提高氧化铁光电催化分解水效率的策略进展

为了解决能源危机与环境污染问题,发展一种可再生的清洁能源至关重要.太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,而氢气是一种良好的能源载体.利用太阳能光电催化水分解制氢,是一项有望能够解决能源与环境问题的技术,具有很大的应用前景.其中,氧化铁因为具有合适的能带位置与带隙、良好的稳定性与廉价无毒等优点,成为一种理想的光阳极材料.但是,在实际的测试中,氧化铁仅仅只能得到一个较低的光电转换效率,这可能是因为其较短的空穴扩散距离、较低的电导率以及极度缓慢的水氧化反应动力学所致.整个光电催化水氧化可分为三个过程,即光吸收过程、电荷分离过程以及表面空穴注入过程.这三个过程的效率共同决定了器件的太阳能转化效率.鉴于此,本文将从如何提高这三个效率的角度出发,总结近期研究报道中提高氧化铁光电催化分解水效率的一些策略.光吸收过程是指半导体中价带的电子在吸收具有一定能量的光子后发生跃迁,产生空穴-电子对的过程.其光子的损失主要来源于光的反射、透射以及半导体吸收边的限制.提高光吸收效率的主要策略包括制备具有特定纳米结构的氧化铁电极、利用表面等离子体共振效应以及组成双光吸收系统和掺杂等.电荷分离过程指的是受光激发产生的空穴电子对,在内建电场的作用下发生电荷分离,即光生空穴流向电极表面,光生电子流向半导体内部并从外电路导出.电荷分离效率的损失主要来源于光生载流子在迁移过程中的复合.因此,为了提高电荷分离效率,常见的策略是提高载流子在电荷分离过程中的复合时间τ₁和减少电荷迁移到表面(空穴)或者基底(电子)的时间τ₂.具体的策略包括制备特定的纳米结构(缩短体表相距离,减少τ₂)、构建异质结(增强能带弯曲,提高τ₁和减少τ₂)、掺杂(减少τ₂)和钝化复合中心(提高τ₁)等.表面空穴注入是指到达表面的光生空穴发生水氧化反应生成氧气的过程.除了空穴注入外,表面还可能存在复合与逆反应过程.因此,为了提高表面空穴注入效率,我们既可以提高水氧化反应动力学,具体的手段包括引入水氧化催化剂、F掺杂和碱处理等;也可以采用减少复合反应的策略,具体的方法包括引入钝化层、酸处理和高温热处理等;还可以采用减少逆反应的方法,最常见的手段就是在基底与氧化铁层之间引入电子阻挡层.上述三种途径都能提高表面空穴注入效率.最后,通过结合上述的一些策略,目前得到的最高性能的氧化铁电极在1.23 V(相对于可逆氢电极)能够达到6 mA cm^?2的光电催化分解水电流,但这个值依然明显低于氧化铁的理论值(12.6 mA cm^?2).这可能是由于体相复合所致.除此之外,氧化铁表面的水氧化机理现在依然不清晰,这些都是需要我们在未来解决的问题.     

Mo掺杂调控电子结构增强NiS电催化固氮性能

以泡沫镍为骨架,通过水热法制备了Mo掺杂的NiS多级纳米花状结构(Mo-NiS)。在偏压为-0.7 V(vs RHE)下,2 h内,0.83 Mo-NiS(制备时钼、镍物质的量之比为0.83)的电催化固氮速率平均可达4.21μg·cm~(-2)·h~(-1),法拉第效率平均为18%。XPS测试和DFT计算表明,Mo掺杂增加了Ni活性位点周围的电子云密度,提高了电荷传输速率,促使*NNH_2到*N能垒大幅度降低,从而提升了电催化固氮效率。     

SnO2表面卤化提高钙钛矿太阳能电池光伏性能

钙钛矿太阳能电池(PSCs)成为近几年来迅速发展的新型太阳能电池,其中将SnO₂纳米粒子层用作电子传输层(ETL)的钙钛矿太阳能电池器件得到了广泛的关注。SnO₂有着更低的制备温度,使其具备应用于柔性器件的潜力,但与钙钛矿层能级不匹配等问题限制着其发展。而在界面处加入钝化层,尤其是表面卤化的方法或可解决这一问题。本文综合研究了SnO₂表面卤化对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响,选用四丁基氯化铵(TBAC)、四丁基溴化铵(TBAB)和四丁基碘化铵(TBAI)三种钝化材料对SnO₂表面进行钝化处理,并对钝化材料溶液进行了浓度梯度研究。通过材料形貌、结构和光学性能表征以及电池器件性能测试分析等方法,证明了SnO₂表面卤化可提高钙钛矿层的质量和PSCs光伏性能,并从器件内部电荷传输动力学等角度解释了器件性能改善的原因。为进一步说明其性能改善的机理,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对材料表面性质进行了深入研究,从能量、结构、电荷密度、态密度、功函数等角度解释了表面卤化提高SnO₂/钙钛矿界面处电子传输特性的原因。实验和理论计算均表明TBAC对于SnO₂具有较好的钝化效果,并随着溶液浓度的提升钝化作用越明显。SnO₂表面卤化作用的深入研究不仅对提高电池器件性能具有实际意义,还能够帮助理解太阳能电池界面现象,为界面改性提供新的研究思路。     

AuQ+碰撞氦原子单电离的全微分截面

利用三体扭曲波计算了3.6 MeV/amu的Au^Q+ (Q=24,53)碰撞氦原子单电离的全微分截面,其结果与实验数据和其它理论进行了比较,表明全微分截面受到高电荷入射粒子的强烈影响,敲出的电子被“拖拽”沿着向前的方向. 但是,所有的理论结果都不能呈现实验上全微分截面的独特的向前峰.     

