Ce掺杂Bi2O3 光催化剂的制备、表征及其可见光催化性能

采用水热-焙烧法制备了Ce掺杂的可见光响应的Bi₂O₃光催化剂（Ce-Bi₂O₃）。利用 XRD、FT-IR、XPS和 UV-Vis对不同Ce-Bi₂O₃样品进行了表征分析,并以光催化降解金橙Ⅱ溶液为探针反应,考察了Ce-Bi₂O₃的可见光催化性能。结果表明,Ce掺杂可以减小催化剂的禁带宽度,使光谱响应范围向可见光拓展。掺杂的Ce可取代Bi₂O₃晶格中部分Bi,形成Bi-O-Ce键,并生成了少量铈铋复合氧化物（Bi_7.38Ce_0.62O_12.31）,它们的存在有效地抑制了光生电子-空穴对的复合,有助于提高Bi₂O₃的可见光催化活性。但焙烧时间过长将导致Ce-Bi₂O₃催化剂的表面发生烧结现象,致使其催化活性降低。可见光照射下的金橙Ⅱ光催化降解实验表明,经2 h焙烧后得到的Ce/Bi的量比为0.5 的Ce-Bi₂O₃催化剂具有最佳的光催化活性。     

制备温度对(Mg1-x-yBaxSry)1.95SiO4∶0.05Eu 荧光粉三元相图及色像图的影响研究

采用高温固相法分别在1 150,1 200和1 250 ℃制备(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu荧光粉系列样品,通过XRD、PL和紫外发光照相记录,建立起组分-物相-色像对应关系,推导得到其三元色像图,并探讨制备温度对物相及色像影响。物相分析表明：(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu荧光粉物相组成与组分间存在渐变性,从单组分点出发物相组成数目逐渐增多且各物相含量连续变化,在富Ba2+端形成Ba₂SiO₄相单相区;随着温度升高,Ba₂SiO₄单相区扩大(Mg2+(Sr2+)在1 150,1 200和1 250 ℃固溶度为20_at%(30_at%),30_at%(35_at%), 35_at%(40_at%)),混合相区同一组分点物相组元数减少(若该组分点包含α-Sr₂SiO₄和Ba₂SiO₄相则其含量增加)。光谱分析表明：同一样品在365 nm激发下比254 nm激发下绿光波段荧光发射强但红光光波段发射弱;荧光颜色和亮度也随组分、相组成呈渐变性,Ba₂SiO₄单相区为绿色荧光且随Sr2+和Mg2+固溶荧光亮度提高,在混合相区随着Ba2+含量减少荧光颜色由绿变红,红光区域随着Mg2+减少亮度逐渐减弱[如：(Mg_1-ySr_y)₂SiO₄∶Eu系列随y增大由亮红变成暗红];随着温度升高,Ba₂SiO₄单相区内荧光粉亮度整体提高且最亮荧光粉组分中Mg2+和Sr2+固溶度提高;混合相区荧光强度整体提高,且绿色荧光粉组分区域增大(如：在254 nm激发下,(Mg_1-xBa_x)_1.95SiO₄∶0.05Eu系列由红色变成绿色时x_{1 150 ℃}=0.5,x_{1 200 ℃}=0.4,x_{1 250 ℃}=0.3,(Ba_1-ySr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu系列由绿色变成红色时y_{1 150 ℃}=0.6,y_{1 200℃}=0.7,y_{1 250 ℃}=0.8,(Ba_x(Mg_0.2Sr_0.8)_1-x)_1.95SiO₄∶0.05Eu系列由红色变成绿色时x_{1 150 ℃}=0.5,x_{1 200 ℃}=0.4,x_{1 250 ℃}=0.3)。研究建立了(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu粉体组分-结构(相)-制备(温度)-性能(荧光)对应关系;优选出(Mg_0.35Ba_0.6Sr_0.05)_1.95SiO₄∶0.05Eu/(Mg_0.6Sr_0.4)_1.95SiO₄∶0.05Eu等高效绿色/红色荧光粉;发现单相比混合相绿色荧光粉亮度高,固溶度提高有利于Ba₂SiO₄单相绿色荧光粉效率的提高;温度提高扩大了Ba₂SiO₄单相荧光粉、混合相区绿色荧光粉区域,且提高(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu荧光粉整体亮度。由(Mg_1-x-yBa_xSr_y)_1.95SiO₄∶0.05Eu系列荧光粉得出的色像随组分、温度渐变规律可应用于其他组元荧光粉优选,对新发光材料的系统开发具有一定指导意义。     

