TixNy团簇结构的密度泛函研究

采用杂化密度泛函方法(B3LYP)和有效核势基组预测了Ti_xN_y (x≤3, y≤2)团簇的结构及稳定性, 并分析了可能存在构型的电子结构. 结果表明Ti₂N中体系的自旋多重度由Ti原子决定. Ti₃N中随着N的配位数增加, N的负电荷增加, 平均每个Ti向N提供约0.3个电子. 从Ti₂N₂可能稳定构型分析, 成键数目越多, 能量上越有利, 且Ti—N键的数目的增加, 将削弱N—N间的成键.     

AlmN2和AlmN2＋ (m＝1～8)团簇结构与稳定性的量子化学研究

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-311G*水平上对Al_mN₂和Al_mN₂^＋ (m＝1～8)团簇的几何构型、电子结构、振动频率和分子轨道进行了理论研究. 结果表明, Al_mN₂类团簇的基态结构有两种基本构型, 一种是以N—N键为核心周围与Al原子相配位形成的, 一种是由两个Al_nN (n≤m/2)分子碎片通过共用Al原子或Al—Al键相互结合形成的. 对Al_nN分子碎片相互结合形成结构的绝热电离能讨论得到, m为偶数的团簇比m为奇数的稳定.     

Cr掺杂对K2La2Ti3O10光催化活性的影响

通过溶胶-凝胶法制备了层状钙钛矿结构的K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂的K₂La₂Ti₃O₁₀，采用X-射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(DRS)、X射线光电子能谱(XPS)等对K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂K₂La₂Ti₃O₁₀进行了表征。以I^-为电子给体、分别在紫外和可见光辐射下研究了K₂La₂Ti₃O₁₀及Cr掺杂K₂La₂Ti₃O₁₀光催化分解水的产氢活性。采用第一性原理，计算了Cr掺杂对K₂La₂Ti₃O₁₀半导体能带结构和态密度的影响，从电子结构的变化揭示了掺杂引起光催化活性差异的原因。结果表明，Cr的掺入能够改善和提高K₂La₂Ti₃O₁₀的光解水的产氢活性；Cr改善和提高K₂La₂Ti₃O₁₀的光解水的产氢活性存在一个最佳的掺杂浓度；当Cr与Ti的物质量的比为0.02∶1时，紫外光催化分解水产氢速率为1 500 μmol·L^-1·h^-1，可见光催化分解水产氢速率为83.6 μmol·L^-1·h^-1，分别为K₂La₂Ti₃O₁₀掺杂改性前产氢速率的26和5倍。     

室温下制备以{211}晶面为主的Ti1-xVxO2薄膜及其可见光催化性能

以金属Ti和V作为靶材,采用直流反应共溅射技术在室温下制备了以{211}晶面为主的锐钛矿相Ti_1-xV_xO₂薄膜,研究了不同V靶功率对Ti_1-xV_xO₂薄膜的薄膜成分、晶相结构和可见光催化性能的影响。研究表明,Ti_1-xV_xO₂薄膜的晶相结构为锐钛矿相,择优取向为(211),而结晶度受V靶功率的影响。随着V靶功率的增加,薄膜中V元素含量逐渐增加,同时,晶粒和沉积速率也逐渐增加。另外,当V靶功率为150W时,薄膜的表面粗糙度值有一个最大值。V的掺杂导致薄膜的能带间隙变窄,对光的吸收向可见光区偏移,从而有效地改善了薄膜的可见光催化能力。当V靶功率为150W时,Ti_1-xV_xO₂薄膜的能带间隙值为2.82eV,其在2h的可见光照射下分解了80%的RhB染料。这被归结于能带间隙窄,高能晶面{211}和结晶度高的共同作用。     