使用曲面微通道板和感应电荷位置灵敏阳极的软X射线-极紫外光子计数成像探测器研究

本项目对我国空间探测的极紫外(EUV)波段大视场相机所需求的球面光子计数成像探测器的关键技术进行了研究。首先,建立了光阴极材料次级电子产出模型,利用该模型计算了软X射线-EUV波段常用的光电阴极材料—碱卤化物的次级电子产出,分析了微通道板(MCP)的次级电子产出。建立了测量MCP量子探测效率的装置,并推导出MCP量子探测效率的计算公式,测量了MCP在软X射线-EUV波段的量子效率以及MCP量子效率随掠入射角的变化。其次,建立了球面实芯微通道板的制备装置,利用高温热成型方法制备出曲率半径为150 mm球面MCP,利用光刻技术制备出有效直径为48 mm的楔条形感应电荷位置灵敏阳极,在此基础上集成了一套使用球面MCP和感应电荷位置灵敏阳极的两维光子计数成像探测器。再次,研制出包括快速前端模拟电路与后续数字电路的成像读出电路,编制了能矫正图像畸变的图像实时采集和处理软件。最后,建立了MCP探测器空间分辨率、图像线性的检测装置,对研制出的探测器性能进行了检测,检测结果表明:探测器的各项技术指标完全满足要求。     

金属-氧化物界面中的金属-载体强相互作用及其对贵金属-氧化铈负载型催化材料性质调控的研究进展

从金属-氧化物界面出发,分析了金属-氧化物相互作用的两个决定因素——界面电荷迁移过程和界面物质输运过程。简要介绍了金属-载体强相互作用的发现过程和研究成果,对于金属间成键、特殊形貌结构、界面电荷迁移和界面物质输运这四种常见的金属-载体强相互作用的机制进行了讨论。最后介绍了典型的金属-载体强相互作用体系——贵金属-氧化铈负载型催化剂体系,以及最近在该体系中所取得与金属-载体相互作用相关的研究进展。     

金红石相TiO_2纳米棒的氢化处理及其光催化活性

以钛酸四丁酯为钛源,通过盐酸调制的水热法制备出了具有棒状结构的金红石相纳米TiO2,并进一步进行高温氢化处理.采用X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM),紫外-可见-近红外漫反射(UV-Vis-NIR DRS),电子顺磁共振(EPR)和表面光伏(SPS)等测试手段对样品进行表征,以气相乙醛和液相苯酚为目标污染物考察催化剂的光催化活性.结果表明:随着高温氢化处理时间的延长,TiO2样品的可见光吸收逐渐增强,其颜色逐渐由白色转变成灰色,这主要与引入的Ti3+/氧空位缺陷有关.表面光电压谱和羟基自由基测试表明,适当时间的氢化处理有利于光生电荷的分离.在光催化氧化降解气相乙醛和液相苯酚过程中,经适当时间氢化处理的样品表现出高的可见光催化活性.并且可见光催化活性的规律与紫外光下的是一致的.这是因为氢化处理后在导带底下方引入了缺陷能级,拓展了可见光响应.过度的氢化处理会在TiO2导带下方引入较低的缺陷能级,使光生电荷的复合加剧,导致光催化活性降低.     

用Hirshfeld电荷定量标度亲电性和亲核性:含氮体系(英文)

准确预测化学过程中分子内各原子提供或接受电子的能力以及化学反应可能的位点,即定量确定亲电性、亲核性和区域选择性,是一个十分重要却仍然亟待解决的课题.此前,基于我们新近提出的信息守恒原理,曾建议使用Hirshfeld电荷和信息增益作为两个等价的描述符用于此目的.我们的这个想法已经被成功地应用于两个系列的分子体系,且其有效性得到了充分的验证.然而,先前我们只考察了碳元素的这些性质,所以其结论的普遍性仍存在疑问.我们尚不清楚它是否适用于其他元素,而且对于同一元素的不同价态该结论是否适用也不清楚.为此,本文将考察含氮体系.对5个不同类别的含氮体系共计40个分子进行了研究,其中包括重氮苯、偶氮、重氮、一级和二级胺体系.结果表明,对所有五个含氮体系其Hirshfeld电荷与实验得到的亲电性和亲核性标度之间仍然存在着较强的线性关联.然而,这些相关性却依赖于氮元素的化合价类型和键合环境.该线性关系只能在同一类型中成立.我们对其可能的原因进行了讨论.     

吡啶取代蒽衍生物电荷传输性质的理论研究

采用DFT,HF,CIS和TDDFT等方法对5个吡啶取代蒽衍生物的电子结构、光谱及电荷注入传输性能进行了计算与研究.结果表明,5种化合物的结构变化发生在相邻基团之间的二面角,电子光谱变化微小,最大发射波长约450nm.通过调节吡啶或苯的取代位置,可改变前线分子轨道能级、电离能、电子亲和势和重组能的大小,改善化合物的电荷注入传输性能.5种化合物中,DPyPA-MO的空穴和电子迁移速率较为突出,而DPyPA-OM具有最佳的电荷注入传输性能,有望成为电荷平衡性优良的蓝光材料应用于OLED.