光催化液十大排名（光催化劑價(jià)格）

大家好！今天讓創(chuàng)意嶺的小編來(lái)大家介紹下關(guān)于光催化液十大排名的問(wèn)題，以下是小編對(duì)此問(wèn)題的歸納整理，讓我們一起來(lái)看看吧。

本文目錄:

• 1、光催化劑有液體嗎

• 2、鄒志剛院士團(tuán)隊(duì)ACS Catalysis: 高效可見(jiàn)光催化C-N偶聯(lián)反應(yīng)新思路

• 3、神奇的光觸媒（一）

• 4、zns和cds光催化活性哪個(gè)高

一、光催化劑有液體嗎

沒(méi)有。

當(dāng)前世界上所有的光催化劑都是固體的，暫時(shí)沒(méi)有液體的。

通俗意義上講觸媒就是催化劑的意思，光觸媒顧名思義就是光催化劑。催化劑是改變化學(xué)反應(yīng)速率的化學(xué)物質(zhì)，其本身并不參與反應(yīng)。光催化劑就是在光子的激發(fā)下能夠起到催化作用的化學(xué)物質(zhì)的統(tǒng)稱。

二、鄒志剛院士團(tuán)隊(duì)ACS Catalysis: 高效可見(jiàn)光催化C-N偶聯(lián)反應(yīng)新思路

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第一作者：鈕峰

通訊作者：涂文廣教授，周勇教授，鄒志剛教授

通訊單位：香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院

論文DOI：10.1021/acscatal.2c00433

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通過(guò)醇和胺的C-N偶聯(lián)是工業(yè)中合成不同有機(jī)胺的重要反應(yīng)路徑，而這一過(guò)程往往需要在高溫高壓等較苛刻的條件下進(jìn)行。因此，本工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于CdS-Pd單原子體系催化劑用于實(shí)現(xiàn)高效可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)反應(yīng)獲得二級(jí)胺。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，Pd與CdS表面的懸掛S原子原位配位形成單一Pd-Sx物種。該催化劑的可見(jiàn)光催化C-N偶聯(lián)的二級(jí)胺產(chǎn)率接近100%，同時(shí)釋放出可觀的綠色能源氫氣（11.8 mmol gcat-1h-1）。機(jī)理研究與分析表明，苯甲醇上脫去的H+較容易吸附到長(zhǎng)壽命的•Pd-Sx中間態(tài)物種而形成H-Pd-Sx中間體。最后，吸附的H又容易脫附，加成到芐烯苯胺的N上，實(shí)現(xiàn)氫轉(zhuǎn)移，完成亞胺的加氫過(guò)程，得到最后所需要的二級(jí)胺產(chǎn)物芐基苯胺。整個(gè)過(guò)程中，H的吸脫附可以循環(huán)進(jìn)行，因此Pd-Sx配位物種可以作為有效的氫轉(zhuǎn)移的橋梁實(shí)現(xiàn)加氫過(guò)程。此外，該光催化劑體系具有較好的底物適應(yīng)性和循環(huán)能力。這一工作將為溫和條件下實(shí)現(xiàn)高效C-N偶聯(lián)反應(yīng)提供一種新的思路。

背景介紹

隨著工業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，有機(jī)胺廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、家居、軍工等領(lǐng)域，其合成在工業(yè)生產(chǎn)中有著越來(lái)越明顯的重要性?；凇敖铓錂C(jī)制（氫轉(zhuǎn)移）”，通過(guò)胺與醇的C-N偶聯(lián)被認(rèn)為是一種較為綠色的合成有機(jī)胺的理想路徑。這一過(guò)程主要包含醇的脫氫、亞胺的生成以及亞胺的加氫這三個(gè)主要步驟。其中醇的脫氫是整個(gè)反應(yīng)的決速步驟。然而，基于這一機(jī)制，在熱催化合成有機(jī)胺的過(guò)程中存在一些缺點(diǎn)：（1）醇的脫氫決速步驟需要較苛刻的條件（高溫高壓）；（2）易發(fā)生過(guò)度偶聯(lián)，使得產(chǎn)物分布廣，不利于分離；（3）反應(yīng)中使用的催化劑多為高負(fù)載量的負(fù)載型貴金屬催化劑（如Ru/Al2O3、Pd/Al2O3、Rh/Al2O3等），成本較高。因此，開(kāi)發(fā)出高效低成本的催化劑具有一定的挑戰(zhàn)性。近年來(lái)，利用光氧化還原技術(shù)實(shí)現(xiàn)常溫常壓條件下有機(jī)胺的合成引起了廣泛的關(guān)注。研究者們通常采用一些貴金屬有機(jī)配合物分子進(jìn)行均相催化反應(yīng)，但反應(yīng)后催化劑難以進(jìn)行分離，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中難以大規(guī)模應(yīng)用。而采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光催化劑進(jìn)行多相催化反應(yīng)，則可以有效解決這一難題。然而僅僅依靠半導(dǎo)體本身的催化能力，很難達(dá)到較高的催化活性，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中往往需要通過(guò)負(fù)載一些助催化劑或表面修飾來(lái)提高催化性能。近些年，單原子催化被認(rèn)為是較有前景的領(lǐng)域。單原子催化劑由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和較高的原子利用效率而表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，被廣泛應(yīng)用于光催化水分解制氫、二氧化碳還原、固氮和有機(jī)物降解等領(lǐng)域。因此，我們課題組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種單原子光催化劑CdS-Pd，該催化劑可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)反應(yīng)，獲得具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的二級(jí)胺。同時(shí)反應(yīng)過(guò)程中釋放出清潔能源氫氣。這一工作將為溫和條件下實(shí)現(xiàn)C-N偶聯(lián)反應(yīng)提供一種新的途徑。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作通過(guò)Pd原子與CdS表面的懸掛S原子原位配位制備了一種CdS-Pd的單原子光催化劑，該催化劑可以實(shí)現(xiàn)高效可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)反應(yīng)獲得近100%產(chǎn)率的二級(jí)胺N-芐基苯胺以及較高的產(chǎn)氫活性。

