論上轉(zhuǎn)換光催化材料制備及應(yīng)用范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了論上轉(zhuǎn)換光催化材料制備及應(yīng)用參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:上轉(zhuǎn)換材料根據(jù)組成不同，可分為氟化物、硫化物、鹵氧化物等種類，其具有吸收紅外光并發(fā)射紫外光、可見光的能力，在生物分子標(biāo)記、上轉(zhuǎn)換激光器、光導(dǎo)纖維通訊、光催化等領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用前景．以制備方法為主線，綜述了不同制備方法得到的上轉(zhuǎn)換材料的優(yōu)缺點(diǎn)，其中水熱法具有實(shí)驗(yàn)條件簡單、過程容易控制的特點(diǎn)，超聲法獲得的產(chǎn)品具有成分均勻、可重復(fù)性高，且可用于制備結(jié)晶態(tài)材料的特點(diǎn)，煅燒及熱處理法生長容易，可制成玻璃類制品．對(duì)不同制備方法得到的上轉(zhuǎn)換材料光催化性能進(jìn)行了討論，就光催化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望．不同制備方法得到的材料在光譜的響應(yīng)范圍和光催化活性方面存在差異，這種差異并不是制備方法直接影響的，而是因?yàn)椴煌苽浞椒ǖ玫降牟牧暇w結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的，所以在光催化領(lǐng)域，制備新型的上轉(zhuǎn)換材料是重點(diǎn)研究方向之一．

關(guān)鍵詞:上轉(zhuǎn)換;復(fù)合材料;光催化;半導(dǎo)體

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，能源消耗量日益增加，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，開發(fā)可持續(xù)利用的清潔能源用于緩解能源短缺問題成為研究熱點(diǎn)［1-3］．目前，太陽能是最直接可見的清潔能源，提高太陽能的利用率即顯得尤為重要．半導(dǎo)體是一種導(dǎo)電性質(zhì)介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，具備特殊的性質(zhì)，其可以將一定波長范圍的太陽能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，在提高太陽能利用效率方面具有十分可觀的前景，盡管如此，其依然存在禁帶較寬，僅能吸收紫外光與可見光的短波部分等問題［4-5］．上轉(zhuǎn)換材料具有吸收紅外光并發(fā)射紫外光的能力，將上轉(zhuǎn)換材料與半導(dǎo)體進(jìn)行復(fù)合，可以很好的解決這一問題［6-8］．本文主要介紹了上轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體復(fù)合材料的常用合成方法及應(yīng)用最新進(jìn)展．

1水熱、溶劑熱法

2013年，南京科技大學(xué)的Wang等［9］制備了上轉(zhuǎn)換六方相NaYF4微米棒和具有暴露的001晶面的高反應(yīng)性的銳鈦礦相的TiO2納米片組成的核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合物，實(shí)驗(yàn)表明其在分解苯酚和羅丹明B方面較物理混合物和純TiO2具有更高的光催化活性．Hou等［10］采用簡便的溶劑熱法合成了Fe-Er共摻雜TiO2(Fe/Er-TiO2)．并通過使用中心復(fù)合設(shè)計(jì)(CCD)模型的響應(yīng)面方法(RSM)來獲得這種新型Fe/Er-TiO2的最佳合成條件．研究發(fā)現(xiàn)，與可見光照射下的原始TiO2，Er-TiO2，F(xiàn)e-TiO2和DegussaP25(P25)相比，F(xiàn)e/Er-TiO2對(duì)雙酚A(BPA)降解的光催化活性提高．所獲得的RSM模型(R2=0．929)顯示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與BPA去除效率的預(yù)測(cè)值之間十分吻合．對(duì)于［Er］，［Fe］和［CT］，確定Fe/Er-TiO2的最佳制備條件分別為1．5mol%，1．25mol%和450℃．改良過的Fe/Er-TiO

