TiO2提高富碳氮化碳的光生电荷存储性能

氮化碳材料固有的导电性差、电子迁移率低等问题导致高光生电荷复合率,阻碍了其光生电荷存储性能的提高.为此,构建了TiO₂富碳氮化碳共轭聚合物(CPCN)界面异质结,以提高光生电荷分离率.采用具有高比表面积(220.03 m²/g)的TiO₂纳米晶介孔薄膜作为电子传输物质,通过增大TiO₂与CPCN之间的界面面积提高了电极反应活性,促进了光生空穴的高效抽取,获得了197 C/g的光生电荷存储容量.     

FeNi层状双氢氧化物/TiO2复合光催化剂的制备及其制氢性能

层状双氢氧化物(LDH)的光生电子-空穴对易复合,虽然纳米薄片的结构促进了载流子分离,但其光催化效率仍然较低。我们利用LDH薄片结构的优势,将FeNi LDH和TiO₂通过静电自组装复合,设计制备出新型高效的FeNi LDH/TiO₂复合光催化材料,评价了其光催化分解水产氢性能。对其结构、光催化性能和光电化学等进行了详细表征。结果表明,FeNi LDH的高比表面积、复合物的异质结结构都有利于光生电荷的转移。光催化产氢结果表明,FeNi LDH/TiO₂复合材料的产氢速率(22.6mmol·g^-1·h^-1)分别比纯TiO₂(0.1 mmol·g^-1·h^-1)和FeNi LDH(0.05 mmol·g^-1·h^-1)提高了226和452倍,表明了异质结在提高LDH光催化效率方面的重要作用。     

1D/2D TiO2/ZnIn2S4S型异质结光催化剂及其高效制氢性能

通过半导体催化剂利用太阳能分解水制氢被认为是解决人类面临的环境问题和能源危机的有效途径.在众多的半导体光催化剂中,TiO₂由于其良好的光化学稳定性、无毒性、丰富的形貌以及低廉的价格,在光催化制氢领域备受关注.然而TiO₂的内在缺陷,如较宽的带隙、较窄的光响应范围,光生电子空穴对的快速复合,极大限制了其太阳能制氢效率.构建异质结结构被认为是解决以上问题的一个有效方法,通过将TiO₂与另一个半导体复合可以提升催化剂对太阳光的吸收范围,也可降低光生电子空穴对的复合速率.但构建一个成功的异质结结构不仅要满足上述的要求,还需要保留异质结催化剂体系中光生电子和空穴的氧化还原能力.研究表明,S型异质结是将两个具有合适能带结构的半导体进行耦合,由于费米能级的差异,两个半导体间将发生电子转移,从而引起能带弯曲并形成内建电场.光照条件下,具有较弱还原能力的光生电子在内建电场和能带弯曲的作用下与较弱氧化能力的光生空穴复合,实现异质结催化剂体系中各个半导体内部光生载流子有效分离的目标,同时保留了异质结催化剂体系中较强氧化能力和较强还原能力的光生电子和空穴,进而实现光催化活性的提高.本文采用水热合成方法,将具有更强还原能力和可见光响应特性的半导体(ZnIn₂S₄)原位生长在TiO₂纳米纤维表面,构建了1D/2DTiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂.最优比例的TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料表现出优越的光催化制氢活性(6.03mmol/h/g),分别是纯TiO₂和纯ZnIn₂S₄制氢活性的3.7倍和2倍.TiO₂/ZnIn₂S₄复合材料光催化活性的提高可以归因于紧密的异质结界面、光生载流子的有效分离、丰富的反应活性位点以及增强的光吸收能力.通过原位XPS和DFT计算研究了异质结内部光生电子的转移机制.结果表明,在光照条件下电子由TiO₂向ZnIn₂S₄迁移,遵循了S型异质结内部电子的转移机制,实现了TiO₂和ZnIn₂S₄内部光生载流子的有效分离,同时保留了具有较强还原能力的ZnIn₂S₄价带电子和较强氧化能力的TiO₂导带空穴,从而显著提升光催化制氢效率.综上,本文制备的TiO₂/ZnIn₂S₄S型异质结光催化剂很好地克服了TiO₂在光催化制氢领域所面临的诸多障碍,为设计和制备高效异质结光催化剂提供了新的思路.     