2. 實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果證實(shí)了，相比于Pd納米顆粒助催化劑負(fù)載的CdS，單一Pd-Sx物種能夠有效捕獲光生電子，使其具有較長(zhǎng)的壽命，而且氫在Pd-Sx物種上的吸脫附能力較強(qiáng)，從而可以作為有效的氫轉(zhuǎn)移載體實(shí)現(xiàn)亞胺的加氫，得到目標(biāo)產(chǎn)物二級(jí)胺。

3. 此外，在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，該催化劑具有較好的穩(wěn)定性，以及對(duì)不同醇類和取代胺的C-N偶聯(lián)反應(yīng)具有良好的底物適應(yīng)性。

圖文解析

本工作中，首先我們采用水熱法制備了六方晶系結(jié)構(gòu)，顆粒尺寸約為50 nm的納米球形CdS，其帶寬約為2.2eV（ 圖1 a ）。隨后，在可見(jiàn)光催化C-N偶聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中加入PdCl2溶液原位合成單原子催化劑CdS-Pd SAs。作為對(duì)比，我們采用浸漬法制備了Pd納米顆粒負(fù)載的CdS催化劑CdS-Pd NPs。從圖1b的XPS圖譜可以看出，光催化反應(yīng)后的CdS中事實(shí)上存在Pd元素。結(jié)合能336.7 eV和342 eV分別對(duì)應(yīng)Pd 3d5/2和Pd 3d3/2，表明Pd以2+價(jià)態(tài)形式存在，而非單質(zhì)態(tài)。因此，我們可以初步推測(cè)反應(yīng)后，Pd與CdS進(jìn)行了一定的配位。

圖1 CdS和CdS-Pd SAs單原子催化劑的結(jié)構(gòu)表征

為了進(jìn)一步確定反應(yīng)后Pd的狀態(tài)以及與CdS的配位環(huán)境，我們對(duì)樣品分別進(jìn)行了X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)譜（XAFS）和球差電鏡的表征。從圖3d可以明顯看出反應(yīng)后的CdS表面上的Pd物種既不是二價(jià)態(tài)也不是單質(zhì)態(tài)，而是以一定配位的形式存在。通過(guò)對(duì)樣品CdS-Pd SAs中Pd的K-edge EXAFS圖譜進(jìn)行擬合，可以得出Pd-S的配位數(shù)約為3（ 表1 ）。通過(guò)進(jìn)一步的HAADF-STEM和 EDS mapping圖可以清晰地看到Pd以單原子形式均勻地分散在CdS上（ 圖1 e-j ）。因此，綜合上述表征方法，我們可以初步證實(shí)在光催化反應(yīng)過(guò)程中，PdCl2以Pd-S配位鍵的形式將Pd原子錨定在了CdS載體上，為光催化反應(yīng)過(guò)程提供一定的反應(yīng)活性中心。

表1 樣品CdS-PdSAs中Pd的EXAFS擬合數(shù)據(jù)

CN , coordination number; R , bonding distance; σ 2, Debye-Waller factor; Δ E0 , inner potential shift.

為了進(jìn)一步研究CdS表面的S對(duì)催化反應(yīng)的影響，我們首先對(duì)CdS進(jìn)行了不同程度的表面修飾（400 oC高溫煅燒：CdS-400；雙氧水表面腐蝕：CdS-H2O2）。從圖2 a可以看出，采用不同的手段修飾后，CdS的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生明顯變化，仍然是結(jié)晶度較好的六方晶系結(jié)構(gòu)。CdS、CdS-400和CdS-H2O2的能帶分別為2.21、2.12和2.2 eV，即能帶結(jié)構(gòu)也未發(fā)生明顯變化（ 圖2 b ）。從圖2 c和d可以明顯看出， CdS通過(guò)表面修飾之后，Cd 3d和S 2p均向高結(jié)合能偏移，而且偏移程度隨著修飾強(qiáng)度增強(qiáng)而增大。這主要是由于CdS修飾后產(chǎn)生了一定的S空位，使得表面部分Cd暴露，從而改變了Cd和S的周邊電子云密度分布。

圖2 修飾前后的CdS結(jié)構(gòu)表征

在常溫常壓氮?dú)鈿夥障?，我們采用苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)作為模型反應(yīng)對(duì)所制備的催化劑進(jìn)行可見(jiàn)光催化活性評(píng)價(jià)（ 圖3 ）。首先我們確定了暗反應(yīng)、無(wú)光催化劑以及只有PdCl2的情況下該模型反應(yīng)沒(méi)有任何催化活性。在添加PdCl2的條件下，我們對(duì)不同的半導(dǎo)體光催化劑進(jìn)行了活性篩選，發(fā)現(xiàn)只有CdS能有效地進(jìn)行光催化C-N偶聯(lián)生成二級(jí)胺（N-芐基苯胺），產(chǎn)率高達(dá)1.48 mmolgcat-1h-1。而其他半導(dǎo)體催化劑在反應(yīng)過(guò)程中只能催化生成亞胺（N-芐烯苯胺），且普遍產(chǎn)率較低（< 0.12 mmolgcat-1h-1）。

