Trans Tianjin Univ |氮氧化物的光催化/光电催化氧化研究进展

＋

文章信息

Shuangjun Li, Linglong Chen, Zhong Ma, Guisheng Li, Dieqing Zhang. Research Progress on Photocatalytic/ Photoelectrocatalytic Oxidation of Nitrogen Oxides. Trans Tianjin Univ, 2021: https://doi.org/10.1007/s12209-021-00293-9

扫描二维码 可直接下载本文

https://link.springer.com/article/10.1007/s12209-021-00293-9

＋

本文亮点

1. 从光催化剂带隙与吸收光的波长匹配到光催化剂中电子-空穴对形成的触发因素，再到价带与导带上的氧化还原反应，详细阐述了光催化氧化NO_x的机理并分析了开发高活性光催化剂的关键因素。

2. 基于光催化剂处理NO气体方面，全面综述了TiO₂半导体、铋基化合物、石墨相氮化碳及其配合物和金属有机骨架（MOFs）四个类别中光催化的最新研究进展。

3. 为解决光催化中光生空穴与电子难以分离，导致NO转化率低的问题，介绍了一种涉及在光催化系统上施加外部偏压以进一步提高NO_x的去除效率的光电催化氧化方法及机理。

4.从光催化剂的设计与改性、开发高活性长波长驱动光催化剂或光阳极活性层、NO_x、O₃和VOCs的协同降解三个方面所面临的挑战提出了新的看法。

＋

内容简介

工业革命以来，人类的衣食住行都得到了极大的改善。然而，煤炭和石油等化石燃料的大量消耗导致了氮氧化物（NO_x）的过量排放。排放到大气中的NO_x不仅会引起酸雨、光化学烟雾、PM_2.5等环境问题，还会改变气候，破坏臭氧层。此外，NO_x存在严重损害人的心肺，降低人体免疫系统的危害，使人体易患呼吸道疾病，如咳嗽、眼部炎症、胸闷、恶心、喉咙痛等。因此，消除大气环境中的NO_x及其重要。目前，去除NO_x的解决方案主要有典型的吸附法、选择性非催化还原（SNCR）和选择性催化还原（SCR）。吸附法仅适用于去除燃烧废气中高浓度的NO_x，净化效率高，不产生额外的废液，但是它的运行成本偏高。此外， SNCR或SCR技术通常用于处理高浓度的NO_x，并且它们的效率和经济效益会随着NO_x浓度的降低而降低。因此，这些传统方法无法有效去除大气中低浓度的氮氧化物，尤其是在相对封闭的地方（如城市街道、隧道、地下停车场等公共场所）。

光催化氧化是一种绿色、低成本的NO_x消除方法近年来备受关注，特别适用于常温下空气中低浓度NO_x的处理。通常，该系统中的光催化剂吸收光能并产生分离的电子和空穴，进一步促进NO_x的氧化，对NO_x的去除起到重要的作用。近年来，致力于开发氧化NO_x的高活性光催化剂已经取得了很大进展。在这篇综述中，描述了光催化氧化NO_x的机理和光催化剂的设计原理。根据TiO₂基无机半导体、铋（Bi）基无机半导体、石墨相氮化碳及其配合物、金属有机骨架（MOFs）等类别，综述了光催化剂的最新进展。此外，还总结了光电催化氧化氮氧化物的研究进展。最后，提出了光化学NO_x氧化所面临的挑战以及未来光催化剂发展方向的新见解。

＋

图文导读

图1  NO_x的光催化氧化机理

图2  NO_x氧化光催化剂的分类

图3  (a)Ag NCs修饰的TiO₂的电子转移途径。(b)TiO₂、Ag NCs和Ag NCs/TiO₂对NO光催化氧化的反应曲线。 (c) P25、蓝色TiO₂、蓝色Fe-TiO₂和蓝色Cu-TiO₂的光催化氧化反应曲线。(d)蓝色TiO₂、蓝色Cu-TiO₂和蓝色Fe-TiO₂的禁带宽度。(e)SnO₂ / TNT的结构和光催化氧化NO机理 

图4  (a)叶绿体结构的俯视图。(b)基于碳纳米管具有类叶绿体结构的氧化钛非连续串联结构。(c)样品CT、纯TiO₂和CNT的FT-IR光谱。(d)叶绿体结构的CNTs-TiO₂的光催化氧化NO中电子的传输路径。(e)样品CT（CNTs/TiO₂），f-CT（CNTs-TiO₂的完全封装的核壳结构）和CT-mx（CNT和TiO₂微球的机械混合）的时间分辨瞬态光致发光衰减曲线。(f)紫外光驱动的光催化NO氧化性能

