CdS/FeP复合光催化材料界面结构与性质的理论研究

构建同质异相或异质结构是提高光催化材料性能的有效途径之一,尤其是对于CdS这类具有光腐蚀的材料,这种方法还能起到提高光催化材料稳定性的作用。因此目前制备CdS基复合光催化材料得到了广泛的研究,但是目前对其中的一些基本问题和关键因素仍需要进一步探讨和解释。本文采用第一性原理方法对CdS/FeP复合光催化材料中异质结构的界面微观结构和性质进行深入研究。计算结果表明,由于在界面上部分悬挂键被饱和,界面模型呈现出与体相或表面模型不同的电子结构特征,并且有界面态的存在。在CdS/FeP异质结构的界面处,CdS和FeP的能带都相对向下移动,而且FeP的能带（费米能级）插入到CdS的导带下方;同时在界面达到平衡态之后,异质结构的内建电场由FeP层指向CdS层,因而能够实现光生电子-空穴对在CdS/FeP界面处的空间有效分离,这对于光催化性能的增强极其有利。此外,构建CdS/FeP异质结构也能够进一步增强CdS在可见光区的光吸收。本文研究结果为构建具有异质结构的高效复合光催化材料提供了机理解释和理论支持。     

BiOBr/Ni2P/g-C3N4体系中用Ni2P电子桥加速S型体系光生载流子分离

水污染对人类健康和生态环境造成了严重的危害,引起了人们广泛关注.半导体光催化技术被认为是一种去除废水中有机污染物的有效方法.近年来,石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种无金属的光催化剂,具有合适的带隙能(Eg≈2.7eV)、良好的化学稳定性、较好的热稳定性、无毒以及强的还原电位(ECB≈-1.3eV)等特点,表现出较好的光催化活性.但由于g-C3N4光生载流子复合快和量子效率低,限制了其实际应用.因此,研究者们开发了各种有效的方法来克服上述缺点,如调控形貌、掺杂离子、沉积贵金属和构建异质结等.其中,构建梯型(S型)异质结已被证实是提高复合材料光催化活性的一种有效策略.S型异质结的形成不仅有效地加速光生电子和空穴的分离和迁移,而且还增强了光生载流子的氧化还原能力.除了电子结构外,异质结的界面电阻直接影响着光生载流子的分离效率,从而决定光催化活性强弱.据报道,具有高导电性的"电子传递介质"或"电子桥"可有效地降低载流子迁移过程中的界面阻力.过渡金属磷化物具有优良的导电性、低廉的价格和无毒的特性,完全满足电子桥的要求,成为电子桥的最佳候选材料之一.结合S型异质结和电子桥的优势,本文采用沉积-沉淀法制备了一种新型的S型BiOBr/Ni₂P/g-C3N4异质结.在可见光(λ≥400 nm)下,该催化剂对甲基橙和罗丹明B的降解活性明显优越于BiOBr/g-C₃N₄.这主要归因于电子桥Ni₂P和S型异质结的协同效应.密度泛函理论计算表明,电子从BiOBr通过电子桥Ni₂P转移到g-C₃N₄.在可见光照射下以及界面内建电场的驱动下,带边缘弯曲和库仑相互作用协同促进了复合物中相对无用的电子和空穴的重组,从而保留了较强氧化还原能力的电子和空穴.活性氧捕获实验、电子顺磁共振光谱和电流-电压曲线结果进一步证明,光催化剂中的电荷迁移方式遵循S型异质结的迁移机制.综上,本文不仅为S型光催化剂的设计提供了有效策略,也为界面载流子的快速分离和迁移提供了切实可行的途径.     

