硫化钴改性石墨炔构建S型异质结高效光催化产氢

石墨炔(GDY,g-C_nH_2n-2)作为一种新型的由sp和sp2杂化的碳原子构成的二维碳材料,因其独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性,使之在能源、电化学、光催化、光学、电子学等诸多领域具有显著优势.它作为一种具有良好的层状结构的新型碳材料,其可调节的电子结构弥补了石墨烯无明显带隙的缺点,有望在光催化分解水领域展现出广阔的应用前景.本文报道了以CuI粉末为催化剂制备石墨炔的新方法,并对其进行改性后制备了Co₉S₈-GDY-CuI新型复合材料;即通过有机合成法和水热法将GDY-CuI片层材料与Co₉S₈纳米颗粒复合,合理构建了S型异质结,展现出良好的光催化活性.石墨炔的层状结构有利于Co₉S₈纳米粒子的分散,能够有效避免粒子聚集,从而暴露出更多的活性位点.石墨炔独特的电子转移特性使得它与染料分子之间的相互作用和键合都能表现出良好的电子转移特性.因此,制备的Co₉S₈-GDY-CuI在染料敏化体系中的产氢活性达到了1411.82μmolg^-1h^-1,是纯石墨炔的10.29倍.通过表征技术深入研究了该复合材料产氢活性提高的内在原因.拉曼光谱研究结果表明材料中存在炔基键,X射线光电子能谱中碳拟合峰以C-C(sp2)和C-C(sp)的形式存在,且两者之间的峰面积之比约为1:2,该结果与理论值吻合.红外光谱结果表明,纯石墨炔和复合材料中存在C≡C.结合紫外可见漫反射和莫特-肖特基表征结果对材料的能带结构进行了深入分析并且提出了该反应的可能机理.结果表明,Co₉S₈-GDY-CuI样品之间形成了双S型异质结,有效地加速了电子的分离和转移.S型异质结的存在有利于提高材料内部的电荷分离效率,保留了更为有效的氧化还原电位,更有利于该材料光催化分解水反应的进行.此外,复合材料中Co₉S₈纳米粒子的引入提高了Co₉S₈-GDY-CuI对可见光的吸收能力,增强了对于可见光的利用率.光致发光光谱和电化学测试结果进一步证明了复合材料中光生电子-空穴对的复合被有效抑制,是Co₉S₈-GDY-CuI材料产氢活性得以提高的内在原因之一.上述研究表明,Co₉S₈-GDY-CuI之间异质结的构建为材料光催化反应的进行提供了一条有效的电子转移路径.本文为石墨炔材料在光催化分解水制氢相关领域提供了一个可借鉴的新思路.     

无机晶须材料的合成与应用

本文综述了无机晶须材料的合成与应用研究现状.近年来我国在这一研究领域取得了很大发展,以"硼酸铝晶须产业化"项目为代表的无机晶须材料的工业化生产,无疑将对我国高技术新材料的发展起极大的促进作用.本文还对几种典型的无机晶须材料--SiC晶须、Al18B4O33晶须、K2Ti6O13晶须、CaCO3晶须、Mg2B2O5晶须、莫来石晶须的合成与应用研究现状作了概述,并就其研究前景作了展望.     

光催化分解水制氢研究进展

光催化分解水制氢,其学术和社会意义无疑是极其广泛而深远的.这一点至少早在科幻之父儒勒·凡尔纳(JulesVerne)生活的时代就被人们所认知,下面引用JulesVerne在1874年出版的《神秘岛》中的一段表述,让我们来再次重温这一课题的伟大意义.J.Verne写到:“Waterdecomposedintoitsprimitiveelements,anddecomposeddoubtlessbyelectricity,whichwillthenhavebecomeapowerfulandmanageableforce……Yes,myfriends,Ibelievethatwaterwillsomedaybeemployedasfuel,thathydrogenandoxygen,whichconstituteit,usedsinglyortogether,willfurnish…     

老山汉墓土遗址盐分调查与分布规律探索

老山汉墓土遗址中可溶-微溶盐导致遗址表面酥碱、起甲、泛白和块状脱落等病害较为严重.利用X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)以及离子色谱(IC)等方法测定了老山汉墓遗址不同取样位置及距遗址表面不同深度处可溶盐的成分及含量,并分析了盐分对遗址破坏的可能机制.结果表明,该遗址的主要有可溶盐有Na2SO4、Na2SO4·10H2O、Na Cl、Na12Mg7(SO4)13·15H2O,微溶盐有Ca SO4、Ca SO4·2H2O,此外还含有少量的Ca Cl2、KNO3、KCl、Mg Cl2、K2SO4、Mg SO4等盐分.随着取样深度增加,各盐分的种类及含量有所减少,此分布规律可能与可溶盐的赋存环境及水分运移有关.试验结果对于老山汉墓土遗址的保护措施具有一定的参考价值.     