氧化钨相结的可控合成及其光催化性能研究

本文以二水合钨酸钠为主要原料,通过水热方法将单斜相氧化钨原位生长在六方相氧化钨表面,从而构建了单斜相/六方相“异相结”氧化钨光催化剂(m/h-WO₃)。XRD、Raman和SEM的结果表明,通过控制反应溶液的浓度,可以实现m/h-WO₃“异相结”中单斜相/六方相的组成调控。可见光下降解罗丹明B的实验结果表明,相较于单斜相和六方相WO₃,m/h-WO₃具有更高的光催化活性,而且m/h-WO₃中六方相和单斜相的组成是影响光催化性能的主要因素之一,5%m/h-WO₃展现了显著的光催化降解能力,降解速率分别为六方相和单斜相WO₃的7.6倍和5.0倍。SPV表征结果表明,m/h-WO₃“异相结”,特别是具有合适晶相组成的m/h-WO₃可以显著提高光生电子和光生空穴的分离效率,从而提高光催化性能。     

共聚改性g-C3N4-N可见光催化降解RhB的研究

染料废水的排放对人类健康和生态系统构成严重威胁,光催化技术因其操作简单、绿色环保等优点在解决环境污染问题上已显示出巨大的潜力。类石墨相氮化碳（g-C₃N₄）由于成本低且具有良好的化学稳定性,被认为是光催化领域最有前景的新型光催化剂之一,但由于单一g-C₃N₄的比表面积小、可见光吸收能力低、光生电子-空穴复合率高影响了其光催化性能。以邻氨基苯甲腈和尿素为原料,通过高温共聚改性制备高催化活性的g-C₃N₄-N光催化剂,研究g-C₃N₄-N在不同pH值、g-C₃N₄-N投加量和RhB溶液浓度条件下对RhB光催化降解的影响,并结合红外光谱、XRD、BET、UV-Vis对g-C₃N₄-N光催化降解RhB的机理和染料降解路径进行解析。结果表明,经共聚改性制备的碳化氮为类石墨型纯相g-C₃N₄-N,具有稳定的光催化活性、大的比表面积和多孔结构,在初始pH值为3时,加入50 mg的g-C₃N₄-N在可见光条件下光催化降解10 mg·L-1 的RhB可达到最好的光催化降解效果,RhB在暗反应30 min内的吸附去除率可达30%左右,120 min的去除率达到97.7%。在光催化作用下,g-C₃N₄-N将吸附在光催化剂表面的罗丹明B分子通过快速N-脱乙基过程形成DER、EER和AR等大分子中间体,它们在空穴与·OH和·O-₂作用下,共轭结构裂解、开环,生成丁二酸、间苯二酚、丙酸等小分子,脱除的乙基被逐步氧化为乙二醇,这些小分子可以被转化为CO₂和H₂O。     