室温下制备以{211}晶面为主的Ti1-xVxO2薄膜及其可见光催化性能

以金属Ti和V作为靶材,采用直流反应共溅射技术在室温下制备了以{211}晶面为主的锐钛矿相Ti_1-xV_xO₂薄膜,研究了不同V靶功率对Ti_1-xV_xO₂薄膜的薄膜成分、晶相结构和可见光催化性能的影响。研究表明,Ti_1-xV_xO₂薄膜的晶相结构为锐钛矿相,择优取向为(211),而结晶度受V靶功率的影响。随着V靶功率的增加,薄膜中V元素含量逐渐增加,同时,晶粒和沉积速率也逐渐增加。另外,当V靶功率为150 W时,薄膜的表面粗糙度值有一个最大值。V的掺杂导致薄膜的能带间隙变窄,对光的吸收向可见光区偏移,从而有效地改善了薄膜的可见光催化能力。当V靶功率为150 W时,Ti_1-xV_xO₂薄膜的能带间隙值为 2.82 eV,其在2 h的可见光照射下分解了80%的RhB染料。这被归结于能带间隙窄,高能晶面{211}和结晶度高的共同作用。     

GamN (m＝1～9)团簇结构与稳定性的量子化学研究

用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法, 在6-31G*水平上对Ga_mN (m＝1～9)团簇的几何构型、电子结构、振动频率等性质进行了理论研究. 给出了将Ga_mN团簇中化学键键型和成键数目的多少与团簇的稳定性相结合, 可以较快找到Ga_mN团簇基态结构的一种方法. 通过对基态结构的能量二次差分讨论, 得到m为奇数的Ga_mN团簇比m为偶数的稳定.     

Pt/K2La2Ti3O10催化剂的合成及其光催化分解甲醇水溶液制氢

用高温固相法合成了具有类钙钛矿型结构的层状化合物K₂La₂Ti₃O₁₀, 用XRD, UV-DRS对其进行表征. 利用不同还原方法制备了Pt/K₂La₂Ti₃O₁₀光催化剂, 并且用脉冲氢氧滴定法(HOT)测定了K₂La₂Ti₃O₁₀表面Pt的分散度. 考察了Pt/K₂La₂Ti₃O₁₀光催化分解甲醇水溶液制氢的活性. 比较了负载Pt与负载Ni和纯的K₂La₂Ti₃O₁₀的光催化活性. 研究了Pt负载量、不同还原方法对光催化分解水制氢反应活性的影响. 在最佳的Pt负载量2%(质量百分比)下, 产氢速率达到233.88 mmol·h^&;#8722;1. 讨论了该催化剂的能带结构及反应机理.     

g-C3N4/CaTi2O5复合材料制备及其光催化性能

利用类石墨氮化碳（g-C₃N₄）和亚稳相钙钛氧化物（CaTi₂O₅）固相法制备C₃N₄/CaTi₂O₅复合材料。利用X射线衍射（XRD）、金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）及附带能谱分析仪（EDS）和N₂吸附-脱附对样品的显微结构和比表面积进行检测分析,并用紫外-可见吸收光度计（UV-Vis）测试了样品的光吸收性能,研究C₃N₄与CaTi₂O₅物质的量之比（n_C3N4/nCaTi₂O₅）对C₃N₄/CaTi₂O₅复合样品的物相结构和微观形貌的影响,同时考察C₃N₄/CaTi₂O₅复合样品在可见光照射下光催化降解罗丹明染料效果。实验结果表明：相比纯C₃N₄和CaTi₂O₅样品,C₃N₄/CaTi₂O₅复合样品在可见光下具有较高的光催化性能,随着n_C3N4/nCaTi₂O₅增加,样品的光催化降解率随之增加而后降低,当n_C3N4/nCaTi₂O₅=1：1时,样品的光催化降解率达到最大值99.5%,并且循环重复利用5次后,样品的光催化剂降解率仍几乎保持不变。复合样品光催化性能提高主要归因于复合能级结构有效地抑制了电子和空穴复合所致。     

