Kasem K. Kasem
材料科学技术（英文）
Homogenous and heterogeneous production of hydrogen via photo-dissociation of water has been achieved with visible range solar radiation without any external potential at room temperature. Potassium ferrocyanide as a solvated-electron supplier and electron exchanger in basic buffers was used as a homogenous media for hydrogen production. Aqueous colloidal solutions of p-type Fe2O3 doped with MgO (Fe1:8Mg0:2O3) or with ZnO (Fe1:9Zn0:1O3) suspensions in ferrocyanide solutions were used as heterogeneous media for hydrogen generation by reduction of ferricyanide. The effects of the hole-scavengers such as oxo-anions and solvated-electron- suppliers were investigated. Results showed that Fe2O3 doped with ZnO was more efficient than that doped with MgO. The studies also showed that the aqueous nano-systems we used retained their stability as indicated by the reproducibility of their photocatalytic activities. Solar radiated assemblies of doped Fe2O3/[Fe(CN)6]−4 sustained cyclic systems for continuous hydrogen production.
关键词:
Hydrogen production
余长林
,
周晚琴
,
余济美
,
刘鸿
,
魏龙福
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(14)60170-4
在过去的几十年中,光催化由于具有将太阳能转化为清洁氢化学能和降解各种污染物的广泛应用前景,因而引起了人们广泛关注。近期,很多研究表明,两个具有相匹配电子能级结构的半导体形成接触良好的异质结,可以有效地促进电荷转移和抑制光生电子(e-)和空穴(h+)的复合,从而显著提高光催化剂的活性和稳定性。本文主要讨论了异质结对半导体光催化剂的促进作用；分析了异质结对一些典型光催化剂如TiO2, ZnO和Ag基半导体等光催化性能的影响；讨论了异质结光催化剂的制备方法和对光催化过程影响的基本机理；最后,提出了设计和理解异质结促进光催化反应机理所面临的挑战。
关键词:
光催化剂
,
异质结
,
半导体
,
光催化性能
,
有机污染物降解
,
制氢
张广山
,
张文
,
陈勇生
,
王鹏
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60675-5
研究了沉淀煅烧法制备的纳米级(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2光催化剂以及产氢效率,并采用X射线衍射、透射电镜、扫描电镜、N2吸附-脱附、紫外-可见吸收光谱等手段对催化剂进行了表征.结果表明,(CuAg)0.15In0.3Zn1.4S2的结晶度、比表面积和吸收可见光能力与煅烧温度和煅烧时间有关.在可见光下,以KI为电子给体,考察了不同条件对光催化产氢能力的影响.发现在600℃煅烧5h时所制的(CuAg)0.15Ir0.3Zn1.4S2光催化剂产氢活性最高,产氢速率为1750 μmol g-1 h-1,量子效率在420±5nm达到12.8％,比未煅烧催化剂的光催化活性提高了约6倍.
关键词:
光催化剂
,
多金属复合硫化物
,
制氢
,
煅烧
,
光催化活性
,
可见光
代卫炯
,
闫俊青
,
戴珂
,
李兰冬
,
关乃佳
