CdSe量子点/氧化石墨烯复合物对灿烂绿染料的光催化降解性能研究(英文)

纺织、塑料、造纸和纸浆等工业排放物中含有大量的有机染料,这些染料通常不可生物降解,从而产生了严重的环境污染问题.为了降解这些有机染料废弃物,人们迫切需要高效、廉价、稳定的有机物降解光催化剂.近年来,半导体光催化剂引起了人们的广泛关注,尤其是窄禁带半导体材料可以实现染料的高效降解.在半导体II–VI族中,CdSe具有合适的带隙(1.74 eV)和快速生成的电子-空穴对,被认为是光催化降解有机污染物的重要半导体材料.特别是当它与超高的电子导电性的碳基纳米材料结合时,光催化活性增强.本文采用一种简单的化学沉淀法成功合成了CdSe量子点与氧化石墨烯(GO)的复合材料.紫外-可见吸收光谱显示,CdSe量子点和CdSe/GO纳米复合材料的吸收边分别出现在583和556 nm处.与纯CdSe量子点相比,GO层上的CdSe量子点的尺寸减小,由于量子限制效应,CdSe/GO纳米复合材料的光吸收波长在蓝移,从而拓宽了CdSe/GO纳米复合物的光吸收范围.PL光谱图显示CdSe量子点的可见光区的强宽发光峰出现在缺陷态的603 nm,而在576nm处观察到CdSe/GO纳米复合材料的发射峰,峰位蓝移,光猝灭.GO表面上CdSe量子点的修饰改变了GO层间相互作用的范德华力和CdSe量子点与GO片相互作用的静电作用力.这些相互作用导致能级的变化,使得CdSe/GO纳米复合的发射峰蓝移.由于复合物中电子-空穴对的复合被抑制,CdSe/GO纳米复合材料的光致发光强度低于CdSe量子点,此对应于CdSe量子点到GO板的界面电荷转移.PL研究表明,GO修饰CdSe可促进电子-空穴对的分离.EIS测量方法进一步研究了CdSe量子点和CdSe/GO纳米复合材料的电荷输运行为.结果显示,加入GO后,CdSe量子点的阻抗值减小,表明GO的引入降低了电荷转移电阻,促进了其界面电荷转移.因此,CdSe/GO纳米复合材料具有较高的电荷分离效率,可以提高其光催化活性.拉曼光谱显示,由于CdSe量子点的激发,电子注入到GO中,使得CdSe/GO纳米复合物材料的拉曼光谱向更高的波数转移.通过BET性能测试,CdSe/GO纳米复合物的比表面积为10.4 m~2/g,比CdSe量子点的比表面积(5 m~2/g)增加了一倍.我们发现在太阳光的照射下,CdSe量子点和CdSe/GO纳米复合物对灿烂绿染料的光降解率分别为81.9%和95.5%,各自对应的光降解速率分别为0.0190和0.0345 min~(-1).CdSe/GO纳米复合物增强的光催化性能归因于具有较大的比表面积以及氧化石墨烯的加入促进了电子-空穴对的有效分离.     

石墨烯的边界效应在电化学生物传感器中的应用

石墨烯是由底面和边界组成的,这种独特的结构赋予石墨烯很多特殊的性质,如边界上的异相电子转移速率、电容量、局域态密度和结构缺陷、功能性基团等均高于石墨烯的底面,这些固有特征对石墨烯的电化学性能有极大的促进作用,是边界效应的具体体现。本文在阐述石墨烯电化学性能边界效应的基础上,对具有不同形貌特征的石墨烯,如石墨烯纳米片、纳米毯、片晶、纳米墙、纳米纤维、纳米带、量子点等在电化学生物传感领域的具体应用进行了综述和展望。     

炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用

炭-/石墨烯量子点作为新兴的炭纳米材料,因具有独特的小尺寸效应和丰富的边缘活性位点而在高性能超级电容器电极材料的研发方面展现出巨大潜力。针对目前炭-/石墨烯量子点在超级电容器电极材料方面的应用优势和存在的关键问题,本文以炭-/石墨烯量子点、量子点/导电炭复合材料、量子点/金属氧化物复合材料、量子点/导电聚合物复合材料以及量子点衍生炭这些电极材料为脉络,梳理了近年来该领域的发展状况,尝试阐释炭-/石墨烯量子点在电极材料、复合材料和衍生炭电极材料中所起到的关键作用,最后对炭-/石墨烯量子点电极材料的发展进行了展望。本综述以期为炭-/石墨烯量子点基电极材料的研究提供一定参考和依据。     