集成二维层状CdS/WO3S型异质结及金属化Ti3C2MXene基欧姆结高效光催化产氢

开发低成本的半导体光催化剂以实现可见光下高效、持久的光催化分解水产氢是一个非常具有挑战性的课题.近年来,具有高产氢活性的CdS光催化剂引起了人们的研究兴趣.但是光生电子-空穴对快速复合、反应活性位点不足以及严重的光腐蚀等问题,严重地制约了CdS在光催化领域的实际应用.构建S型异质结和负载助催化剂被认为是促进光生电子空穴分离和加速产氢动力学的有效策略.本文通过在低成本的WO₃和Ti₃C₂MXene(MX)纳米片上生长CdS纳米片,设计并构建了具有二维耦合界面的2D/2D/2D层状异质结光催化剂,以实现高效的可见光光催化分解水产氢.首先通过水热煅烧和刻蚀的方法分别制备了WO₃和MX纳米片,然后以乙酸镉和硫脲为原料在乙二胺溶剂中通过水热法合成了MX-CdS/WO₃层状异质结光催化剂.在可见光下,以乳酸为牺牲剂测试了光催化剂的产氢活性且经过4次连续的循环反应,MX-CdS/WO₃体系展现出良好的活性及稳定性.在可见光的照射下,MX-CdS/WO₃层状异质结光催化剂最高的可见光光催化分解水产氢速率达到了27.5 mmol/g/h,是纯CdS纳米片的11倍.与此同时,在450 nm的光照下,表观量子效率达到了12.0%.为了深入探讨其高效产氢机理,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、原子力显微镜、透射电镜、高分辨电子显微镜等对MX-CdS/WO₃体系的组成和结构进行分析.结果表明,实验成功地合成了CdS,WO₃和MX三种纳米片及其复合材料.通过紫外-可见漫反射光谱研究了样品材料的光吸收能力.通过表面光电压、稳态及瞬态荧光光谱等研究了材料的电荷载流子复合和转移行为,发现MX-CdS/WO₃的光生电子空穴对相比与纯CdS或者二元复合材料具有更高的分离效率.UPS和ESR等表征结果说明,材料内部电场的方向和在光照条件下光生载流子的迁移方向,从而证实了S型异质结和欧姆结的成功构建.综上,在MX-CdS/WO₃光催化剂体系中,S型异质结形成较强的界面电场能够有效促进CdS纳米片与WO₃纳米片之间光生电子-空穴对的分离.同时,二维Ti₃C₂MXene纳米片作为辅助催化剂,通过与CdS/WO₃纳米片构建欧姆结,进而提供大量的电子转移途径和更多的析氢反应活性位点,使得CdS光催化剂的光催化活性和稳定性得到了很大的提升.通过构建S型内建电场、欧姆结和2D/2D界面可以协同提高CdS纳米片的光催化性能,从而加速光生电子在异质结中的分离和利用.本文所采用基于S型异质结与欧姆结基助催化剂之间的耦合策略可以作为一种通用策略扩展到其它传统半导体光催化剂的改性中,从而推进高效光催化产氢材料的有效合成.     

CeO2/TiO2复合纳米纤维的制备及光催化性能研究

采用静电纺丝技术和水热合成法制备了CeO₂/TiO₂复合纳米纤维. 利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和比表面积测定(BET)等分析测试手段对样品的形貌及结构进行了表征, 并以罗丹明B的脱色降解为模式反应, 考察了样品的光催化性能. 结果表明: CeO₂纳米粒子均匀地生长在TiO₂纳米纤维表面, 形成了异质结构的CeO₂/TiO₂复合纳米纤维光催化材料. 通过改变碱源, 可以得到不同形貌的CeO₂. CeO₂的存在增加了TiO₂纳米纤维的比表面积, 有效地实现TiO₂光生电子和空穴的分离, 增强了体系的量子效率, 与纯TiO₂纳米纤维相比光催化活性明显提高. 初步探讨了异质结的形成机理.     

