为节点、有机配体为连接体的多孔配位聚合物的总称.这类材料不仅拥有超高的比表面积、丰富的拓扑结构,而且其结构兼具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,在气体吸附储存、分离、传感等领域都有广泛的应用.在催化领域MOFs也显示出巨大的应用前景:(1)比表面积大,有利于对反应底物的吸附,促进催化反应的进行;(2)组成多样,结构具可剪裁性、可设计性、易调变等特点,通过对其金属单元或者配体进行改变修饰,可以实现对MOFs结构和性能的调变;(3)MOFs中金属-氧单元之间由有机配体隔开,相当于分立的半导体量子点,在反应中不易发生团聚.并且各个分立的金属-氧单元之间可能存在协同效应,有利于保持催化剂的稳定性和产生高的催化活性.因此,MOFs材料是一类非常有潜力的异相催化剂.光催化是一类典型的多相催化技术,与传统半导体光催化材料相比,MOFs由于具有可在分子水平进行灵活调控的优点,在光催化领域的应用更有优势.此外,MOFs结构上的确定性为研究催化剂的界面电荷迁移和光催化机理提供了便利条件,通过对其构-效关系的研究和光催化反应机理的探索反过来有助于我们从微观尺度上进一步认识光催化的本质.MOFs材料在光催化领域已经有了初步的研究.越来越多的MOFs材料被成功应用于光催化降解染料、选择性转化有机物、光解水制氢和CO2还原等反应.典型的有MOF-5、Ui O-66和MIL-125系列等.近年来,已有少量的文献综述了MOFs这类材料在光催化领域的研究.这些文献主要围绕MOFs在光催化过程中所起到的作用,比如作为催化剂、助催化剂或载体来展开;或者是从MOFs的光催化应用领域,比如污染物降解、产氢、二氧化碳还原、有机物转化来分类展开.本文围绕如何设计合成高效的MOFs光催化剂,综述了近年来国内外关于提高MOFs的光催化性能而开展的相关研究工作,包括理论研究MOFs的能级结构及化学性质、在MOFs配体上修饰官能团调变其能带结构、染料或者金属化合物光敏化MOFs提高其光吸收性能、负载金属/碳材料及半导体复合提高光生载流子的分离效率等.最后,本文对MOFs光催化剂的未来发展趋势进行了展望,强调开发新型的MOFs光催化剂,并加强对MOFs光催化机制的研究,有助于指导现有MOFs催化剂的改良和设计新型光催化剂.

摘要：化石燃料燃烧的排放物是目前最严重的环境污染源,其中含氮有机物燃烧产生的NOx等是污染大气和形成雾霾的主要污染物.伴随石油存量的不断减少、重质石油的更多利用以及机动车的大规模增加,由此引起的污染问题日趋严重,因此发展高效的燃油脱氮技术对保护环境意义重大.光催化氧化是近几十年发展起来的新型高级氧化还原技术,由于其可以利用太阳光且在室温下进行,成本低易于进行,是一类理想的燃油脱氮技术.在众多光催化材料中,α-Fe2O3无毒、廉价且具有合适的带隙(2.3 eV),是目前公认较好的光催化材料.然而,在光催化过程中α-Fe2O3较快的电子-空穴复合速度以及过低的比表面积极大降低了其效率.通常,选择性地设计高比表面的多孔半导体金属氧化物被认为是一种简单且实效的提高光催化反应效率的方法.近年来,以金属有机框架结构(MOFs)为硬模板制备多孔金属氧化物的方法逐渐获得了科学家们的关注,这主要得益于热稳定性差的MOFs本身可以通过调控金属离子以及配体种类从而实现原位均匀的调节和修饰半导体金属氧化物,而且可以作为获得多孔性材料的基底.本文通过水热法合成了一种典型的MOFs即MIL-100(Fe).利用MIL-100(Fe)材料自身多孔性及热不稳定性,采用自模板法煅烧制备成多孔Fe2O3.制得的多孔Fe2O3亲油性较差,进行模拟燃油脱氮光催化反应时相互之间容易聚集成团,无法均匀分散于燃油体系中,导致光催化脱氮效率较低.因此,若能对所得多孔Fe2O3进行表面修饰使其亲油性增强并可均匀分散于于燃油体系中,无疑将促进底物的吸附,从而提高光催化燃油脱氮效果.Fe2O3表面带有正电荷,因此我们巧妙地选用一种阴离子表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)作为修饰剂,采用简单的静电自组装方法制备了SDS/Fe2O3光催化剂.选用吡啶脱氮作为探针反应,考察了SDS/Fe2O3复合光催化剂的可见光光催化性能.结果表明,与未使用修饰剂的Fe2O3相比,SDS/Fe2O3中长链烷基的存在使其表面亲油性增强,能够在模拟燃油溶液中更加均匀地分散进而提高了脱氮效率.其中煅烧温度为450 C且修饰0.25%SDS的样品活性最佳,可见光(λ≥420 nm)照射240 min后吡啶的脱氮率接近100%.