图5  (a-c)未掺杂的Bi₂O₃、Ni-Bi₂O₃-2和Ni-Bi₂O₃-5的SEM图像。(d)Ni-Bi₂O₃微球形成机制的示意图。(e)Bi₂O₃、Ni-Bi₂O₃-2和Ni-Bi₂O₃-5的光催化性能。(f)Ni-Bi₂O₃-5的光催化氧化NO循环稳定性图 

图6  (a)MBWO（单层Bi₂WO₆）纳米片的SEM图。(b)12% BP/MBWO（黑磷和单层Bi₂WO₆）异质结的SEM图。(c)不同样品的光催化氧化NO去除率。(d)12% BP/MBWO的光催化氧化NO循环稳定性图
                              

图7  (a)Bi-HBPO-102的HRTEM图。(b)Bi-MBPO-120的HRTEM图。(c)Bi-HBPO-102和Bi-MBPO-120的光催化氧化NO机理。(d)光照催化剂的NO、NO_x转化率和NO₂选择性。(e)样品的光催化氧化NO去除效率

图8  (a)g-C₃N₄TEM图。(b)超声处理的g-C₃N₄TEM图。(c)MS的SEM图。(d)g-C₃N₄/MS的SEM图。(e)各种样品光催化氧化NO的去除率

图9  (a)g-C₃N₄和(b)N_2C缺乏的g-C₃N₄的计算电子密度差 (EDD) 图。(c)CN、CNT-8、CNT-12和CNT-16在可见光下对NO的去除效率图。(d)光催化氧化NO过程中CNT-12的循环稳定性图           

图10  (a)CuNU7 (Cu-NH₂-UiO-66(Zr))光催化氧化NO的新机制。(b)CuNU7和Cu-NU0（NH₂-UIO-66）对NO光催化氧化的稳定性测试图

图11  (a)CT-25的光电催化氧化NO机制示意图。(b)TiO₂纳米阵列的光电催化氧化NO原理。(c)在紫外光（8 × 4 W LED，365 nm）照射下，具有不同偏压的TF190（TiO₂在190 °C合成）的光电催化氧化 NO反应曲线。(d)不同外加偏压下，TiO₂纳米阵列的反应动力学曲线      

图12 (a)在0.3 V偏压的紫外光照射下，TF190 (70% RH NO, dry NO, 70% RH NO-0.40M H₂O₂，dry NO-0.40M H₂O₂)的光电催化氧化NO去除率。(b)TF190 (70% RH NO, dry NO, 70% RH NO-0.40M H₂O₂，dry NO-0.40M H₂O₂)的反应动力学曲线。(c)TF190 (70% RH NO, dry NO, 70% RH NO-0.40M H₂O₂，dry NO-0.40M H₂O₂)在光电催化氧化NO过程中，NO₂生成与辐照时间的关系                 

＋

通讯作者简介

 张 蝶 青
上海师范大学教授，博导。2010年博士毕业于香港中文大学理学院环境科学专业，后加入上海师范大学资源化学教育部重点实验室工作。主要从事光化学大气污染控制领域研究，共发表SCI论文75余篇，通讯或第一作者论文近45篇，包括Nat.Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Environ.Sci. Technol.等；担任Chinese Chemical Letters编委；曾获上海市自然科学奖一等奖，入选上海市教育系统三八红旗手、上海市青年拔尖人才计划、曙光学者、青年科技启明星，浦江学者等人才计划支持；主持国家优秀青年科学基金、面上及青年项目等。

Transactions of Tianjin University

天津大学学报（英文版)

主编：巩金龙

副主编：张铁锐/Rafael Luque/张强

电话 : [phone]
邮箱：[e-mail]

欢迎投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/transtju

《天津大学学报（英文版）》是由教育部主管、天津大学主办的学术性英文期刊，被EI、Scopus等多家国际著名数据库收录。2018年改版为专业刊，重点刊登能源材料、能源化学与化工领域的原创性、创新性研究成果，包括太阳能利用、产氢与储氢、二氧化碳捕获和转化、燃料电池、电池和超级电容器、催化、煤炭和石油的清洁利用、生物燃料、能源政策等主题。本刊与Springer合作出版，在SpringerLink上全文在线，做到了快速审稿和出版。2016年入选“中国科技期刊国际影响力提升计划”，2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。欢迎大家关注和投稿！

扫描下方二维码即可关注我们~

微信

网站

微博

点击左下角「阅读原文」查看原文

↙↙↙