四氧化三锡基光催化纳米材料的研究进展

doi:10.7503/cjcu20210001

摘要/Abstract

摘要：

半导体光催化技术实现了太阳能向化学能的转化, 旨在解决日益严重的能源和环境问题, 达到可持续的能源利用. 由于大的比表面积和更多的表面缺陷, 纳米尺寸的催化剂表现出比块状材料更大的潜力. 目前, 四氧化三锡纳米材料因其生态友好和含量丰富而受到关注, 同时其具有合适的带隙(2.5~2.8 eV), 是一种极具潜力的新型可见光光催化剂. 本文综述了四氧化三锡基光催化纳米材料的最新研究进展, 从材料改性和应用两方面进行了阐述, 并展望了其未来发展方向, 为开发新型高效的四氧化三锡基纳米材料提供了指导.

关键词: 四氧化三锡, 光催化, 光电催化, 传感, 纳米材料

Abstract:

Semiconductor photocatalytic technology has realized the conversion of solar energy to chemical energy， aiming to solve the increasingly serious energy and environmental problems and achieve sustainable energy utilization. Nano-sized catalysts show greater potential than bulk materials due to large specific surface areas and more surface defects. At present， tin oxide（Sn₃O₄） nanomaterials have attracted attention due to the ecofriendly and earth-abundant features. Meanwhile， Sn₃O₄has the suitable band gap（2.5—2.8 eV） and is a new type of visible light photocatalyst with great potential. This article reviews the latest research progress of Sn₃O₄-based photocatalytic nanomaterials， and comprehensively expounds the material modification and application， which is conducive to the future development of new and efficient Sn₃O₄-based nanomaterials.

Key words: Sn₃O₄, Photocatalysis, Photoelectrocatalysis, Sensor, Nanomaterials

中图分类号:

O643.3

TrendMD:

杨瑞琪, 于欣, 刘宏. 四氧化三锡基光催化纳米材料的研究进展. 高等学校化学学报, 2021, 42(5): 1340.

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图/表 19

Fig.2 Band structures of SnO2, SnO and Sn3O4 relative to rutile TiO2

Fig.3 Schematic diagram of Sn3O4 semiconductor photocatalysis mechanism

Fig.4 SEM images of Sn3O4 with different morphologies of nanoplates(A)[9], flower?like nanostructures(B)[10], nanosheets(C)[17], nanobelts(D)[21], microballs(E)[22] and nanowires(F)[23](A) Copyright 2014, American Chemical Society; (B) Copyright 2014, Royal Society of Chemistry; (C) Copyright 2015, Springer Nature; (D) Copyright 2010, Elsevier; (E) Copyright 2019, Elsevier; (F) Copyright 2020, Elsevier.

Fig.7 TEM image of Sn/Sn3O4-x(A) and EPR spectra of Sn3O4 and Sn/Sn3O4-xat room temperature(B)[30], TEM image NaNbO3?Au?Sn3O4(C) and possible photocatalytic degradation principle and process of NaNbO3?Au?Sn3O4 photocatalyst under sunlight irradiation(D)[31](A, B) Copyright 2020, Springer Nature; (C, D) Copyright 2020, Elsevier.

Fig.8 TEM image of PANI/Sn3O4 hybrid(A), photocatalytic performance of PANI/Sn3O4 composite with different PANI mass ratios on RhB dye degradation(B), schematic representation of the photocatalytic mechanism(C)[37]Copyright 2019, Royal Society of Chemistry.

Fig.9 TEM images of Sn3O4 /N?TiO2(A)[39] and Sn3O4 /C3N4(C)[40], schematic diagram of Janus type Sn3O4 / N?TiO2(B)[39] and Z type Sn3O4 /C3N4 heterojunction photocatalytic reaction(D)[40](A, B) Copyright 2015, Royal Society of Chemistry; (C, D) Copyright 2018, Elsevier.

Table 1 Summary of the photoluminescence decay time(τ) and their relative amplitude(f) in the samples from the time-resolved PL spectra in Fig.10(B) by biexponential decays

Sample	Decay time/ns		Relative amplitude(%)		Average lifetime/ns
Sample	τ₁	τ₂	f₁	f₂	τ^*
Sn₃O₄	1.41	26.12	23.85	76.15	25.71
Sn₃O₄/rGO	1.02	28.16	12.24	87.76	28.02

Fig.11 Graphical representation of the preparation of the Sn3O4 nanosheet/Ni foam heterostructure(A), SEM images of Sn3O4 nanosheet/Ni foam heterostructure(B, C), schematic diagram of photoelectrocatalysis(D), schematic diagram of photogenerated carrier separation(E), band alignment of the Sn3O4 nanosheet/Ni foam heterostructure(EF: the Fermi level)(F)[46]Copyright 2019, Elsevier.

Fig.12 Schematic illustration of preparation, characterization of morphology and photocatalytic performance and schematic diagram of photocatalytic mechanism of Ag@AgCl/Sn3O4 photocatalysts[47]Copyright 2020, Elsevier.

Fig.13 Schematic diagram of the formation for SiNWs/Sn3O4 nanocomposites(A), SEM image of SiNWs/Sn3O4 nanocomposites(B), schematic diagram of electron transfer in the SiNWs/Sn3O4(C), the photographs of H2 generation on Pt counter electrode（D） and photoelectrocatalytic H2 generation of SiNWs and SiNWs/Sn3O4 photoanode(E)[49](D) Off light condition(left) and on light condition(right); SiNWs/Sn3O4 hierarchical heterostructured array is used as working electrode for photoelectrocatalytic water splitting. Copyright 2019, Elsevier.

Fig.14 TEM image of Sn3O4 /GQD(A), photocatalytic activity assessment: photocatalytic H2 evolution from Sn3O4, Sn3O4 /rGO and Sn3O4 /GQD(B), schematic model for the photocatalytic process of the Sn3O4 /GQD planar nano?heterojunction under visible light(C)[52]Copyright 2018, American Chemical Society.

Fig.15 Schematic representation of the synthetic procedure leading to Sn3O4 /PPy heterostructure(A), H2 photo?evolution amount within 5 h(B), schematic diagram of the plausible mechanism for H2 photo?evolution reaction catalyzed by Sn3O4 /PPy composite(C), schematic representation of energy?level diagram showing electron transfer paths from Sn3O4 to PPy(D)[55]Copyright 2020, Elsevier.

Fig.16 Sensor signal of the three tin oxide nanobelts compositions for 6.4×10-5 g/L of NO2, H2, CO and CH4 at 200 ℃(A)[63], schematic energy band diagram of SnO?Sn3O4 heterostructure(B)[64], schematic energy band diagram of SnO2?Sn3O4 heterostructure(C)[65](A) Copyright 2015, Elsevier; (B) Copyright 2020, Royal Society of Chemistry; (C) Copyright 2019, Elsevier.

Fig.18 SEM image of Sn3O4/carbon fiber paper(A), schematic illustration of a self?powered PEC?type detector(B), photocurrent response under on/off cycling at 0 V(vs. Ag/AgCl) for incident intensity equal to 30, 60, 90, and 120 mW/cm2(C), degradation efficiency with irradiation time under visible?light irradiation and photograph of the color change of RhB during the photodegradation process(inset)(D), positions of the band gap for Sn3O4(E)[70]Copyright 2017, American Chemical Society.

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