摘要：作为非金属催化材料的典型代表,碳材料已经成为催化领域的研究热点之一。本文采用石墨化氮化碳(g-C_(3)N_(4))为硬模板,通过先包覆树脂后碳化的简便方法合成中空碳材料(h-NCNW)。采用X射线衍射(XRD)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)、N_(2)吸附-脱附、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、热重(TG)、拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)对h-NCNWs碳材料进行表征,并且研究了h-NCNWs催化剂对O_(2)选择性氧化苯甲醇的催化活性。结果表明,通过在g-C_(3)N_(4)纳米片外围包覆由间苯二酚和甲醛前驱体缩合形成的薄层树脂,并在惰性气氛下进行高温热处理,去除g-C_(3)N_(4)硬模板,最终得到富氮(9.83%)空心蠕虫状碳材料,并且可通过改变制备过程中间苯二酚与g-C_(3)N_(4)的相对比例来调整氮含量和壳厚度。在h-NCNW中,杂原子N主要以石墨型和吡啶型的形式化学地结合到碳骨架中,其中石墨型N占主导地位,使得该材料在苯甲醇氧化反应中表现优异的催化活性。在120℃时,采用间苯二酚与g-C_(3)N_(4)质量比为0.5制备的h-NCNWs催化剂,苯甲醇转化率为24.9%,苯甲醛选择性>99%。但是N掺杂量会显著影响h-NCNWs催化剂的催化活性,采用间苯二酚与g-C_(3)N_(4)质量比为1.5制备的h-NCNWs催化剂,苯甲醇转化率降低至13.1%。另一方面,h-NCNWs催化剂在反应过程中显示出优异的稳定性,在五次循环使用过程中催化剂的活性保持不变。综上所述,理性设计和合成的碳材料作为多相氧化反应的催化剂具有巨大的潜力。

摘要：半导体光催化剂在环境处理和能量转换方面有着巨大的应用潜力,但由于电子-空穴对的复合作用,半导体光催化剂的光催化性能较低.相结的存在是提高电子-空穴分离效率及光催化活性的有效途径,对相结设计的深入研究是提高电荷转移性能和效率的有效手段.因此,相结光催化技术的发展,对于设计一个良好的相结和了解电子-空穴分离机理具有重要的意义.通常,相结的构建需要特殊的制备技术以及良好的晶格匹配.纳米异质结材料结合快速转移载流子的特点,具有小尺寸效应和颗粒限域效应的优点,且具有单组分纳米材料或体相异质结不具有的独特特性.纳米晶异质结可以促进光生电子的快速转移,根据两种半导体带的相对位置,异质结可分为I型、II型和III型,根据不同的电子转移途径可分为p-n型和Z-型.当p型半导体(空穴为多数电荷载流子)或n型半导体(电子为多数电荷载流子)密切接触时,由于能带和其它性质的差异,会形成结,并在结的两侧形成空间电位差.空间电位差的存在可以使产生光生载流子从一个半导体能级注入到另一个半导体能级,从而促进电子和空穴的分离,提高光催化效率.以p-n结为例,当它们在这两个区域共存时,它们的边界层形成一个薄的p-n结.由于p型区空穴浓度高, n型区电子浓度高,结处存在电子和空穴的扩散现象.在p-n结边界附近形成空间电荷区,从而在结内形成强的局域电场.在结的局部电场作用下,电荷在结两端累积形成电位差,后者作为驱动力可以有效地分离光生电荷.近年来,人们在纳米相结的设计和制备上做了大量工作以提高光催化剂活性.虽然异质结具有优良的性能,但异质结的成分和元素并不是单一的,它的形成也不是一步反应.首先,需要分别合成异质结的两个成分,反应复杂,耗时,不环保.与异质结相比,同一材料通过相变构建的结也能实现光生载流子的高效分离.同质化不需要引入其它要素,因此引起了大量关注.在相变过程中,大多数均由不同晶相的半导体形成,如锐钛矿型/金红石型TiO_2,α-β相Ga_2O_3或六方/立方Cd S.由于化学成分相同,半导体材料的能带结构不易改变.因此,对同晶材料的同质结研究较少.虽然已有几篇关于异质相结的综述论文,但通过对外部诱导相变法制备相结的回顾,仍可为读者提供有关该领域研究进展的新的认识.本文对低成本、高效率的相变思路在光催化领域中的应用进行了简要的总结,并对其在光催化领域中的应用前景进行了展望.