广色域钙钛矿量子点/荧光粉转换白光LED

报道了一种使用绿色CsPb（Br_0.75I_0.25）₃无机钙钛矿量子点（PeQDs）和红色K₂SiF₆：Mn⁴⁺（KSF）荧光粉作为荧光转换材料实现广色域白光LED的方法。合成了绿色CsPb（Br_0.75I_0.25）₃量子点,峰值波长为526 nm,半高宽度为27 nm,具有很好的单色性。采用蓝光LED芯片、红色KSF荧光粉和绿色CsPb（Br_0.75I_0.25）₃ PeQDs组合能够覆盖CIE 1931颜色空间中很广的色域,达到NTSC标准色域的107%。利用丝网印刷和紫外固化工艺制作了PeQDs薄膜、KSF薄膜和PeQDs-KSF混合薄膜,与蓝光LED芯片组合得到了3种不同封装形式的白光LED器件。研究了不同封装形式对器件光学特性的影响,KSF薄膜在外侧的样品光效最高,为102 lm/W,色温为7 100 K。     

Bi2S3/BiOCl复合光催化剂的水热合成及其高活性

采用一种简便的水热法在433 K的温度下成功合成了具有不同Bi₂S₃质量分数的Bi₂S₃/BiOCl复合光催化剂,利用各种技术对其进行了表征.在紫外光照射下,以甲基橙水溶液的光催化降解为模型反应,评价了Bi₂S₃/BiOCl复合光催化剂的活性.研究结果表明:与纯Bi₂S₃和纯BiOCl相比,Bi₂S₃/BiOCl样品明显具有更高的光催化性能,尤其当Bi₂S₃在Bi₂S₃/BiOCl中的质量分数为26.5%时,Bi₂S₃/BiOCl复合催化剂的光催化活性与商业P25(TiO₂)的活性非常接近,而这种商业P25在紫外光照射下是公认的高效光催化剂.这种明显提高的光催化活性主要归功于光生电子和空穴在Bi₂S₃和BiOCl形成异质结界面上的有效转移,降低了电子-空穴对的复合.     

基于电子顺磁共振的锌卟啉敏化TiO2光催化性机理的研究

为了研究锌卟啉/TiO₂复合光催化剂的光催化效率及电子转移问题, 本文采用溶胶凝胶法制备了锌卟啉/TiO₂的混合光催化材料, 并利用紫外可见光谱、电子顺磁共振谱对锌卟啉/TiO₂复合光催化剂进行了表征与分析. 采用溶胶凝胶法制备了锌卟啉-TiO₂的混合光催化材料, 通过比较纯P25型TiO₂和掺入质量比分别为0.2%, 0.5%, 0.9%锌卟啉敏化剂的锌卟啉/TiO₂混合光催化材料的紫外可见光谱图可知, 加入适量锌卟啉敏化剂可提高TiO₂对甲基橙溶液的降解效率, 过多的掺入锌卟啉敏化剂会导致TiO₂表面被敏化剂覆盖, 从而影响了其对光子的吸收, 降低TiO₂的光催化效率, 降低TiO₂的光降解率, 甚至低于纯TiO₂的光降解率. 应用电子顺磁共振技术对锌卟啉敏化TiO₂光催化剂的光催化机理进行了合理的解释, 当使用紫外可见光源对粉末样品进行辐照时, 锌卟啉受光辐照产生的激发态电子促进具有强氧化性的Ti³⁺和超氧根自由基的生成, 从而有效的促进了光生空穴-电子对的分离, 提高了TiO₂的光催化性能.     

分光光度法研究插层膨润土负载掺氮TiO2光催化剂对亚甲基蓝的光降解

采用溶胶-凝胶法制备了具有高活性的可见光响应插层膨润土负载掺氮TiO₂光催化剂（以下简称光催化剂）。利用IR对光催化剂的微观结构进行表征,并以亚甲基蓝为目标降解物,讨论了光催化剂在可见光下的催化活性。结果表明:氮掺杂TiO₂成功负载于插层膨润土片层表面。在尿素掺杂量为0.35g和催化剂用量为40mg条件下,光催化剂对25mL初始浓度为5mg/L的亚甲基蓝溶液的降解率可达99%。     

