通过可控的氧空位增强BiOBr纳米片可见光催化NO氧化性能

廖佳珍 陈侣存 孙明禄 雷奔 曾晓岚 孙艳娟 董帆

引用本文: 廖佳珍,  陈侣存,  孙明禄,  雷奔,  曾晓岚,  孙艳娟,  董帆. 通过可控的氧空位增强BiOBr纳米片可见光催化NO氧化性能[J]. 催化学报, 2018, 39(4): 779-789. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63056-6 shu
Citation:  Jiazhen Liao,  Lvcun Chen,  Minglu Sun,  Ben Lei,  Xiaolan Zeng,  Yanjuan Sun,  Fan Dong. Improving visible-light-driven photocatalytic NO oxidation over BiOBr nanoplates through tunable oxygen vacancies[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(4): 779-789. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63056-6 shu

通过可控的氧空位增强BiOBr纳米片可见光催化NO氧化性能

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21501016,21777011,51478070);国家重点研发计划(2016YFC02047);重庆市高校创新团队(CXTDG201602014,CXTDX201601016).重庆市重点自然科学基金(cstc2017jcyjBX0052).

摘要: BiOBr具有独特的层状纳米结构和合适的可调节的能带结构,因而广泛应用于光催化领域中.但其可见光催化效率仍需要进一步提高.最近,氧空位调控技术广泛应用于光催化剂改性中.本文研采用溶剂热法(采用水/乙二醇溶液)合成了一系列具有氧空位的BiOBr纳米片.通过改变水/乙二醇的比例调节BiOBr氧空位的量和晶面,以增强其可见光催化活性.虽然有关氧空位在光催化中的作用已有研究,但氧空位对电荷转移和反应物活化影响的机理仍不清楚.因此,本文采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、荧光光谱(PL)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、电子自旋共振(ESR)、电子顺磁共振(EPR)和比表面积-孔结构(BET-BJH)分析等手段考察了含有氧空位的BiOBr纳米片的物理化学性质,通过原位红外光谱研究了样品可见光催化氧化NO的转化路径及反应机理.同时结合密度泛函理论(DFT)计算进一步揭示氧空位对电子激发、电子-空穴分离和转移、以及光催化氧化反应过程的影响.
表征结果表明,采用水/乙二醇混合溶液的方法制得了BiOBr样品(BOB,BOB-1C,BOB-2C,和BOB-3C),其表面氧空位随着混合溶液中乙二醇溶液的增加而增加.另外,BiOBr样品均呈纳米片层状,且随着乙二醇溶液的增加,BiOBr纳米片逐渐组装成紧密结合的球状结构.BET-BJH测试结果显示,BOB-3C的比表面积(15.34m2/g)显著高于BOB(1.1m2/g).UV-Vis DRS结果表明,BOB-3C具有比BOB更良好的可见光吸收能力.可见光催化去除NO的测试结果表明,BOB-3C的光催化活性(38.9%)明显高于BOB(4.1%).ESR研究发现,BOB-3C能产生比BOB更多的活性氧化物种(·O-自由基和·OH自由基).由此可见,因表面氧空位浓度的变化,而使BOB和BOB-3C表现出不同的理化特性.同时DFT计算也印证了光催化过程中氧空位对氧气吸附活化、NO吸附氧化和能带结构的影响.可见光催化氧化NO的原位红外光谱表明,BOB-3C与BOB相比,光催化氧化NO的转化路径发生了变化,表明氧空位对NO氧化起到了促进作用.
氧空位在光催化中表现出多功能性,包括引入中间能级以增强光吸收,促进电子转移,充当催化反应和氧分子活化的活性位点,促进反应产物转化为最终产物,从而增强样品可见光光催化效率.为揭示氧空位在光催化剂中的作用和光催化NO氧化机理提供了新的思路.

English

    1. [1] L. Chen, J. He, Y. Liu, P. Chen, C. T. Au, S. F. Yin, Chin. J. Catal., 2016, 37, 780-791.

    2. [2] J. Q. Wen, J. Xie, H. D. Zhang, A. P. Zhang, Y. J. Liu, X. B. Chen, X. Li, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 14031-14042.

    3. [3] K. L. He, J. Xie, X. Y. Luo, J. Q. Wen, S. Ma, X. Li, Y. P. Fang, X. C. Zhang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 240-252.

    4. [4] J. Q. Wen, J. Xie, Z. H. Yang, R. C. Shen, H. Y. Li, X. Y. Luo, X. B. Chen, X. Li, ACS Sustain. Chem. Eng., 2017, 5, 2224-2236.

    5. [5] G. G. Zhang, M. W. Zhang, X. X. Ye, X. Q. Qiu, S. Lin, X. C. Wang, Adv. Mater., 2014, 26, 805.

    6. [6] Q. Xiang, J. Yu, J. Phys. Chem. Lett., 2013, 4, 2101-2107.

