二维石墨相氮化碳纳米片的制备及其在光催化领域的研究进展

二维(2D)层状石墨型氮化碳纳米片(CNNS)由于具有各向异性的2D几何形态和芳香族p-π共轭骨架,高度开放的平面结构、超高的比表面积、增强的电子迁移速率和与层厚度相关可调的半导体带隙等特征,是目前2D层状材料的研究热点之一。 本文综述了近年来氮化碳纳米片的各种制备方法、功能化改性和应用,涉及环保、能源转换及生物传感等领域。 最后指出进一步探索制备高质量氮化碳纳米片的新方法以及拓展其在光催化领域的应用是未来研究的重点。     

高分子模板对CdS量子点制备及其光催化性能的影响

分别以球形聚酰胺-胺(PAMAM)树形分子和线形聚乙烯吡咯烷酮(PVP)两种结构不同的高分子为模板, 原位制备了分散良好的CdS量子点(CdS QDs), 并以甲基橙为降解对象, 研究了高分子模板结构对CdS量子点的制备和光催化性能的影响. 结果表明, 以PAMAM 树形分子为模板制备的CdS量子点(CdS QDs/PAMAM)比以PVP为模板制备的CdS量子点(CdS QDs/PVP)的尺寸分布更窄, 激子吸收峰更明显, 光致发光(PL)强度更高|并且在量子点尺寸接近的情况下, CdS QDs/PAMAM的催化效率明显高于CdS QDs/PVP. 这是由于PAMAM树形分子独特的结构有利于生成尺寸均匀的CdS量子点, 且不易钝化量子点表面的活性位点|而线性的PVP分子量分布较宽, 使制备的量子点的尺寸分布较宽, 且PVP分子链缠绕在CdS量子点表面, 钝化了部分活性位点, 降低催化效率. 此外, CdS QDs/PAMAM的催化能力随粒径减小而增大.     

分级结构CdS QDs/BiOCl复合光催化剂的制备及其对有机污染物的降解

采用简单液相沉积法制备了分级结构Cd S QDs/Bi OCl复合光催化剂,以XRD,SEM,TEM,HRTEM,XPS,EDS,UV-Vis DRS,PL等测试方法分别表征了样品的物相、形貌、组成、元素含量、光吸收性能以及光电特性,并以罗丹明B(Rh B)和苯酚为模型污染物,分别在可见光和紫外光下评价Cd S QDs/Bi OCl复合光催化剂的催化性能。测试结果表明,粒径为5.5μm的Bi OCl微球由大量纳米片有序堆积而成,所负载的粒径为10~20 nm的Cd S QDs均匀分布在Bi OCl纳米片表面。与纯Bi OCl和Cd S QDs/Bi OCl相比,Cd S QDs/Bi OCl-3%表现出最佳的光催化性能,其对Rh B和苯酚的降解速率常数分别是纯Bi OCl的2.6倍和5.3倍。Cd S QDs/Bi OCl复合光催化剂性能的提高可归结于,分级结构Bi OCl有效防止了片层堆积,有助于Cd S QDs的负载,另外,Cd S QDs的负载拓展了复合光催化剂的光吸收性能,均匀分布的Cd S QDs与Bi OCl形成的异质结促进了光生电子-空穴对的有效分离。     

量子点CdSe-ZnS与乳酸共聚物复合薄膜QDs/PLGA的谱学性能及聚合物薄膜体外降解行为研究

采用简单的溶液浇铸法制备了不同硒化镉-硫化锌核壳结构量子点(CdSe-ZnSQDs)含量的QDs/乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)纳米复合材料薄膜,对薄膜的微观结构、谱学性能等进行了系统的研究后,重点研究了PLGA、QDs/PLGA复合材料的体外降解行为.荧光光谱、紫外-可见光谱分析结果显示QDs与PLGA复合后仍具有稳定优异的发光性能和吸光度,且发光和吸光强度随QDs含量增加而增大.在体外降解的研究中,凝胶渗透色谱结果和磷酸盐缓冲液的pH值变化显示量子点的加入加快了PLGA的降解;而复合材料的荧光效应随着降解的进行而逐渐减弱.以上结果证明CdSe-ZnSQDs/PLGA纳米复合材料可采用简单的溶液浇铸法成功制备,且可通过检测荧光效应变化来监测QDs/PLGA复合材料的降解进程.     

