改性二氧化铈复合材料--制备与光催化性能

社会经济及工业化的迅速发展，在促进了人类社会物质文明进步的同时也带来了不可避免的环境污染问题，尤其是水体污染的问题日益严重。半导体光催化技术可利用太阳能高效降解水体中的有机污染物，是废水处理的有效手段。二氧化铈及其复合材料作为光催化材料已在废水降解领域受到广泛关注，并展现出足够的竞争优势。本书主要介绍二氧化铈及其复合材料的制备方法、光催化性能、降解废水的光催化原理及使用情况。通过构建具有p-n 型异质结、直接Z 型异质结的二氧化铈复合材料，拓宽了其光谱响应范围，促进了光生载流子的分离，有效提高其光催化降解有机污染物的活性。并结合相关的表征手段，阐述了不同复合材料结构和组成对其光催化性能的影响，揭示了结构与性能之间的关系。
本书适宜从事光催化材料以及环境、能源等相关专业的科研人员参考。

陈欢欢，博士，毕业于东北大学，任职于东北大学秦皇岛分校资源与材料学院，高 级实验师。近年来主要从事光催化材料的制备及应用等方面的研究工作。作为项目负责人主持了中央高校基本科研业务费项目 1 项，同时积极参与了国家自然科学基金、河北省自然科学基金等多项科研课题。在本领域权威期刊《Materials Letters》、《Ionics》、《Transactions of Nonferrous Metals Society of China》《有色金属工程》等发表论文近10篇， 申请相关发明专利4项

随着社会工业化的快速发展，含有有机污染物的工业废水被大量排放到水体中，导致当地水体环境的恶化，给人类健康带来威胁。光催化技术能够把太阳能有效地转换为化学能，实现以太阳能为驱动力降解废水中的有机污染物，是解决水体污染问题的理想途径。光催化技术能在温和的条件下实现低浓度有机废水的高效降解，且降解产物一般为二氧化碳、水和无毒的有机小分子，无二次污染产生，因此，受到了国内外研究者的青睐。然而在实际应用中，半导体光催化研究领域还存在许多问题，例如，能够高效吸收可见光的半导体材料仍较稀有，单一组分的半导体光催化剂光生电子-空穴对的分离效率有待提高，量子效率不理想等。这些技术瓶颈制约了光催化技术的实际应用。因此，发掘具有高效且响应可见光的新型半导体光催化材料，以及基于现有半导体催化材料进行改性，以扩大其可见光吸收范围，实现光生电子-空穴对分离效率的提高是目前光催化领域研究的重点问题。
为推动我国光催化材料的发展，帮助高校、企业院所研发，我们撰写了《改性二氧化铈复合材料——制备与光催化性能》一书。全书分为5章。第1章介绍了二氧化铈及其复合材料的制备方法、二氧化铈复合材料的改性方法；第2章主要介绍了制备及表征二氧化铈及其复合材料的原材料、表征及光催化性能测试方法；第3章介绍了采用不同方法制备的二氧化铈光催化剂及其性能和应用；第4、5章介绍了具有不同异质结结构的二氧化铈复合材料，阐述了不同异质结的构筑理念、具体制备方法、光催化降解废水的机理及应用情况，结合各种表征手段，深入浅出地分析了不同异质结促进光生载流子分离的有效途径。
本书对复合材料光催化剂的制备及改性的阐述层次分明，对从事光催化材料以及环境、能源等相关专业的科研人员具有参考价值。编著者有近十年从事光催化材料合成、改性及光催化技术降解水体中有机污染物的研究经验，有光催化材料的结构设计和性能调控的大量实践经历，根据自身的科研经验以及参考了大量国内外相关文献，进行了本书的编写。第1、2、4、5章由陈欢欢（东北大学）编写。第3章由罗绍华（东北大学）、雷雪飞（东北大学）和陈欢欢（东北大学）编写，全书由陈欢欢统一补充修改定稿。
本书的研究工作和编写得到了河北自然科学基金（E2022501030）、中央高校基本科研业务费（2023GFZD03和N2223009）和东北大学秦皇岛分校河北省电介质与电解质功能材料重点实验室绩效补助经费（22567627H）的资助，在此致谢。同时对给予本书启示和参考的文献作者予以致谢。
改性复合材料光催化剂的涉及面广，又是正在蓬勃发展之中，编著者水平有限，难免挂一漏万，不妥之处，敬请专家和读者批评指正。