基于莫高窟成盐元素相关系探究壁画盐害作用机理

壁画盐害与壁画的成盐元素种类、盐分迁徙活动以及环境气象条件等密切相关.莫高窟壁画酥碱病变的可溶盐主要为NaCl和Na2SO4,盐的结晶是破坏力的重要来源.本文运用经典溶液化学的研究方法,界定了三元体系NaCl-Na2SO4-H2O于308K,298K,288K,278K,268K的相关系,以此为基础阐释了壁画盐害的发生和发展规律,计算得到了安全含盐量和环境条件的临界数值.研究表明:NaCl的饱和溶解度对温度敏感度不大,它的结晶析出更多的是伴随着水分的蒸发而发生;Na2SO4的饱和溶解度对温度表现较为敏感,它的结晶析出,除了因溶剂水分的蒸发而发生发展之外,还将因温度的降低而产生,他们各自在壁画盐害的发生发展过程中有一定的行为差异,其主导作用的交替点大致在wNa2SO4 /w NaCl=1:3～6左右,即当该体系中Na2SO4的质量比约达30%～15%时,Na2SO4将成为壁画盐害随洞窟温度变化而发生的主导诱因.三元体系NaCl-Na2SO4-H2O中NaCl和Na2SO4在5～35℃的介稳饱和溶解度的测定,取得了与相图相一致的结果.NaCl结晶物质地坚硬、粒度均匀,在壁画盐害表现形式上应以点状疱疹为主;Na2SO4结晶物主要以十水硫酸钠Na2SO4·10H2O的形式析出,质地疏松,易风化,易返潮,所导致的壁画酥碱病变有一定的反复性.Na2SO4的过饱和溶解度大,易富集,易浓缩,结晶区域较大,相应破坏面也较大,在壁画盐害的表现形式应以粉状酥碱为主,如壁画较大面积的空鼓、地仗层酥松等.     

可控设计Zn-Ni-P修饰g-C3N4催化剂光催化产氢性能

光催化分解水制氢是应对能源危机和环境污染问题的途径之一,也是实现太阳能转化和储存的有效方法.其中,应用层面的一个关键制约因素是高效光催化剂的开发和制氢反应体系的构建,理论层面的一个关键科学问题是光生电子-空穴的高效分离及光生电子定向迁移,这两个层面的问题构成当前光催化分解水制氢研究的重大挑战.因此,稳定、高效催化剂的制备成为光催化领域重要的研究目标.类石墨烯氮化碳(g-C_3N_4)的结构与石墨相似,其层与层之间的范德华力使其具有良好的热稳定性和化学稳定性.g-C_3N_4是一种聚合物非金属半导体,由于具有与碳材料相似的层状堆积结构和sp~2杂化的π共轭电子能带结构,因此被认为是最有可能代替碳材料用于光催化分解水制氢的新型光催化材料.g-C_3N_4的室温禁带宽度为2.7eV左右,其价带和导带的位置完全覆盖了水的氧化-还原电位,因此理论上g-C_3N_4不仅能够氧化水为氧气,而且能够将水还原产氢,从而表现出优良的光电特性,成为新型太阳能转换材料.然而, g-C_3N_4在展示了良好研究前景的同时也存在一些缺陷,如比表面积较小及稳定性差等,这制约了g-C_3N_4在光催化领域的应用.为此,通过各种化学修饰对g-C_3N_4进行改性以提高其光催化活性和稳定性成为一个重要的研究方向.本文采用高温煅烧方法成功制备了Zn-Ni-P@g-C_3N_4催化剂.将一定量的g-C_3N_4、乙酸镍、乙酸锌和次亚磷酸钠均匀混合在一起并研磨成粉末,然后以3 oC/min的速率升温至300oC并在此温度下保持2h,自然冷却至室温后即得到Zn-Ni-P@g-C_3N_4催化剂,整个制备过程在氮气环境中进行.研究表明,在Zn与Ni摩尔比为1:3的Zn-Ni-P@g-C_3N_4催化剂上,当反应体系pH=10,在420nm光照下反应5h产氢量可达531.2μmol,是纯g-C_3N_4上的54.7倍.20h循环实验表明催化剂具有较好的光催化稳定性.对催化剂进行了XRD、TEM、SEM、XPS、N_2吸附、UV-vis DRS、瞬态光电流、FT-IR、瞬态荧光和Mott-Schottk等一系列表征,证明Zn-Ni-P的参与有效调变了电荷传输机制.SEM表征表明, Zn-Ni-P@g-C_3N_4为均匀排列的小颗粒,与纯g-C_3N_4相比其结构发生了改变,在Zn-Ni-P@g-C_3N_4结构中未发现g-C_3N_4纳米片的存在,说明Zn-Ni-P和g-C_3N_4成功复合.在上述研究基础上推测了可能的反应机理.     