摘要：光催化是将太阳能转换为化学能的绿色可持续发展途径,有望解决日益严重的能源危机和环境污染问题.在光催化过程中,半导体材料作为光催化剂,负责可见光的捕获、光生载流子的生成和传输以及氧化还原反应,在整个光催化系统中起着决定性的作用.共价有机骨架材料(COFs)是一类新兴的半导体光催化剂,已被证明在可见光诱导的水分解、二氧化碳还原、有机转化反应和水中污染物降解方面具有应用前景.然而,大部分COFs是通过可逆反应构筑的,在水中及苛刻条件下的稳定性差.因此,提升基于COFs的光催化剂在水相中的光催化活性和循环稳定性仍然面临巨大挑战.本文提出了一种新策略,即通过实现多重协同效应,设计和开发2D-COFs作为在水中的高效非均相光催化剂.通过后合成策略将亚胺键连接的2D-COFs氧化,制备了两种具有丰富三嗪结构单元的以酰胺键连接的2D-COFs(命名为COF-JLU18和COF-JLU19).结果表明,COF-JLU18和COF-JLU19具有高比表面积和孔体积,其比表面积分别为1156和541 m^(2)/g;COF-JLU19具有比相似拓扑结构的亚胺COF-JLU17更好的水蒸气吸附性能.此外,COF-JLU19表现出了极高的化学稳定性,在水中、盐酸和氢氧化钠溶液中浸泡两天,其结构和结晶性均没有发生明显变化.由此可见,酰胺键不仅可以增加材料骨架的亲水性,还能够提高COFs对水的稳定性.本文制备的酰胺键连接的COF-JLU19材料,在光降解罗丹明B水溶液(RhB)反应中可以获得高达0.69 min^(−1)的光降解速率常数,活性明显优于其他光催化剂,如C3N4等.COF-JLU19具有较好的催化活性主要归因于以下两方面:一方面,良好的亲水性和固有孔隙率之间的协同效应可以增强COFs在水中对染料的吸附能力,使其光催化活性得到有效提升;另一方面,高的结晶度和优秀的稳定性使酰胺键连接的COFs在多相光催化中实现稳定循环利用.为了扩展COFs的应用前景,本文还制备了一种基于酰胺键连接COFs的静电纺丝膜,在以太阳光为光源的光降解罗丹明B水溶液实验中表现出较高的光催化活性和重复使用性.综上,本文提出的多重协同效应为基于COFs的高效光催化剂的设计提供了一种有效策略.

摘要：半导体光催化剂的最大不足在于对可见光和红外光的吸收不够,转化效率低.因此,如何设计合成能够吸收太阳光中的可见光和红外光的光催化剂是这几十年来国内外研究的重点.重点讨论利用一些稀土离子的上转换发光特征,通过掺杂来合成具有高的光吸收效率和光催化性能的催化剂.分别归纳、总结和分析了近年来稀土上转换用于改性传统半导体光催化剂,如钛基、锌基、铋基、银基、镉基和钡基光催化剂的制备和应用.比较了稀土上转换剂把可见光及近红外光转换为紫外光供光催化剂吸收利用以提高对太阳能的利用效率的研究进展,尤其是在提高光催化剂催化活性方面的贡献大小和机理.