Ba0.98Bi0.02(Ti0.9Zr0.1)1-xCuxO3陶瓷的介电性能、弛豫行为与结晶化学特性

采用固相合成法, Bi3+作施主掺杂A位, Cu₂₊作受主掺杂B位, 制备了Ba_0.98Bi_0.02(Ti_0.9Zr_0.1)_1-xCu_xO₃(x=0, 0.01, 0.02, 0.03)陶瓷样品。借助XRD、LCR等研究了该陶瓷的结构与介电性能。结果表明:当x=0.03时, 陶瓷样品出现第二相。通过GULP模拟, 缺陷偶极子的稳定性从低到高依次为:[2Bi_Ba^·+V_Ba"]、[2Bi_Ba^·+Cu_Ti/Zr"]、[Cu_Ti/Zr"+V_O^··], 结合实验可知:介电弛豫程度与晶体中缺陷偶极子的存在形式相关, 其中x=0.01时, 晶体中以[2Bi_Ba^·+Cu_Ti/Zr"]为主。随Cu₂₊掺杂量的增加, 介电常数增加, 介电常数与B位键价和呈反比变化、与八面体BO₆的体积呈正比变化。     

Ce掺杂K2La2Ti3O10催化剂的可见光高效催化制氢的研究

采用高温固相法合成了铈掺杂的K₂La₂Ti₃O₁₀催化剂, 利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对催化剂进行了表征. 考察了催化剂的可见光催化分解甲醇水溶液制氢的活性, 并对可见光催化机理进行了分析. 研究表明, 铈的掺杂没有改变K₂La₂Ti₃O₁₀的微晶结构, 并使催化剂粒径有所减小. 紫外可见漫反射分析表明禁带宽度为2.3 eV左右, 对可见光具有较高吸收. XPS表明La和Ti为＋3和＋4价, 而Ce则是＋3和＋4的混合价态. 担载2 wt% Pt后, 在可见光下光催化活性大大提高, 当铈的掺杂量为0.5 mol%(即Ce取代La的摩尔百分量)时, 光催化活性达到最大, 产氢速率为0.05 mmol/h; 光照5 h后产氢量为0.22 mmol, 而纯K₂La₂Ti₃O₁₀的产氢量只有0.037 mmol.     

Ag-Pd/g-C3N4的制备及在水溶液中选择性氧化苯甲醇

采用硼氢化钠还原法在g-C₃N₄的表面负载Ag和Pd纳米颗粒制备Ag/g-C₃N₄、Pd/g-C₃N₄、Ag-Pd/g-C₃N₄光催化剂.采用能谱仪、X射线衍射、高分辨透射电子显微镜等技术对样品进行表征.结果显示,Ag-Pd/g-C₃N₄复合材料中C、N、Ag和Pd元素的质量百分数分别为22.718%、59.966%、9.132%和8.184%.Ag和Pd纳米颗粒负载在g-C₃N₄表面可提高材料在可见光区域的吸收以及提高苯甲醇的转化率,生成苯甲醛的选择性为85.6%.     

稀土钠钨青铜化合物NaxLayWO3结构与导电性的理论研究

使用密度泛函理论研究了稀土钠钨青铜化合物的结构和导电性质. 在实验晶体结构数据的基础上构建Na_xWO₃和Na_xLa_yWO₃的模型分子, 优化其几何结构, 并与实验值比较. 在此基础上计算了化合物的能带结构和电子能态密度. 通过这些研究探讨当La^3＋取代Na_xWO₃的中心Na^＋后对结构和导电性的影响. 计算结果表明La^3＋的取代并没有改变结构的空间对称性, 但却使晶格参数和体积略有增大; 取代使电子结构发生了变化, 在费米面附近, 能带相互交叠更加密集, 电子出现的几率增加, 从而增加了其导电性. 这可能是掺杂后La^3＋的4f和5d电子的贡献使电子轨道杂化作用增强, 电子云密度分布重排的结果.     

