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| 內容簡介： |
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《锡酸锌基材料的表面改性及光催化应用》专注于改性锡酸锌基光催化剂高效治理挥发性有机化合物和氮氧化物方面的研究，《锡酸锌基材料的表面改性及光催化应用》共分5章。第1章为绪论；第2章全面概述锡酸锌基光催化剂及其表面改性的研究现状；第3章深入探讨锡酸锌基材料的合成条件控制及其光催化机制；第4章聚焦元素掺杂改性的锡酸锌基材料及其光催化活性提升机制；第5章详细阐述锡酸锌基异质结材料及其光催化作用机制。
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目录第1章 绪论 11.1 概述 11.1.1 “双碳”目标提出的背景 11.1.2 现存的环境问题及治理技术 21.2 光催化技术 31.2.1 光催化作用原理 41.2.2 光催化研究进展 51.2.3 目前的研究难点与痛点 61.2.4 涉及的关键科学问题 61.3 锡酸锌基光催化剂的研究进展 71.3.1 锡酸锌的晶体结构和性质 91.3.2 ZHS的晶体结构和性质 101.3.3 锡酸锌基光催化材料的合成方法 111.4 锡酸锌基材料的应用 131.4.1 环境净化 141.4.2 能源转化 141.4.3 卫生医疗 151.4.4 其他领域 16参考文献 16第2章 锡酸锌基光催化剂及其表面改性 242.1 概述 242.2 改性策略 272.2.1 外来元素掺杂 272.2.2 引入缺陷 312.2.3 半导体异质结构建 322.2.4 形貌调控 362.2.5 单质负载（贵金属沉积） 372.3 现存的改性难点 38参考文献 39第3章 锡酸锌基材料的合成条件控制及其光催化机制 463.1 不同水热温度合成三元活性位点修饰的ZHS及其光催化氧化C6H6性能研究 463.1.1 概述 463.1.2 实验 473.1.3 结果与讨论 493.1.4 小结 663.2 微波水热法合成ZHS光催化剂去除混合VOC性能研究 673.2.1 概述 673.2.2 光催化剂的制备 673.2.3 结果与讨论 683.2.4 小结 823.3 不同物质的量比矿化剂合成ZSO优化可见光催化性能研究 823.3.1 概述 823.3.2 光催化剂的制备 833.3.3 结果与讨论 843.3.4 小结 94参考文献 94第4章 元素掺杂改性的锡酸锌基材料及其光催化活性提升机制 1024.1 掺杂S2？诱导自适应双阴离子缺陷ZHS的高效光催化活性研究 1024.1.1 概述 1024.1.2 实验 1034.1.3 结果与讨论 1074.1.4 小结 1234.2 Al掺杂和OV协同促进ZHS对C7H8的光催化氧化性能研究 1234.2.1 概述 1234.2.2 光催化剂的制备 1244.2.3 理论计算模型 1244.2.4 结果与讨论 1254.2.5 小结 1384.3 Br掺杂ZSO及构建表面OV用于高效稳定去除NOx的性能研究 1384.3.1 概述 1384.3.2 研究现状 1394.3.3 实验 1404.3.4 结果与讨论 1424.3.5 小结 1554.4 Mo掺杂和OV协同修饰ZSO显著提高HCHO光催化效率研究 1564.4.1 概述 1564.4.2 光催化剂的制备 1574.4.3 光催化剂的表征 1574.4.4 结果与讨论 1584.4.5 小结 1734.5 Mg和OV协同改性ZSO用于提高光催化氧化NO的性能研究 1734.5.1 概述 1734.5.2 结果与讨论 1754.5.3 小结 1884.6 Ba掺杂协同OV共修饰ZSO用于光催化氧化去除NO的性能研究 1884.6.1 概述 1884.6.2 光催化剂的制备 1894.6.3 光催化剂的表征 1894.6.4 结果与讨论 1904.6.5 小结 2044.7 Bi纳米粒子和OV协同修饰ZSO的可见光催化性能研究 2044.7.1 概述 2044.7.2 光催化剂的制备 2054.7.3 光催化剂的表征 2064.7.4 光催化活性评价 2064.7.5 DFT模拟计算 