硼碘共掺杂氮化碳的制备及光解水制氢性能

以三聚氰胺为原料, 氧化硼为硼源, 碘化铵为碘源, 采用一步煅烧法合成了硼、 碘共掺杂氮化碳催化剂(CNBI). 利用X射线衍射仪、 透射电子显微镜、 傅里叶变换红外光谱仪、 X射线光电子能谱仪、 紫外-可见光分光光度计及电化学工作站等对样品进行表征和分析, 利用可见光照射下光解水制氢反应来评价其催化性能. 研究结果表明, B, I元素均匀分散掺杂入氮化碳共轭骨架形成B, I共掺杂CN半导体材料. 相比于未掺杂材料CN, B, I共掺杂CN样品禁带宽度略微降低, 光吸收能力增强, 光生电子-空穴对的分离效率提高, 这主要归因于B, I元素的电负性差异有助于氮化碳光生电子和空穴的重新分散. 共掺杂样品CNBI(0.1, 0.3)具有最佳光解水制氢性能, 在可见光照射下产氢速率达104.3 μmol/h, 分别是纯CN(22.74 μmol/h)的4.6倍, B掺杂氮化碳CNB(0.1)(51.92 μmol/h) 的2.0倍及碘掺杂氮化碳CNI(0.3)(33.37 μmol/h) 的3.1倍.     

含咪唑环与嘧啶环的可可碱掺杂的氮化碳聚合物及其增强的光催化性能

氮化碳聚合物(PCN)是一种有潜力的聚合物型半导体光催化剂,具有原料廉价、物理化学稳定性好以及合适的带边等优点,使其在光催化分解水产氢产氧、降解染料以及抑菌等方面具有很大的潜力.但是由于高电负性的N原子被低电负性的C原子均匀地取代,增加了PCN内部电子传输的难度,使得光生电子–空穴对的复合度增加,进而光催化活性降低.由于PCN的分子结构可调控,所以可以通过分子掺杂来改变氮化碳分子结构,提高光催化活性.常用的分子有机分子,比如吡啶类化合物、嘧啶类化合物以及噻吩类化合物.研究发现,强电负性元素的引入可以改变氮化碳的电子分布,所以含有两个N原子的咪唑类化合物理论上对氮化碳的光催化活性提升帮助更大.由于此类化合物还未见有报道.因此,本文将同时含有咪唑环和嘧啶环的可可碱与尿素反应,生成了咪唑环与嘧啶环共掺杂的氮化碳聚合物,并通过一系列的表征方法验证了咪唑环与嘧啶环成功引入到氮化碳聚合物结构中;然后利用紫外可见光谱(UV-vis),荧光发射光谱(PL),电子顺磁共振(EPR)等实验与DFT理论计算共同验证了咪唑环与嘧啶环共掺杂的氮化碳光学性能;最后通过光催化分解水产氧和降解罗丹明B(RhB)来评价改性后氮化碳的活性.UV-vis测试结果表明,改性后的PCN不仅本征吸收发生红移,而且在波长450到550 nm之间有一个明显的吸收峰,这是由于引入咪唑环和嘧啶环后本征n→π~*电子跃迁所致.并且改性后的PCN的禁带宽度相比于未改性有所降低,说明其可利用的可见光范围增加.PL和EPR结果表明,改性后的PCN不仅光生载流子的复合得到了极大地抑制,而且能够产生更多的孤对电子.通过XPS价带谱,莫特–肖特基曲线以及DFT理论计算推断出改性前后PCN的带边位置,发现改性后PCN的价带位置更正,说明其产生的空穴氧化能力更强.光催化分解水产氧和降解RhB发现,最优改性样品CN40的产氧和降解RhB活性分别是未改性氮化碳的4.43倍和5.1倍.这说明通过咪唑环和嘧啶环共掺杂改性后的氮化碳的光催化活性确实得到了大幅度提升.最后通过添加各种牺牲剂和ESR/DMPO表明·O_2~-和空穴是降解RhB的主要因素.综上所述,通过咪唑环和嘧啶环共掺杂改性氮化碳聚合物,不仅提高了其光吸收能力,抑制了光生载流子的复合,产生更多的孤对电子,而且使得价带位置正移,提高了价带空穴的氧化能力,光催化活性显著提高.     