异质结光催化材料的新进展

伴随着人类文明的快速发展,一些危机慢慢显露出来,例如能源危机、环境污染和全球变暖.2019年5月11日,Mauna Loa天文台报告,大气中的二氧化碳水平超过415 ppm,达到人类历史上的最高记录,欧盟随后于2019年11月宣布了气候紧急状态.因此,绿色能源技术已成为迫切需求,以减少化石燃料的使用,并减少污染物的产生.光催化是直接利用太阳能的技术,可以应用于水分解产氢、CO₂还原、降解有机污染物、促进有机物合成等,是解决能源和环境问题的最有前途的技术之一.光催化剂是光催化技术的核心.目前,许多半导体材料可作为光催化剂,并已被充分地研究,例如TiO₂、CdS、ZnO、BiVO₄和C₃N₄等.然而,单一的半导体材料具有一些缺点,阻碍了它们的实际应用.其中,限制这些半导体材料光催化活性的一个关键问题是,光生电子–空穴对容易快速复合而不是参与光催化反应.例如,ZnO中激子的寿命估计仅为数百皮秒,大多数激子来不及参与到氧化还原反应中.为了抑制电子-空穴对的复合,需要应用特殊的策略.构建异质结光催化材料已成为最有前途的方法之一.通常,可以根据相邻材料的能带结构,将异质结分为以下几种类型:PN型异质结,Ⅱ型异质结,Schottky型异质结和S型异质结.以上异质结大都是由两种半导体材料复合而形成的.除此之外,还可以根据形成异质结的特殊材料,补充两种特殊的异质结类型,即晶面异质结和石墨烯基异质结.晶面异质结是由同一材料,由于暴露不同的晶面而形成的.石墨烯具有独特的能带结构、极大的比表面积及优良的导电性,可以与其他半导体形成各种类型的异质结.这些异质结材料能有效抑制电子-空穴对的复合,从而提高材料整体的光催化活性,也已成为光催化剂家族的重要分支.本文详细介绍了以上各种类型的异质结光催化剂的最新进展,概述了实现高性能异质结光催化剂的基本策略,并对异质结光催化剂未来发展方向进行了一些探讨.     

AlAs/InSe范德华异质结构的光学和可调谐电子特性

由不同二维(2D)材料相互堆叠形成异质结构已成为目前的研究热点, 使用第一性原理的计算方法探究了AlAs/ InSe异质结构的几何结构、电子性能和光学性质. 结果表明, AlAs/InSe异质结构具有典型的Type-II型能带排列并且拥有着1.28 eV的间接带隙. 通过调节层间距或施加外部电场和应变, 可以有效地改变异质结构的带隙值. 有趣的是, 当应用5 V/nm的电场时, 异质结构实现了从Type-II向Type-I的转变. 此外, 与孤立单层相比, AlAs/InSe异质结构的吸光度明显提高, 特别是在紫外区域. 表明新型的二维AlAs/InSe异质结可以作为光电材料和紫外探测器件的有力候选者.     

原位构筑动态Cu/Ce(OH)x界面用于高活性、高选择性和高稳定性硝酸盐还原合成氨(英文)

电催化硝酸根还原反应(NO₃^-RR)使用电子作为绿色还原剂,为去除和利用水中硝酸盐提供了一种有前景的技术.其中,铜基材料在碱性溶液(如1 mol L^-1 KOH)中显示出较高的NO₃^-RR催化活性,但在中性条件下催化剂的性能不高.目前,在中性体系中同时实现高活性、高选择性和高法拉第效率的氨合成是一个巨大的挑战.以往研究主要通过掺杂、合金化、调节晶面和引入缺陷等办法来提高NO₃^-RR的性能.此外,构筑异质结构界面可以调节催化剂的几何结构、电荷分布和配位环境,也是优化催化性能的一种有效策略.通过异质结构界面效应可以提供更多的催化活性位点,打破单组分催化剂的活性线性关系,进而提升NO₃^-RR性能.已有的研究中多采用直接化学合成法构筑铜基异质结催化剂,但在NO₃^-RR条件下原位制备异质结催化剂的文献报道较少,且已有的少数在NO₃     