圖3 可見(jiàn)光催化C-N偶聯(lián)反應(yīng)的催化劑活性篩選

基于CdS對(duì)該反應(yīng)的催化特異性，我們測(cè)試了其苯胺的轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物的選擇性隨時(shí)間的變化曲線。從圖4b可以看出，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，苯胺的轉(zhuǎn)化率不斷提高，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到16 h后，底物苯胺幾乎完全轉(zhuǎn)化。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，亞胺（N-芐烯苯胺）的選擇性不斷降低，而二級(jí)胺（N-芐基苯胺）的選擇性不斷提高，表明反應(yīng)過(guò)程中逐步完成了亞胺的加氫過(guò)程。

為了進(jìn)行對(duì)比，我們采用浸漬法提前將Pd納米顆粒沉積到CdS表面上并進(jìn)行光催化活性評(píng)價(jià)。從圖4c我們發(fā)現(xiàn)，沉積Pd納米顆粒的CdS催化活性是單一CdS活性的4倍。這主要是由于Pd納米顆粒作為助催化劑可以有效地提高光生載流子的分離效率。而當(dāng)我們將Pd以PdCl2的形式加入到反應(yīng)體系中時(shí)，催化活性是單一CdS活性的約6.4倍。而且產(chǎn)物中出現(xiàn)了二級(jí)胺（N-芐基苯胺）。也就是說(shuō)反應(yīng)體系中原位加入PdCl2能夠促使該反應(yīng)完成加氫過(guò)程，有效實(shí)現(xiàn)氫轉(zhuǎn)移。因此，我們可以初步推斷，光催化反應(yīng)過(guò)程中Pd和CdS表面懸掛的S作用產(chǎn)生的Pd-S物種對(duì)實(shí)現(xiàn)C-N偶聯(lián)起到至關(guān)重要的作用。此外，在反應(yīng)過(guò)程中我們可以檢測(cè)到氫氣的生成。從圖4d可以看出，單一的CdS在反應(yīng)過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生氫氣。而CdS-Pd SAs產(chǎn)氫速率達(dá)到11.8 mmolgcat-1h-1，是CdS-Pd NPs的約2.7倍，CdS的近10倍。這一結(jié)果也與苯胺轉(zhuǎn)化率的差異相吻合。

為了驗(yàn)證CdS表面的S與Pd作用形成了Pd-S物種，從而提高了C-N偶聯(lián)反應(yīng)性能，我們對(duì)CdS進(jìn)行了不同程度的表面修飾。從圖4e可以明顯看出，隨著表面修飾的增強(qiáng)，反應(yīng)的活性逐漸下降，而且產(chǎn)物芐基苯胺的選擇性也隨之下降。這也就意味著，當(dāng)我們遮蓋或者去除部分S位點(diǎn)，反應(yīng)底物在催化劑表面的吸附性能下降，從而導(dǎo)致反應(yīng)活性降低。另一方面，由于S空位的增多，使得Pd原子很難與S進(jìn)行配位產(chǎn)生Pd-S物種，從而無(wú)法完成C-N偶聯(lián)反應(yīng)過(guò)程中的氫轉(zhuǎn)移，也就不能得到飽和的目標(biāo)產(chǎn)物二級(jí)胺N-芐基苯胺。

圖4 可見(jiàn)光催化活性評(píng)價(jià)

為了研究在光催化反應(yīng)過(guò)程中不同自由基的作用，我們進(jìn)行了捕獲實(shí)驗(yàn)。從圖5a可以看出，當(dāng)體系中加入叔丁醇和苯醌來(lái)分別捕獲•OH和•O2-，反應(yīng)的活性基本沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明體系中的這兩種自由基對(duì)反應(yīng)基本沒(méi)有貢獻(xiàn)。而當(dāng)體系中加入草酸銨捕獲光生空穴后，產(chǎn)率降為原來(lái)的1/3，加入過(guò)硫酸鉀捕獲光生電子后，產(chǎn)率降為0。這一結(jié)果表明，光生電子和空穴在光催化C-N偶聯(lián)反應(yīng)中有著重要作用。

接著，我們采用超快光譜（TAS）來(lái)揭示光照下不同催化劑的載流子衰減動(dòng)力學(xué)。圖5b為不同催化劑的瞬態(tài)吸收?qǐng)D譜以及擬合曲線。采用雙指數(shù)模型擬合可獲得兩個(gè)弛豫時(shí)間τ1和τ2。Τ1代表導(dǎo)帶電子到過(guò)渡態(tài)的捕獲時(shí)間，τ2代表電子與過(guò)渡態(tài)或者價(jià)帶空穴復(fù)合的時(shí)間。通過(guò)對(duì)比，CdS-Pd Sas的弛豫時(shí)間明顯要長(zhǎng)，也就是說(shuō)，在反應(yīng)過(guò)程中CdS表面單原子態(tài)的Pd配位物種Pd-Sx可以作為電子陷阱來(lái)捕獲光生電子，提高載流子的分離效率，從而加速光催化C-N偶聯(lián)。另外，從CdS導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到過(guò)渡態(tài)Pd-Sx中間體的弛豫時(shí)間更長(zhǎng)，更利于氫原子的吸附。