氧掺杂氮化碳纳米片的制备及其光解水制氢性能

以草酸为氧源,二聚氰胺和尿素为原料,采用两步热聚合方式合成氧掺杂氮化碳纳米片催化剂(CNO)。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、X射线光电子能谱分析(XPS)、荧光光谱(PL)及电化学测试等技术对催化剂进行结构表征分析。在可见光照射下通过分解水制氢反应对CNO的光催化还原性能进行评价。结果表明,草酸中的O元素通过取代氮化碳三嗪环结构中N原子直接键合到sp~2杂化碳上,形成O掺杂CNO。经O掺杂改性后的氮化碳具有良好的层状堆积结构,可见光吸收性明显提高,同时禁带宽度降低。O掺杂的引入加速了光生电子-空穴对的分离和传输,能大幅度提高氮化碳的光催化分解水制氢性能,在可见光照下达88.6μmol·h~(-1),是未掺杂CN的3.91倍。     

Fe-P共掺杂石墨相氮化碳催化剂可见光下催化性能研究

采用双氰胺、硝酸铁和磷酸氢二铵为原料制备Fe-P共掺杂石墨相氮化碳(g-C3N4).使用X射线衍射光谱(XRD)、N2吸附、紫外可见光谱(UV-Vis)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、荧光光谱(PL)、X射线光电子能谱(XPS)等分析手段对制备的催化剂进行了表征.结果表明,引入掺杂剂可以抑制g-C3N4的晶粒生长,提高催化剂比表面积,降低带隙能,抑制光生电子和空穴的复合.在可见光下降解罗丹明B的实验表明Fe-P共掺杂g-C3N4的反应速率常数是纯g-C3N4的6倍.我们推测了P和Fe可能的掺杂态以及光催化反应机理.     

泡沫状氮化碳的制备及其可见光分解水产氢性能

以三聚氰胺为前驱体,价格低廉、来源广泛的海泡石作为硬模板,制备出具有特殊空腔结构的泡沫状氮化碳。 通过透射电子显微镜、X射线粉末衍射、傅里叶变换红外光谱、N₂吸附-脱附、紫外可见漫反射光谱及荧光光谱等手段对样品的表面形貌和结构等物理性质进行表征,以光解水产氢性能考察其光催化活性,并通过电化学测试手段考察其光生电荷传输和分离情况。 结果表明,聚多巴胺能起到粘接剂作用,改善了前驱体与模板的结合,制备出的泡沫状氮化碳具有更大的比表面积;随模板用量增加,氮化碳的比表面积增大,当聚多巴胺改性海泡石与三聚氰胺质量比为2:1时,泡沬状氮化碳比表面积可达389.2 m²/g,其可见光产氢速率约为1061.87 μmol/(g·h),较体相氮化碳和未经多巴胺改性海泡石制备的氮化碳分别提高了7和2.6倍。 这表明大比表面积的泡沫状氮化碳为光催化反应提供了更多的活性位点,改善了多相光催化反应的传质扩散过程,提高了光生电子-空穴的分离效率,其特殊的空腔结构能有效地提高光的利用率,从而提高其光催化活性。     

原位构筑质子化氮化碳/碳化钛光催化制氢肖特基异质结

氢气因其具有高燃烧热、可再生性以及燃烧产物无污染等优势被认为是一种绿色可再生能源,是取代化石燃料的候选能源之一.然而,如何利用自然界中丰富的太阳能和水资源实现光分解水制氢的关键在于开发高效的光催化剂.在尺寸明确、能级带隙匹配的纳米材料间进行完美的界面复合(异质结构筑)是实现高效太阳能-氢能转换的最佳途径.石墨相氮化碳(CN)材料因其电子结构可调和化学性能稳定等特性被光催化界所关注.然而,氮化碳材料较弱的电学性能如电荷传输能力差及电子-空穴对复合率高导致其表现出较低的光催化制氢效率.基于此,我们用盐酸对氮化碳进行质子化处理,使材料表面电荷发生改变,从而实现氮化碳的电子带隙调节和电导率提升.在此基础上,将二维碳化钛原位负载于质子化的氮化碳(PCN)纳米片表面构筑肖特基结.PCN纳米片与碳化钛纳米片间的良好界面接触促进了电荷在材料界面上传输,进而加速了氮化碳材料的电荷分离,实现了氮化碳光催化剂活性的提升.Zeta电位测试结果显示,CN和PCN的表面电位分别为?9.5和27.3 mV,表明质子化处理可以有效改变材料表面电荷,并促其与碳化钛纳米片进行静电组装.该结果进一步得到了扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)的证实.改变表面电荷使氮化碳材料的能带宽度由2.53 eV(CN)减小到2.41 eV(PCN),增强了可见光区吸收.同时,PCN的光电流密度提升了约4倍,电子阻抗和激发态电子的辐射复合都显著降低.将PCN与碳化钛复合制得复合材料(PCN-x,x=10,20,40),实验结果表明5 g的PDN最佳负载碳化钛的量为20 mg(PCN-20).在标准太阳模拟器的可见光区(>420 nm),复合材料PCN-20的光催化水分解产氢量可达2181μmol·g-1,是CN催化剂的约5.5倍,PCN的2.7倍,并且经过5次产氢循环后PCN-20仍具有稳定的氢气释放速率.以上结果表明,氮化碳材料可以通过质子化处理以及与适量的碳化钛复合实现光催化产氢性能的提升,其中碳化钛在体系中起助催化剂的作用.该研究结果可为其他半导体光催化剂的性能优化以及非贵金属助催化剂的研究提供新思路.     