新型间接Z字结型g-C3N4/Bi2MoO6/Bi空心微球等离子共振增强光吸收和光催化性能（英文）

半导体光催化技术是目前最有前景的绿色化学技术,可通过利用太阳光降解污染物或制氢.作为有潜力的半导体催化剂,钼酸铋具有合适的带隙(2.58 eV).但是,由于低的量子产量,钼酸铋的光催化性能并不理想.为了提高钼酸铋的光催化性能,研究者多考虑采取构造异质结的方式.石墨相氮化碳(g-C3N4)能带位置合适,与多种光催化半导体能带匹配,是构造异质结的常用选择.因此,本文选用g-C3N4与钼酸铋复合,构造异质结结构.为了进一步提高光催化性能,多采用负载贵金属(Pt,Au和Pd)作为助催化剂,利用贵金属特有的等离子共振效应,增加光吸收,促进载流子分离,但贵金属价格昂贵.Bi金属单质价格便宜,具备等效的等离子共振效应,是理想的贵金属替代物.钼酸铋可以采取原位还原的方式还原出Bi单质,构造更紧密的界面结构,更有利于载流子传输.Bi的等离子共振效应可以有效提高材料的光吸收能力和光生载流子分离率.本文采用溶剂热和原位还原方法成功合成了一种新型三元异质结结构g-C3N4/Bi2MoO6/Bi(CN/BMO/Bi)空心微球.结果显示,三元异质结结构的最佳配比为0.4CN/BMO/9Bi,该样品表现出最好的光催化降解罗丹明B效率,是纯钼酸铋的9倍.通过计算DRS和XPS的价带数据,0.4CN/BMO/9Bi是一种Z字型异质结.牺牲试剂实验也提供了Z字型异质结的有力证据,测试显示超氧自由基·O^2-(在-0.33 eV)是光催化降解的主要基团.但是,钼酸铋的导带位置低于-0.33 eV,g-C3N4的导带高于-0.33 eV,因此g-C3N4的导带是唯一的反应位点,从而证明了光生载流子的转移是通过Z字型异质结结构实现的.TEM图显示金属Bi分散在钼酸铋表面.DRS和PL图分析表明金属Bi增加了材料的光吸收能力,同时扮演了中间介质的角色,促进钼酸铋导带的电子和g-C3N4价带的空穴快速复合.因此,g-C3N4/Bi2MoO6/Bi的优异光催化性能主要归功于Z字型异质结和Bi金属的等离子共振吸收效应,提高了材料的光吸收能力和光生载流子分离率.     

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.     

表面组装钴物种同时促进Cd0.9Zn0.1S光催化剂的界面电荷分离和表面反应

利用人工光合成将太阳能转化为化学燃料是太阳能利用的重要途径,具有广阔的应用前景,其中,太阳能光催化分解水制氢是最为关键的反应之一.但是,大多数半导体光催化材料面临着光生电荷分离困难和表面催化反应速率慢等挑战.本文以具有可见光响应的半导体光催化剂Cd_0.9Zn_0.1S(CZS)纳米棒为研究模型,利用水热法成功在其表面上均匀地组装氧化钴物种(CoO_x),构建了多级异质结构CZS@CoO_x.扫描电子显微镜和透射电子显微镜显示,表面组装的CoO_x物种均匀地覆盖在CZS纳米棒的整个表面上,形成了有序的CZS@CoO_x核壳多级异质结构.高分辨率透射电子显微镜进一步确认了氧化钴晶格间距与六方CZS的(002)晶面高度匹配,利于光生电荷在界面的分离和转移.稳态荧光光谱测试表明,与物理混合的样本相比,CZS@CoO_x多级异质结构表现出明显降低的荧光强度,说明多级异质结构能有效促进光生电子-空穴对的分离.时间分辨荧光光谱结果显示,CZS@CoO_x多级异质结构的平均光生电荷寿命明显增长,进一步确认了多级异质结构对光生电荷分离的作用.此外,电化学开路电位测量显示,增强的开路电压响应归因于多级异质结构CZS@CoO_x中致密的界面接触.电化学阻抗谱进一步确认,与没有形成致密界面结构的CZS-CoO_x和CZS/CoO_x相比,多级异质结构CZS@CoO_x的电荷转移电阻大幅度降低,从而确保了更快的界面电荷分离和转移.最后对CZS@CoO_x多级异质结构的光催化产氢活性进行了评价,发现其光催化产氢的性能远高于贵金属Pt/CZS光催化剂;进一步测量了CZS@CoO_x的表观量子效率,在420 nm处光催化产氢的表观量子效率为20%.此外,在多级异质结构CZS@CoO_x上进一步引入Pt助催化剂,可将表观量子效率进一步提升至37%.本文报道的这一简易可行的表面组装构建多级异质结构的策略有望在太阳能光催化领域发挥重要作用.     