為了研究不同催化劑對(duì)于H的吸附以及轉(zhuǎn)移能力，我們做了一個(gè)N-芐烯苯胺加氫的模型反應(yīng)。從圖5c可以明顯看出，對(duì)于單原子態(tài)的CdS-Pd SAs催化劑，N-芐烯苯胺較容易實(shí)現(xiàn)光催化加氫到芐基苯胺產(chǎn)物，而單質(zhì)態(tài)的Pd（CdS-Pd NPs）催化劑無(wú)法實(shí)現(xiàn)加氫過(guò)程。這也證明了單原子態(tài)的CdS-Pd SAs可以很好地吸附H并完成氫轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)加氫過(guò)程得到二級(jí)胺N-芐基苯胺。

基于以上的機(jī)理表征分析，我們可以給出一個(gè)可能的反應(yīng)機(jī)理和路徑（ 圖5d ）。光催化反應(yīng)前，當(dāng)體系中同時(shí)加入CdS催化劑和PdCl2時(shí)，PdCl2很快吸附到CdS表面上與表面懸掛的S原子形成Pd-Sx的配位物種。當(dāng)CdS被光激發(fā)后，表面的Pd-Sx配位物種可以有效捕獲光生電子，形成•Pd-Sx中間態(tài)物種，同時(shí)光生空穴能夠脫去苯甲醇上的質(zhì)子，將其氧化成苯甲醛。然后生成的苯甲醛與苯胺進(jìn)行親核加成反應(yīng)，產(chǎn)生醇胺中間體。由于醇胺非常不穩(wěn)定，很快脫水生成亞胺。苯甲醇上脫去的H+較容易吸附到長(zhǎng)壽命的•Pd-Sx中間態(tài)物種形成H-Pd-Sx。最后，吸附的H又容易脫附，加成到N-芐烯苯胺的N上，實(shí)現(xiàn)氫轉(zhuǎn)移，完成亞胺的加氫過(guò)程，得到最后的目標(biāo)產(chǎn)物N-芐基苯胺。整個(gè)過(guò)程中，H的吸脫附可以循環(huán)進(jìn)行，因此Pd-Sx物種可以作為有效的氫轉(zhuǎn)移的橋梁實(shí)現(xiàn)加氫過(guò)程。此外，過(guò)多的吸附H可以從H-Pd-Sx上脫附產(chǎn)生H2。

圖5 反應(yīng)機(jī)理表征及推測(cè)

我們通過(guò)DFT模擬計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證了為什么單原子態(tài)的CdS催化劑CdS-Pd SAs可以很好地實(shí)現(xiàn)光催化C-N偶聯(lián)生成N-芐基苯胺（ 圖6 ）。結(jié)合EXAFS擬合結(jié)果，我們以Pd-S三配位的形式作為計(jì)算模型來(lái)研究H吸附和反應(yīng)過(guò)程。對(duì)于催化劑CdS-Pd NPs來(lái)說(shuō)，在位點(diǎn)1和2的H吸附能分別為-2.801 eV和-2.936eV，而催化劑CdS-Pd SAs的H吸附能為-1.954 eV。通過(guò)過(guò)渡態(tài)能量搜索，可以得出，Pd納米顆粒負(fù)載的CdS-Pd NPs的加氫能壘為0.38 eV，而對(duì)于單原子態(tài)的CdS-Pd SAs來(lái)說(shuō)，由于形成的Pd-Sx配位物種能夠有效地吸附和脫附H，因此脫附的H直接加成到亞胺的不飽和C上，完成加氫過(guò)程。

圖6 DFT模擬計(jì)算

總結(jié)與展望

總的來(lái)說(shuō)，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種CdS-Pd單原子光催化劑，該催化劑可以有效地用于可光催化苯甲醇和苯胺的C-N偶聯(lián)反應(yīng)，獲得具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的二級(jí)胺。同時(shí)反應(yīng)過(guò)程中釋放出清潔能源氫氣。結(jié)合實(shí)驗(yàn)以及模擬計(jì)算，我們推測(cè)Pd在光催化反應(yīng)過(guò)程中與CdS表面的S原位配位形成Pd-Sx中間物種，而這一中間體可以提高載流子分離效率以及有效地進(jìn)行H的吸脫附，構(gòu)成Pd-Sx •Pd-Sx H-Pd-Sx Pd-Sx的循環(huán)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)氫轉(zhuǎn)移，完成亞胺的加氫過(guò)程，得到目標(biāo)產(chǎn)物N-芐基苯胺。整個(gè)過(guò)程中，Pd-Sx中間體可以作為有效氫轉(zhuǎn)移的橋梁實(shí)現(xiàn)加氫過(guò)程。此外，該催化劑體系具有較好循環(huán)能力和底物適應(yīng)性。這一工作將為溫和條件下實(shí)現(xiàn)C-N偶聯(lián)反應(yīng)提供一種新的思路。

作者介紹

鈕峰 ，博士畢業(yè)于法國(guó)里爾大學(xué)（法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心）（導(dǎo)師Andrei Khodakov教授和Vitaly Ordomsky研究員）。2020年8月加入香港中文大學(xué)（深圳）鄒志剛院士團(tuán)隊(duì)從事博士后研究。以第一作者在ACS Catalysis，Green Chemistry，Solar Energy Materials & Solar Cells等期刊上發(fā)表SCI論文12篇。目前主要研究方向?yàn)槎嘞酂岽呋?、光催化能源轉(zhuǎn)化。

涂文廣 ，2015年獲南京大學(xué)物理學(xué)院博士學(xué)位。2015至2020年在新加坡南洋理工大學(xué)從事研究博士后研究工作。2020年6月起任職于香港中文大學(xué)（深圳）理工學(xué)院。主要從事于低維光電材料表界面結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)下的小分子轉(zhuǎn)換，取得了一系列重要成果，迄今為止已在Nature Communications, Advanced Material, Advanced functional Material, ACS Catalysis, ACS Energy Letters等期刊上發(fā)表論文70余篇, SCI被引超過(guò)8000次，H指數(shù)為44。