基于后功能化工艺修饰类石墨相氮化碳及其光催化产氢性能研究（英文）

本研究设计了一种后功能化工艺方法修饰类石墨相氮化炭材料。通过此工艺成功得到了硼掺杂的介孔氮化炭材料,该材料比表面积高达125 m²/g,这为提升光催化分解水性能奠定了基础。利用X射线衍射、X射线光电子能谱,荧光光谱和紫外-可见光谱对材料进行了全面的表征。基于X射线光电子能谱分析,发现通过后功能化处理硼原子成功掺杂进入氮化炭的晶格中;通过吸收光谱分析得知,硼掺杂的介孔氮化炭材料增强了在可见光区的光吸收;通过荧光光谱分析得知,相比原始氮化炭材料,硼掺杂后的介孔氮化炭材料有着更低的荧光强度,意味着光生电子和空穴的分离得到了提升。对材料进行光催化分解水测试,后功能化处理得到的硼掺杂介孔氮化炭材料的产氢速率是原始氮化炭材料的10.2倍。此结论对后续利用后功能化工艺修饰材料提升材料性能具有一定的借鉴意义。     

NiO改性C3N5光催化剂析氢性能研究（英文）

近年来,新型光催化剂氮化碳（C₃N₅）因其优异的光捕获性能和独特的二维结构备受关注。然而,较高的电子-空穴复合率严重影响其光催化性能。本研究采用水热法成功合成了氧化镍（NiO）改性的C₃N₅ p-n异质结纳米光催化剂。结果表明,9-Ni/C₃N₅纳米光催化剂在可见光照射下表现出优异的析氢性能,其析氢速率可高达357μmol/（g·h）,是纯C₃N₅的107倍。这主要归因于9-Ni/C₃N₅纳米光催化剂形成p-n异质结,有效促进了光生电子-空穴对的分离,从而提高了析氢效率。     

盐酸处理制备高结晶氮化碳及其增强光催化产氢活性（英文）

由于氢气燃烧具有高能量和零污染的优点,氢能一直被认为是解决环境污染和全球能源危机问题的新能源.而光催化剂可以将太阳能转化为氢能,是目前制氢最理想的方式.近年来,研究者们的目光已经转向非金属光催化剂,其中氮化碳光催化剂因其化学稳定性好、成本低和无毒性而备受关注.但是传统的利用含氮前驱体通过热聚合得到的氮化碳呈无定形或半结晶结构,导致其光催化活性很差.而熔盐法制备的结晶氮化碳(CCN)则具有优异的光催化产氢性能.但是,熔盐法得到的CCN依然没达到理想的结晶度.在本文中,我们用盐酸(HCl)洗涤处理熔盐法制备的产物,进一步提高了CCN的结晶度.结果表明,随着盐酸水溶液浓度的增加,制备样品的结晶度增大,在盐酸浓度为0.1 mol/L时,样品结晶度达到最大值.这是因为盐酸水溶液可以去除CCN末端氨基中的一些钾离子,导致聚合位点被释放,所以进一步提高了样品的结晶度.而当盐酸浓度进一步提高到0.2 mol/L时,氮化碳结构因为过高的盐酸浓度被破坏,导致结晶度反而下降.以0.1 mol/L盐酸水溶液处理得到的0.1HCCN样品具有良好的光催化产氢性能,在以三乙醇胺为牺牲剂时,其光催化产氢速率达到683.54μmol h^-1 g^-1,在420 nm处的量子效率为6.6%,光催化产氢速率分别是CCN和块状氮化碳的2倍和10倍.光催化活性的提高主要有两个原因:样品结晶度的提高和钾离子嵌入xHCCN样品的中间层.其中,样品结晶度的提高可以减少样品中的表面缺陷以及破坏结构中的氢键,从而增加了光生载流子的迁移,减少了电子空穴对的复合位点,这都非常有利于光催化反应的进行.而插入到xHCCN中间层的钾也促进了光生电子的转移.这是因为桥连的氮原子(N1)并不会被激发产生光生电子,因此抑制了光生电子在七嗪单元之间的迁移,而插入到xHCCN中间层的K可以增加电子的离域性,延长π共轭体系,从而促进光生电子的转移,进一步提高光催化产氢活性.本研究为熔盐法的进一步发展提供了新的思路.     