花状CeO2/TiO2异质结的构筑及光催化性能

采用溶剂热法制备了三维花状CeO₂/TiO₂异质结光催化剂,然后以甲基橙(MO)为模拟有机污染物,在氙灯照射下考察了其光催化活性。结果表明,花状结构由纳米片和纳米颗粒复合而成,纳米片上均匀地附着CeO₂颗粒。Ce/Ti的物质的量之比(n_Ce/n_Ti)和溶剂热时间影响异质结的光催化性能,当n_Ce/n_Ti=0.1、溶剂热时间为6 h时,CeO₂/TiO₂的光催化活性达到最佳,氙灯照射50 min的降解率达95%,光催化活性优于纯TiO₂,这主要是CeO₂和TiO₂形成了异质结,有利于光生电子和空穴的分离。     

TiO2/Bi2O3纳米复合体的制备及可见光催化产氢性能

首先采用相分离的水解-溶剂热法制备了Bi₂O₃纳米粒子,然后利用简单的湿化学法在Bi₂O₃表面负载不同比例的TiO₂纳米颗粒,进而得到TiO₂/Bi₂O₃纳米复合体。通过气氛调控的表面光电压谱(SPS)等测试表明,表面负载适量的TiO₂后能够提高Bi₂O₃光生电荷分离。可见光催化产氢和降解污染物测试结果进一步证明,表面负载适量的TiO₂后可显著提高其可见光催化活性,其中Ti/Bi摩尔比为7%时具有最高的光催化活性。这主要归因于TiO₂具有较为合适的导带能级位置,可以接收Bi₂O₃在可见光激发下所产生的高能级电子,从而抑制光生电子-空穴对复合,并且维持了高能级电子较高的还原能力。     

光催化氧化法测定地表水化学需氧量的研究

用溶胶-凝胶法在石英管上制备了纳米TiO₂膜, 并采用光催化氧化法建立了一种测定地表水化学需氧量(COD)的新方法. 以Ce(IV)作为纳米TiO₂光生电子的接受体, 从而减少了纳米TiO₂光生电子和光生空穴的复合, 提高纳米TiO₂的光催化氧化能力. 以测定Ce(IV)的紫外吸收为手段探讨了光催化氧化测定COD的机理, 考察了测定COD的最佳反应条件. 实验结果表明, 该方法条件温和, 不会造成二次污染, 能够实现地表水等低COD值水样的快速准确测定. 在该实验所选择的条件下, 可准确地测定1.0～12 mg?L^－1之间的COD值, 检测限为0.4 mg?L^－1.     

Z型g-C3N4/Pt/TiO2纳米管阵列复合电极的制备及光电氧化甲醇性能

以NH₄Cl为气体模板吹制双氰胺制备g-C₃N₄纳米片, 并将其负载于Pt/TiO₂纳米管阵列(Pt/TiO₂ NTs)上, 制备了一种新型的Z型g-C₃N₄/Pt/TiO₂NTs复合电极材料. 通过扫描电子显微镜、 X射线衍射和X射线光电子能谱对该材料的结构进行了表征, 采用电化学和光电化学方法研究了材料的性能. 研究结果显示, 在可见光照射下, g-C₃N₄/Pt/TiO₂ NTs复合材料具有高效的光电氧化甲醇的性能. 该复合材料的高性能主要归因于以下两点： (1) g-C₃N₄与Pt/TiO₂NTs的结合有效扩展了其在可见光范围的吸收; (2) Z型电荷转移保留了具有强氧化能力的空穴和强还原能力的电子, 从而使光生中间体作用于电催化过程增强了甲醇氧化效率.     