著者

第1章 绪论 001
1.1 概述 002
1.2 半导体光催化的基本原理及应用 003
1.2.1 光催化的基本原理 003
1.2.2 光催化对有机污染物降解的应用 005
1.3 二氧化铈光催化材料 012
1.3.1 二氧化铈结构 012
1.3.2 二氧化铈基材料的制备方法 013
1.4 二氧化铈光催化材料的改性 018
1.4.1 形貌调控 018
1.4.2 金属元素掺杂 020
1.4.3 异质结的构建 021

第2章 改性二氧化铈的制备与表征 036
2.1 原材料和设备 037
2.1.1 原材料 037
2.1.2 设备 037
2.2 制备方法 038
2.2.1 CeO2 的制备方法 038
2.2.2 CuO/CeO2 复合材料的制备 039
2.2.3 g-C3N4 的制备 039
2.2.4 CeO2/g-C3N4 复合材料的制备 040
2.2.5 CuO/CeO2/g-C3N4 复合材料的制备 040
2.3 材料表征方法 040
2.4 光催化性能测试 042
2.4.1 光催化降解亚甲基蓝溶液性能测试 042
2.4.2 光催化降解苯酚溶液性能测试 043

第3章 微波辅助法制备CeO2 及其光催化性能研究 044
3.1 概述 045
3.2 二氧化铈光催化材料制备 046
3.3 微波界面法制备CeO2 光催化材料的结构特性研究 048
3.3.1 物相及结构分析 048
3.3.2 微观形貌及比表面积分析 049
3.3.3 光学性质分析 055
3.3.4 XPS 分析 056
3.4 微波界面法制备CeO2 光催化材料的光催化性能分析 059
3.5 微波回流法制备CeO2 光催化材料的结构特性研究 063
3.5.1 物相及结构分析 063
3.5.2 微观形貌及比表面积分析 065
3.5.3 光学性质分析 067
3.6 微波回流法制备CeO2 光催化材料的光催化性能分析 068
3.7 CeO2 光催化降解MB 的机理分析 070
3.8 微波界面法与微波回流法制备CeO2 的性能对比 072
3.9 正交试验的设计 074
3.10 单因素优化实验 075
3.10.1 物相及结构分析 076
3.10.2 微观形貌及比表面积分析 077
3.10.3 光学性质分析 079
3.10.4 光催化性能分析 080
3.11 小结 082

第4章 CuO/CeO2 复合材料的制备及其光催化性能的研究 083
4.1 概述 084
4.2 CuO/CeO2 复合材料的制备 085
4.3 CuO/CeO2 复合材料结构特性研究 085
4.3.1 物相及结构分析 085
4.3.2 微观形貌及比表面积分析 087
4.3.3 XPS 分析 091
4.4 CuO/CeO2 复合材料光催化性能与机理研究 093
4.4.1 光催化性能分析 093
4.4.2 光催化机理分析 095
4.5 小结 101

第5章 CeO2/g-C3N4 异质结的构建及其光催化性能的研究 103
5.1 概述 104
5.2 CeO2/g-C3N4 复合光催化材料的制备 105
5.3 CeO2/g-C3N4 复合光催化材料结构特性研究 106
5.3.1 物相及结构分析 106
5.3.2 微观形貌及比表面积分析 108
5.3.3 XPS 分析 114
5.4 CeO2/g-C3N4 复合光催化材料光催化性能及机理研究 116
5.4.1 光催化性能分析 116
5.4.2 光催化机理分析 118
5.5 小结 125

参考文献 127