梯型In2O3/ZnIn2S4杂化体系的构建及其光催化固氮增效

来源 :催化学报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sesame_1975
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
工业化固氮合成氨主要采用Haber-Bosch法.然而,该工艺条件苛刻,需要氮气与氢气在高温高压和使用催化剂的条件下反应,耗费大量能源,同时产生温室气体.与Haber-Bosch法不同,光催化固氮不需要使用氢气,而是利用清洁的太阳能和水直接提供固氮反应所需的还原电子和质子,反应耗能低且绿色无污染,是一种理想的固氮方法.然而,目前光催化固氮合成氨受限于光催化剂载流子分离效率低、氮气吸附和活化难,总体固氮效率仍然很低.大量研究证明,构建梯型异质结是一种改善光催化活性的有效手段,这是因为梯型异质结体系不仅有效分离光生载流子,而且保留了光生空穴和电子的强氧化还原能力.另外,表面缺陷不仅可以充当吸附位点,有效调控表面N2分子的吸附特性,还可以起到活化N2分子的作用.本文设计了富含空位的In2O3/ZnIn2S4梯型异质结,系统考察了复合体系中组分配比对晶型结构、微结构和光学吸收等的影响,并通过XPS谱研究了In2O3和ZnIn2S4之间存在强的相互作用,这为光生载流子的高效分离奠定了基础.同时,结合XPS、Raman和EPR测试揭示了材料中表面空位的成功构筑.在此基础上,深入研究了In2O3/ZnIn2S4梯型异质结在室温常压下光催化固氮合成氨的活性.研究结果表明,所有的梯型异质结均展现出明显的光催化固氮活性,其中50 wt%In2O3/ZnIn2S4梯型体系具有最高的光催化固氮活性,自然光照射2 h产生的氨气浓度达到18.1/0.77 mg·L-1,分别是In2O3和ZnIn2S4的21.0和2.72倍.并且该复合体系具有较高的光催化稳定性,在连续循环使用6次时,产生氨气浓度仍然可达到16.3/0.86 mg·L-1.荧光光谱测试、光电化学测试和表面光电压测试证明了电荷的有效分离和转移.综上,构建In2O3/ZnIn2S4梯型体系后,所制备的In2O3/ZnIn2S4活性得到增强,这主要归因于空位对氮气的吸附和活化作用以及梯型异质结中载流子的高效分离机制.另外,研究表明?CO2-物种是光催化固氮合成氨的主要活性物种.“,”In this study, a step-scheme photocatalytic system comprising one-dimensional In2O3 nanorods and two-dimensional ZnIn2S4 nanosheets was developed for the catalytic photofixation of nitrogen. The effects of the combination of In2O3 with ZnIn2S4 on the crystallinity, microstructure, optical absorp-tion, and charge transfer behavior of the In2O3/ZnIn2S4 hybrid photocatalysts were investigated. Benefiting from the synergistic effects of the photogenerated vacancies and a step-scheme charge separation mechanism, the In2O3/ZnIn2S4 hybrid photocatalyst exhibited significantly enhanced catalytic activity compared to those of bare In2O3 and pure ZnIn2S4, and an optimized 50 wt% In2O3/ZnIn2S4 hybrid sample was found to exhibit superior catalytic activity for the photofixation of N2, fixing 18.1 / 0.77 mg·L-1 of ammonia after exposure to simulated sunlight for 2 h. Crucially, the results of trapping experiments and electron paramagnetic resonance investigation to identify the active species confirmed that the catalytic nitrogen photofixation performance was highly correlat-ed with the presence of ?CO2- radicals rather than photogenerated electrons, especially when meth-anol was used as a hole scavenger. In summary, the reported In2O3/ZnIn2S4 hybrid photocatalysts exhibit both stability and high activity for the photofixation of N2, making them promising catalysts for sunlight-driven artificial N2 fixation.
其他文献
针对存在多个解的线性互补问题,找出尽可能多的解,进而在众多解中寻找最小范数解,成为当前的一个研究热点.论文通过把线性互补问题转化为绝对值方程,定义了智能算法的适应值函数,采用正弦余弦算法求解线性互补问题,在其中选取范数最小的解.数值结果表明该方法能够找到原问题尽可能多的最小范数解,可为研究其稀疏解提供一些近似结果.
池州地区位于我国长江中下游铁、铜、金成矿带的南带内,已发现各类矿产地超200处.本文选取区内6个不同规模和矿化类型的矿床,通过测试各矿床的矿石、围岩、精粉和尾砂等样品,分析其伴生稀散元素含量的情况.分析结果显示:目标矿床均有不同程度和种类的稀散元素矿化富集,以Cd、Ga元素最为普遍,少数矿床可见到Te、Tl、In、Se和Ge元素富集,并与矿种具有一定程度的对应关系.在此工作基础上,结合已有资料,初步探讨区内稀散元素的成矿规律和找矿方向.