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60954-8
作为一种新兴技术,半导体催化在太阳能转化、环境净化以及有机合成等多种领域中具有重要的用途,因而近年来引起了研究者的广泛关注.在众多半导体材料中, TiO2具有价廉,无毒,来源广泛和光化学稳定等优点,被认为是太阳能转化领域最有潜力的催化剂.然而,由于其相对较宽的禁带宽度和激发条件下较快的光生电子和空穴的复合率,导致TiO2在太阳能转化过程中具有较低的量子效率.为了克服以上缺陷,研究者尝试了多种方法来提高TiO2的量子效率,如TiO2的表面修饰以及元素掺杂等.其中,过渡金属尤其是贵金属(如Au，Pd和Pt等)的掺杂能有效提高其催化效率,主要原因在于大多数贵金属的费米能级低于TiO2半导体催化剂,因此,光生电子迁移到催化剂表面的同时,会被贵金属捕获,进而有效地防止电子与空穴的复合,提高其催化效率.在众多贵金属助催化剂中, Pt因具有较大的功函数和较低氢过电势而被认为是TiO2在光解水反应中最好的表面修饰剂.然而,有关贵金属负载的TiO2在光解水反应中的系列性的对比研究还相对较少,一些基础的问题还有待解决.如在相同激发条件下,不同贵金属如何影响TiO2的光催化活性？ TiO2的晶体结构对其光催化活性是否有影响？在TiO2的三种晶体结构中,金红石和锐钛矿的光催化活性得到了较多的研究,而有关板钛矿的研究却较少.基于此,本文首先采用水热法合成纳米棒状的锐钛矿和板钛矿TiO2,随后利用光沉积法在上述TiO2载体上负载不同的贵金属(Pt, Pd和Au)助催化剂,利用透射电镜(TEM),紫外可见光谱(UV-Vis),荧光光谱(PL)等手段对比研究了贵金属助催化剂和晶体结构对其催化光解水制氢反应的影响.射线衍射(XRD)结果表明,负载贵金属后的锐钛矿和板钛矿晶型保持完好,且未出现贵金属物种的衍射峰. UV-Vis结果表明,负载贵金属后的锐钛矿和板钛矿样品的紫外光吸收均略有红移,并且紫外光谱的变化趋势相同,说明TiO2的晶型对其紫外光吸收性质影响不大.此外, TEM结果发现,贵金属纳米颗粒在TiO2表面分散均匀,并且颗粒规整,没有出现团聚的现象,在锐钛矿和板钛矿表面的颗粒大小分别为1.3–1.5和1.9–2.1nm,与XRD结果吻合.最后,利用紫外光激发下的甲醇水蒸气重整制氢反应考察了不同样品的催化性能.结果表明,在无贵金属助催化剂存在的条件下,锐钛矿和板钛矿样品上的光催化活性均较低.负载贵金属后, Pt-TiO2的光催化活性最高, Pd-TiO2次之, Au-TiO2最差,与文献结果类似.结合表征结果推测,造成上述样品活性差异的主要原因在于助催化剂的本征性质,如功函数和氢过电势等. Pt, Pd和Au共催化剂的功函数分别为5.7,5.1和5.1 eV,均高于TiO2(4.2 eV).在紫外光激发下,光生电子可以有效地从TiO2载体传递到贵金属助催化剂上,并在TiO2载体表面形成肖特基势垒,进而有效地阻止光生电子和空穴的复合,提高其光催化活性.因此,负载Pt, Pd和Au后的TiO2样品上产氢效率均高于TiO2载体.不同样品的PL结果也与其催化活性数据相吻合,说明贵金属助催化剂的负载能有效地捕获光生电子,进而阻止光生电子与空穴的复合,提高其催化活性.此外,氢过电势也是影响贵金属助催化剂活性差异的主要原因：氢过电势越高,其还原质子的能力越弱,在产氢反应中的产氢效率越低.因此,三种金属中,具有最低氢过电势的Pt产氢效率最高.此外,同种贵金属负载的锐钛矿和板钛矿上的催化活性相似,表明负载型贵金属催化剂载体对其催化活性的影响较低.
关键词:
光催化剂
,
产氢
,
锐钛矿
,
板钛矿
,
共催化剂
赵健
,
周伟
,
马建新
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(12)60648-2
采用过量浸渍法制备了Ni-Co/La2O3-γ-A12O3双金属催化剂,并使用固定床石英反应器在850℃,0.1 MPa和空速为6000mL gat-1 h-1的条件下考察了预处理对催化剂性能的影响.运用X射线衍射、热重-差示扫描量热、透射电子显微镜、扫描电镜和X射线能谱分析等手段对催化剂进行了表征.结果表明,与传统氢气还原预处理相比,经氢气和二氧化碳预处理后,催化剂性能明显提高,且能基本消除该催化剂上沼气重整反应的诱导期.511 h的稳定性实验结果表明,催化剂经氢气和二氧化碳预处理后具有很好的稳定性和抗积碳性,平均积碳速率仅为0.2 mg gcat-1 h-1.表征结果显示,经氢气和二氧化碳预处理后,催化剂具有更好的抗烧结和抗积碳性能,反应后金属颗粒较小,分布较均匀,粒径分布范围较窄,从而增强了催化剂的稳定性.