掺氮TiO2可见光降解有机污染物的比较研究

用溶胶-凝胶法制备了不同掺杂量的N/TiO₂复合纳米粉末, 采用X射线衍射(XRD)、扫描透镜(TEM)、紫外-可见反射吸收光谱(UV-vis)对催化剂进行了初步表征. 通过X射线光电子能谱(XPS)、元素分析仪(EA)测定其含氮量. XPS分析结果显示TiO₂晶格中的氧被氮原子取代, N/TiO₂表面存在Ti^3＋离子; 紫外-可见反射吸收光谱测得不同掺杂量的N/TiO₂的禁带宽度(E_g), 推测在TiO₂价带上方生成了由N诱导产生的中间带, 当氮、钛摩尔比为0.0880时N/TiO₂的E_g最小, 为2.50 eV. 在可见光下, 以酸性桃红(SRB)和无色小分子对氯苯酚(4-CP)作为可见光活性实验的探针反应, 确定了最佳掺杂比为n_N/n_Ti＝0.0880. 结果表明, 最佳掺杂量下N/TiO₂能显著降解SRB和4-CP, 通过测定ESR, IR, TOC, COD, 重点比较了TiO₂在掺杂N前后在降解SRB和4-CP时的差异, 包括氧化物种、矿化率、最终产物等, 证明在可见光下, N/TiO₂的降解机理为电子从独立的N 2p轨道激发到Ti 3d轨道, 产生羟基自由基等氧化物种, 达到降解有机物的目的.     

g-C3N4纳米带的电子结构及光学性质的第一性原理计算

采用密度泛函理论的第一性原理方法研究了扶手椅型g-C₃N₄纳米带（AC-g-C₃N₄NRs）和锯齿型g-C₃N₄纳米带（ZZ-g-C₃N₄NRs）的电子结构和光学性质。结果表明：AC-g-C₃N₄NRs和ZZ-g-C₃N₄NRs的边缘H原子均能稳定存在。AC-g-C₃N₄NRs的价带顶主要由多数N原子贡献,而ZZ-g-C₃N₄NRs的价带顶主要由CH边缘附近的N原子贡献。AC-g-C₃N₄NRs的导带底主要属于纳米带一侧边缘或两侧边缘附近的C原子和N原子,而ZZ-g-C₃N₄NRs导带底主要属于ZZ-g-C₃N₄NRs的NH边缘附近的C原子和N原子。AC-g-C₃N₄NRs和ZZ-g-C₃N₄NRs的吸收系数和反射率都随纳米带宽度的增加而增加。随着AC-g-C₃N₄NR宽度的增加,吸收系数在低能区域产生明显的蓝移现象。     

掺氮TiO2可见光降解有机污染物的比较研究

用溶胶-凝胶法制备了不同掺杂量的N/TiO₂复合纳米粉末, 采用X射线衍射(XRD)、扫描透镜(TEM)、紫外-可见反射吸收光谱(UV-vis)对催化剂进行了初步表征. 通过X射线光电子能谱(XPS)、元素分析仪(EA)测定其含氮量. XPS分析结果显示TiO₂晶格中的氧被氮原子取代, N/TiO₂表面存在Ti^3＋离子; 紫外-可见反射吸收光谱测得不同掺杂量的N/TiO₂的禁带宽度(E_g), 推测在TiO₂价带上方生成了由N诱导产生的中间带, 当氮、钛摩尔比为0.0880时N/TiO₂的E_g最小, 为2.50 eV. 在可见光下, 以酸性桃红(SRB)和无色小分子对氯苯酚(4-CP)作为可见光活性实验的探针反应, 确定了最佳掺杂比为n_N/n_Ti＝0.0880. 结果表明, 最佳掺杂量下N/TiO₂能显著降解SRB和4-CP, 通过测定ESR, IR, TOC, COD, 重点比较了TiO₂在掺杂N前后在降解SRB和4-CP时的差异, 包括氧化物种、矿化率、最终产物等, 证明在可见光下, N/TiO₂的降解机理为电子从独立的N 2p轨道激发到Ti 3d轨道, 产生羟基自由基等氧化物种, 达到降解有机物的目的.     

