制备碱金属掺杂的g-C₃N₄在g-C₃N₄半导体光催化材料研究中属于一个重要分支。本研究采用溶液合成、煅烧和溶剂热反应方法制备了Na⁺掺杂的g-C₃N₄样品(Na⁺/g-C₃N₄), 通过不同检测手段确定了Na⁺在g-C₃N₄中的负载位置和光电性能, 考察了样品的形貌、比表面积及孔径随溶剂热反应时间延长的变化规律。 结果表明：Na⁺负载位置和表面生成的C-O^-基团增强了g-C₃N₄材料的物理和化学吸附性能, Na⁺/g-C₃N₄对亚甲基蓝(MB)的吸附率最高可达到93.25%; Na⁺负载位置对g-C₃N₄的π共轭体系的电子分布产生影响, 进而改变了材料的禁带宽度(E_g)、导(价)带位置和光生载流子分离效率及传输速率; 在可见光降解过程中, 由于MB的自身光敏性和在Na⁺/g-C₃N₄样品表面的强吸附性, MB和Na⁺/g-C₃N₄样品构建了独特的光敏-光催化降解体系, MB不仅通过光敏自降解, 还在Na⁺/g-C₃N₄协同下进行了光催化降解。在pH 6.0条件下, MB和Na⁺/g-C₃N₄光催化体系对MB的最高降解率可达96.40%。

载铁沸石因其来源广泛、制备简便及环境毒性低等特点, 被广泛用于催化类Fenton反应产生·OH, 以高效处理有机污染物。然而, 传统载铁沸石的制备成本高且Fe²⁺再生困难, 限制了其在催化类Fenton反应中的工业化应用。基于此, 本研究以污水处理厂活性污泥焚烧处理后的灰分为原料, 选择性回收其中的硅、铝和铁等元素。制备的Fe²⁺-方钠石(FSD)可用于类Fenton反应活化过氧乙酸(PAA), 以高效降解水溶液中的亚甲基蓝(MB)。 结果表明:FSD可在较宽的pH范围内催化PAA生成·OH、¹O₂和R-O·等多种活性氧物种, 进而通过羟基化或亚砜化途径催化降解MB。以0.5 mol/L Fe²⁺制备的FSD用量为0.3 g/L, PAA浓度为0.3 mmol/L时, FSD/PAA体系可在20 min内完全降解40 mg/L MB。此外, FSD中的还原性硫组分可促进Fe²⁺再生, 维持其催化活性。且FSD/PAA体系可在不同水质和生活污水中高效降解多种污染物, 具有性能优良和适用性广的优点。

光催化技术在水中新型污染物的治理中应用广泛。自敏性氮化碳(SSCN)是一种新型非金属光催化剂, 其表面的自敏性高分子可以有效地拓宽可见光吸收范围, 但该材料存在严重的团聚现象, 抑制了其光催化活性和稳定性。SiO₂的分散性好, 被广泛用作载体构建复合结构应用于光催化领域。本研究首先用Stöber法制备了SiO₂微球, 随后利用水热法原位合成了SiO₂/SSCN复合材料。采用多种表征手段分析样品的物相结构、微观形貌、光电性能。制备的复合材料在光催化降解水中盐酸四环素中表现出增强的降解活性, 其活性与SiO₂加入量密切相关, 当SiO₂与SSCN的质量比为0.04 ∶ 1时, 复合材料的光催化活性和稳定性最佳, 光照60 min可降解42%的盐酸四环素, 经5次循环后其光催化降解效率仍然能够维持约38%。引入的SiO₂为SSCN提供了分散位点, 改善了SSCN较为严重的团聚现象, 使SSCN表面的1,3,5-三嗪基低聚物(TBO)快速分解后达到表面活性位点暴露的最佳含量, 提升了SSCN对可见光的利用率, 促进了光生电荷的分离效率, 从而有效地提升了SSCN的光催化活性及稳定性。本研究为提高催化剂的光催化活性和稳定性及治理新型污染物提供了一个新思路。

纳米TiO₂具有高催化活性、高化学稳定性、成本低廉和安全无毒等优势, 是目前广泛使用的一类光催化剂, 但较大的禁带宽度和较高的光生电子-空穴复合速率使其光子利用率偏低。本研究利用微刻蚀法设计合成了二维TiO₂纳米片, 并进一步与Ru复合, 构建了三明治结构Ru@TiO₂高效光催化剂。采用不同表征手段研究了三明治结构Ru@TiO₂的表面形貌、电子结构、光电特性和光降解盐酸四环素的性能。结果表明: 插入Ru将TiO₂的光响应范围由紫外光区拓展至整个可见-近红外光区, 光子吸收和载流子分离效率得以提升,同时提高了体系光催化活性。模拟太阳光(AM 1.5G, 100 mW·cm^-2)照射80 min, 三明治结构Ru@TiO₂高效光催化剂对盐酸四环素的降解效果出色, 降解效率达到91.91%。本研究为TiO₂基高效光催化剂结构设计提供了一条有效途径。