周勇 ，香港中文大學(xué)（深圳）兼職教授。2009 年9月被南京大學(xué)物理學(xué)院按海外人才引進(jìn)回國(guó)工作，加入南京大學(xué)環(huán)境材料與再生能源研究中心，聘為教授。主要從事：1、人工光合成二氧化碳轉(zhuǎn)化為可再生碳?xì)淙剂希?、光電材料的設(shè)計(jì)和構(gòu)建；3、高效、低成本鈣鈦礦太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。近五年來(lái)，以第一作者或通訊作者在 國(guó)際重要期刊上發(fā)表論文超過(guò) 60 篇，其中包括 J. Am. Chem. Soc. (1 篇)、Adv. Mater. (2 篇)、Adv. Funct. Mater. (1 篇)和 Nano Lett. (1 篇)，受邀以第一作者或通訊作者撰寫 2 篇綜述論文。近五年論文他引超過(guò) 1600 次，5 篇論文入選 Web of Science 統(tǒng)計(jì)的“過(guò)去十年高被引論文”, H 指數(shù) 46。光催化還原 CO2 研究成果作為主要研究?jī)?nèi)容，榮獲 2014 年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(排名第四)。主編三本英文專著（Springer 等出版社出版）。多次受邀在國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告或主持會(huì)議。擔(dān)任 Current Nanoscience 中國(guó)地區(qū)編輯和 Mater. Res. Bull.編委。主持承擔(dān)國(guó)家基金委、 科技 部 973 項(xiàng)目等項(xiàng)目。入選教育部新世紀(jì)人才（2010 年）、江蘇省首屆杰出青年基金(2012年)。

鄒志剛 ，2003年憑為教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家，教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人，2015 年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士，2018 年當(dāng)選發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士。主要從事新型可再生能源與環(huán)境材料方面的研究，鄒院士在光催化領(lǐng)域做出了卓越的貢獻(xiàn)，被媒體稱為“光催化領(lǐng)域的前行者”。鄒志剛院士已在 Nature等國(guó)際一流期刊上發(fā)表論文 602 多篇，H指數(shù) 74，連續(xù) 5年入選愛(ài)思唯爾材料科學(xué)高被引學(xué)者，是材料領(lǐng)域有國(guó)際影響力的學(xué)術(shù)帶頭人。申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專利 200 多項(xiàng)，其中 83 項(xiàng)已獲授權(quán)；承擔(dān)兩屆國(guó)家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃 973 項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金中日合作項(xiàng)目、 科技 部國(guó)際合作重大項(xiàng)目等多項(xiàng)科研項(xiàng)目；獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng) 1 項(xiàng)、江蘇省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng) 2 項(xiàng)，作為第一完成人獲第 46 屆日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)及阿卜杜拉國(guó)王大學(xué)特別獎(jiǎng)各 1項(xiàng)。

三、神奇的光觸媒（一）

二十世紀(jì)七十年代開(kāi)始，日益加劇的環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)嚴(yán)重制約著國(guó)家的發(fā)展與進(jìn)步，能源問(wèn)題已經(jīng)引起了全球范圍的關(guān)注。民用、商業(yè)以及工業(yè)制造都 面臨著嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題，環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成了國(guó)家和國(guó)際優(yōu)先解決的問(wèn)題。

為了人類的可持續(xù)發(fā)展，新能源材料的研發(fā)成了解決環(huán)境問(wèn)題、能源危機(jī)的主要 研究方向。研究清潔能源、可持續(xù)發(fā)展能源、新型能源已經(jīng)成為了能源供應(yīng)的緊迫任務(wù)。

各種各樣的綠色能源和可持續(xù)能源技術(shù)高速發(fā)展的背景下，半導(dǎo)體光催化技術(shù)因?yàn)槠渥陨淼膬?yōu)勢(shì)，包括可直接利用太陽(yáng)光、自清潔性以及常量豐富等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為了一種最有前景的綠色能源技術(shù)。

目前，去除室內(nèi)有毒氣體主要的方式為活性炭吸附以及半導(dǎo)體光催化降解技術(shù)，而光催化技術(shù)由于具有工藝簡(jiǎn)單、 能耗低、操作簡(jiǎn)單、光催化降解效率高、無(wú)毒無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于環(huán)境水污染處理、室內(nèi)空氣污染治理和工業(yè)廢氣處理等領(lǐng)域。光催化已經(jīng)廣泛應(yīng)用于催化水產(chǎn)氫、光催化降解有機(jī)污染物、光電轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。

眾所周知催化劑是加快參與物發(fā)生反應(yīng)的一種媒介。最常見(jiàn)的天然催化劑即植物中的葉綠素，可以在光照作用下發(fā)生光合作用，而本身并不參與反應(yīng)。光觸媒即光催化劑，在有光存在下，可催化氧化有機(jī)物，而本身不發(fā)生消耗。

二氧化鈦是光觸媒材料中的一種，也是典型的代表，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的光催化材料，為此，各國(guó)科學(xué)獎(jiǎng)在上世紀(jì)60年代起即對(duì)其開(kāi)展了各領(lǐng)域的應(yīng)用研究。但二氧化鈦的能帶結(jié)構(gòu)決定其吸光范圍，禁帶寬度 3.2eV,因此只有波長(zhǎng)小于 387.5 nm 的紫外光才能被二氧化鈦吸收。并且，紫外光只占太陽(yáng)光的5%左右，利用率低，導(dǎo)致傳統(tǒng)的光觸媒材料光催化活性低，使用局限性大。