p-n型NiWO4/ZnIn2S4异质结光解水析氢性能

采用水热/水浴两步法构筑了p-n型Ni WO₄(NWO)/Zn In₂S₄(ZIS)异质结,研究了不同含量的NWO对ZIS物相组分、形貌结构、能带结构、光谱吸收及光解水析氢性能等的影响,并采用一系列表征手段探讨了NWO/ZIS异质结的光催化机理.结果表明,负载NWO后,ZIS物相组分及形貌结构未发生显著变化,两种材料界面接触紧密且分布均匀;在可见光辐照下,NWO/ZIS异质结光解水析氢性能得到了显著提升,其中,最佳样品NWO-35/ZIS析氢速率达到5204.8μmol·g^-1·h^-1,为纯相ZIS(1566.4μmol·g^-1·h^-1)的3.32倍;循环实验结果表明,NWO/ZIS样品具有很好的光稳定性;能带结构和光电子动力学表征结果证实了p-n型异质结内建电场驱动的光生载流子的传输机制.     

用于改进H2O2制备的1D/0D异质结的ZnIn2S4@ZnO S型光催化剂(英文)

过氧化氢作为一种绿色氧化剂,被广泛应用于食品工业、有机合成、医疗消毒和污水处理等领域.目前,大多数用于工业生产的过氧化氢是通过蒽醌法制备.传统的蒽醌法能耗高、有机副产物多、环境污染严重,因此,利用清洁的太阳能进行半导体光催化生产过氧化氢备受关注.其中,ZnO半导体因其高稳定性、无毒性、良好的生物相容性和合适的导带位置而成为一种潜在的过氧化氢生产材料.然而,单一的ZnO在光催化生产过氧化氢中面临着许多问题,如载流子分离效率低、可见光吸收弱等,从而导致其较低的光催化性能.因此,多种策略被用于解决上述问题,如掺杂非贵金属元素、晶面调控和异质结构构建等.在这些改性策略中,异质结构建被认为是提高光催化性能最有效的方法之一,特别是S型异质结因其较好的氧化还原能力和电子转移特性而备受关注.S型异质结通常由一个氧化型光催化剂和一个还原型光催化剂组成,在两者的接触界面上形成内建电场,促使无用的载流子复合,从而保留更多具有强氧化还原能力的空穴和电子,以此提高异质结光催化性能.ZnIn₂S₄具有合适的带隙和高导带位置,可以作为还原型光催化剂与ZnO构建S型异质结,...     