构建异质结能够有效抑制光催化剂中光生电子和空穴的快速复合。本研究采用水热法、煅烧法以及溶剂热法合成了II/Z型Bi₂MoO₆/Ag₂O/Bi₂O₃异质结光催化剂, 利用不同研究手段分析材料的组成、形貌以及光电化学性能。结果发现, 复合材料的最佳组成为25%ABOBM (Ag₂O/Bi₂O₃和Bi₂MoO₆的质量比为1 : 4)。在可见光照射下25%ABOBM对四环素(TC)的降解效率可达85.6%, 明显高于Ag₂O/Bi₂O₃和Bi₂MoO₆, 而且三次循环实验后仍具有良好的稳定性。25%ABOBM光催化性能的提高可归因于Ag₂O、Bi₂O₃以及Bi₂MoO₆之间异质结的构建和特殊形貌的形成。自由基捕获实验和电子顺磁共振谱(EPR)结果表明, h⁺和·O₂^-在TC的降解过程中发挥着主要作用, 而·OH和¹O₂发挥着次要作用。实验还探索了相关光催化机理, 并利用液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)对TC可能的降解路径进行了分析。本研究为双异质结光催化剂的制备及其在有机污染物降解应用方面提供了新的思路。

针对TiO₂表面活性位点不足、反应动力学缓慢、CO₂还原产物中碳氢化合物的产率低以及选择性差等问题, 研究通过Pd催化氧还原法在缺氧环境中构筑了具有表面氧空位的一维单晶TiO₂纳米带阵列(Pd-Ov-TNB)。通过形貌结构、载流子行为及光催化性能分析, 探究了表面氧空位和Pd的氢溢流效应对光生载流子分离传输及还原产物选择性的影响。结果表明, Pd-Ov-TNB的CO₂还原活性强, 产物中CH₄、C₂H₆和C₂H₄的产率分别为40.8、32.09和3.09 µmol·g^-1·h^-1, 碳氢化合物的选择性高达84.52%, 在C-C偶联方面展现出巨大的潜力。其一维单晶纳米带结构提高了材料的活性比表面积和结晶度, 为CO₂还原反应提供了更多的活性位点, 并加速载流子的分离传输。同时, 氧空位增强了光生电荷的表面积累, 为CO₂还原提供了富电子环境。此外, Pd纳米颗粒提高反应体系中H*的浓度, 并通过氢溢流效应将H*转移到催化剂表面吸附CO₂的活性位点, 促进反应中间产物氢化。各种优势共同作用促使CO₂向碳氢化合物高效转化。

光催化以其反应条件温和、能直接利用太阳能转化为化学能的优势, 而备受科研人员的关注。如何拓展光谱吸收范围及阻止光生“电子-空穴”复合, 是目前光催化研究领域的热点。本工作通过阳极氧化制备出非晶TiO₂纳米管(TiO₂NTs), 利用机械液压法将熔融铟锡合金压入非晶TiO₂中, 得到In_9.45Sn₁/TiO₂NTs, 再经高温煅烧后得到ITO/TiO₂NTs复合材料。实验对比了TiO₂NTs、In_9.45Sn₁/TiO₂NTs与ITO/TiO₂NTs对去除水溶液中亚甲基蓝的光催化性能, 在180 min光照下, ITO/TiO₂NTs的降解效果最佳, 降解效率达96.14%。利用紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)研究了TiO₂NTs、In_9.45Sn₁/TiO₂NTs和ITO/TiO₂NTs的光吸附性能, ITO/TiO₂NTs的吸光度最强。结合瞬态光电流响应、光电流密度电势、电化学阻抗谱和Mott-Schottky测试结果可知, ITO/TiO₂NTs比TiO₂NTs具有更高的电荷转移能力和供体密度, 抑制了空穴和电子的复合, 从而增强光电化学性能。经过五次循环后, ITO/TiO₂NTs的降解效率保持在90.28%。自由基捕获实验结果表明, •O₂^-和•OH是光催化降解的主要活性物质。

光催化CO₂还原技术的关键是开发高效光催化剂, 而构建具有紧密界面结构的异质结是增强界面电荷转移, 实现高效光催化活性的有效途径。本研究采用静电纺丝技术结合水热法, 将Bi₄O₅Br₂纳米片镶嵌在CeO₂纳米纤维表面, 制得Bi₄O₅Br₂/CeO₂纤维光催化材料(B@C-x, x对应反应物的加入量)。利用不同方法表征其微观结构、形貌和光电性能。结果表明, 适当Bi₄O₅Br₂含量的Bi₄O₅Br₂/CeO₂异质结可以显著提高CeO₂纳米纤维的光催化性能。与纯Bi₄O₅Br₂和CeO₂相比, B@C-2在模拟太阳光下表现出最佳光催化活性, 不使用任何牺牲剂或共催化剂的条件下, CO生成速率达到8.26 μmol·h⁻¹·g⁻¹。这归因于Bi₄O₅Br₂和CeO₂之间的界面结合紧密以及构建的S型异质结, 使得光生载流子可以实现有效的空间分离和转移。本研究为定向合成Bi基S型异质结复合光催化材料提供了一种简便有效的方法, 为清洁能源转换探索了可行的途径。