Pt/TiO2光催化分解四硼酸钾水溶液制氢

研究了以四硼酸钾溶液作反应体系，在1%Pt／TiO2光催化剂的作用下光催化分解水制氢的反应，发现该体系能使放氢速率明显提高．放氢速率还随B4O7^2-浓度的增大而增大．在此基础上，还对B4O7^2-的作用机理进行了探讨，BRO7^2-在该反应体系中主要是通过物理作用有效的阻止了逆反应的发生，从而使放氢速率得以提高．     

B掺杂Cd0.5Zn0.5S光催化剂制氢性能研究

采用浸渍法制备了B掺杂的Cd0.5Zn0.5S光催化剂,考察了不同B掺杂量的Cd0.5Zn0.5S催化剂在可见光光照下的放氢活性和稳定性.实验结果表明,B掺杂可以显著提高催化剂的活性和稳定性.B的掺杂量对催化剂的活性有显著影响,最佳担载量为2%.在利用XRD、PL、XPS、UV-V is等手段对催化剂表征的基础上,结合光催化性能测定结果与催化剂表征结果,初步探讨了B掺杂对Cd0.5Zn0.5S光催化剂性能的影响机制.结果表明,B掺杂显著地增强了B/Cd0.5Zn0.5S催化剂的紫外-可见漫反射和荧光光谱强度.XPS结果表明,催化剂中的B物种不是以简单氧化物的形式存在,而可能是通过某种化学反应与Cd0.5Zn0.5S光催化剂作用,使催化剂的性能得以改善.     

In2O3修饰三维纳米花MoSx构建S型异质结用于高效光催化产氢

形貌控制和异质结构建是提升光催化剂性能的有效策略。本文采用In₂O₃修饰三维纳米花MoS_x并构建S型异质结,为电子的传输提供了特殊的转移途径。通过合理调控In₂O₃的负载量,MoS_x/In₂O₃的最佳产氢速率能够达到6704.2 μmol∙g⁻¹∙h⁻¹,是纯MoS_x的1.8倍。采用荧光光谱和电化学测试证实复合材料中内部电子和空穴对的分离效率得到了有效的提升,并利用紫外漫反射测试和羟基自由基实验推测了析氢机理。     

Mn0.2Cd0.8S@CoAl LDH S-型异质结构建及其光催化析氢性能研究

构建高效、稳定的异质结光催化剂体系是实现太阳能驱动分解水制氢的有效途径。本研究通过物理混合法将Mn_0.2Cd_0.8S纳米棒与CoAl LDH纳米片进行耦合,成功制备出一种新型的Mn_0.2Cd_0.8S@CoAl LDH (MCCA) S型异质结光催化剂。光致发光光谱和光电流测试结果表明,该异质结在内建电场的作用下可以有效地加快Mn_0.2Cd_0.8S和CoAl LDH界面间光生载流子的分离和电子转移。关键的是,CoAl LDH的引入有效地抑制了光生电子与空穴的复合,从而提高了Mn_0.2Cd_0.8S的光催化产氢活性。最佳CoAl LDH负载量的MCCA-3在5 h内的产氢量为1177.9 μmol。与单独使用纯Mn_0.2Cd_0.8S纳米棒和CoAl LDH纳米片相比,这是一个显著的改进。本研究为合理设计用于光催化制氢的S型异质结光催化剂提供了一条简单有效的途径。