    7. [7] X. Feng, W. Zhang, H. Deng, Z. Ni, F. Dong, Y. Zhang, J. Hazard. Mater., 2017, 322, 223-232.

    8. [8] Y. Z. Hong, Y. H. Jiang, C. S. Li, W. Q. Fan, X. Yan, M. Yan, W. D. Shi, Appl. Catal. B, 2016, 180, 663-673.

    9. [9] Z. Y. Zhao, Y. Zhou, F. Wang, K. H. Zhang, S. Yu, K. Cao, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 730-737.

    10. [10] Y. Zhou, Z. Y. Zhao, F. Wang, K. Cao, D. E. Doronkin, F. Dong, J. D. Grunwaldt, J. Hazard. Mater., 2016, 307, 163-172

    11. [11] J. Liu, T. An, Z. H. Chen, Z. Wang, H. Zhou, T. X. Fan, D. Zhang, M. Antonietti, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 8933-8938

    12. [12] L. Zhang, G. G. Kong, Y. D. Meng, L. J. Zhang, S. L. Wan, J. D. Lin, Y. Wang, ChemSusChem, 2017,10, 4709-4714.

    13. [13] S. Y. Wang, X. L. Yang, X. H. Zhang, X. Ding, Z. X. Yang, K. Dai, H. Chen, Appl. Surf. Sci., 2017, 391, 194-201.

    14. [14] X. Yu, J. J. Shi, L. J. Feng, C. H. Li, L. Wang, Appl. Surf. Sci., 2017, 396, 1775-1782.

    15. [15] R. A. He, S. W. Cao, J. G. Yu, Acta Phys. Chim. Sin., 2016, 32, 2841-2870.

    16. [16] H. Li, J. Li, Z. H. Ai, F. L. Jia, L. Z. Zhang, Angew. Chem. Int. Edt., 2017, 57, 122-138.

    17. [17] J. X. Xia, J. Di, H. T. Li, H. M. Xu, H. M. Li, S. J. Guo, Appl. Catal. B, 2016, 181, 260-269.

    18. [18] A. C. Zhang, W. B. Xing, D. Zhang, H. Wang, G. Y. Chen, J. Xiang, Catal. Commun., 2016, 87, 57-61.

    19. [19] J. Di, J. X. Xia, M. X. Ji, B. Wang, S. Yin, Q. Zhang, Z. G. Chen, H. M. Li, Appl. Catal. B, 2016, 183, 254-262.

    20. [20] D. Wu, S. T. Yue, W. Wang, T. C. An, G. Y. Li, L. Q. Ye, H. Y. Yip, P. K. Wong, Appl. Surf. Sci., 2016, 391, 516-524.

    21. [21] G. J. Lee, Y. C. Zheng, J. J. Wu, Catal. Today, 2017, 39, 698-701.

    22. [22] B. X. Wang, W. J. An, L. Liu, W. Chen, Y. H. Liang, W. Q. Cui, RSC Adv., 2014, 5, 3224-3231.

    23. [23] T. T. Jiang, J. L. Li, Y. Gao, L. Li, T. Lu, L. K. Pan, J. Colloid Interface Sci., 2017, 490, 812-818.

    24. [24] T. Kanagaraj, S. Thiripuranthagan, S. M. K. Paskalis, H. Abe, Appl. Surf. Sci., 2017, 426, 1030-1045.

    25. [25] X. Li, J. G. Yu, M. Jaroniec, Chem. Soc. Rev., 2016, 45, 2603-2636.

    26. [26] V. J. Babu, M. Sireesha, R. S. R. Bhavatharini, S. Ramakrishna, Mater. Lett., 2016, 169, 50-53.

    27. [27] G. F. Li, F. Qin, H. Yang, Z. Lu, H. Z. Sun, R. Chen, Eur. J. Inorg. Chem., 2012, 2012, 2508-2513.

    28. [28] H. G. Yu, C Cao, X. F. Wang, J. G. Yu, J. Phys. Chem. C, 2017, 121, 13191-13201.

    29. [29] J. Q. Wen, X. Li, W. Liu, Y. P. Fang, J. Xie, Y. H. Xu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2049-2070.

    30. [30] G. F. Li, Q. Fan, R. M. Wang, S. Q. Xiao, H. Z. Sun, R. Chen, J. Colloid Interface Sci., 2013, 409, 43-51.

    31. [31] Z. H. Ai, J. L. Wang, L. Z. Zhang, Chin. J. Catal., 2015, 36, 2145-2154.

    32. [32] M. Li, H. W. Huang, S. X. Yu, N. Tian, F. Dong, X. Du, Y. H. Zhang, Appl. Surf. Sci., 2016, 386, 285-295.

    33. [33] W. D. Zhang, X. L. Liu, X. A. Dong, F. Dong, Y. X. Zhang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 2030-2038.

    34. [34] Y. H. Lv, W. Q. Yao, R. L. Zong, Y. F. Zhu, Sci. Rep., 2016, 6, 19347.