原位合成具有高可见光催化活性的C3N4/CdS纳米复合材料

以硫氰酸铵和氯化镉为原料,采用无模板混合高温煅烧法一步合成氮化碳/硫化镉纳米晶(C3N4/CdS)的复合半导体材料。采用X射线衍射、傅立叶变换红外光谱和透射电镜等技术对其结构和形貌进行了表征。以有机污染物罗丹明B (RhB)为模拟污染物对复合催化剂的可见光催化活性进行测试。结果表明, C3N4/CdS复合材料中CdS以六方相纳米晶的形式均匀分散; CdS的复合基本不改变C3N4主体结构及聚合度;与纯C3N4相比,复合材料在可见区的光吸收能力有所增强。合适的能带匹配有利于光生载流子的迁移,抑制了其复合速率。在可见光照射下,复合半导体能够更加快速的降解有机污染物,且保持很好的稳定性。     

高灵敏赭曲霉毒素A电化学适配体传感器的构建

利用CdS QDs/SiO_2纳米粒子作为电子媒介体制备了一种高灵敏度的赭曲霉毒素A(OTA)电化学适配体传感器.实验过程中,首先合成了CdS QDs/SiO_2纳米粒子,之后采用透射电子显微镜、紫外吸收光谱方法等对制备的纳米材料进行了表征.该复合材料在保持了SiO_2纳米粒子良好的生物相容性和均一性的同时增加了CdS QDs的负载量,从而有利于传感器的信号放大.在组装过程中,先将捕获探针(cDNA)固定在金电极表面,适配体与捕获探针杂交形成双链,此时没有电化学信号;当OTA存在时,适配体会与OTA结合而从电极表面脱离,再将标记有CdS QDs/SiO_2纳米复合材料的信号探针(sDNA)与电极上自由的cDNA杂交,产生电化学信号.最优条件下,传感器电化学信号强度增加值与OTA浓度在0.5 pg/m L~10.0 ng/m L范围内呈现良好的线性关系,检测限低至0.091 pg/m L.     

金纳米棒/石墨相氮化碳复合薄膜的制备及其光电化学性能

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种新型的非金属有机半导体材料在光催化领域受到了人们的广泛关注。 为进一步改善它的光电化学性能,本文利用种子生长法和一锅法相结合制备了Au纳米棒/g-C₃N₄复合材料。 结果表明,金纳米棒降低了载流子的复合率,使复合材料表现出了较好的光电化学性能。 该材料光电流密度可达到17.18 μA/cm²(相对于可逆氢电极),是纯的石墨相氮化碳材料的2.5倍。     

原位合成具有高可见光催化活性的C3N4/CdS纳米复合材料

以硫氰酸铵和氯化镉为原料,采用无模板混合高温煅烧法一步合成氮化碳/硫化镉纳米晶(C3N4/CdS)的复合半导体材料。采用X射线衍射、傅立叶变换红外光谱和透射电镜等技术对其结构和形貌进行了表征。以有机污染物罗丹明B (RhB)为模拟污染物对复合催化剂的可见光催化活性进行测试。结果表明, C3N4/CdS复合材料中CdS以六方相纳米晶的形式均匀分散; CdS的复合基本不改变C3N4主体结构及聚合度;与纯C3N4相比,复合材料在可见区的光吸收能力有所增强。合适的能带匹配有利于光生载流子的迁移,抑制了其复合速率。在可见光照射下,复合半导体能够更加快速的降解有机污染物,且保持很好的稳定性。     

CdS/ZnO复合光催化剂降解亚甲基蓝的研究

利用水热法合成具有层级片状结构的ZnO纳米片,再利用原位生长法得到不同CdS复合比的CdS/ZnO复合光催化剂。采用X射线粉末衍射(XRD)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis)等手段对所制备的光催化剂进行了表征,并考察了CdS/ZnO在可见光下光催化降解亚甲基蓝溶液的催化性能。研究表明,经CdS修饰后,其光催化性能明显提高。当亚甲基蓝初始浓度为5mg·L~(-1),催化剂用量为2g·L~(-1)时,光反应240min后,亚甲基蓝的降解率高达96%。同时,对CdS/ZnO复合光催化剂可见光降解亚甲基蓝的催化机理进行了分析。     

界面聚合法制备PANI/g-C3N4复合催化剂及其热稳定性和可见光催化性能

利用界面聚合法, 成功将聚苯胺(PANI)纳米棒生长在石墨型氮化碳(g-C₃N₄)片层上, 制备了PANI/g-C₃N₄复合光催化剂. 采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见(UV-Vis)光谱、热重分析(TGA)和电化学工作站表征手段考察样品的结构、形貌及性能, 以可见光催化降解亚甲基蓝为模型考察样品的可见光催化活性. 实验结果表明, 在复合材料中的g-C₃N₄能很好地分散成层状, 并在层间与PANI纳米棒形成复合物, 这种特殊的复合结构不仅利于片状g-C₃N₄对PANI链段运动的限制及对其降解产物的物理屏蔽, 从而可以提高复合材料的热稳定性, 而且具有优越的可见光催化性能.     

