Zeolitic imidazolate framework-67 (ZIF-67) rhombic dodecahedrons as full-spectrum light harvesting photocatalyst for environmental remediation

The inferior utilization efficiency of light is the main obstacle to the practical application of traditional photocatalysts such as TiO₂ and ZnO. In this regard, the development of novel photocatalysts with the capability of harvesting full spectrum light (from ultraviolet (UV) to near-infrared (NIR)) energy is a promising solution for solar energy conversion and environmental remediation. Here, we report the discovery of a single material that can harvest UV, visible (VIS), and NIR radiations to decompose heavy metal contaminants in aqueous solution. Zeolitic imidazolate framework-67 (ZIF-67) rhombic dodecahedrons were synthesized through a facile solution approach and employed in the reduction of Cr(VI) under UV−VIS−NIR pulsed laser irradiation, which was generated from the fundamental, second and third harmonics of Nd:YAG laser, respectively. The nanostructures showed efficient Cr(VI) reduction under UV, VIS and NIR laser irradiation and the measured reduction efficiency (%) was 71.22%, 69.52%, and 40.79%, respectively after 120 min. A possible explanation for the photocatalytic activity in Cr(VI) reduction was proposed. This is the first study of its kind where pulsed laser and ZIF-67 rhombic dodecahedrons capable of harvesting full spectrum light energy have been employed for the removal of Cr(VI) from water. The extraordinary capacity of harvesting full-spectrum light and long-term stability make ZIF-67 a potential photocatalyst for environmental remediation.     

如何解释红外谱图

红外光谱(IR)主要提供分子的官能团和化学键的丰富的结构信息。通常一个化学键会出现多个不同位置的吸收峰,而图中每个峰又可能是不同化学键的加合峰。因此在红外光谱分析中,并不要求也不可能准确地归属出图中所有的峰,通常只要求能较确切地识别出其中几个特征峰已足矣。     

氨基酸官能团的太赫兹振动模式研究

对比于氨基酸的红外分析法,太赫兹波的电子能量更低,可实现无损检测。氨基酸分子内原子振动、分子间氢键的作用、以及晶体中晶格的低频振动均处于太赫兹波段,使其在太赫兹波段具有吸收峰,且不同的氨基酸分子太赫兹吸收峰不同,故可用氨基酸在太赫兹波段的这种“指纹特性”实现氨基酸类物质的定性分析。量子化学分析方法可以应用量子力学的基本原理和方法,研究稳定和不稳定分子的结构、性能及其之间的关系,还可以针对分子与分子间的相互作用、相互碰撞及相互反应等问题进行研究。通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定参考性与指向性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,还能为实验结果进行验证。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸的太赫兹吸收谱,分别构建这三种氨基酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子构型,利用量子化学计算方法在完成结构优化后进行太赫兹吸收谱模拟计算。计算结果表明三种氨基酸单分子的太赫兹吸收谱计算结果与实验获取的太赫兹吸收谱差异较大,但在高频段吸收峰峰位基本吻合。通过GaussView分别查看了这三种氨基酸分子在太赫兹段内的吸收峰对应频率处的振转情况,发现在高频段内三种氨基酸分子官能团均只发生转动而未见振动,并且转动模式基本一致。通过对氨基酸官能团的太赫兹吸收谱进行量子化学计算,将官能团在高频段内吸收峰对应频率处的振转模式与三种氨基酸分子在该段内吸收峰对应频率处的振转模式做了对比。研究表明,在氨基酸单分子构型下由量子化学方法计算所得的太赫兹吸收谱中,高频段内计算得出的模拟吸收峰与实验获取的太赫兹吸收峰基本吻合;振转模式分析发现,谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸在太赫兹高频段内的氨基酸官能团振转模式相同,三种氨基酸分子在高频段内的吸收峰主要来源于氨基酸官能团。因此,结合量子化学计算与太赫兹吸收谱可以实现氨基酸类物质的定性分析。     

基于连续量子级联激光器的1103.4cm–1处NH3混叠吸收光谱特性研究

由于NH3在大气气溶胶化学中具有重要作用,所以快速和精确反演NH3浓度对环境问题非常重要.本文以9.05μm的室温连续量子级联激光器(quantum cascade laser,QCL)作为光源,采用波长扫描直接吸收可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术,研究了QCL在1103.4 cm–1的光谱特性,获得了激光器控制的温度电流与波长的关系.设计了QCL二级温控的低压实验平台,测量氨气在1103.4 cm–1处的6条混叠吸收线,在降低压强的情况下谱线展宽变小,使混叠光谱分离,由此计算各条吸收线的线强,进一步对测量不确定度进行分析.针对混叠严重的光谱提出了低压分离单光谱精确反演气体浓度的方法,并进行了实验验证.通过与HITRAN数据库进行结果对比,得出氨气在1103.4 cm–1的实验测量线强值与数据库偏差为2.71%-4.71%,实验测量线强值的不确定度在2.42%-8.92%,极低压条件下反演浓度与实际值的偏差在1%-3%.     