2074.7.6 基于原位DR-FTIR测试的光催化氧化NO过程研究 2084.7.7 结果与讨论 2094.7.8 小结 224参考文献 224第5章 锡酸锌基异质结材料及其光催化作用机制 2365.1 OV修饰SnO2 QD和锡酸锌基异质结的超快载流子动力学体系用于NO深度光催化的研究 2365.1.1 概述 2365.1.2 实验 2375.1.3 结果与讨论 2395.1.4 小结 2535.2 石墨烯诱导的可见光响应的Z型光催化剂SnO2-ZSO的表面空位研究 2545.2.1 概述 2545.2.2 实验 2555.2.3 结果与讨论 2565.2.4 小结 2665.3 含氧缺陷AlOOH/ZHS异质结光催化C7H8的性能研究 2675.3.1 概述 2675.3.2 实验及理论计算 2675.3.3 结果与讨论 2695.3.4 小结 2835.4 双Ⅱ型SnO2@ZnS-ZHS异质结中建立内部电场以实现高效NO光催化性能的研究 2845.4.1 概述 2845.4.2 实验 2865.4.3 结果与讨论 2885.4.4 小结 306参考文献 306
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第1章 绪论 1.1 概述 1.1.1 “双碳”目标提出的背景 随着全球气候变化的加剧和环境污染问题的日益严重，国际社会越来越关注如何减少碳排放。多国政府和科研机构提出了“双碳”目标—碳达峰和碳中和，旨在应对全球气候变化和环境恶化的挑战（苍岚等，2021；李雪威和李佳兴，2022；郑军和刘婷，2023）。这一目标强调在减少化石燃料使用的同时，通过采用清洁能源、提高能源效率及减少温室气体排放来降低碳排放量（黄厔等，2023；牟春华等，2023；张丽媛，2023）。“双碳”目标的实施对于推动环境保护和可持续发展具有深远的意义。 *先，“双碳”目标对全球气候变化的应对具有重要意义。全球气候变化是一个跨国界问题，其影响广泛，从生态系统的破坏到极端天气事件的增加（何霄嘉，2023；隋广军等，2023；王超，2023；庄贵阳和王思博，2023），需要各国共同努力来解决。通过实现“双碳”目标，可以减少全球温室气体排放，降低全球气候变化的速度，减少极端天气事件的发生。这有助于保护地球的生态系统，维护全球生态平衡。“双碳”目标的实现也为各国创造了新的经济增长机遇，推动清洁能源产业的发展。其次，“双碳”目标对各国来说具有重要的意义。各国通过实现“双碳”目标，可以减少温室气体排放，改善环境质量，提高人民的生活质量（崔兴华，2022；欧阳康，2022；吴晗等，2022）。通过推动清洁能源的发展，各国可以减少对进口能源的依赖，提高能源安全性。“双碳”目标的实现还可以促进技术创新和产业升级，提升国家的竞争力。与此同时，通过减少碳排放，各国可以积极履行应对气候变化的国际责任，为全球环境治理作出贡献。再次，“双碳”目标对个人来说具有重要的意义。个人的生活方式和行为习惯直接影响碳排放量。通过改变个人的能源消费方式，如选择乘坐公共交通、使用节能设备、减少浪费等，可以减少个人的碳足迹。个人的积极参与和行动对于实现“双碳”目标具有重要作用（李忠等，2022；何沭纬等，2023；张军锋和宋晓昭，2023）。每个人都应该意识到自己的行为对环境的影响，积极采取行动，推动可持续生活方式的发展。*后，“双碳”目标对后代来说具有重要的意义（何蕾，2022；赵宇，2023）。通过实现“双碳”目标，我们可以为下一代创造更好的生活环境。保护地球的生态系统，减少污染和破坏，确保后代能够享受到清洁的空气、干净的水资源和健康的自然环境。“双碳”目标的实现也为后代留下了可持续发展的基础，为他们创造更多的机会和可能性。 因此，“双碳”目标的提出是为了应对全球气候变化和环境恶化的挑战（乐媛，2022；祁兴月，2022；李爱军和张入川，2023；刘任欢，2023）。“双碳”目标对世界、国家、个人和后代来说都具有重要的意义。通过减少温室气体的排放，推动清洁能源的发展，可以保护地球生态系统，改善环境质量，提高生活质量。我们每个人都应该积极参与，为实现“双碳”目标作出贡献，共同创造一个可持续发展的未来。 1.1.2 现存的环境问题及治理技术 环境问题给人类带来的伤害是不可忽视的。