周国伟&顾少楠综述:钒(钼、钨)酸铋光催化剂的性能调控与应用展望

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论文信息

第一作者:刘昕彤 博士         

通讯作者:顾少楠 副教授;周国伟 教授           

通讯单位:齐鲁工业大学               

DOI:doi.org/10.1016/j.jmst.2020.04.023          



全文速览

本文综述了目前国内外有关BiaAOb结构光催化剂的改性方法及其研究进展,其中包括BiVO4、Bi2WO6和Bi2MoO6在可见光驱动下的光催化能源转化和环境修复中的发展和应用前景。文章主要综述了包括纳米结构改性、表面缺陷工程以及同/异质结复合材料改性在内的先进改性方法与改性机理。此外,还介绍了光吸收、能带调控以及光生载流子分离的增强机制并讨论和总结了BiaAOb结构光催化剂所面临的挑战和发展趋势


背景介绍

随着工业快速发展,能源危机、环境污染等成为了人类必须面对的全球化难题。半导体光催化技术作为一种以可再生能源太阳光驱动关键光化学反应的重要技术,可以直接利用太阳光来实现能量转化和环境修复。然而,要实现上述反应必须依托于具有宽吸光范围、长期稳定、安全无毒、较高的载流子分离效率以及较强的氧化还原能力的光催化剂的使用。BiaAOb结构的Bi基光催化剂作为一类优异的光催化材料引起了研究者的广泛关注,Bi价电子的独特性质使其具有满足可见光吸收的禁带宽度和多轨道杂化的能带结构,但光生载流子的寿命短和迁移能力差使其仍未满足实际应用要求。因而,选择有效的改性方法以提高BiaAOb的光催化性能尤为重要。


图1 BiaAOb基光催化剂的增强策略及应用。


图文解析


1、纳米结构修饰

对于纳米尺度的光催化剂,较大的比表面积有利于获得更多表面活性位点;同时,较小的颗粒尺寸则有利于电子传输,因此纳米结构的构筑相较于大颗粒的光催化剂具有一定优势。1~3D纳米结构光催化剂的构筑依赖于合成的精准调控,对尺度的把控及多级结构的组装,是获得优异光催化性能的关键


图2 (A)制备1D SiO2-Bi2MoO6微米带示意图;(B,C)SiO2-Bi2MoO6的SEM图和(D)TEM图;(E)SiO2-Bi2MoO6微米带的制备原理图;(F)SiO2-Bi2MoO6光催化剂在可见光照射下降解MB的示意图。

图5 (A)3D-BWO/GH复合材料的合成示意图;(B)BWO的FE-SEM图;(C)GH的FE-SEM图;(D)78.31%BWO/GH的FE-SEM图;(E)GH,BWO和BWO/GH异质结的光吸收;(F)在可见光照射下,BWO和BWO/GH复合材料对MB的协同分解。(G)BWO/GH异质结对污染物的吸附富集和光催化降解协同作用示意图。


2、表面缺陷工程

对光催化剂表面进行元素掺杂,除了可以利用掺入元素的独特性质提高光催化活性外,还可能通过掺杂改变(调控)能带结构,增强可见光吸收,甚至利用掺杂元素制造表面晶格空位,利用空位捕获自由基等机制,强化光量子效率。


图6 (A)BMO的分子模型;(B)BMO 5×1×4的超晶胞;(C)2-Lu离子掺杂5×1×4的分子模型;(D)原始BMO和(E)4.0 mol% Lu-BMO的SEM图;(F)从大薄片到棒状的可能的转变过程;(G)(a)纯BMO和(b)2.5 mol% Lu-BMO在黑暗和可见光下的ESR光谱;(H)Lu-BMO光催化分解RhB的机理示意图。

图8 (A)原始BMO、Tb-BMO、Eu-BMO、Tb/Eu-BMO、Dy-BMO、Sm-BMO、Dy/Sm-BMO、Er-BMO、Nd-BMO和Er/Nd-BMO样品的光吸收,插图显示了所制备样品的带隙;(B)可见光照射5 h,0.04 g样品光催化降解苯酚(40 mL,15 mg L-1);(C)提高Ln1/Ln2-BMO催化活性可能的机制示意图;(D)(a)Tb/Eu氧化还原对、(b)Dy/Sm氧化还原对和(c)Er/Nd氧化还原对中4f轨道电子的互补分布示意图。



3、异(同)质结复合修饰

两种半导体材料构筑异质结,利用内建电场疏导光生载流子的迁移行为是最常用的提高光催化性能的改性手段。近年来新型的Z-型结与S-型结在构制内建电场的同时,可以同时强化氧化型半导体的导带氧化能力与还原型半导体的价带还原能力,进一步发挥异质结不同组分半导体的功能,延长载流子寿命。


图12 (A)Z型异质结和(B)S型异质结的示意图。

图14 (A)NGQD调制的Z型g-C3N4/Bi2WO6复合材料的合成工艺;(B,C)用所制备的样品对TC进行光催化降解;(D)三元体系可能的光催化机理示意图。

图15 (A)AgI/I-BiOAc和(B)WO3/TiO2/rGO S型异质结的示意图。


总结与展望

本文综述了近年来国内外在该领域的研究进展和发展趋势,深入研究和剖析了用以提高BiaAOb结构光催化材料性能的三种关键策略。虽然基于BiaAOb的光催化剂在催化效率方面取得了一些成就,但是该领域的研究仍存在以下挑战和机遇:

(1)深入研究BiaAOb光催化剂的作用机理,完善光催化理论;

(2)将掺杂/缺陷结构与异质结工程相结合,进一步促进光生电子-空穴对的分离以提高其光催化活性;

(3)对于光催化反应过程中的中间态或高能量态仍需进一步剖析。



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