因此，二氧化鈦的改性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，改善二氧化鈦的物理化學(xué)性質(zhì)，降低其禁帶寬度，提高其光催化性能是非常必要的。研究表明，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料形貌改變、貴金屬 沉積、摻雜、光敏化、表面修飾以及與其他半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)等方式，可有效提 高二氧化鈦在可見(jiàn)光范圍的光光吸收，達(dá)到提高光催化性能的目的。叁素采用了還原石墨烯為載體的釩摻雜改性技術(shù)，大大降低了二氧化鈦的禁帶寬度，其光吸收波長(zhǎng)已由原來(lái)的387.5nm移動(dòng)到530nm以下，在可見(jiàn)光、弱光下也具有較強(qiáng)的催化氧化活性。光催化消除環(huán)境污染的應(yīng)用目前主要集中在幾個(gè)方面：

1.大氣中有機(jī)物的光降解

近年來(lái)空氣中有害物質(zhì)的去除引起了人們的關(guān)注。由于大部分空氣污染物 (如醛、酮、醇等)是可氧化的，因此用氧化法去除是可行的。去除空氣中污染物常用的多相催化氧化法大都需要在較高溫度下進(jìn)行，而光催化能在室溫下利用空氣中的水蒸氣和氧氣去除空氣污染物。利用光觸媒噴液在光照條件下可將空氣中的有機(jī)物分解為二氧化鈦、水和相應(yīng)的有機(jī)酸。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)烯烴、醇、酮、醛、芳香族化合物、有機(jī)酸、胺、有機(jī)復(fù)合 物、三氯乙烯等氣態(tài)有機(jī)物的Ti02光催化降解進(jìn)行了研究，其量子效率(反應(yīng)速率，入射光密度)是降解水溶液中同樣有機(jī)物的10倍以上。另外，在光觸媒噴液光催化反應(yīng)中，一些芳香族化合物的光催化降解過(guò)程往往伴隨著各種中間產(chǎn)物的生成，有些中間產(chǎn)物具有相當(dāng)大的毒性，從而使芳香族化合物不適于液相光催化反應(yīng)過(guò)程，如水的凈化處理。但在氣相光催化反應(yīng)中，只要生成的中間產(chǎn)物揮發(fā)性不大，就不會(huì)從光觸媒噴液表面脫離進(jìn)入氣相，造成新的污染，而是進(jìn)一步氧化分解，最終生成二氧化碳和水。

2. 抗菌

光觸媒噴液光催化作用對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌等有抑制繁殖和殺滅作用。當(dāng)細(xì)菌吸附于光催化劑表面時(shí)，活性氧和羥基自由基能穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁，進(jìn)入菌體，阻止成膜物質(zhì)的傳輸，阻斷其呼吸系統(tǒng)和電子傳輸系統(tǒng)，從而有效地殺滅細(xì)菌。

一般常用的殺菌劑銀、銅等能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱 和有毒的組分如內(nèi)毒素。而光觸媒光催化劑不僅能殺死細(xì)菌，而且同時(shí)降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物。即光觸媒光催化劑不僅能消減細(xì)菌的生命力，而且能攻擊細(xì)菌的外層細(xì)胞，穿透細(xì)胞膜，破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，從而徹底地殺滅細(xì)菌。對(duì)于抗青霉素的金黃色葡萄球菌，光觸媒存在條件下，熒光燈照射1小時(shí)后，其去除率可達(dá)99％以上。在醫(yī)院病房、 手術(shù)室及生活空間，細(xì)菌密集場(chǎng)所安放光觸媒光催化劑后，空氣中浮游的細(xì)菌數(shù)可降低90％左右。

3.光催化降解廢水

用光觸媒噴液光催化處理含有機(jī)污染物的廢水被認(rèn)為是最有前途、最有效的處理手段之一，其方法簡(jiǎn)單，在常溫常壓下，即可分解水中的有機(jī)污染物，而且沒(méi)有二次 污染。費(fèi)用不高。至今已知，該方法能處理80余種有毒化合物，可以將水中的鹵代 脂肪烴、鹵代芳烴、有機(jī)酸類、染料、硝基芳烴、取代苯胺、多環(huán)芳烴、雜環(huán)化合物、 烴類、酚類、表面活性劑、農(nóng)藥、木材防腐劑和燃料油等，有效的進(jìn)行光催化反應(yīng)除 毒、脫色、礦化、分解為二氧化碳和水，最終消除對(duì)環(huán)境的污染。 水中其他有機(jī)污染物如鹵代脂肪烴、鹵代芳香烴、鹵代脂肪酸、多環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物、含氮化合物化等是各國(guó)優(yōu)先控制的有害質(zhì)，這類物質(zhì)經(jīng)光觸媒催化分解，過(guò)程中一般都先羥基化、再脫鹵、逐步降解，直至成為含氫和氧等的簡(jiǎn)單無(wú)機(jī)物。

4.空氣中氮氧化物以及氨的光催化去除

氮氧化物是大氣中主要的氣態(tài)污染物之一．它的主要來(lái)源是礦物燃料的燃燒。燃燒過(guò)程中，在高溫情況下，空氣中的氮與氧化合而生成氮氧化物，其中主要的是一氧化氮。一氧化氮通過(guò)氧化反應(yīng)也可以在大氣中生成氣態(tài)硝酸，形成酸雨和酸霧后，對(duì)地表水、土壤、森林、植被等造成嚴(yán)重的危害。利用光觸媒噴液和空氣中氧氣可直 接實(shí)現(xiàn)氮氧化物的光催化氧化。目前，日本已利用氟樹(shù)脂、光觸媒噴液等開(kāi)發(fā)出抗剝離光催化薄板，12小時(shí)后薄板表面的氮氧化物去除率可達(dá)90％以上。