当前存在的环境问题包括空气污染（Griffiths and Mudway，2018；Contestabile，2019；Brauer et al.，2021）、水资源短缺（Wigginton，2016；Di Baldassarre et al.，2018；Fu et al.，2023）、土壤退化（Coban et al.，2022；Hofer，2022）、生物多样性丧失（Chase et al.，2020；Roe et al.，2023）等，这些问题对人类的健康和生活质量造成了严重影响。为了解决这些环境问题，有许多治理技术被提出并得到应用。 空气污染是一个全球性的环境问题。工业和交通运输等活动释放出大量的有害气体和颗粒物，使空气质量下降。治理技术主要包括使用清洁能源替代化石燃料、加强工业排放控制、改善汽车尾气排放等。例如，采用零排放的电动汽车可以减少尾气排放的污染。此外，建设空气净化设施和推广室内空气净化器也是有效的治理方法。水资源短缺也是一个严重的环境问题。随着人口增长和经济发展，水资源供需矛盾日益突出。治理技术主要包括节约用水、提高水资源利用效率和水资源管理等。例如，推广节水设备和技术，加强水资源管理与保护，提高废水处理和再利用水的能力，可以减轻对水资源需求的压力。土壤退化是一个普遍存在的环境问题。土壤退化主要包括土壤侵蚀、盐碱化和土壤污染等，对农业生产和生态系统造成了严重影响。治理技术主要包括改良土壤结构、合理利用化肥和农药、推广有机农业等。例如，通过合理耕作、植被恢复和水土保持措施，可以减少土壤侵蚀和水土流失问题。生物多样性丧失是另一个全球性的环境问题。生物多样性丧失会导致生态系统的破坏，影响生态平衡和人类生存。治理技术主要包括保护自然生态系统、采取合理的资源开发和利用方式、加强物种保护等。例如，建设自然保护区和野生动植物保护区，禁止非法砍伐和盗猎行为，推行可持续的渔业和林业管理，进而保护生物多样性。 总之，环境问题给人类带来了严重的伤害。空气污染、水资源短缺、土壤退化、生物多样性丧失等问题严重影响了人类健康和生活质量。为了解决这些问题，相关的治理技术应运而生。通过使用清洁能源、加强排放控制、改善水资源利用效率、推广有机农业和加强生物保护等措施，可以有效解决环境问题，保护生态环境，实现可持续发展。 现有的环境治理技术在解决环境问题方面发挥着重要作用，但也存在一些缺点和劣势。*先，现有治理技术在实施成本方面存在一定的压力（Wu et al.，2018；Chen et al.，2023）。许多环境治理技术需要大量的投资和资源，如建设污水处理厂、净化设备等，这对于一些欠发达地区和发展中国家来说可能是一个巨大的负担。这导致一些地区环境治理工作的滞后和困难。其次，大部分环境治理技术的效果可能不够理想。尽管现有的治理技术在一定程度上可以减少环境污染和资源消耗，但有些问题仍然难以解决。例如，对于严重的土壤退化和水资源短缺问题，现有技术的效果可能有限。某些环境问题的治理需要长期的努力和综合的措施，不能完全依靠一种技术手段。再次，环境治理技术的推广和普及面临一些困难（李霞，2018；杨晓龙等，2020；林弋筌和王镝，2021）。例如，缺乏专业技术人员和技术培训，技术转让难，一些利益相关方对改变现状存在抵触情绪等。这些问题限制了治理技术的普及和推广，导致环境问题得不到有效解决。*后，环境治理技术的可持续性也是一个问题。现有的治理技术在短期内能够解决一部分环境问题，但长期来看，其可持续性存在一定的挑战。例如，使用清洁能源替代化石燃料可以减少空气污染，但清洁能源的供应和利用也存在一定的限制。治理技术的可持续性需要考虑资源和能源的长期供应，以及对技术的不断创新和改进。 综上所述，现有的环境治理技术在解决环境问题方面发挥着重要作用，但也存在一些缺点和劣势。成本高、技术效果不理想、推广困难及可持续性问题都是需要解决和改进的方面。为了更好地应对环境问题，需要加大研发投入，提高技术水平，并采取综合措施，促进技术的推广和应用，实现可持续的环境治理。 1.2 光催化技术 相比于传统的治理技术，光催化技术在解决环境问题和弥补现有技术的不足方面具有巨大潜力。光催化是一种利用光能和催化剂来加速化学反应的技术。这种技术在环境治理领域有着广泛的应用前景，并且具有众多优势（Xiao et al.，2019；Gan and Lei，2022；Qiu et al.