环境光催化材料表面修饰及光催化性能增强机制的研究进展

时间:2019-05-21  来源: 打印

在非均相光催化反应中,半导体阴离子空位具有多重功能,它不仅可以增强光吸收能力,还可以作为活性位点吸附目标反应分子、增强光生电子捕获。因此,通过化学途径可控制备具有表面阴离子空位的半导体光催化材料,是提高去除低浓度环境气体污染物的有效途径之一。

近期,中国科学院地球环境研究所黄宇研究员带领的光催化研究小组通过利用单体三聚氰胺自模板的方法制备出了棒状M·CA超分子前驱物,通过简单的水热时间调节得到不同N含量的M·CA超分子前体物,并在N2保护下得到具有不同N空位浓度的多孔g-C3N4微米管,其光催化氧化去除NO反应速率相比对照提升了2.6倍。实验结果表明,性能增强主要是由于N空位有效吸附-活化O2NO,同时作为光生电子捕获位点提升了载流子分离效率。原位漫反射红外光谱结果表明,对于不含N空位的g-C3N4NOO2首先吸附在其三嗪结构末端的N-H键上,分别形成NOHOOH基团,然后通过电子重新分配,被活化成为NO和过氧基团,光生电子能将过氧基团还原为?O2并与光生空穴一起将NO–和其他中间产物氧化成为终产物硝酸盐;对于含N空位的g-C3N4NOO2首先吸附在N空位上,然后被活化成为硝基基团-NO2和过氧基团,光生电子将过氧基团还原为?O2并与光生空穴一起将-NO2和其他中间产物氧化成为终产物硝酸盐(图1)。

此外,研究小组还通过原位还原法制备了含表面氧空位的Bi/Bi2O2-xCO3纳米片,在可见光辐照30 minNOx去除效率最高达50.5%。由于还原过程中在Bi2O2xCO3表面引入了具有等离子效应的单质Bi,通过从Bi2O2xCO3的缺陷态捕获电子,经双电子还原步骤将O2转化为活性氧物种H2O2,从而抑制了毒性更强的中间产物NO2生成(图2)。

 

1 N空位修饰的g-C3N4形貌结构及光催化去除NOx机理示意图

 

2 在可见光照射下,在B/BOC-2样品的催化下,NONO2NOx浓度随照射时间的相对变化

本研究为构建高活性及选择性的空气净化材料提供了一种有效的表面工程策略。本项工作得到了国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金等项目的资助。

相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 10651-10662; Chemical Engineering Journal, 2019, 363, 374–382.

原文链接:https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsami.8b21987; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894719301998.