来源:Frontiers of Chemical Science and Engineering 发布时间:2024/4/9 11:20:31
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FCSE | 前沿研究:Pt纳米粒子修饰CdMoO4微米多面体及其增强的光催化固氮和净化水性能

论文标题:Decoration of CdMoO4 micron polyhedron with Pt nanoparticle and their enhanced photocatalytic performance in N2 fixation and water purification

期刊:Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者:Xujie Ren, Junfeng Wang, Shude Yuan, Chunran Zhao, Lin Yue, Zhihao Zeng, Yiming He

发表时间:15 Dec 2023

DOI: 10.1007/s11705-023-2360-6

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背景及意义

氨具有易液化、储存方便、运输方便等优点,被认为是比氢气更好的氢能载体。传统的哈伯-博世工艺法需大量的化石燃料,导致能源短缺并释放大量环境污染物,对人类健康构成严重威胁。因此,开发可持续、绿色、环保的氨合成技术尤为重要。光催化作为一种新兴技术,可利用太阳能实现氨的绿色合成,同时可有效降解染料和有机污染物等有害物质,在环境污染控制和修复方面具有重要的意义。本研究设计并制备了Pt纳米粒子修饰的CdMoO4新型光催化材料,实现了氨的高效合成,同时发现其也可高效降光催化降解四环素(TC)溶液。

内容及主要结论

通过溶剂热法制备了CdMoO4,然后利用NaBH4还原法制备了Pt/CdMoO4系列光催化材料。CdMoO4是一种钨合金型金属钼酸盐,因具有宽带隙和相对负的导带能级,以及相对正的价带能级等特性使其表现出优异的氧化还原能力,适用于污染物降解、光催化制氢、和二氧化碳还原等各个领域。贵金属Pt纳米颗粒可以通过肖特基势垒和表面等离子体共振效应,有效地提高半导体的载体分离效率和光吸收能力,这能较好地改善较低的载流子分离效率和光吸收性能对CdMoO4光催化活性的限制。本研究主要探讨了以下内容:

1、通过X射线粉末衍射、拉曼、X射线光电子能谱、电子显微镜技术对Pt/CdMoO4的晶体结构、化学结构和组成进行了一系列表征,证实了Pt纳米颗粒在CdMoO4上的成功负载。

2、紫外可见光谱分析也间接证实CdMoO4上的Pt的存在,并可知CdMoO4的带隙为3.4eV。

3、利用密度泛函理论、价带XPS和莫特-肖特基分析,研究了CdMoO4和Pt/CdMoO4的能带结构,解释了肖特基结的形成机理。

4、瞬态光电流响应、电化学阻抗谱、光致发光光谱表明了Pt和CdMoO4界面上的肖特基势垒提高了催化剂中电子空穴对的分离效率。

5、在光固氮实验中,最佳的Pt/CdMoO4样品的光催化固氮活性是CdMoO4的3.2倍。通过耐久性试验,证明了其具有良好的稳定性。在四环素降解实验中,Pt/CdMoO4催化剂降解了约77%的TC,其降解速率常数为0.0236 min-1,是CdMoO4的两倍。同样表现出稳定的光催化活性。空穴和超氧化物自由基是Pt/CdMoO4催化剂的降解TC时的主要活性物质。

6、 最后研究探讨了Pt/CdMoO4催化体系的可能机理。当CdMoO4和金属Pt接触时,费米位的差异引起界面电子漂移,导致能带弯曲和形成一个1.66 eV高的肖特基势垒。在模拟太阳光的辐照下,CdMoO4产生光生电子和空穴,形成的肖特基势垒有效地捕获来自CdMoO4的光生电子,同时防止它们的回流和复合。这使得更多的电子和空穴能够参与光催化过程,因此,Pt/CdMoO4的光催化活性最终得到了改善。

图1 Pt/CdMoO4的光催化固氮活性(a),循环性能(b)和核磁结果(c)。Pt/CdMoO4的光催化降解TC活性(d)及其ESR活性物种捕获(e,f)

图2 CdMoO4的莫特-肖特基曲线(a)和Pt的功函计算结果(b),Pt/CdMoO4催化剂的肖特基结形成机理(c)及其瞬态光电流(d)和交流阻抗谱(e).

相关成果以“Decoration of CdMoO4 micron polyhedron with Pt nanoparticle and their enhanced photocatalytic performance in N2 fixation and water purification”为题发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering(DOI: 10.1007/s11705-023-2360-6)。

作者及团队介绍

何益明(通讯作者),浙江师范大学物理与电子信息学院教授,双龙学者。2006年博士毕业于厦门大学化学化工学院,2007年-2008年中国科学院福建物质结构研究所博士后,2008年至浙江师范大学工作,2014年在美国怀俄明大学访学。何益明教授研究领域为光催化材料的构筑、性能与应用研究。主持国家自然科学基金和浙江省自然科学基金各两项。在Appl. Catal. B, Environ. Sci. Technol., J. Mater. Chem. A., Chem. Eng. J等期刊发表论文140余篇,其中ESI高被引论文20篇。论文被引用9000余次,H-index 57。入选科睿唯安和爱思唯尔2021和2022年度全球高被引学者榜单。相关成果曾获浙江省自然科学二等奖(2017年,第二完成人)和三等奖(2016, 第二完成人;2020年,第三完成人)。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中12种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

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