Ti3C2Tx/MnO2正极在水系锌电池中的电化学性能

二氧化锰(MnO₂)材料具有比容量大、电极电位高、储量丰富以及价格低廉等优势,成为水系锌电池正极最受关注的一类材料,然而其仍然存在着结构稳定性差和电化学储存机理复杂的问题。因此,我们通过两步合成法制备了一种花苞状结构的MnO₂负载在Ti₃C₂T_x表面形成Ti₃C₂T_x/MnO₂复合材料,通过X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对复合样品的结构、成分和形貌进行表征。通过将Ti₃C₂T_x/MnO₂复合材料作为正极,与锌负极匹配组装成水系锌电池,研究了其分别在2 mol·L^-1 ZnSO₄、2 mol·L^-1 ZnSO₄+0.1 mol·L^-1 MnSO₄、30 mol·L^-1三氟甲基磺酸四乙基铵(TEAOTf)+1 mol·L^-1三氟甲烷磺酸锌(ZnOTf)和3 mol·L^-1 ZnOTf四种电解液中的电化学性能。结果表明,Ti₃C₂T_x/MnO₂在2 mol·L^-1 ZnSO₄中的比容量较高,但循环稳定性很差。将TEAOTf盐和ZnOTf盐共溶于水中,设计了一种新型的含惰性阳离子的超高浓度盐包水电解液(30 mol·L^-1 TEAOTf+1 mol·L^-1 ZnOTf),不仅提高了Ti₃C₂T_x/MnO₂材料的可逆性,而且有效抑制了电极材料在循环过程中的溶解。     

MoS2/g-C3N4复合材料的制备及可见光催化性能

首先在N-甲基吡咯烷酮溶液中超声剥离得到少层的MoS₂,将其与石墨相氮化碳（g-C₃N₄）复合,制得MoS₂/g-C₃N₄复合材料。采用X射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）,X射线光电子能谱（XPS）,傅里叶变换红外光谱（FTIR）,Raman光谱,紫外-可见漫反射吸收光谱（DRS）和光致荧光（PL）技术对复合材料进行表征。可见光下考察MoS₂/g-C₃N₄复合材料光催化降解罗丹明B（RhB）的活性,结果表明：将少量MoS₂与g-C₃N₄复合可明显提高光催化活性,且1%（w/w）MoS₂/g-C₃N₄复合物的光催化活性最高,可能的原因是MoS₂和g-C₃N₄匹配的能带结构,增大了界面间电荷的传输,降低了光生电子-空穴的复合,进而提高了光催化活性。     

钙钛矿型LaxSr1－xNi1－yCoyO3光电催化活性研究

用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法, 制备La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃复合氧化物的陶瓷粉末, 对钙钛矿氧化物进行了XRD结构分析. 在通氧或不通氧下测试氧还原和氧析出的循环伏安曲线. 结果表明: 该氧电极具有双功能催化特性, 但不完全可逆. 利用汞灯作为激发光源, 进行几种水溶性染料和五种混合染料光解实验, 利用紫外-可见、红外以及人工神经网络光度法研究La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃的催化性能. 结果表明: La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃ (x＝0.7, 0.9, 1; y＝0.3, 0.75)复合氧化物都具有较强光催化特性; La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃的光催化活性高于La_xSr_1－xNiO₃, 这与B位离子(Ni^2—, Co^2－)的电子构型有关; Co^2＋的加入可使La_xSr_1－xNiO₃的光催化活性有所提高.     

锂离子电池用Li4Ti5O12-碳复合材料的制备与电化学性能

Li₄Ti₅O₁₂-C composite was prepared by sol-gel method using ethyl alcohol as solvent, lithium acetate and tetrabutyl titanate as raw materials, and graphite as carbon source. Li₄Ti₅O₁₂-C composites were characterized by thermogravimertric(TG) analysis and differential thermal analysis(DTA), X-ray diffraction(XRD), Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) and electrochemical tests. Results show that Li₄Ti₅O₁₂-C composite with 5% carbon containing can be obtained by annealing the precursor at 600 ℃ for 6 h in N₂ atomsphere. The composites can deliver a specific capacity of 167.1 mAh·g^-1, 99.0% and 105.1% of the capacity can be retained after discharged for 80 times at 0.1C and 2.0C, respectively. Compared with pure Li₄Ti₅O₁₂, Li₄Ti₅O₁₂-C composite shares larger discharge capacity, better cyclability and rate performance.