金属氧化物异质结气体传感器气敏增强机理

金属氧化物异质结由于费米能级效应、不同组分之间的协同作用,常被用来提高电阻型金属氧化物半导体气体传感器的气敏特性。本文简述了近年来国内外金属氧化物异质结材料的类别,主要分为混合氧化物结构、层状结构、第二相粒子修饰结构、一维纳米结构和核-壳结构;重点综述了金属氧化物异质结的气敏增强机理,包括异质结效应、协同效应、催化溢流效应、响应反型、载流子分离及微结构调控六大机理;分析了当前异质结气体传感器面临的瓶颈。最后对纳米异质结气体传感器的发展进行了展望,今后金属氧化物异质结气体传感器可以从明确异质结界面机理展开,这将为自下而上地设计出符合实际需要的气体传感器提供一定参考。     

Interface configuration effects on excitation,exciton dissociation,and charge recombination in organic photovoltaic heterojunction

The morphology of donor-acceptor heterojunction interface significantly affects the electron/hole processes in organic solar cells, including charge transfer (CT), exciton dissociation (ED), and charge recombination (CR). Here, to investigate interface molecular configuration effects, the donor-acceptor complexes with face-on, edge-on, and end-on configurations were constructed as model systems for the p-SIDT(FBTTh₂)₂/C₆₀ heterojunction. The geometries, electronic structures, and excitation properties of monomers and the complexes with three configurations were studied based on density functional theory (DFT) and time-dependent DFT calculations with optimally tuned range separation parameters and solid polarization effects. In terms of Marcus theory, the rate constants of ED and CR processes were analyzed. The results show that most of the excited states for p-SIDT(FBTTh₂)₂ exhibit an intramolecular CT character, and the similarity of the excitation characters (CT and local excitation) and energies among three complexes with different configurations indicate that the electronic structure and excitation properties are insensitive to the interfacial molecular configurations. However, the rates of ED and CR processes heavily depend on it. These results underline the importance of controlling molecular configuration and then the morphology at the heterojunction interface in organic solar cells.     

Investigation of band offsets of interface BiOCl:Bi2WO6: a first-principles study

Density functional theory calculations are performed to study the band offsets at the interface of two photocatalytic materials BiOCl:Bi(2)WO(6). It is found that the W-O bonded interface shows the most stability. An intrinsic interface fails to enhance the charge-carrier separation due to the improper band alignment between these two materials. Sulfur (S) is proposed to replace the bulk oxygen (O) site and thus tune the band edges of BiOCl to enhance the photocatalytic performance of the heterojunction. Furthermore, the presence of S provides an extra charge to generate a clean interface with minimal gap states that also benefits carrier migration across the heterojunction.     

Inverted Organic Solar Cells with Improved Performance using Varied Cathode Bu?er Layers

Organic solar cells with inverted planar heterojunction structure based on subphthalocya-nine and C₆₀ were fabricated using several kinds of materials as cathode buffer layer (CBL), including tris-8-hydroxy-quinolinato aluminum (Al_q3), bathophenanthroline (Bphen), bathocuproine, 2,3,8,9,14,15-hexakis-dodecyl-sulfanyl-5,6,11,12,17,18-hexaazatrinaphthylene (HATNA), and an inorganic compound of Cs₂CO₃. The influence of the lowest unoccupied molecular orbital level and the electron mobility of organic CBL on the solar cells perfor-mance was compared. The results showed that Al_q3, Bphen, and HATNA could significantly improve the device performance. The highest efficiency was obtained from device with an-nealed HATNA as CBL and increased for more than 7 times compared with device without CBL. Furthermore, the simulation results with space charge-limited current theory indicated that the Schottky barrier at the organic/electrode interface in inverted OSC structure was reduced for 27% by inserting HATNA CBL.     

A new semiconductor-based SERS substrate with enhanced charge collection and improved carrier separation: CuO/TiO2 p-n heterojunction

In this paper, CuO/TiO₂ p-n heterojunction was developed as a new surface enhanced Raman scattering (SERS) substrate to magnify Raman signal of 4-mercaptobenzoic acid (4-MBA) molecule. In the heterojunction-molecule system, CuO as an “electron capsule” can not only offer more electrons to inject into the surface state energy level of TiO₂ and consequently bring additional charge transfer, but also improve photogenerated carrier separation efficiency itself due to strong interfacial coupling in the interface of heterojunction, which together boost SERS performance of the heterojunction substrate. As expected, owing to the enhanced charge collection capacity and the improvement of photogenerated carrier separation efficiency derived from internal electric field and strong interface coupling provided in the interface of heterojunction, this substrate exhibits excellent SERS detection sensitivity towards 4-MBA, with a detection limit as low as 1 × 10⁻¹⁰ mol/L and an enhancement factor of 8.87 × 10⁶.     