2的光催化活性在使用

10次后仍得到有效保持．Duo等［11］通過簡單的水熱法制備β-NaYF4:Yb3+，Tm3+@TiO2納米復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)NaYF4:Yb3+，Tm3+上轉(zhuǎn)換納米材料表面包覆TiO2時(shí)，光催化活性明顯提高，β-NaYF4:Yb3+，Tm3+@TiO2納米復(fù)合材料對(duì)MB和RhB的光降解效率最高，模擬的太陽光照射下4．5h內(nèi)即可分解約73%的MB或80%的RhB．當(dāng)加入紫外濾光片除去模擬日光發(fā)射的紫外光時(shí)，在4．5h內(nèi)β-NaYF4:Yb3+，Tm3+@TiO2納米復(fù)合材料分解大約42%的MB或48%的RhB．這意味著在光降解過程中，上轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的光催化性能比紫外光驅(qū)動(dòng)的光催化性能更有效．Liu等［12］通過無水稀釋水熱法合成上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料10BaF2:NaF，Na3AlF6和10BaF2:NaF，Na3AlF6/TiO2復(fù)合光催化劑．在可見光照射下(λ＞515nm)光催化還原CO2來評(píng)估其催化活性．結(jié)果表明，在相同條件下，10BaF2:NaF，Na3AlF6/TiO2是比純TiO2更有效的CO2還原光催化劑，其相應(yīng)的甲醇產(chǎn)率分別為179和0μmol/g．2017年，Wu等［13］通過水熱合成方法合成了Yb3+/Tm3+共摻雜的花狀四方結(jié)構(gòu)In2S3光催化劑且用Yb3+/Tm3+摻雜不顯著改變In2S3的結(jié)晶度．共摻雜In2S3的Yb3+/Tm3+呈現(xiàn)顯著增強(qiáng)的光催化活性．鉻(Ⅵ)還原的n(In3+)∶n(Yb3+)∶n(Tm3+)=159∶40∶1時(shí)，光催化協(xié)同效應(yīng)最好，效率可達(dá)97．9%(NIR，100min)，99．3%(vis，10min)和98．3%(UV，10min)，而羅丹明B降解效率為98．4%(NIR，100min)，97．3%(vis，14min)和96．3%(UV，14min)．在全光譜輻照6min和7min時(shí)，鉻(VI)和羅丹明B降解率可達(dá)到99．4%和94．8%，相應(yīng)的速率常數(shù)分別為純In2S3的2．17和5．60倍．2超聲分散法Wang等［14］的工作中，采用簡單超聲分散和液體沸騰法制備了TiO2/Er3+:Y3Al5O12復(fù)合材料．對(duì)不同Er3+:Y3Al5O12摻雜量、熱處理溫度和熱處理時(shí)間對(duì)TiO2/Er3+:Y3Al5O12復(fù)合材料光催化降解酸性紅B的影響進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查．發(fā)現(xiàn)TiO2/Er3+:Y3Al5O12復(fù)合材料的光催化活性遠(yuǎn)高于僅有TiO2粉末的類似體系．這些結(jié)果支持了TiO2/Er3+:Y3Al5O12復(fù)合物在光降解染料廢水中的作用．Gao等［15］采用超聲分散法合成了新型光催化劑Er3+:YAlO3/Fe摻雜TiO2-ZnO復(fù)合材料．研究了Er3+:YAlO3含量、熱處理溫度和熱處理時(shí)間等制備條件對(duì)Er3+:YAlO3/Fe摻雜TiO2-ZnO復(fù)合材料光催化活性的影響以及太陽光照射時(shí)間、染料初始濃度和Er3+:YAlO3/Fe摻雜TiO2-ZnO用量以及有機(jī)染料對(duì)光催化降解的影響．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同條件下，Er3+:YAlO3/Fe摻雜TiO2-ZnO復(fù)合材料能有效利用太陽能對(duì)酸性紅B染料進(jìn)行降解，其光催化活性遠(yuǎn)優(yōu)于摻Fe的TiO2-ZnO復(fù)合材料．Zhang等［16］設(shè)計(jì)了一種新型Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6光催化劑，典型模型污染物苯酚的光降解表明，在模擬太陽光照射下，Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6光催化劑比純Bi2WO6表現(xiàn)出更強(qiáng)的光活性．Er3+:Y3Al5O12/Bi2WO6光催化劑在波長超過Bi2WO6吸收邊的可見光下也顯示出光催化活性，這進(jìn)一步證明了Er3+:Y3Al5O12的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)．Won等［17］采用微波溶膠-凝膠和超聲波分散兩步法合成了TiO2包覆的CaLa2(MoO4)4和CaLa2(MoO4)4:Er/Yb納米核殼．納米核殼結(jié)構(gòu)顯示出良好的結(jié)晶狀態(tài)，其粒徑呈10～20nm均勻分布．TiO2包覆的CaLa2(MoO4)4和CaLa1．7(MoO4)4:Er0．1Yb0．2在可見光下的降解效率為10%＞15%＞5%，而在980nm激發(fā)下，CaLa1．7(MoO4)4:Er0．1Yb0．2和CaLa1．5(MoO4)4:Er0．05Yb0．45粒子的上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度表現(xiàn)出強(qiáng)烈的525nm和弱的550nm發(fā)射帶．Wang等［18］制備了一種新型的二氧化鈦光催化劑，該催化劑在可見光照射下具有較高的催化活性，并且合成了一種結(jié)晶型Er3+:Y3Al5O12，發(fā)現(xiàn)其在488nm可見光的激發(fā)下可以發(fā)射三個(gè)低于387nm的上轉(zhuǎn)換熒光峰，可滿足TiO2光催化劑的真正需求．他們制備的TiO2光催化劑涂層結(jié)晶的Er3+:Y3Al5O12在可見光和日光照射下表現(xiàn)出顯著提高的光催化活性，并且能夠有效分解在水溶液中的剛果紅．這種方法可以成為一種利用太陽能處理染料廢水的新技術(shù)．Li等［19］采用超聲波處理方法合成了一種新型的太陽能光催化劑Er3+:Y3Al5O12/TiO2-CeO2復(fù)合材料，以偶氮品紅染料作為模型有機(jī)污染物評(píng)價(jià)復(fù)合材料的太陽光光催化活性，通過UV-Vis光譜和離子色譜監(jiān)測(cè)降解反應(yīng)的進(jìn)展．研究了Er3+:Y3Al5O12/TiO2-CeO2太陽光光催化活性的關(guān)鍵影響因素，如Ti/Ce摩爾比，熱處理溫度和熱處理時(shí)間．發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的太陽光光催化活性優(yōu)于Er3+:Y3Al5O12/TiO2和Er3+:Y3Al5O12/CeO2粉末．