5.除臭

空氣中惡臭氣體主要有五種：①含硫化合物，如硫化氫、二氧化硫、硫醇類、硫醚類等；②含氮化合物，如胺類、酰胺等；③鹵素及其衍生物，如氯氣、鹵代烴等；④烴類，如烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等；⑤含氧的有機(jī)物，如醇、酚醛、酮、有機(jī)酸等。

四、zns和cds光催化活性哪個(gè)高

光催化材料是由CeO2（70%-90%） ZrO2（30%-10%）組成，形成ZrO2穩(wěn)定CeO2的均勻復(fù)合物，外觀呈淺黃色，具有納米層狀結(jié)構(gòu)，在 1000℃ 經(jīng)4小時(shí)老化后，比表面仍較大（>15M# G），因此高溫下也能保持較高的活性。

用途:適用于高溫催化材料,如汽車尾氣催化劑 技術(shù)背景——能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題

人類目前使用的主要能源有石油、天然氣和煤炭三種。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，地球上這三種能源能供人類開(kāi)采的年限，分別只有40年、50年和240年。值得注意的是，中國(guó)剩余可開(kāi)采儲(chǔ)蓄僅為1390億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，按照中國(guó)2003年的開(kāi)采速度16.67億噸/年，僅能維持83年。中國(guó)石油資源不足，天然氣資源也不夠豐富，中國(guó)已成為世界第二大石油進(jìn)口國(guó)。因此，開(kāi)發(fā)新能源，特別是用清潔能源替代傳統(tǒng)能源，迅速地逐年降低它們的消耗量，保護(hù)環(huán)境改善城市空氣質(zhì)量早已經(jīng)成為關(guān)乎社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題。中國(guó)能源發(fā)展方向可以鎖定在前景看好的五種清潔能源: 水電、風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能和生物質(zhì)。

太陽(yáng)能不僅清潔干凈，而且供應(yīng)充足，每天照射到地球上的太陽(yáng)能是全球每天所需能源的一萬(wàn)倍以上。直接利用太陽(yáng)能來(lái)解決能源的枯竭和地球環(huán)境污染等問(wèn)題是其中一個(gè)最好、直接、有效的方法。為此，中國(guó)政府制定實(shí)施了“中國(guó)光明工程”計(jì)劃。模仿自然界植物的光合作用原理和開(kāi)發(fā)出人工合成技術(shù)被稱為“21世紀(jì)夢(mèng)”的技術(shù)。它的核心就是開(kāi)發(fā)高效的太陽(yáng)光響應(yīng)型半導(dǎo)體光催化劑。目前國(guó)內(nèi)外光催劑的研究多數(shù)停留在二氧化鈦及相關(guān)修飾。盡管這些工作卓有成效，但是在規(guī)模化利用太陽(yáng)能方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此搜尋高效太陽(yáng)光響應(yīng)型半導(dǎo)體作為新型光催化劑成為當(dāng)前此領(lǐng)域最重要的課題。

二， 光催化材料的基本原理

半導(dǎo)體在光激發(fā)下，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶位置，以此，在導(dǎo)帶形成光生電子，在價(jià)帶形成光生空穴。利用光生電子-空穴對(duì)的還原氧化性能，可以降解周圍環(huán)境中的有機(jī)污染物以及光解水制備H2和O2。

高效光催化劑必須滿足如下幾個(gè)條件： （1）半導(dǎo)體適當(dāng)?shù)膶?dǎo)帶和價(jià)帶位置，在凈化污染物應(yīng)用中價(jià)帶電位必須有足夠的氧化性能，在光解水應(yīng)用中，電位必須滿足產(chǎn)H2和產(chǎn)O2的要求。（2）高效的電子-空穴分離能力，降低它們的復(fù)合幾率。（3）可見(jiàn)光響應(yīng)特性：低于420nm左右的紫外光能量大概只占太陽(yáng)光能的4%，如何利用可見(jiàn)光乃至紅外光能量，是決定光催化材料能否在得以大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用的先決條件。常規(guī)anatase-type TiO2 只能在紫外光響應(yīng)，雖然通過(guò)攙雜改性，其吸收邊得以紅移，但效果還不夠理想。 因此，開(kāi)發(fā)可見(jiàn)光響應(yīng)的高效光催化材料是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。只是，現(xiàn)在的研究狀況還不盡人意。

三， 光催化材料體系的研究概況

從目前的資料來(lái)看，光催化材料體系主要可以分為氧化物，硫化物，氮化物以及磷化物

氧化物：最典型的主要是TiO2及其改性材料。目前，絕大部分氧化物主要集中在元素周期表中的d區(qū)， 研究的比較多的是含Ti，Nb，Ta的氧化物或復(fù)合氧化物。其他的含W，Cr，F(xiàn)e，Co，Ni，Zr等金屬氧化物也見(jiàn)報(bào)道。個(gè)人感覺(jué)，d區(qū)過(guò)渡族金屬元素氧化物經(jīng)過(guò)炒菜式的狂轟亂炸后，開(kāi)發(fā)所謂的新體系光催化已經(jīng)沒(méi)有多大潛力。目前，以日本學(xué)者J. Sato為代表的研究人員，已經(jīng)把目光鎖定在p區(qū)元素氧化物上，如含有Ga，Ge，Sb，In，Sn，Bi元素的氧化物。