Unprecedented differences in the diamond nucleation density between carbon- and silicon-faces of 4H-silicon carbides

4H-silicon carbides deposited by diamond films have wide applications in many fields such as semiconductor heterojunction, heat sink and mechanical sealing. Nucleation plays a critical role in the deposition of the diamond film on 4H-silicon carbides. Nevertheless, as a typical polar material, the fundamental mechanism of diamond nucleation on different faces of 4H-silicon carbides has not been fully understood yet. In this contribution, nucleation of diamond was performed on the carbon- and silicon-faces of 4H-silicon carbides in a direct current chemical vapor deposition device. The nucleation density on the carbon-face is higher by 2–3 orders of magnitude compared to the silicon-face. Transmission electron microscopy verifies that there are high density diamond nuclei on the interface between the carbon-face and the diamond film, which is different from columnar diamond growth structure on the silicon-face. Transition state theory calculation reveals that the unprecedented distinction of the nucleation density between the carbon-face and the silicon-face is attributed to different desorption rates of the absorbed hydrocarbon radicals. In addition, kinetic model simulations demonstrate that it is more difficult to form CH₂(s)-CH₂(s) dimers on silicon-faces than carbon-faces, resulting in much lower nucleation densities on silicon-faces.     

LSPR增强0D/2DCdS/MoO3-xS型异质结的构建及其可见光光催化活性研究

近年来,等离子体半导体光催化剂因其具有从可见光到近红外光的光响应而引起了人们极大的研究兴趣.含有丰富氧空位的非化学计量的氧化钼(MoO3-x)具有中心位于700 nm和尾部吸收拓展至2000 nm强的局域表面等离子体共振(LSPR)效应,因此,MoO3-x或将成为实现全光谱响应光催化制氢技术最有吸引力的候选材料之一.然而,单一MoO3-x中电荷载流子的复合快速.具有II型、Z型或S型异质结构的MoO3-x基复合光催化剂的构建被证明是同时实现拓展光吸收和分离光生载流子改善光催化析氢性能的有效策略.与传统的Ⅱ型异质结构相比,Z型或S型可在较高还原电位上进行水分解反应,又可以实现光生载流子的有效分离.相比于Z型,S型由于内部电场导致的半导体的能带玩去可以进一步缩短电子与空穴之间的迁移距离,从而导致光诱导载流子的更快分离.基于此,本文选择了与MoO3-x能带匹配的CdS半导体催化剂,通过简单的共沉淀法在具有LSPR效应的二维(2D)MoO3-x椭圆纳米片上生长零维(0D)CdS纳米粒子,制备了LSPR增强的0D/2D CdS/MoO3-xS型异质结.由于MoO3-x的引入,0D/2D CdS/MoO3-x复合材料展现出了一个因LSPR效应而具有的从600到1400 nm的尾部吸收,并且这种尾部吸收强度随着复合材料中MoO3-x含量的增加而增加.在可见光光催化反应中,CdS/MoO3-x复合材料的产氢速率为7.44 mmol·g^-1·h^-1,为单一CdS的10.3倍.当采用不同波段的单色光作为激发光源,在420,450和550 nm单色光的照射下,CdS/MoO3-x复合材料的产氢效率为15.7,10.9和193.4 mmol·g^-1,分别比CdS高6.8,5.0和3倍.当激发波长拓展至650 nm时,CdS/MoO3-x复合材料的产氢效率为6.83 mmol·g^-1,而CdS则不具有产氢活性,侧面体现了MoO3-x的LSPR效应在提升光解水产氢活性方向的有效作用.我们利用肖特基和固体紫外测试确定了CdS和MoO3-x的能带结构,并通过第一原理密度泛函理论模拟计算了CdS和MoO3-x的功函数,分别为4.07和7.56 eV,当这两个半导体接触时,MoO3-x的费米能级比CdS的更负,电子将从CdS迁移到MoO3-x,因此CdS和MoO3-x的能带将分别向上和向下弯曲,直到其费米能级达到平衡.这种向上和向下的带弯曲是S型结构的特征之一.XPS分析也证实在带正电荷的CdS和带负电荷的MoO3-x之间会产生内部电场,这也符合S型结构.此外,还利用电子自旋共振(ESR)进一步研究了CdS,MoO3-x和CdS/MoO3-x在光照下自由基的产生情况,CdS/MoO3-x产生的DMPO-·O2?和DMPO-·OH信号强度均强于CdS和MoO3-x,证明CdS/MoO3-x能产生更多的·O2?和·OH自由基.ESR结果还表明,在CdS/MoO3-x复合材料中光诱导电子和空穴仍然分别停留在CdS的导带和MoO3-x的价带中,CdS/MoO3-x复合材料的光诱导电荷分离机制将遵循S型机制,而不是传统的II型异质结.在光照下,内部电场和弯曲能带促使积聚在MoO3-x导带上的电子与CdS的空穴结合,在CdS的导带上留下具有较强氧化还原能力的电子参与光催化水还原反应,实现高效的光催化产氢.     