Co/C3N4 NTs复合纳米材料的制备及光催化性能

采用化学还原法将非贵金属钴纳米颗粒沉积到氮化碳纳米管（C₃N₄ NTs）内外管壁,制备了Co/C₃N₄ NTs复合光催化剂。使用多种分析表征手段对Co/C₃N₄ NTs的形貌和结构进行分析,并比较Co负载量对复合材料可见光光催化产氢性能的影响。结果表明,该金属-半导体异质结可有效增强光生电子-空穴的分离速率。经可见光照射2 h后,当Co负载量为质量分数5%时具有最佳产氢量,且产氢速率为纯C₃N₄ NTs的1.7倍。     

The Colloidal Stabilization of Carbon with Carbon: Carbon Nanobubbles as both Dispersant and Glue for Carbon Nanotubes

The superior physical properties of carbon nanotubes (CNTs) have led to their broad application. Intrinsically, CNTs tend to agglomerate from hydrophobic interactions, which is highly undesirable for solution processing and device fabrication. Commonly, a stabilizer consisting of organic surfactants or polymers is used to disperse CNTs. Recently, we synthesized nitrogen‐doped carbon hollow nanospheres (25–90 nm), termed carbon “nanobubbles”. They bear superior dispersability in water and distinctive graphitic order. Herein, we describe the nanobubble‐assisted dispersion of CNTs in aqueous solution upon sonication. This process relies on the π–π interaction between the two aromatic carbon nanostructures, which can process their carbon mixture in water into conductive filter membranes, ink, and discs. This stabilization can be extended to other aromatic carbons. In addition, the π–π interaction may create a new type of carbon p–n junction that can be used to improve charge separation.     

一维新型碳的同素异形体:碳链

碳链是一种完全一维的、具有电子轨道sp杂化结构的新型碳的同素异形体.正是由于碳链的独特的一维结构,使其拥有区别于富勒烯、石墨烯和碳纳米管的化学键,从而表现出更加优异的性能,如:理论预言碳链的机械强度是石墨烯的几倍;碳链的导热也类似于石墨烯和碳纳米管;碳链是具有直接带隙的半导体材料,且带隙的大小可以通过其长度来调控,其长...     

Adsorption of Carbon Dioxide on Activated Carbon

The adsorption of CO2 on a raw activated carbon A and three modified activated carbon samples B, C, and D at temperatures ranging from 303 to 333 K and the thermodynamics of adsorption have been investigated using a vacuum adsorption apparatus in order to obtain more information about the effect of CO2 on removal of organic sulfur-containing compounds in industrial gases. The active ingredients impregnated in the carbon samples show significant influence on the adsorption for CO2 and its volumes adsorbed on modified carbon samples B, C, and D are all larger than that on the raw carbon sample A. On the other hand, the physical parameters such as surface area, pore volume, and micropore volume of carbon samples show no influence on the adsorbed amount of CO2. The Dubinin-Radushkevich (D-R) equation was the best model for fitting the adsorption data on carbon samples A and B, while the Preundlich equation was the best fit for the adsorption on carbon samples C and D. The isosteric heats of adsorption on carbon samples A, B, C, and D derived from the adsorption isotherms using the Clapeyron equation decreased slightly increasing surface loading. The heat of adsorption lay between 10.5 and 28.4 kJ/mol, with the carbon sample D having the highest value at all surface coverages that were studied. The observed entropy change associated with the adsorption for the carbon samples A, B, and C (above the surface coverage of 7 ml/g) was lower than the theoretical value for mobile adsorption. However, it was higher than the theoretical value for mobile adsorption but lower than the theoretical value for localized adsorption for carbon sample D.     