    35. [35] H. Hirakawa, M. Hashimoto, Y. Shiraishi, T. Hirai, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 10929-10936.

    36. [36] J. Nowotny, M. Abdul Alim, T. Bak, M. A. Idris, M. Ionescu, K. Prince, M. Z. Sahdan, K. Sopian, M. A. M. Teridi, W. Sigmund, Chem. Soc. Rev., 2015, 44,8424-8442.

    37. [37] X. Y. Pan, M. Q. Yang, X. Z. Fu, N. Zhang, Y. J. Xu, Nanoscale, 2013, 5, 3601-3614.

    38. [38] N. Serpone, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 24287-24293.

    39. [39] W. Cui, J. Y. Li, W. L. Cen, Y. J. Sun, S. C. Lee, F. Dong, J. Catal., 2017, 352, 351-360.

    40. [40] L. Hao, Q. Feng, Z. P. Yang, X. M. Cui, J. F. Wang, L. Z. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 3513-3521.

    41. [41] S. Grimme, J. Comput. Chem., 2006, 27, 1787-1799.

    42. [42] G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11169-11186.

    43. [43] G. Kresse, J. Furthmüller. Comp. Mater. Sci., 1996, 6, 15-50.

    44. [44] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 3865-3868.

    45. [45] P. E. Blöchl, Phys. Rev. B, 1994, 50, 17953-17979.

    46. [46] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758-1775.

    47. [47] J. Heyd, G. E. Scuseria, M. Ernzerhof, J. Chem. Phys., 2003, 118, 8207-8215.

    48. [48] J. Y. Li, W. Cui, Y. J. Sun, Y. H. Chu, W. L. Cen, F. Dong, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 9358-9364.

    49. [49] L. Lu, M. Zhou, L. Yin, G. W. Zhou, T. Jiang, X. K. Wan, H. X. Shi, J. Mol. Catal., 2016, 423, 379-385.

    50. [50] S. L. Wang, L. L. Wang, W. H. Ma, D. M. Johnson, Y. F. Fang, M. K. Jia, Y. P. Huang, Chem. Eng. J., 2015, 259, 410-416.

    51. [51] H. Li, J. Shi, K. Zhao, L. Z. Z Zhang, Nanoscale, 2014, 6, 14168-14173.

    52. [52] L. R. Grabstanowicz, S. Gao, T. Li, R. M. Rickard, T. Rajh, D. J. Liu, T. Xu, Inorg. Chem., 2013, 52, 3884-3890.

    53. [53] I. Justicia, P. Ordejón, G. Canto, J. L. Mozos, J. Fraxedas, G. A. Battiston, R. Gerbasi, A. Figueras, Adv. Mater., 2002, 14, 52-56.

    54. [54] X. Wu, Y. H. Ng, L. Wang, Y. Du, S. X. Dou, R. Amal, J. Scott, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 8117-8124.

    55. [55] A. Baldan, J. Mater. Sci., 2002, 37, 2171-2202.

    56. [56] J. Jiang, K. Zhao, X. Y. Xiao, L. Z. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 4473-4476.

    57. [57] X. Y. Xiong, L. Y. Ding, Q. Q. Wang, Y. X. Li, Q. Q. Jiang, J. C. Hu, Appl. Catal. B, 2016, 188, 283-291.

    58. [58] G. Cheng, J. Y. Xiong, F. J. Stadler, New J. Chem., 2013, 37, 3207-3213.

    59. [59] H. W. Huang, Y. He, X. Du, P. K. Chu, Y. H. Zhang, ACS Sustain. Chem. Eng., 2015, 12, 3262-3273.

    60. [60] Y. Nosaka, A. Y. Nosaka, Chem. Rev., 2017, 117, 11302-11336.

    61. [61] F. Dong, Z. Y. Wang, Y. H. Li, W. K. Ho, S. C. Lee, Environ. Sci. Tech-nol., 2014, 48, 10345-10353.

    62. [62] Y. Zhou, Z. Y. Zhao, F. Wang, K. Cao, D. E. Doronkin, F. Dong, J. D. Grunwaldt, J. Hazard. Mater., 2016, 307, 163-172.

    63. [63] J. C. S. Wu, Y. T. Cheng, J. Catal., 2006, 237, 393-404.

    64. [64] H. Wang, Y. J. Sun, G. M. Jiang, Y. X. Zhang, H. W. Huang, Z. B. Wu, S. C. Lee, F. Dong, Environ. Sci. Technol., 2018, 52, 1479-1487.

    65. [65] J. Jiang, K. Zhao, X. Y. Xiao, L. Z. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 4473-4476.

    66. [66] H. P. Li, T. X. Hu, N. Du, R. J. Zhang, J. Q. Liu, W. G. Hou, Appl. Catal. B, 2016, 187, 342-349.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  36
  • 文章访问数:  2092
  • HTML全文浏览量:  509
文章相关
  • 收稿日期:  2018-02-23
  • 修回日期:  2018-03-25
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章