单分散CdS纳米晶/PNIPAM复合水凝胶的制备及其温敏荧光特性

采用液体-固体-溶液法(LSS)制备单分散CdS纳米晶;通过自由基聚合制备单分散CdS纳米晶/聚N-异丙基丙烯酰胺(CdS/PNIPAM)复合温敏水凝胶.采用HRTEM、XRD、FTIR、DSC、PL等对CdS纳米晶、CdS/PNIPAM温敏复合凝胶的微观结构与性能进行了表征,变温荧光光谱研究了温度对凝胶荧光性能的影响.结果表明,CdS纳米晶粒径约为2.8 nm,单分散性良好;复合凝胶的荧光发射强度与环境温度存在一定的关联性,且呈可逆性.     

ZnO/CdS复合材料的合成与可见光催化性能

采用喷雾辅助气相沉积法在水热法合成的ZnO纳米线上沉积CdS纳米颗粒。采用X射线衍射仪（XRD）、激光拉曼仪（Raman）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱分析谱（XPS）和紫外可见漫反射光谱等测试手段对复合光催化剂进行表征。结果表明,3~10 nm的CdS纳米粒子修饰在直径约为100 nm ZnO纳米线的表面。XPS和Raman表明复合材料中ZnO和CdS之间存在化学相互作用。可见光催化降解罗丹明B实验结果表明ZnO/CdS复合材料的催化性能优于单相CdS或ZnO,沉积时间为30 s合成的ZnO/CdS速率常数分别是CdS和ZnO的2.91和4.03倍,且具有较高的稳定性。ZnO/CdS复合材料光催化性能增强的可能原因为光吸收范围的拓展和光生载流子分离效率的提高。     

S-型分级多孔CdS/UiO-66光催化剂的构建实现4-硝基苯胺的高效还原

金属有机框架(MOFs)材料因其高孔隙率特性在气体吸附分离、药物传递、催化等领域具有广泛应用.近年来,将功能化纳米颗粒(NPs)封装在MOFs中的研究在催化领域引起了科学家的兴趣.其中,较大比表面积的MOFs可以为NPs的分散和固定提供理想的平台,而NPs反过来可以为催化反应引入更多的活性位点,提高催化效率.然而,MOFs本身的孔隙常局限于微孔(<2 nm),这极大地限制了NPs在MOFs孔隙中的有效封装.因此,设计并制备含有介孔(2?50 nm)或大孔(>50 nm)的多级孔MOFs,揭示其孔径大小对复杂NPs/MOFs复合催化剂催化性能的影响具有重要意义.然而,具有不同孔径MOFs的可控制备具有巨大挑战性,MOFs孔径如何影响和调控NPs/MOFs复合材料催化活性是一个悬而未决的科学问题.本文结合金属离子刻蚀法和调控配体法设计了两种具有不同孔径(大孔和介孔)的UiO-66,并系统研究了孔径大小对CdS NPs的分布以及所形成的复合催化剂CdS/UiO-66的催化性能的影响及机制.我们首先阐明了UiO-66调控孔径后影响和修饰CdS NPs的空间分布:对于具有开放大孔结构的UiO-66纳米笼,CdS NPs倾向于自发沉积在UiO-66纳米笼内壁上.相比之下,CdS NPs则主要附着于介孔UiO-66的外表面.据此,具有大孔和介孔结构的CdS/UiO-66表现出不同的光催化性能.以光还原4-硝基苯胺反应为例,大孔CdS/UiO-66的反应速率常数是介孔和实心样品的3?13倍,且优于许多文献报道的CdS复合材料催化剂,表明大孔结构在制备高效复合催化材料上的潜在优势.通过光吸收能力、能级结构等计算表征,该催化剂的电子空穴对传输遵循S-型异质结光催化机制;大孔CdS/UiO-66具有较高光催化活性可归因于纳米笼对NPs的限域效应,即CdS被限制在UiO-66纳米笼内,缩短了催化剂与底物之间的电子传输距离;空心纳米笼结构则保护其内部的CdS NPs免受光腐蚀的影响,进而获得较高的催化效率和循环稳定性.可见,本文提出了一种结合离子刻蚀法和调控配体法获得具有不同孔径MOFs的有效策略,阐明了调控MOFs的孔径尺寸可以影响NPs的空间分布,是制约其性能的关键因素,有望为高效催化剂的设计及催化机制的研究提供新的依据.     