TiO2/石墨烯复合材料的光生电荷分离调控与光催化产氢性能研究

半导体光生电荷分离是光催化过程中的关键步骤之一,其效率极大地影响了最终光催化性能.将TiO₂纳米片与石墨烯复合,能够促进TiO₂中光生电子和空穴的分离,从而提高其光催化活性.为了研究光生电荷的分离对TiO₂/石墨烯复合材料光催化性能的影响,通过调控TiO₂纳米片的尺寸来调节TiO₂/石墨烯复合材料中光生电荷分离的能力,然后研究其对TiO₂/石墨烯复合材料光催化性能的影响.合成了一系列不同厚度的TiO₂纳米片,将其与石墨烯复合,并通过光沉积负载Pt纳米颗粒作为助催化剂,用于光催化产氢.实验结果显示,随着TiO₂纳米片厚度减小,其与石墨烯形成的复合结构的光催化性能显著提高.这主要是由于TiO₂纳米片厚度减小时,光生电子沿厚度方向穿过TiO₂纳米片迁移到石墨烯的距离缩短,从而减少了光生电子在迁移过程中与空穴的复合;同时TiO₂纳米片厚度减小使其比表面积增大,使得TiO₂/石墨烯界面面积增大,从而使石墨烯更好地分离出TiO₂中的光生电子,有更多的光生电子到达石墨烯参与催化反应,提高TiO₂/石墨烯复合材料的光催化性能.此研究表明通过控制TiO₂纳米片的尺寸来调控TiO₂/石墨烯复合材料中光生电子和空穴的分离,是显著提高其光催化性能的有效途径.     

CdS量子点敏化ZnO纳米棒阵列电极的制备和光电化学性能

采用连续式离子层吸附与反应法制备了CdS量子点敏化的ZnO纳米棒电极.应用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对CdS量子点/ZnO纳米棒电极的形貌、晶型和颗粒尺寸进行了分析和表征;采用光电流-电位曲线和光电流谱研究了不同CdS循环沉积次数及不同沉积浓度对复合电极的光电性能影响.结果表明,前驱体浓度都为0.1mol·L-1且沉积15次敏化后的ZnO纳米棒阵列电极光电性能最好.与单纯的ZnO纳米棒阵列电极和单纯的CdS量子点电极相比,其光电转换效率显著提高,单色光光子-电流转换效率(IPCE)在380nm处达到76%.这是因为CdS量子点可以拓宽光的吸收到可见光区,并且在所形成的界面上光生载流子更容易分离.荧光光谱实验进一步说明了光电增强的原因是,两者间形成的界面中表面态大大减少,有利于减少光生电子和空穴的复合.     

石墨烯量子点在储能器件中的应用

石墨烯量子点(GQDs)作为新型碳基材料,由于其纳米级小尺寸而具有比表面积大、导电性高、透明性好、荧光性能独特等优点,是一种极具潜力的储能器件电极材料。GQDs与金属化合物、碳材料等形成具有三维空间结构的复合材料,有利于电子扩散和离子传输,大幅度改善GQDs作为电极材料的实际应用性能。异原子掺杂型GQDs可提供较多活性位点,提高活性物质利用率。本文介绍了GQDs的合成策略,主要分为自上而下和自下而上法。不同制备方法对GQDs的粒径大小、表面缺陷位点和荧光特性等的影响也不尽相同。通过阐述近几年GQDs、掺杂型GQDs及其复合物在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池等能源器件方面的应用实例,表明具有量子限域效应和边界效应的GQDs基材料在新型储能器件中有巨大的应用潜力;通过深层剖析GQDs复合物的空间结构对储能器件电化学性能的影响,为今后深入研究奠定基础。此外,指出未来GQDs的发展方向是寻找快速、绿色环保的大批量合成方法,均匀、有效的掺杂或复合以及构建独特空间结构的电极材料,进一步提高其应用于储能器件时的电化学性能。     