制备高效稳定的光催化剂对于光催化技术的发展至关重要。本研究采用超声辅助沉积加低温煅烧的方法制备了2H相MoS₂/g-C₃N₄ S型异质结光催化剂(MGCD), 并综合考察了材料的相结构、微观形貌、光吸收性能、X射线光电子能谱、电化学交流阻抗和光电流等对光催化性能的影响。结果表明: 经过超声辅助沉积-煅烧处理, MoS₂微米球发生破碎分散结合在g-C₃N₄纳米片层表面上并形成异质结。可见光下5%MGCD(添加5% MoS₂)对罗丹明B(RhB)在20 min时的降解率达到了99%, 且样品重复使用5次后对RhB的降解率仍能达到95.2%, 表现出良好的光催化性能及稳定性。从内建电场形成的角度进一步分析表明, 异质结中MoS₂与g-C₃N₄间耦合形成的内建电场引起的能带弯曲可以有效引导载流子的定向迁移, 并促进光生载流子的分离, 从而提高了光催化反应效率。异质结光催化剂的自由基捕获实验表明: O₂^-和·OH在催化降解RhB中是主要的活性物种, h⁺的贡献次之。

通过水热法合成了钛羟基磷灰石(TiHAP)与g-C₃N₄复合光催化剂(TiHAP@g-C₃N₄), 并对其结构和光学特性进行表征, 通过甲基橙(MO)降解实验评价其光催化活性。结果表明：样品中短棒状TiHAP生长在g-C₃N₄表面, 均保持原有晶型和化学结构; 制备的TiHAP@g-C₃N₄纯度高, 比表面积达107.92 m²/g, 较TiHAP、g-C₃N₄分别增大约135%、44%; 在TiHAP@g-C₃N₄添加量为1.0 g/L、pH 7条件下, 120 min内MO降解率达96.35%; 3次循环实验降解率保持在80.02%以上, TiHAP@g-C₃N₄光催化性能良好且结构稳定。空穴(h⁺)在MO降解过程中作用最大, ·O₂^-与·OH的作用递减。TiHAP@g-C₃N₄异质结的构建, 增强了对光的吸收, 提高了光生电子-h⁺的分离效率, 保留了氧化还原性更强的TiHAP价带h⁺和g-C₃N₄导带电子, 从而提升了光催化性能。

S型异质结被广泛应用于光解水产氢和解决环境污染问题。本研究通过简单的水热法制备了单晶WO₃/水热处理后的红磷(HRP)复合材料。XPS和EPR等表征结果证实单晶WO₃/HRP复合材料形成了S型异质结。5%WO₃/HRP异质结复合物在可见光下展现出最佳的光催化活性, 在4 min内对罗丹明B(RhB)的降解率高达97.6%。此外, 制氢速率可以达到870.69 μmol·h^-1·g^-1, 是纯HRP的3.62倍。这可归功于单晶WO₃和HRP之间形成紧密的S型异质结, 使其光生载流子快速分离并提高氧化还原能力。本研究制备的RP基光催化剂为解决日益增长的清洁新能源和饮用水需求提供了参考。

光催化被广泛用于去除水中的难降解有机污染物, 但是由于光生电子和空穴的复合率高, 抑制了半导体光催化剂的催化活性。本研究通过简便的溶剂热法成功制备了一种BiOBr/ZnMoO₄复合材料。通过结构分析、原位XPS、功函数测试、自由基捕获及电子顺磁共振(ESR)实验等证实了BiOBr/ZnMoO₄复合材料形成了S型异质结。实验结果表明, 适当ZnMoO₄含量的BiOBr/ZnMoO₄异质结可以显著提高BiOBr的光催化性能。与纯BiOBr、ZnMoO₄相比, 质量分数15% BiOBr/ZnMoO₄在可见光下表现出最佳的光催化活性, 双酚A的光催化降解率达到85.3% (90 min), 环丙沙星的光降解速率常数分别是BiOBr的2.6倍和ZnMoO₄的484倍。这可归因于BiOBr和ZnMoO₄之间形成了紧密的界面结合和S型异质结, 使得光生载流子可以实现有效的空间分离和转移。这项工作为定向合成Bi基S型异质结复合光催化材料提供了一种简便有效的方法, 对进一步理解Bi基多元异质结光催化材料的构效关系提供了新的理论和实验基础。