Cu2O-Au复合材料表面甲基橙降解过程的原位SERS研究

SERS技术因其极高的表面灵敏度和选择性而成为表界面反应过程研究的重要工具之一,而光催化性能的调控建立在对其反应过程的分子水平的认识基础上,通过SERS基底与光催化材料的结合可实现催化反应过程的现场监测。本文制备了具备催化活性和SERS活性的双功能Cu₂O-Au复合材料,研究了其SERS增强和光催化降解甲基橙(MO)性能,并采用SERS技术现场研究了光催化降解MO的过程。研究表明,双功能Cu₂O-Au复合材料可将SERS效应和光催化性能有效复合,实现Cu₂O-Au界面处光催化降解过程的现场监测。表面Au纳米粒子的引入可使Cu₂O的SERS效应增强两个数量级,催化降解性能增加1倍;现场SERS监测揭示了光催化降解过程中MO分子的N=N最易断裂,C=C最难断裂,各化学键断裂容易程度由高到低依次为N=N> Ph₁-N=、=N-Ph₂ 以及Ph₁-N=、C-N> Ph-N。     

AgNbO3/石墨烯复合材料的合成及其可见光催化甲基橙降解活性

采用固相法合成AgNbO₃/石墨烯复合纳米材料,利用透射电子显微镜(TEM)及紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)对样品的形貌及光学性质进行了表征。研究发现,AgNbO₃与石墨烯复合后,带隙能明显降低,吸收光波长范围增大。以甲基橙溶液的降解为光催化模型反应评价了AgNbO₃/石墨烯复合纳米材料的可见光催化性能。结果表明:与纯AgNbO₃相比,AgNbO₃/石墨烯复合纳米材料对甲基橙的可见光催化性能明显增强。实验条件下,经300 ℃煅烧的AgNbO₃/石墨烯(2:1)复合纳米材料表现出最优的催化性能,它对甲基橙的可见光催化脱色速率系数约为纯AgNbO₃的10倍。光催化降解机理研究表明,促使甲基橙降解脱色的主要活性物种为·O₂^- 和 h⁺。     

纳米CeO2-xNx固溶体的光谱特征对其催化性能影响研究

二氧化铈(CeO₂)具有储量丰富，价格低廉，催化性能优异等特性而得到广泛应用。通过在其晶格中掺杂其他离子制得CeO₂固溶体，可以进一步调控CeO₂的晶格大小，增加晶格缺陷浓度，从而有效提高催化性能。目前研究较多的掺杂离子多为金属阳离子，而对非金属阴离子掺杂的研究尚有待深入探索。本文以CO(NH₂)₂为N源，采用水热法合成不同N掺杂浓度的纳米CeO_2-xN_x固溶体(x=0.00，0.05，0.10，0.15，0.20)，系统对固溶体的微观结构及光谱特征进行表征。X射线衍射(XRD)结果表明，所有掺杂浓度的CeO_2-xN_x固溶体均呈萤石立方单相结构。与纯CeO₂相比，N含量为0.05时样品的晶胞参数显著增大，而随掺杂浓度的进一步增加，晶胞参数又呈现出逐渐减小的趋势。拉曼(Raman)测试表明，N掺杂样品的F_2g振动模式峰向高波数移动，其原因是由于当N3-取代部分O2-后，Ce4+周围出现Ce—N键，Ce—N键长因静电引力变强而缩短，从而引起峰位的移动。通过紫外可见吸收光谱(UV-Vis)分析掺杂所引起样品电子跃迁状态的改变，发现N元素的掺杂使CeO₂在可见光区域具有了吸光性能，CeO_2-xN_x固溶体的能隙明显减小，这是由于N(2p)与O(2p)的电子轨道发生交互作用而形成中间能级，使得电子跃迁所需能量降低，从而引起能隙的红移。荧光光谱(PL)测试表明，发射峰强度随N掺杂浓度的增大而增大，其原因一方面是由于N掺杂会引起晶格缺陷及氧空位比例的提升，发生带间跃迁的几率变大，进而提高发射峰的相对强度；另一方面，N的掺杂在价带O(2p)与导带Ce(4f)间形成中间能带，同样会导致发射峰变强。为表征纳米固溶体的催化特性，分别选取N掺杂量最小的CeO_1.95N_0.05与N掺杂量最高的CeO_1.80N_0.20以及纯CeO₂作为典型催化剂，采用球磨法制备Mg₂Ni/Ni/CeO_2-xN_x复合材料，系统分析了复合材料电极的储氢动力学性能。交流阻抗(EIS)测试发现，催化剂可以有效提高储氢合金的表面电荷转移活性，N掺杂量越高，CeO₂基固溶体的催化活性越强；动电位极化曲线测试表明，掺杂催化剂也能显著提高H原子在合金内部的扩散速率，且CeO_1.95N_0.05较CeO_1.80N_0.20具有更好的催化活性。催化机理主要从催化剂的微观结构及光谱特征进行分析，如前所述，随着N含量的提高，CeO₂固溶体晶格中的氧空位比例增大，晶格畸变程度提高，N的掺杂还使固溶体的电子跃迁能隙降低，从而有利于电子在合金表面的迁移；同时，纳米材料的晶粒尺寸越小，表明晶粒表面缺陷比例越大，说明催化剂的活性增强，因此表现为N掺杂浓度越高，复合材料电极交流阻抗弧半径的越小，即CeO_1.80N_0.20可以更加有效提高复合材料的表面活性；另一方面，若催化剂的晶胞体积增大，可使H原子在穿过材料表面的传输过程中具有更大的空间，由于CeO_1.95N_0.05的晶胞参数大于CeO_1.80N_0.20催化剂，故H原子通过催化剂进入合金内部的传输更加容易。H原子在合金内部的扩散速率与催化剂的晶胞参数或晶胞体积的大小密切相关。     