，2021；Yang et al.，2023a）。*先，光催化技术具有高效的能量利用率。在可见光或紫外线（ultraviolet ray，UV）激发下驱动光催化反应，光催化剂吸收光能后产生活性中间体，从而促进有害物质的降解。与传统的治理技术相比，光催化技术能够更充分地利用光能，提高反应效率。其次，光催化技术具有广泛的适用性。光催化技术能够有效降解和去除气体污染物及水污染物，可以应用于大气净化、水处理、有机废物降解等多个领域。此外，光催化技术对不同种类的有害物质具有一定的适应性，能够针对性地处理各种环境问题。再次，光催化技术具有较低的运营成本。相比于其他环境治理技术，光催化技术所需的设备和催化剂成本相对较低。此外，光催化反应通常在常温下进行，不需要额外的能源消耗，这进一步降低了运营成本。因此，光催化技术在大规模应用中具有较好的可行性。*后，光催化技术对环境的影响较小。与传统的化学物理处理方式相比，光催化技术不会产生新的有害物质。催化剂通常是可再生和环境友好的材料，不会对环境造成二次污染。光催化技术的应用不仅能够解决环境问题，而且能够保护环境和生态系统的健康。因此，光催化技术是一种有潜力的环境治理技术（Chen et al.，2019a；Ma et al.，2021），具有高效能量利用、广泛适用性、低运营成本和环境友好等优势。在克服现有技术的缺点和改善环境质量方面，光催化技术具有重要的作用和意义。然而，为了更好地应用和推广光催化技术，还需要进一步研究和改进光催化技术，不断提高其稳定性和可持续性。 1.2.1 光催化作用原理 光催化技术的核心原理是利用光能和催化剂来加速化学反应（Liu et al.，2020；Zhang et al.，2021；Dong et al.，2023）。在光催化反应中，光能的吸收会激发催化剂，催化剂则通过激发产生的活性中间体来促进有害物质的降解。 *先，光催化反应需要选择合适的光源。通常使用的光源包括可见光和紫外线。其中，可见光波长范围广，能够被大部分半导体光催化剂吸收和利用。紫外线波长较短，能够激发更多的催化剂，但利用效率较低。因此，在实际应用中，通常根据需要来选择合适的光源。其次，光催化反应需要选用合适的催化剂。常用的催化剂包括二氧化钛（TiO2）、类石墨相氮化碳（g-C3N4）、氧化锌（ZnO）、铁酸铋（BiFeO3）、锡酸锌（Zn2SnO4）等。这些催化剂具有良好的光催化性能，能够将光能转化为活性中间体，从而促进有害物质的降解。此外，催化剂的表面特性也对光催化反应起到重要作用。例如，光催化反应主要发生在催化剂的表面上，因此，催化剂的比表面积和结构对反应效率具有重要影响。在光催化反应中，光能的吸收会激发催化剂，从而产生活性中间体。这些活性中间体可以是激发态的催化剂、氧化还原反应的中间产物或自由基等，具有较高的反应活性，能够与有害物质发生化学反应，将其降解为无害物质。例如，光催化反应可以将有机废物氧化为二氧化碳（CO2）和水（H2O），将无机污染物还原为无毒的金属离子。需要注意的是，光催化反应是一个复杂的过程，涉及光吸收、电子传递、表面反应等多个步骤。因此，在设计和优化光催化系统时，需要考虑光源、催化剂、反应条件等多个因素的综合影响。图1-1展示了Zn2SnO4-g-C3N4对罗丹明B（rhodamine B，RhB）和对硝基苯酚（p-nitrophenol，PNP）的降解机理（赵春美，2017），其对RhB的光催化降解效率为99.69%，对PNP的光催化降解效率达96.75%。 图1-1 Zn2SnO4-g-C3N4降解RhB和PNP的机理图 CB指导带（conduction band）；VB指价带（valence band） 光催化的原理是利用光能和催化剂来加速化学反应。通过选择合适的光源和催化剂，光催化反应能够产生活性中间体，从而促进有害物质的降解。这种技术在环境治理中具有广阔的应用前景，但在实际应用中仍需进一步的研究和优化，以提高反应效率、选择性和稳定性。 1.2.2 光催化研究进展 光催化技术在环境治理和能源领域的应用前景广阔，近年来，在研究和应用方面取得了重要的突破和飞速的发展。一方面，研究人员对光催化材料的结构和性能进行了深入研究。他们通过调控催化剂
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