关键词:
预处理
,
镍钴催化剂
,
沼气重整
,
抗积碳性能
,
制氢
吕建辉
,
周双
,
马奎
,
孟明
,
田野
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(15)60883-X
近年来,氢能作为清洁可再生新型能源越来越受到人们关注.然而,氢气储存和运输困难,制约了其广泛利用.因此,寻找一种高效的原位在线制氢技术成为解决这一难题的重要方案之一.二甲醚作为氢的载体,具有高H/C比、高能量密度、无毒和无致癌性等优点,而且二甲醚的物理性质与液化石油气(LPG)相类似,燃烧时不会产生污染性气体,且工业上已实现大规模生产.通过重整技术,可以使二甲醚有效地转化为H2.目前的重整技术主要包括部分氧化重整、自热重整、干重整以及水蒸气重整(SR).其中二甲醚水蒸气重整(DME SR)技术具有很高的氢气产率,被认为是一种非常有前途的在线制氢技术.
二甲醚水蒸气重整反应分两步进行,第一步是固体酸催化剂催化的二甲醚水解反应,第二步是金属催化剂催化的甲醇水蒸气重整反应.其中二甲醚水解反应是整个反应的控速步骤.g-Al2O3作为一种最常用的固体酸催化剂,因其在二甲醚水蒸气重整反应中的良好活性和稳定性,以及很少的副反应等优点,得到了国内外研究者的普遍青睐.但是,g-Al2O3催化二甲醚水解反应的温度较高(300–400 oC),极易导致用于重整的铜基催化剂烧结和失活.与g-Al2O3相比, H型分子筛催化剂(如HZSM-5)酸性较强,酸性位较多,催化二甲醚水解反应的温度要低得多(<300 oC).然而HZSM-5含有的强酸位在二甲醚水蒸气重整过程中极易导致催化剂因积碳而失活.因此,有必要对HZSM-5分子筛进行改性,去除不必要的强酸位,以降低积碳,提高催化剂的活性和稳定性.
本文利用HZSM-5良好的离子交换能力,在不改变分子筛骨架结构的前提下,通过一种简单的浸渍法制备了一系列不同P含量的P改性HZSM-5催化剂,并分别将其与传统的CuO-ZnO-Al2O3催化剂机械混合用于二甲醚水蒸气重整制氢.详细研究了P改性对HZSM-5分子筛酸性以及P-HZSM-5/CuO-ZnO-Al2O3混合催化剂二甲醚水蒸气重整制氢活性的影响.与未改性的HZSM-5相比, P改性的HZSM-5催化剂在重整反应中表现出更高的CO2选择性和更好的催化稳定性.通过N2吸附-脱附、X射线衍射(XRD)、程序升温氧化(TPO)、氨程序升温脱附(NH3-TPD)、吡啶红外光谱(IR)和31P魔角旋转核磁共振光谱(MAS NMR)等技术对催化剂进行了表征. NH3-TPD结果表明, P改性可以显著影响HZSM-5的酸量和酸强度；随着P含量的增加,催化剂的强酸位密度明显降低,而弱酸量变化不大；当P含量达到5%时,催化剂的强酸量几乎消失；进一步增加P含量,催化剂的弱酸量也迅速减少. TPO等分析结果表明,积碳是导致催化剂失活的主要原因.5%P改性的HZSM-5催化剂由于其强酸位的消失,在催化反应中表现出更好的稳定性(与未改性的HZSM-5相比). IR结果显示,随着P含量的增加,催化剂的L酸量迅速减少,而B酸量变化相对缓慢.结合31P MAS NMR, NH3-TPD及IR表征结果,提出了P改性对HZSM-5酸性修饰的可能机理.