Stability,electronic structure,and optical properties of lead-free perovskite monolayer Cs3B2X9(B=Sb,Bi;X=Cl,Br,I)and bilayer vertical heterostructure Cs3B2X9/Cs3B’2X9(B,B’=Sb,Bi;X=Cl,Br,I)

The lead-free perovskites Cs₃B₂X₉(B=Sb,Bi;X=Cl,Br,I)as the popular photoelectric materials have excellent optical properties with lower toxicity.In this study,we systematically investigate the stable monolayer Cs₃B₂X₉and bilayer vertical heterostructure Cs₃B₂X₉/Cs3B02X9(B,B0=Sb,Bi;X=Cl,Br,I)via first-principles simulations.By exploring the electrical structures and band edge positions,we find the band gap reduction and the band type transition in the heterostructure Cs₃B₂X₉/Cs3B02X9 due to the charge transfer between layers.Furthermore,the results of optical properties reveal light absorption from the visible light to UV region,especially monolayer Cs3Sb2I9 and heterostructure Cs3Sb2I9/Cs3Bi2I9,which have absorption peaks in the visible light region,leading to the possibility of photocatalytic water splitting.These results provide insights for more two-dimensional semiconductors applied in the optoelectronic and photocatalytic fields.     

SnO2量子点/石墨烯复合结构的合成及其光催化性能研究

本文以SnCl₄·5H₂O和氧化石墨烯为先驱物, 乙醇水溶液为溶剂, 采用一种简单的水热法一步合成了具有可见光催化活性的SnO₂量子点(约3–5 nm)与石墨烯复合结构, 利用透射电子显微镜(TEM), 高分辨透射电子显微镜(HRTEM), X射线衍射仪(XRD), 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对其结构进行了表征, 利用紫外可见吸收光谱(UV-vis)分析了其光学性能, 罗丹明-B染料为目标降解物研究了SnO₂量子点/石墨烯复合结构可见光催化性能. 结果表明: 与纯SnO₂、纯石墨烯相比, 复合结构显示出了很高的可见光催化活性. 通过对其结构进行分析, 我们提出了SnO₂量子点/石墨烯复合结构的形成机制及其可见光催化活性机理.     