三维网状Dy3+:YVO4/TiO2复合纤维的制备及光催化产氢性能

以电纺TiO₂纳米纤维为基质, 柠檬酸为软模板, 采用一步水热法制备了具有三维立体网状结构的稀土Dy ³⁺掺杂YVO₄/TiO₂复合纤维. 通过X射线衍射、 扫描电子显微镜、 X射线光电子能谱、 N₂吸附-脱附、 紫外-可见漫反射光谱及荧光光谱等手段对材料的组成、 表面形貌和性能进行表征, 以光分解水产氢实验考察其光催化活性. 结果表明, Dy ³⁺∶YVO₄纳米枝与TiO₂纳米纤维相互交联构筑的纳米纤维网具有大比表面积, 可提供更多活性位点, 改善了多相光催化反应的传递过程; 稀土Dy ³⁺掺杂的YVO₄与TiO₂复合形成异质结相互促进, 在拓宽光谱响应范围、 提高太阳光利用率的同时使光生电子-空穴对得到较好分离, 从而提高了样品的光催化活性. 模拟太阳光照射下, Dy ³⁺∶YVO₄/TiO₂复合纤维光催化产氢速率达到8.63 mmol· h ^-1·g ^-1, 是纯TiO₂纳米纤维的10倍.     

Synthesis of Thin Bi9O7.5S6 Nanosheets for Improved Photodetection in a Wide Wavelength Range

Bismuth-based compounds possess layered structures with a variety of stacking modes, endowing the compounds with diverse properties. As one type of bismuth oxysulfides, Bi₉O_7.5S₆ nanocrystals has great applications in photodetection; however, the responsivity of bulky Bi₉O_7.5S₆ is limited due to the poor charge separation. Herein, single-crystalline Bi₉O_7.5S₆ thin nanosheets are successfully synthesized by using a solvothermal method. The thickness of the obtained Bi₉O_7.5S₆ nanosheets is down to 15 nm and can be easily tuned by varying the reaction period. Moreover, the Bi₉O_7.5S₆ nanosheets show strong light absorption in the visible and near infrared range, making it a promising candidate in optoelectronics. As a demonstration, the thin Bi₉O_7.5S₆ nanosheets are used as active layer in an optoelectronic device, which exhibits sensitive photoelectric response to light in a wide range of 400–800 nm. The responsivity of the device reaches up to 1140 μA W⁻¹, and the performance of the device is stable after long-period illumination. This work demonstrates a great potential of the thin Bi₉O_7.5S₆ nanosheets in optoelectronic devices, and these nanosheets may also be extended to various optoelectronic applications.     

纳米石墨薄片/聚吡咯复合材料的制备及导电性能

膨胀石墨经过超声处理制备了纳米石墨薄片。以其为导电填料，对甲苯磺酸为掺杂剂，FeCl₃·6H₂O为氧化剂，引发吡咯单体发生原位聚合，制备出纳米石墨薄片/聚吡咯(NanoGs/PPy)复合材料。利用红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征了材料的组成和结构。结果表明，石墨薄片被聚吡咯完全包覆；并且以纳米级尺寸分散在聚吡咯基体中。热失重(TG)分析和电导率测试结果表明，复合材料的耐热性能和导电性能较纯聚吡咯有所提高。     

低氧掺杂纳米石墨片的制备及其电化学性能

采用一种新颖的物理方法——磁力研磨法制备石墨片纳米材料,该方法能够高效的将初始鳞片石墨剥离破碎至纳米级别。研究发现,制备得到的纳米石墨片(Graphite nanosheet)具有一定的含氧官能团,并且随研磨时间增加,其比表面积可增加至804 m²·g^-1。电化学性能测试结果表明,在0.1 A·g^-1的电流密度下,最大比电容量可达到266.8 F·g^-1,体现出了良好的电化学性能。     