基于ELM算法的羊肉水分含量的快速无损检测

在近红外光谱900-1700nm的波长范围内采集南疆羊肉的光谱数据,来研究水分含量的快速无损检测.为减弱非目标因素对光谱的影响,采用SNV和去趋势法对光谱数据进行预处理.为降低建模的复杂度,去除共线性的影响,采用连续投影算法和相关系数法相结合选取8个特征波长变量,最后使用PLS和ELM算法分别进行建模.实验表明,与采用全光谱波段建模相比,采用特征波长变量建模,PLS和ELM算法的运行时间都大大缩短,并且在运行时间和预测精度上,ELM算法均优于PLS算法.ELM算法采用8个特征波段变量建模,预测精度达到0.9768,均方误差为4.4291e-04,相关系数为0.7603,运行时间可控制在1e-04s之下,这可为研发羊肉水分含量的便携式检测装置提供理论参考.     

湍流大气传输中跟踪抖动对远场影响的仿真研究

分析了跟踪抖动对湍流大气传输远场光斑的影响。基于麦克斯韦电磁场理论,采用大气相干长度对大气湍流进行描述,推导了发射光束因跟踪抖动导致光轴偏离的远场表达式。在此基础上,利用相位屏法模拟抖动引起的倾斜相位和大气折射率起伏引起的相位调制,并采用低频补偿的功率谱反演法对传输过程进行了数值仿真。分析了不同跟踪抖动、湍流强度条件下远场光斑质心脱靶量的变化,以及不同尺寸模拟目标的回波概率。分析结果表明,在传输距离为10 km时,强湍流造成的远场光斑脱靶量可达几十μrad;当跟踪抖动较大时,湍流强弱对脱靶量影响差别很小。最后,对一定尺寸的模拟目标,从探测回波概率的角度给出了发射系统跟踪抖动量的控制范围。     

基于器件结构提高TADF-OLED器件的发光性能

为了提高以TADF材料作为主体、天蓝色荧光材料作为客体的混合薄膜的OLED器件光电性能,我们调整了器件结构,使主体材料发挥其优势。制备了基本结构为ITO/NPB(40 nm)/DMAC-DPS∶x%BUBD-1(40 nm)/Bphen(30 nm)/LiF(0.5 nm)/Al的OLED器件。研究了主-客体材料在不同掺杂浓度下的OLED器件的光电特性。为了提高主体材料的利用率,在空穴传输层和发光层之间加入10 nm的DMAC-DPS作为间隔层;然后,在阳极和空穴传输层之间加入HAT-CN作为空穴注入层,形成HAT-CN/NPB结构的PN结,有效降低了器件的启亮电压(2.7 V)。测量了有无HAT-CN的单空穴器件的阻抗谱。结果表明,在最佳掺杂比例(2%)下,器件的外量子效率(EQE)达到4.92%,接近荧光OLED的EQE理论极限值;加入10 nm的DMAC-DPS作为间隔层,使得器件的EQE达到5.37%;HAT-CN/NPB结构的PN结有效地降低了器件的启亮电压(2.7 V),将OLED器件的EQE提高到5.76%;HAT-CN的加入提高了器件的空穴迁移率,降低了单空穴器件的阻抗。TADF材料作为主体材料在提高OLED器件的光电性能方面具有很大的潜力。     

241Am-Be中子参考辐射的蒙特卡罗模拟研究

研究用于校准场所中子剂量监测仪表的241Am-Be中子参考辐射场计量特性。采用蒙特卡罗方法模拟了空气自由中子参考辐射(FRNR),GB/T 14055规定的最小尺寸中子参考辐射(SRNR)和实际中子参考辐射(ARNR)中不同检验点处中子周围剂量当量率、散射中子占比和能谱分布特征。研究结果表明,空气对FRNR中的剂量率和能谱分布影响小,近似为理想中子参考辐射;采用5%含硼聚乙烯作屏蔽的最小尺寸SRNR可减少热中子,降低散射中子占比,影锥法不适用于小尺寸中子参考辐射中对散射中子的修正;ARNR中的散射中子更少、占比更低,影锥法所得散射中子占比与理论值基本一致。     

Experimental and numerical study of the propagation of focused wave groups in the nearshore zone

The propagation of focused wave groups in intermediate water depth and the shoaling zone is experimentally and numerically considered in this paper. The experiments are carried out in a two-dimensional wave flume and wave trains derived from Pierson-Moskowitz and JONSWAP spectrum are generated. The peak frequency does not change during the wave train propagation for Pierson-Moskowitz waves; however, a downshift of this peak is observed for JONSWAP waves. An energy partitioning is performed in order to track the spatial evolution of energy. Four energy regions are defined for each spectrum type. A nonlinear energy transfer between different spectral regions as the wave train propagates is demonstrated and quantified. Numerical simulations are conducted using a modified Boussinesq model for long waves in shallow waters of varying depth. Experimental results are in satisfactory agreement with numerical predictions, especially in the case of wave trains derived from JONSWAP spectrum.