Growth of Single-walled Carbon Nanotubes on Substrates Using Carbon Monoxide as Carbon Source

The growth of single-walled carbon nanotubes(SWCNTs) on substrates has attracted great interests because of the potential applications in various fields. Carbon monoxide(CO) was used as the carbon source for the growth of SWCNTs on silicon substrates. Random or oriented SWCNTs can be produced by varying the CO flow rate. When the flow rate of CO was as low as 20 sccm(sccm:standard cubic centimeter per minute), dense SWCNT networks with clean surface were produced. When the flow rate was above 50 sccm, vertically aligned SWCNT(VA-SWCNT) arrays were grown. Well-aligned VA-SWCNT arrays were obtained in the temperature range of 650-800℃ and the content of large-diameter(above 1.7 nm) tubes in the array increased with the temperature. The height of the array was affected by the growth temperature, the CO flow rate, and the growth time. These findings indicate CO can be used as an efficient carbon source for the growth of SWCNTs on substrates under low flow rates.     

埃洛石纳米管模板法一步法制备一维碳纳米管/碳纳米棒混合纳米碳材料

利用埃洛石纳米管(HNTs)特有的中空纳米结构,以及丰富的界面化学性质,以聚乙烯醇(PVA)为碳源,采用浸渍填充纳米孔方法实现了一步制备一维碳纳米管(CNTs)/碳纳米棒(CNRs)混合纳米碳材料。考察模板剂(HNTs)和碳源(PVA)之间的比例关系对混合纳米碳材料的结构影响,利用XRD、FTIR、Raman、N2吸附-脱附测试、TEM、SEM以及电阻率和分散性等表征手段分析混合纳米碳材料的结构变化。结果发现,PVA填充含量的增加将导致产物中CNRs的质量分数增加;当PVA和HNTs质量之比为1∶1时,所制备的CNTs/CNRs的孔体积达到最大值2.142 cm~3·g-1,比表面积达到583 m~2·g-1,并且表现出较好的电导率和分散性,表明低的PVA填充比例制备的混合碳材料中CNTs含量较高。     

Carbon clusters

Some of the most significant discoveries and achievements concerning the mass spectra and gas phase ion chemistry of carbon clusters are reviewed. These include (1) nanosecond and femtosecond laser ionizations; (2) ion structures through ion/molecule reactions, ion chromatography, and computational methods; (3) carbon cluster cooling through radiative decay, dissociative decay, and thermionic emission; (4) mechanisms and energetics of fragmentation reactions; (5) endohedral fullerenes including recent data on ion beam implantation, and (6) ion chemistry as a function of the fullerene charge state.     

二氧化碳与低碳经济发展

由于二氧化碳无色无味,又存在于大气中,因此它在植物生长中的重要性被人类忽略了。其实二氧化碳是光合作用的反应物,是植物生长的重要原料;又是一种新型绿色肥料。人类应该着力开发以二氧化碳为原料的新型肥料发展低碳经济。     

Ni/γ-Al2O3催化剂上CH4-CO2重整体系中积碳-消碳的研究

用动态热重技术和色谱技术联用以及XRD和TEM等表征手段,研究了Ni/γ-Al     

Palladium-Catalyzed Addition of Carbon Monoxide and Carbon Tetrachloride to 1-Octene in Supercritical Carbon Dioxide

The Pd-catalyzed addition of carbon monoxide and carbon tetrachloride to 1-octene gave coadduct [alkyl 2-( 2, 2, 2-trichloroethyl)octanoate] as the major product in supercritical carbon dioxide by using pyridine as the base. It was found that the selectivity and the yield of coadduct were greatly affected by the pressure of carbon dioxide, the reaction temperature and the amounts of alcohol and base used.     

碳纳米管含量对炭炭复合材料组织及力学性能的影响

炭纤维上原位合成了均匀生长且具有伸张形貌的碳纳米管,借助化学气相渗透制备了碳纳米管增强的炭炭复合材料,研究了不同含量的碳纳米管对炭炭复合材料组织和力学性能的影响。结果表明：炭纤维上生长碳纳米管改变了热解炭的沉积行为,诱导了各向同性热解炭的生成,且随着碳纳米管含量的增加,各向同性热解炭的厚度增加,但是复合材料的d002值却明显降低。微量的碳纳米管即可显著提高复合材料的力学强度,随着其含量的增加,复合材料的力学强度和模量迅速提高,但材料的断裂行为却急剧恶化,断裂模式由最初的假塑性断裂转变为脆性断裂。