PdFe Ultrathin Nanosheets for Highly Sensitive Detection of Nitrite

PdFe ultrathin nanosheets (NSs) were prepared by one‐step hydrothermal route. PdFe NSs showed superior catalytic activity towards the oxidation of nitrite due to the large surface area of 2 dimensional (2D) nanostructure and the synergetic effect between Pd and Fe. A sensitive and selective electrochemical nitrite sensing platform was designed base on PdFe NSs and the amperometric technique. The limit of detection (LOD) was found to be 0.12 μM (S/N=3), with a linear relationship between nitrite concentration and response current in the range of 1–160 μM. The nitrite sensor was applied to analysis of nitrite in tap water and sausage successfully.     

Polysilsesquioxane Nanosheets Synthesized in Confined Environment

Polysilsesquioxane nanosheets with a thickness of four nanometers and lateral dimensions of several hundreds of nanometers were synthesized by polymerization of a trifunctional monomer in the layer space of montmorillonite as the confined environment.

AFM image of a polymethylsilsesquioxane nanosheet.     

ZnSe纳米片晶的可控合成

以乙二胺四乙酸(EDTA)为稳定剂、丁胺(BA)为结构导向模板, 采用水热合成方法制备了尺寸和晶型可控的ZnSe纳米片晶; 利用XRD, TEM, SEM以及紫外-可见漫反射等手段对所得的产物进了表征, 结果表明, 通过改变水热温度和BA用量, 可以实现ZnSe纳米片晶的大小和物相的调控, 并初步分析了其形成过程.     

低氧掺杂纳米石墨片的制备及其电化学性能

采用一种新颖的物理方法——磁力研磨法制备石墨片纳米材料,该方法能够高效的将初始鳞片石墨剥离破碎至纳米级别。研究发现,制备得到的纳米石墨片(Graphite nanosheet)具有一定的含氧官能团,并且随研磨时间增加,其比表面积可增加至804m~2·g~(-1)。电化学性能测试结果表明,在0.1 A·g~(-1)的电流密度下,最大比电容量可达到266.8 F·g~(-1),体现出了良好的电化学性能。     

Facile synthesis and photoelectrochemical performance of the bush-like ZnO nanosheets film

Bush-like ZnO nanosheets film is fabricated on conductive transparent oxide substrates using a facile hydrothermal method without any surfactant or further heat treatment. The morphology, structure and photoluminescence property of the products are characterized in detail. The ZnO nanosheets are composed of numerous grains with the 5 nm average diameter, and most of the sheets present the relative uniform arrangement. These nanosheets construct a porous network which is favorable for the photoelectrochemical properties and applications in dye-sensitized solar cells. The photoelectrochemical performances of the bush-like ZnO nanosheets film are investigated, and a high open-circuit voltage of 0.69 V is achieved.     

硅纳米片负载钯催化剂的制备及其催化Suzuki反应研究

通过硅化钙在酸性条件下水解制得二维硅纳米片载体材料,经3-氨丙基三乙氧基硅烷化学改性后与钯配位,再经还原得到了一种新型的硅纳米片负载钯催化剂,采用透射电镜和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等手段对其进行了表征.并将该催化剂成功应用于Suzuki反应,结果表明,硅纳米片负载钯催化剂在较低的钯催化量和空气氛围下即可有效地催化多种溴代芳烃和芳基硼酸的Suzuki偶联反应.此外,该催化剂经8次循环使用后,催化活性无明显下降.     

低温水热前驱物技术制备单晶PbS纳米片

以层状的铅(Ⅱ)-硫脲配合物为前驱体，在130 ℃反应12 h水热分解得到高产量的半导体单晶PbS二维纳米片，产品用XRD、TEM、SEM、ED、XPS进行了表征，单晶PbS纳米片的二维尺寸为0.6～3 μm，厚度为2～4 nm，沿着ab平面生长。紫外吸收光谱和光致发光光谱表明二维PbS纳米片的量子尺寸效应非常显著。对可能的生长机理进行了探讨。