一步微波法制备石墨烯-硫化镉纳米复合材料

石墨烯-硫化镉量子点纳米复合材料在光电领域具有广阔的应用前景,而其性能依赖于良好的硫化镉纳米颗粒均匀地分布在单片石墨烯片上。为此,我们发展了一种简便的一步制备高质量石墨烯-硫化镉纳米复合材料的方法。该方法以氧化石墨烯为原料,二水乙酸镉作为镉源,硫代乙酰胺作为硫源,通过微波加热处理数分钟直接制得石墨烯-硫化镉纳米复合材料。电镜照片显示获得的石墨烯-硫化镉纳米复合材料中硫化镉纳米粒子均匀生长在石墨烯表面,无明显聚集产生。以氧化石墨烯为起始原料一步合成保证了最终纳米复合材料中石墨烯主要以单片形式存在,而在微波加热合成过程中,氧化石墨烯也同时还原成石墨烯。     

一维聚合物-无机纳米复合材料的制备

近年来,一维聚合物-无机纳米复合材料因其独特的结构、优异的性能及广泛的应用前景而得到极大关注。由于无机相和聚合物相在纳米尺度的复合可显著提高材料的内在特性和功能,许多一维纳米复合材料在电子传输、光学特性、力学性能等方面表现优异,相关材料在电子器件、储能器件、光化学传感器、催化等领域具有潜在应用价值。本文基于一维聚合物-无机纳米复合材料多种不同的结构形式,综述了三种最常用的制备方法,即模板合成法、静电纺丝法和一维组装法,分别介绍了各种制备方法的原理,并对其特点和发展趋势进行了评述和展望。     

一步微波法制备石墨烯-硫化镉纳米复合材料

石墨烯-硫化镉量子点纳米复合材料在光电领域具有广阔的应用前景, 而其性能依赖于良好的硫化镉纳米颗粒均匀地分布在单片石墨烯片上。为此, 我们发展了一种简便的一步制备高质量石墨烯-硫化镉纳米复合材料的方法。该方法以氧化石墨烯为原料, 二水乙酸镉作为镉源, 硫代乙酰胺作为硫源, 通过微波加热处理数分钟直接制得石墨烯-硫化镉纳米复合材料。电镜照片显示获得的石墨烯-硫化镉纳米复合材料中硫化镉纳米粒子均匀生长在石墨烯表面, 无明显聚集产生。以氧化石墨烯为起始原料一步合成保证了最终纳米复合材料中石墨烯主要以单片形式存在, 而在微波加热合成过程中, 氧化石墨烯也同时还原成石墨烯。     

阳极氧化法制备TiO2纳米管及光催化研究进展

TiO2纳米管是一种新型的高性能材料,因其独特的有序结构而显示出优异的性能,在许多领域有着广泛的应用。本文主要阐述了阳极氧化法制备TiO2纳米管及其纳米管生成的机制,分析了制备过程中电解液pH、阳极氧化电压对所生成的TiO2纳米管阵列结构的影响。实现TiO2纳米管定向排布,对于发挥低维材料的效用至关重要。高度有序的纳米管阵列结构,具有显著的量子尺寸效应和取向效应。对TiO2纳米管阵列进行掺杂改性能够增强材料的光催化性能,提高其光催化效率。在光照条件下,光生电子能快速从TiO2纳米管的导带进入导电基体,大大降低了光生载流子复合几率,从而使其表现出良好的光电活性,可用于太阳能电池领域,在抗菌消毒,污水处理方面也具有很大的应用价值。     

光电流谱、光致发光光谱和紫外可见吸收光谱在纳米半导体光电器件研究中的联用

在纳米半导体中由于纳米效应(如量子尺寸效应),其电子结构与块体半导体有所不同。进一步地,当纳米半导体与基底和其他组分结合制成器件后,其性质又受到基底或其他组分的影响,这两点导致了基于纳米半导体的光电器件的性能以及相应表征方法也大不相同。将光电流谱、光致发光光谱和紫外可见吸收光谱三种技术有机地结合起来,可以更好地表征纳米半导体的电子性质和光电性能。本文根据纳米半导体材料与电极的电子性质特点及其测量,结合本课题组前期工作,举例介绍三种谱学方法相结合应用于探究光伏电池和电致发光器件的纳米半导体材料的性能,以及纳米半导体材料表面态的表征。     

碳点的设计合成、结构调控及应用

碳点是一类环境友好且性能独特的纳米粒子, 在光电转换、 生物医学、 催化及储能等领域的研究日益活跃. 碳点主要分为碳量子点(CQDs)、 石墨烯量子点(GQDs)和碳化聚合物点(CPDs), 其中CPDs作为一种新型碳点, 具有合成原料广泛、 碳化程度及共轭结构可调且材料相容性好等优点. 本文综合评述了近年来碳点尤其是CPDs的合成方法; 阐述了通过选择前驱体分子、 控制反应条件及掺杂原子等手段实现对其碳化和共轭程度、 晶格和能级结构的调控, 从而建立碳点及其杂化与复合材料微纳结构与性能之间的关系; 最后, 介绍了碳点在生物标记与成像、 光(电)催化、 光电转换及储能等领域的应用, 并对碳点领域的发展前景进行了展望.     