n-p异质结型CdS/BiOBr复合光催化剂的制备及性能

采用两步水热法制备了CdS/BiOBr复合光催化剂,并通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等手段对其物相、表面结构、光响应性等性质进行了表征.结果表明,合成的CdS/BiOBr复合材料是n-p型异质结,由CdS颗粒裹附在BiOBr纳米球的表面构成,这种结构不仅具有良好的可见光响应范围,且有利于光生电子的迁移,并有效地抑制光生电子/空穴对的复合.通过光催化降解模拟染料废水和光催化脱除模拟含硫燃料评价了CdS/BiOBr复合材料的可见光催化性能.结果表明,6%(质量分数)CdS/BiOBr降解次甲基蓝的拟一级动力学常数分别为BiOBr和CdS的5.3和9.6倍,脱除噻吩的拟一级动力学常数分别为BiOBr和CdS的1.9和3.2倍.CdS/BiOBr具有良好的光催化稳定性,循环使用5次后,降解率仍能达到90%以上.     

基于DNA电化学发光传感器研究金纳米颗粒对量子点的电化学发光影响

纳米金颗粒具有高的消光系数和良好的表面等离子体共振特性, 其等离子体共振特性受纳米金颗粒的尺寸和周围环境等因素的影响. 本文基于半导体纳米晶电化学发光信号对金纳米颗粒的距离依赖性制备了DNA电化学发光传感器. 首先利用循环伏安法(CV)在玻碳电极(GCE)表面原位沉积金纳米颗粒(AuNPs), 巯基丙酸包裹的CdS量子点(QDs)与氨基修饰的双链DNA (dsDNA)通过酰胺键缩合, 形成量子点修饰的双链DNA(QDs-dsDNA). 最后将QDs-dsDNA 通过dsDNA 另一端的巯基组装到纳米金表面, 得到CdS QDs-DNA/AuNPs/GCE电化学发光传感器. 在优化电极表面QDs-dsDNA密度、金纳米颗粒沉积方法等实验条件的基础上, 对不同传感器的表面性质进行了表征, 如形貌和电化学阻抗等. 进一步通过控制纳米金和CdS QDs之间的DNA研究了纳米金对CdS QDs发光信号的影响作用. 结果显示DNA链的长度和类型对发光信号有着重要的影响. 最后将此传感器用于环境污染物的DNA损伤检测, 显示出很好的灵敏响应.     

g-C_3N_4/CdS纳米棒复合光催化剂的制备及其光催化性能

采用简单的水热法制得CdS纳米棒,采用溶剂热法制得g-C_3N_4/CdS纳米棒复合光催化剂(1),其结构和性能经SEM,XRD和UV-Vis(DRS)表征。探究了1在可见光作用下光催化降解模拟有机污染物甲基橙的性能。结果表明:在可见光作用下,与纯CdS纳米棒光催化剂比较,1的催化活性明显提高,稳定性显著增强。     

金属相1T´ MoS2增强类石墨相C3N4的可见光催化性能

通过煅烧和静电自组装的方法制备了1T′ MoS₂超薄纳米片和类石墨烯相氮化碳(g-C₃N₄)纳米片的复合材料. 该材料在光催化实验中展现出6.24 μmol?g^?1?h^?1的产氢速率, 优于贵金属铂修饰的g-C₃N₄纳米片的性能(4.64 μmol?g^?1?h^?1). 此外, 该复合材料在光催化降解有机染料甲基橙的实验中表现出0.19 min^?1的催化速率, 而纯g-C₃N₄纳米片只有0.053 min^?1的催化速率. 材料光催化性能的提升可归结于1T′MoS₂ 和g-C₃N₄之间的协同效应, 包括光吸收的增强以及因1T′MoS₂优异电子导电性而得到的高效电荷分离.     