三氧化钨/氧化银复合材料的水热法合成及其光催化降解性能研究

染料污染是水污染中最严重的问题之一,吸引了很多科学家的关注.人们尝试了很多方法去解决该问题,如化学氧化法、物理吸附法、光催化降解法和生物降解法等.与其他几种方法相比,光催化法有着低能耗、环保以及高效等优势.三氧化钨是常见的半导体材料,具有独特的光学性能,近年来受到了广泛的研究.本文以钨酸钠和硫脲为前驱体,通过水热法制备了三氧化钨/氧化银(WO_3/Ag_2O)复合材料,并用光催化降解亚甲基蓝来分析其光催化性能.通过X射线光电子能谱、X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、紫外可见吸收光谱等表征手段对样品的形貌、晶格结构和光催化的性能进行表征.氧化银的带宽为1.2 e V,对可见光很敏感,三氧化钨和氧化银的复合使材料在可见光下的光催化活性显著增强,在可见光下对亚甲基蓝染料的光降解率可以达到98%.实验结果表明,复合材料中的三氧化钨纳米棒为六方相,其平均直径约为200 nm,平均长度约为4μm.而复合材料中的氧化银纳米颗粒为六方相,附着在氧化钨纳米棒的表面,平均晶粒尺寸为20 nm.氧化银的存在为复合材料提供了更多的反应活性位点.相较于单一组分,复合材料在可见光下的光吸收度更高,这说明三氧化钨和氧化银的复合改变了材料的能带结构.研究发现,三氧化钨和氧化银之间形成的异质结构是其优良光催化性能的来源.此外,三氧化钨和氧化银复合材料还具有良好的催化稳定性和化学稳定性.本文结果表明,可以通过给宽带隙的半导体材料复合一些带隙合适的金属氧化物以提升其光催化活性.     

纳米金红石TiO2光催化剂的水解合成及其性能

采用水解法在323 K制备了比表面积较大的纳米金红石TiO₂光催化剂,并通过X射线衍射（XRD）、BET比表面积测试法、紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、红外光谱（IR）和光电化学（PEC）测量对纳米光催化剂进行了表征。以甲基橙为光催化反应的模型化合物,在比表面积相近的条件下,对纳米金红石和锐钛矿TiO₂光催化剂的光催化活性进行了评价。光催化实验结果表明：比表面积为～95 m2·g-1时,比表面积相近的金红石和锐钛矿的紫外光催化活性相当, 但金红石的可见光催化活性明显高于锐钛矿的可见光催化活性。光电化学实验表明: 在紫外光照射下催化剂的光电流密度从弱到强的顺序与其紫外光催化活性从低到高的次序一致。     

硅锗量子阱结构在硅异质结太阳电池中应用的数值模拟

利用半导体工艺和器件仿真软件silvaco TCAD(Technology Computer Aided Design),模拟研究了采用硅/硅锗合金(silicon/silicon germanium alloy,Si/Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构作为吸收层的薄膜晶体硅异质结太阳电池各项性能.模拟结果显示,长波波段光学吸收随锗含量的增加而增加,而开路电压则因Si_(1-x)Ge_x)层带隙的降低而下降.锗含量为0.25时,短路电流密度的增加补偿了开路电压的衰减,效率提升0.2%.氢化非晶硅/晶体硅(a-Si:H/c-Si)界面空穴密度以及Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体空穴载流子浓度制约着空穴费米能级的位置,进而影响到开路电压的大小.随着锗含量增加,a-Si:H/c-Si界面缺陷对开压的影响降低,Si_(1-x)Ge_x)量子阱的体缺陷对开压的影响则相应增加.高效率含Si_(1-x)Ge_x)量子阱结构的硅异质结太阳电池的制备需要a-Si:H/c-Si界面缺陷的良好钝化以及高质量Si_(1-x)Ge_x)量子阱的生长.