基于柠檬酸的石墨烯量子点的制备及其应用

石墨烯量子点（GQDs）是一种新型碳基准零维材料,不但具有石墨烯的独特平面结构,同时具备碳点的量子限制效应和边界效应。GQDs具有独特的光学性质、低毒性、高荧光稳定性和高生物相容性,被广泛应用于检测、传感、催化、细胞成像、药物递送和污染治理等领域。GQDs的合成分为自上而下法和自下而上法,前者将大尺寸的石墨烯、石墨、碳材料切割成纳米级的量子点,后者使用不同的前驱体,通过水热法、热裂解法等方法合成石墨烯量子点。柠檬酸（CA）是一种重要的有机酸,室温下是白色结晶状粉末,是自下而上法合成GQDs的一种常用前驱体,近年来有许多关于以CA为前驱体合成不同GQDs的研究,以CA为前驱体合成的GQDs（CA-GQDs）在生物医药、荧光检测、成像等领域均有应用,具有较好的应用前景。对近年来基于CA的合成方法和具体应用进行了总结和回顾,旨在将现有CA-GQDs的相关成果尽可能汇总和展现,以对相关领域研究工作者提供一定参考,并对未来CA-GQDs较有前景的研究方向进行了展望。     

碲化镉纳米晶的制备及应用

基于自身的量子限域效应、尺寸效应、介电限域效应、宏观量子隧道效应和表面效应,碲化镉(CdTe)纳米晶独特的性质在非线性光学、磁介质、催化、医药及功能材料等方面得到了广泛的应用,并且展现出极为广阔的应用前景,同时对生命科学和信息技术的持续发展以及物质领域的基础研究也产生了深刻的影响。本文以 CdTe 纳米晶为对象,详细介绍了其5种典型的制备方法和应用的最新进展。在制备方面,5种典型的制备方法各有利弊,如何在温和的条件下制备出形貌和尺寸可控的 CdTe 纳米晶仍是一个值得追求的目标。通过自组装技术可以制备形貌独特,性能优异的 CdTe 纳米材料,进而实现 CdTe 半导体纳米器件的研制,具有重要的科学意义,是今后研究的热门方向。在应用方面,CdTe纳米晶不但实现了其在光电器件、生物学等领域的应用,而且将会在这些领域继续深化和延伸,开发出新的应用领域。本文同时对 CdTe 纳米晶的发展趋势也进行了展望。     

熔盐法合成NiO纳米微晶

纳米科技的基础是纳米结构材料的合成．它是纳米科技在分散与包覆、高比表面材料、功能纳米器件、强化材料等方面实现突破的起点。纳米颗粒（1-100nm）本身具有宏观量子隧道效应、量子尺寸效应、表面效应许多独特的性能．其制备研究日益得到广泛关注和重视．     