Positional Effect of the Triphenylamine Group on the Optical and Charge‐Transfer Properties of Thiophene‐Based Hole‐Transporting Materials

Hybrid organic‐inorganic perovskite solar cells (PSCs) have shown significant potential for use in the energy field. Typically, hole‐transporting materials (HTMs) play an important role in affecting the power conversion efficiency (PCE) of PSCs. A deep understanding of the structure‐property relationship plays a vital role in developing efficient HTMs. Herein, the relationship between the structure and properties of two small organic HTMs H2,5 and H3,4 were systematically investigated in terms of the electronic and optical properties, the hole‐transporting behavior by using density functional theory (DFT) and Marcus electron transfer theory. The results demonstrated that the high power conversion efficiency of the H2,5‐ based PSC was caused by strong interactions with the perovskite material on the interface and an enhanced hole mobility in H2,5 compared with H3,4 . The strong interaction derives from the short bond length of O atom of HTM and Pb atom of perovskite material, and the highly hole mobility derives from the quasi‐planar conjugated conformation and tight packing model of neighboring molecules in H2,5 . In addition, we found that the planar structure enhances the intermolecular interaction between HTM and perovskite materials compared with the ′V′‐shaped molecule. Importantly, we also note that the HOMO level of the isolated molecule is not always proportional to the open‐circuit voltages of PSCs since the HOMO level might move toward a higher level when the interaction between HTM and interface of perovskite was included. The work gives essential information for rational designing efficient HTMs.     

An extensible interface for QM/MM molecular dynamics simulations with AMBER

We present an extensible interface between the AMBER molecular dynamics (MD) software package and electronic structure software packages for quantum mechanical (QM) and mixed QM and classical molecular mechanical (MM) MD simulations within both mechanical and electronic embedding schemes. With this interface, ab initio wave function theory and density functional theory methods, as available in the supported electronic structure software packages, become available for QM/MM MD simulations with AMBER. The interface has been written in a modular fashion that allows straight forward extensions to support additional QM software packages and can easily be ported to other MD software. Data exchange between the MD and QM software is implemented by means of files and system calls or the message passing interface standard. Based on extensive tests, default settings for the supported QM packages are provided such that energy is conserved for typical QM/MM MD simulations in the microcanonical ensemble. Results for the free energy of binding of calcium ions to aspartate in aqueous solution comparing semiempirical and density functional Hamiltonians are shown to demonstrate features of this interface. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.