纳米复合材料CdS/TiO_2制备与不同模式光催化降解多种染料

采用化学水浴沉淀法再结合溶胶-凝胶和程序升温溶剂热两步法制备了一系列不同比例的CdS/TiO2纳米复合材料。通过X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis/DRS)和氮气吸附-脱附测试等手段对所合成纳米复合材料的组成、结构和形貌进行了表征。结果表明,该系列CdS/TiO2纳米复合材料为锐钛矿TiO2和六方相CdS的混合晶相,其对可见光有较强吸收,并且随着复合材料中TiO2比例的增加,BET值明显增大。另外,所合成的CdS/TiO2复合材料呈圆球形,颗粒比较均匀。紫外光催化降解甲基橙的实验结果表明,摩尔比为1∶4的CdS/TiO2复合材料的活性明显高于CdS、P25以及其他不同比例的CdS/TiO2。同时,1∶4 CdS/TiO2纳米复合材料在紫外光、可见光和微波辅助光催化等不同模式下对多种结构的染料均有较好的降解效果。     

利用地球上丰富的炭黑和NiS_2双助催化剂修饰提高CdS纳米片体系的可见光产氢活性(英文)

光催化产氢技术是目前解决能源和环境问题的最有潜力的方法之一,因此制备安全高效的光催化剂已成为目前的研究热点.在目前研究的各种光催化剂中,CdS光催化剂因为具有较窄的带隙(2.4 eV)和合适的导带位置,所以在可见光催化产氢领域受到广泛关注.然而,光生电子/空穴对易复合和光腐蚀作用极大地限制了CdS光催化剂的放大应用.因此,人们采用众多改性策略以提高CdS光催化剂的可见光产氢活性,其中构建CdS纳米结构和负载助催化剂被认为是最有效的方式.构建CdS纳米结构既可以缩短载流子的迁移路径,也可以减少CdS晶体中的缺陷.很多不同纳米结构的CdS光催化剂已经被开发,例如纳米线、纳米颗粒和纳米棒等.因为制备过程极为复杂繁琐,所以CdS纳米片的研究鲜见报道.本文采用乙酸鎘和硫脲为原材料,通过简单的溶剂热法合成了CdS纳米片.在CdS的各类助催化剂中,由于常用的Pt,Ag和Au等贵金属的高成本和低储量等问题严重限制了它们的实际应用,所以近年来众多非贵金属助催化剂(例如MoS_2,WS2,NiS,NiO和WC等)得到了广泛关注.由于非贵金属助催化剂存在弱电导率和低功函数等问题,影响了对光生电子的收集和利用.纳米碳材料具有极高的电导率、强可见光吸收、有效的载流子分离和较多的反应位点等优点,因此组合纳米碳材料和非贵金属助催化剂被认为是一种有效的解决方案.本文首次采用炭黑和NiS_2作为双助催化剂改性CdS纳米片,通过简单的溶剂热/沉淀两步法成功合成了廉价高效的CdS/CB/NiS_2三元光催化体系.光催化产氢性能测试表明,CdS-0.5%CB-1%NiS_2展现出最高的光催化效率(166.7μmol h~(-1)),分别是CdS NSs和CdS-1.0%NiS_2的5.16和1.87倍.X射线衍射、高分辨电子显微镜和X射线光电子能谱结果证实了CdS催化剂的片状结构,且炭黑和NiS_2成功负载在CdS纳米片表面.紫外-可见漫反射结果表明,随着炭黑和NiS_2的负载,复合催化剂的吸收边缘产生明显的红移,且对可见光的吸收增强.荧光光谱、阻抗和瞬态光电流曲线测试结果证明,炭黑和NiS_2的加入可以有效地促进光生电子/空穴对分离.极化曲线结果表明,加入炭黑和NiS_2可以降低CdS的产氢过电势,因此加速表面产氢动力学.总之,炭黑和NiS_2之间显著的协同效应极大地提高了可见光吸收,促进光生电子/空穴对分离,加速表面产氢动力学,最终得到了三元光催化体系极高的光催化产氢活性.     

电化学储能及传感器用氮化碳基复合材料设计策略

理性设计的氮化碳(C_3N_4)基纳米复合材料具有优异的电子结构和光电化学性能。这使其不仅局限于光催化领域,更已经成为电化学催化领域的新宠。通过调控纳米结构,可以协同发挥复合材料性能激发电化学性能。以电化学储能及传感应用为目标,材料结构为切入点,深入分析并综述了石墨相氮化碳及其复合材料的材料设计方法、结构和性能,为进一步深化g-C_3N_4的科学化应用提供思路。