一步法制备TiO_2/石墨烯复合多孔薄膜应用于增强光催化活性及光伏性能（英文）

纳米二氧化钛具有制备简单、成本低、化学稳定性好及光响应度高等诸多优势,因而广泛应用于光催化及太阳能转化等诸多领域中.然而,传统TiO_2纳米材料受限于较高光电子空穴复合率,导致其光催化活性及光电转化效率较低.为解决这一问题,研究者采用多种方法用以改善纳米TiO_2的结构,包括化学掺杂、半导体材料插层、碳材料杂化等;另一方面则关注材料结构的设计,例如将合成的纳米材料进一步加工为多孔薄膜,以增大材料比表面积及器件稳定性,以增强其器件性能.其中,将石墨烯引入纳米TiO_2中,形成复合纳米材料,以提升材料本身的光电子传输效率,降低光生载流子复合率,为制备高性能光催化剂及光伏器件开辟了一条可行之路.然而,目前制备的纳米TiO_2/石墨烯复合材料的性能仍不理想,其中常见的问题为合成的材料团聚严重,导致光生载流子在界面传输阻力及复合率都十分高,限制其实际应用.此外,当前大多数关于纳米TiO_2/石墨烯的制备方法仍为溶胶凝胶法、水热法等,所得材料需要进一步进行微纳加工方能形成介孔结构;这些加工方式往往需要二次退火处理,这会进一步加重纳米材料的团聚现象,导致孔隙率分布混乱、材料界面缺陷增多等不良结果.因此,本文采用一步法-蒸汽热法成功制备了TiO_2/石墨烯复合多孔薄膜,无需二次热处理.实验结果表明,所制TiO_2/石墨烯复合物(VTH)的形貌为二维结构,其比表面积高达260 m~2g~(–1),获得的多孔薄膜无明显团聚且孔隙分布集中.当复合物中还原氧化石墨烯含量为5.0wt%时,其光催化活性最高,高于单一的TiO_2薄膜近3倍;将还原氧化石墨烯含量为0.75wt%的复合物用于染料敏化太阳能电池的光阳极时,光电转化效率达到7.58%,明显高于传统方法制备的单一TiO_2的(4.38%).     

金属纳米粒子增强有机光电器件性能研究进展

金属纳米粒子以其特殊的体积效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应提供了诸多优异的光学和电学性能.实验表明,利用金属纳米粒子的光学和电学效应可以有效提升有机光电器件的综合性能.目前在有机发光二极管器件中流明效率最好的增强效果为150%,在有机光伏器件中功率转换效率最好的增强效果为70%,特别是在一些高效有机光电器件中的成功应用,虽然增强的比例相对较低,但是器件效率基数大,最终得到的器件性能相当优异.这些性能提升的主要机理包括表面增强荧光、等离激元光捕获、能量转移、电学效应、散射效应等.本文以金属纳米粒子的表面等离子体共振效应和电学效应为主线,按照不同纳米粒子及器件中的修饰位置进行分类,系统总结了金属纳米粒子提高有机发光二极管器件和有机光伏器件性能方面的工作.针对纳米粒子的局域表面等离子共振效应作用范围小,增强波长单一等问题,总结了一些新的设计思路如远场增强效应、纳米粒子和激子剖面的调控与匹配及散射增强效应等,希望为进一步的结构设计提供帮助.     

石墨烯-氧化钨复合薄膜的制备及界面电子传输特性

以偏钨酸铵为钨源、聚乙烯吡咯烷酮为连接剂,采用浸渍提拉法制备了石墨烯-氧化钨复合薄膜,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及Raman光谱等方法对复合结构材料进行了表征,并利用光电流测试、交流阻抗谱(EIS)、瞬态光电流谱和强度调制光电流谱等方法,研究复合薄膜电极在光电作用下界面上的载流子转移过程和电荷传输行为.结果表明,组成薄膜的氧化钨纳米颗粒与石墨烯充分复合,光电性能显著提高;与石墨烯复合后,薄膜的瞬态时间常数增大,电子-空穴对寿命延长;电子传输时间减少,为纯氧化钨薄膜的47.5%.     

纳米复合镀技术

纳米粒子具有的量子尺寸效应，表面效应和宏观量子隧道效应等，使其表现出很多独特的物理及化学性能，采用液相金属电沉积技术，通过将纳米粒子引入金属镀层中形成的纳米复合镀层，显示出优越的机械性能，电催化性能，耐腐蚀性能等，正逐渐成为研究的热点，本文介绍了纳米复合镀层的制造技术及纳米复合镀层的结构以及纳米复合镀层的研究现状。     

石墨烯-氧化钨复合薄膜的制备及界面电子传输特性

以偏钨酸铵为钨源、聚乙烯吡咯烷酮为连接剂,采用浸渍提拉法制备了石墨烯-氧化钨复合薄膜,利用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）及Raman光谱等方法对复合结构材料进行了表征,并利用光电流测试、交流阻抗谱（EIS）、瞬态光电流谱和强度调制光电流谱等方法,研究复合薄膜电极在光电作用下界面上的载流子转移过程和电荷传输行为. 结果表明,组成薄膜的氧化钨纳米颗粒与石墨烯充分复合,光电性能显著提高;与石墨烯复合后,薄膜的瞬态时间常数增大,电子-空穴对寿命延长;电子传输时间减少,为纯氧化钨薄膜的47.5%.