硫化物：硫化物雖然有較小的禁帶寬度，但容易發(fā)生光腐蝕現(xiàn)象，較氧化物而言，穩(wěn)定性較差。主要有ZnS，CdS等

氮化物：也有較低的帶系寬度，研究得不多。有Ta／N，Nb／N等體系

磷化物：研究很少，如GaP

按照晶體/顆粒形貌分類：

（1）層狀結(jié)構(gòu)

**半導(dǎo)體微粒柱撐于石墨及天然/人工合成的層狀硅酸鹽

**層狀單元金屬氧化物半導(dǎo)體如：V2O5，MoO3，WO3等

**鈦酸，鈮酸，鈦鈮酸及其合成的堿（土）金屬離子可交換層狀結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體微粒柱撐于層間的結(jié)構(gòu)

**含Bi層狀結(jié)構(gòu)材料，(Bi2O2)2+(An-1BnO3n+1)2- (A=Ba，Bi，Pb；B=Ti，Nb，W)，鈣鈦礦層 (An-1BnO3n+1)2-夾在(Bi2O2)2+層之間。典型的有：Bi2WO6，Bi2W2O9，Bi3TiNbO9

**層狀鉭酸鹽：RbLnTa2O7(Ln=La,Pr,Nd,Sm)

（2）通道結(jié)構(gòu)

比較典型的為BaTi4O9，A2Ti6O13（A=K，Na，Li，等）。這類結(jié)構(gòu)往往比層狀結(jié)構(gòu)材料具有更為優(yōu)異的光催化性能。研究認(rèn)為，其性能主要?dú)w咎于金屬-氧多面體中的非對(duì)稱性，產(chǎn)生了偶極距，從而有利于電子和空穴分離

（3）管狀結(jié)構(gòu)：在鈦酸鹽中研究較多

（4）晶須或多晶一維材料

經(jīng)由VLS，VS，LS（如水熱合成，熔鹽法）機(jī)制可制備一維材料；

液相合成中的軟?；瘜W(xué)法制備介孔結(jié)構(gòu)的多晶一維材料

對(duì)于該種行貌的材料，沒(méi)有跡象表明，其光催化性能得以提高

（5）其他形狀復(fù)雜的晶體或粉末顆粒

最典型的是ZnO材料，根據(jù)合成方法不同，其行貌也相當(dāng)豐富

四，提高光催化材料性能的途徑

（1）顆粒微細(xì)納米化

降低光生電子-空穴從體內(nèi)到表面的傳輸距離，相應(yīng)的，它們被復(fù)合的幾率也大大降低。

（2）過(guò)度金屬摻雜和非金屬摻雜

金屬：摻雜后形成的雜質(zhì)能級(jí)可以成為光生載流體的捕獲阱，延長(zhǎng)載流子的壽命。Choi以21種金屬離子對(duì)TiO2光催化活性的影響，表明Fe3+，Mo5+，Re5+，Ru3+，V4+，Rh4+能夠提高光催化活性，其中Fe3+的效果最好。具有閉殼層電子構(gòu)型的金屬離子如Li+，Al3+，Mg2+，Zn2+，Ga2+，Nb5+，Sn4+對(duì)催化性影響甚微

非金屬：TiO2中N，S，C，P，鹵族元素等

對(duì)于摻雜，個(gè)人的認(rèn)識(shí)，其有如下效應(yīng)：

**電價(jià)效應(yīng)：不同價(jià)離子的摻雜產(chǎn)生離子缺陷，可以成為載流子的捕獲阱，延長(zhǎng)其壽命；并提高電導(dǎo)能力

**離子尺寸效應(yīng)：離子尺寸的不同將使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的畸變，晶體不對(duì)性增加，提高了光生電子-空穴分離效果

**摻雜能級(jí)：摻雜元素電負(fù)性大小的不同，帶隙中形成摻雜能級(jí)，可實(shí)現(xiàn)價(jià)帶電子的分級(jí)躍遷，光響應(yīng)紅移

（3）半導(dǎo)體復(fù)合

利用異種半導(dǎo)體之間的能帶結(jié)構(gòu)不同，復(fù)合后，如光生電子從A粉末表面輸出，而空穴從B表面導(dǎo)出。也即電子和空穴得到有效分離

（4）表面負(fù)載

將半導(dǎo)體納米粒子固定技術(shù)在不同的載體上（多孔玻璃、硅石、分子篩等）制備分子或團(tuán)簇尺寸的光催化劑。

（5）表面光敏

利用具有較高重態(tài)的具有可見(jiàn)光吸收的有機(jī)物，在可見(jiàn)光激發(fā)下，電子從有機(jī)物轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體粉末的導(dǎo)帶上。該種方法不具有實(shí)用性，一方面，有機(jī)物的穩(wěn)定性值得質(zhì)疑；另一考慮的是經(jīng)濟(jì)因素

（6）貴金屬沉積

貴金屬：Pt, Au, Pd, Rh,

Ni, Cu, Ag,等

（7）外場(chǎng)耦合

熱場(chǎng)，電場(chǎng)，磁場(chǎng)，微波場(chǎng)，超聲波場(chǎng)

目前，研究較多的是電場(chǎng)效應(yīng)。其他場(chǎng)的研究也不少見(jiàn)，效果一般，更多的是從工藝層次來(lái)說(shuō)明效果，所謂理論的東西不多

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