石家冲铜矿位于庐枞盆地南缘.矿体分布受构造破碎带控制,呈脉状、透镜状产出,呈北北西-南南东或近南北走向,向西倾,倾角陡.主要矿石矿物为黄铜矿、黄铁矿,为星点状含铜(金)角砾岩型矿石和细脉浸染状含铜砂岩型矿石.属于中低温热液型矿床.找矿标志有构造、岩性、蚀变、地球化学异常等.本矿床勘查类型是中等复合型矿床,开采技术条件属Ⅱ-4型.
助剂修饰是提高单相光催化剂催化制氢活性的有效策略之一.贵金属Pt是光催化制氢体系中较为理想的助催化剂,但价格高、储量少,严重限制了其广泛应用.在过去几十年中,研究者研发了一系列低成本的非Pt助催化剂,如金属氧化物、碳化物、氮化物、硫化物和磷化物等,并应用于光催化制氢,但其催化活性与Pt助催化剂相比有较大差距.近年来,与Pt具有相似的物化性质,但价格较低的其他铂族金属得到了广泛关注和研究.贵金属Pd不仅具有良好的导电性和稳定性,而且相对于Pt,Pd的储量更丰富且廉价(Pd:124.9元/克,Pt:224.8
过氧化氢作为一种对环境友好的、重要的化学原料,被广泛用于化学工业、漂白剂和废水处理等领域.近几十年来,过氧化氢主要通过蒽醌工艺生产.然而,该方法需要多步蒽醌加氢和氧化反应,导致较高的生产成本和能量消耗,同时伴随着大量的二氧化碳排放.另一种替代策略是在贵金属催化剂的辅助下,由氢气和氧气的混合气体在高温下直接合成.但是,氢气和氧气的混合气体在高温下存在爆炸的危险,从而限制了其大规模应用.因此,探索一种低能耗、温和条件下生产过氧化氢具有重要的意义.太阳能驱动光催化生产过氧化氢是解决上述问题的理想途径.通常认为,
近年来,水分解、氧气/二氧化碳还原等电化学能源转换技术为解决全球能源短缺及环境问题提供了新的思路和方向.然而,对这些能源转换技术的反应机理及其催化剂的活性位点目前仍缺乏深刻的认识和理解,这限制了高效、稳定催化剂的开发,以致阻碍该类电化学技术的进一步发展.原位光谱技术的快速发展为解决上述问题提供了坚实的基础,其中拉曼光谱是检测含氧物种的有效技术,X射线吸收谱则是揭示催化剂配位环境和价态变化的有力工具.鉴于此,本文详细介绍了原位拉曼光谱和X射线吸收光谱在电化学领域的最新应用.重点分析了一些代表性的例子,主要包
质子交换膜燃料电池的商业化有望在不久的将来实现更清洁的能源社会.然而,氧还原反应缓慢的反应动力学和苛刻的条件对质子交换膜燃料电池的寿命和成本产生了巨大的挑战.之前大多数铂基催化剂的设计都将重点更多地放在提高活性上.随着质子交换膜燃料电池的商业化,寿命问题也受到了更多的关注.对整个生命周期中结构演变进行深入地了解,有助于优化铂基催化剂的活性和寿命.原位电子显微表征以及其他原位技术的发展推动了对演变机理的揭示.本文着重介绍了铂基催化剂在结构演变方面的最新进展,具体包括催化剂合成、后处理以及电催化过程中的结构演
随着能源需求增长与化石燃料资源枯竭之间的矛盾日益突出,以及石油、天然气等不可再生资源的燃烧带来的环境问题和全球变暖,清洁可再生能源越来越受到人们的重视.因此,包括能源转换和可逆能源使用等的可持续发展技术受到广泛关注.其中,电催化被认为是清洁能源转化的重要方法.目前,电催化反应的催化剂仍以贵金属为主.但贵金属昂贵的价格极大地限制了其使用,因此,开发廉价高效的电催化剂取代贵金属成为当务之急.传统的“试错法”费时费力且成本较高.近年来,随着超级计算机和计算理论的快速发展,密度泛函理论(DFT)和高通量计算可以指
硫化锌镉(Cd1-xZnxS,0
能源和环境问题成为制约未来可持续发展的关键问题之一,因此,针对不同电催化反应设计电催化剂变得越来越重要.电催化剂因其能量效率高、制备简单和易操作等优点,而应用于可再生能源的相关反应(如水分解和人工光合作用)中.明确不同反应电催化剂的设计原理,深入理解其在相关反应中的催化机理,可进一步优化催化剂性能.本文综述了扫描电化学显微镜(SECM)应用于电催化反应的历程、关键方法以及一些代表性的工作,阐明了电催化剂的工作机理以推进电催化剂的设计.本文还介绍了为提高SECM的空间分辨率而尝试的纳米尺寸电极方面的新进展,