3煅燒及熱處理法

Zhang等［20］通過簡單的熱處理方法成功合成了Er3+:YAlO3負(fù)載的BiPO4．在模擬的太陽光照射下，復(fù)合體系對(duì)甲基蘭溶液光降解效率相對(duì)BiPO4有較大提高．Zhang等還研究了負(fù)載量與降解速率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Er3+:YAlO3的最佳負(fù)載量為7wt%并對(duì)所選樣品進(jìn)行回收試驗(yàn)以研究Er3+:YAlO3負(fù)載BiPO4體系的穩(wěn)定性．Zheng等［21］的工作中，討論了稀土離子與半導(dǎo)體材料之間的基本能量轉(zhuǎn)移過程，并提出了它們無輻射能量有效耦合的適合模式．設(shè)計(jì)并成功通過煅燒法制備了一種新型的基于NIR的UC光催化劑CaIn2O4:Yb3+，Tb3+，該光催化劑在980nm照射下表現(xiàn)出較高的光催化活性．這項(xiàng)工作突出了稀土離子和半導(dǎo)體之間的ET調(diào)諧對(duì)近紅外光高性能催化的潛力．

4結(jié)語與展望

隨著研究的深入，人們已經(jīng)開發(fā)出了多種上轉(zhuǎn)換材料，并可按照不同的制備方法得到具有不同特點(diǎn)的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在生物分子標(biāo)記、上轉(zhuǎn)換激光器、光導(dǎo)纖維通訊等領(lǐng)域．相信在不久的將來，一定會(huì)尋找到更高效的上轉(zhuǎn)換材料與半導(dǎo)體進(jìn)行復(fù)合，使其具有更加穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，提高太陽光等清潔能源的利用率，減少環(huán)境污染，更好的造福人類社會(huì)．

作者：滕洪輝 楊雯晴 高彬 高澤 韓丹丹 李天育 單位：吉林師范大學(xué)