关键词:
HZSM-5分子筛
,
磷改性
,
酸性
,
积碳
,
二甲醚水蒸气重整
,
制氢
苏进展
,
张涛
,
王璐
,
师进文
,
陈玉彬
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62769-4
具有高活性和稳定性的半导体光催化材料是太阳能光催化制氢领域的研究热点,其中CdS胶体颗粒催化剂因其合适的禁带宽度和带边位置以及较低的原料价格而广受关注.但它在水溶液中不稳定,易受光腐蚀,因而限制了其应用.目前人们致力于用各种方法提高其稳定性,包括各种纳米结构的应用、复合其他催化剂材料以及不同晶相结构复合.ZnS是一种宽禁宽半导体,禁带宽度为3.6 eV,常被用来与CdS形成固溶体调控其能带结构,从而提高其性能和稳定性.其中核壳结构CdS/ZnS异质结具有骑跨型(I型)能带结构,具有特殊的光学和电学性质,在量子点LED和量子点生物荧光显示剂方面获得关注和应用,同时也显示了良好的光催化性能.研究人员对核壳结构CdS/ZnS异质结材料中ZnS壳层厚度对其光学性能包括荧光效率等的影响进行了研究,然而ZnS壳层厚度、颗粒尺寸及其表面处理对光催化性能影响方面的报道很少.本文发展了一种简易的两步法,制备了核壳结构CdS/ZnS微米球光催化剂.首先采用超声喷雾热分解法制备CdS微米球,然后以水浴法在CdS微米球上生长ZnS壳层.采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-vis)和透射电镜(TEM)对所得样品进行了表征.SEM和TEM结果显示,所得微米球为完整包裹的球形核壳结构;XRD表征证实CdS核与ZnS壳层皆为六角相晶型;光催化性能表征结果显示,该样品的光催化制氢性能远高于单独的CdS微米球以及同法所制的ZnS微米球.通过改变前驱液浓度(Zn源浓度分别为0.2,0.3和0.5 mol/L)获得了三种不同厚度的核壳结构CdS/ZnS微米球,X射线荧光光谱结果证实了其壳层厚度成功调控.UV-vis结果发现,其吸收边由内核CdS决定,受壳层厚度的影响不大.光致荧光发射光谱分析发现,随着壳层厚度的增加,其540 nm处的CdS带边发射峰强度逐渐增大.这可能是由于ZnS壳层对CdS表面缺陷的钝化作用降低了其非辐射复合过程,从而提高了荧光发光效率.光催化制氢性能结果表明,前驱液浓度为0.3 mol/L时合成的核壳结构CdS/ZnS微米球的产氢效率最高.为了进一步提高其光催化效率,采用氮气中高温热处理、水热二次硫化法以及两者共用三种方式对性能最优的微米球进行改性,获得了三种核壳结构CdS/ZnS样品.结果发现,这些改性方法未影响其吸收边,但水热二次硫化法处理以及两者共用处理的样品在540 nm处的光致荧光发射峰强度明显高于未处理的和高温热处理的样品,证实水热二次硫化法处理可以有效地消除其表面缺陷,减少非辐射复合.XRD结果表明其晶型没有发生变化.TEM表征发现,经高温热处理后其壳层发生重结晶,形成颗粒包裹形貌,而经水热二次硫化法处理后其壳层同样发生重结晶,但包裹颗粒的尺寸明显更小.光催化性能测试表明,处理后样品的光催化性能皆优于未处理样品,其中两者共用法处理的样品产氢性能和稳定性最高.
关键词:
核壳结构
,
光催化
,
表面处理
,
制氢
,
低成本合成
王路路
,
MohammadAL-MAMUN
,
刘珀润
,
王云
,
杨化桂
,
赵惠军
催化学报
doi:10.1016/S1872-2067(17)62820-1
太阳能热化学分解水是一种高效生产清洁和可再生氢能源的方法.由于出色的催化活性和太阳能燃料生产能力,钙钛矿型的催化剂在热化学领域引起了强烈关注.我们采用改良的Pechini法合成了一系列钙铝掺杂的镧锰钙钛矿并系统考察了其在两步法热化学分解水中的产氢表现.为了优化热化学催化性能,我们进行了镧锰钙钛矿A,B位上钙和铝的掺杂量(从0.2到0.8)的详细考察.通过调整掺杂比例,得到了一种极其高效的钙钛矿催化剂La0.6Ca0.4Mn0.6Al0.4O3.当两步法热化学分解水在1400和1000℃之间,La0.6Ca0.4Mn0.6Al0.4O3取得了429μmol/g的出色产氢表现,比同等条件下基准催化剂氧化铈产氢结果高出8倍.与此同时,钙铝掺杂镧锰钙钛矿在两步法热化学循环测试中展现出极其稳定的催化活性.因此,这种新颖的钙铝掺杂镧锰钙钛矿具备巨大的潜质用于未来热化学太阳能燃料的实际生产.
关键词:
两步法热化学
,
水分解
,
太阳能燃料
,
钙钛矿型氧化还原催化剂
,
产氢
