g-C_3N_4纳米带的电子结构及光学性质的第一性原理计算（英文）

采用密度泛函理论的第一性原理方法研究了扶手椅型g-C_3N_4纳米带(AC-g-C_3N_4NRs)和锯齿型g-C_3N_4纳米带(ZZ-g-C_3N_4NRs)的电子结构和光学性质。结果表明:AC-g-C_3N_4NRs和ZZ-g-C_3N_4NRs的边缘H原子均能稳定存在。AC-g-C_3N_4NRs的价带顶主要由多数N原子贡献,而ZZ-g-C_3N_4NRs的价带顶主要由CH边缘附近的N原子贡献。AC-g-C_3N_4NRs的导带底主要属于纳米带一侧边缘或两侧边缘附近的C原子和N原子,而ZZ-g-C_3N_4NRs导带底主要属于ZZ-g-C_3N_4NRs的NH边缘附近的C原子和N原子。AC-g-C_3N_4NRs和ZZ-g-C_3N_4NRs的吸收系数和反射率都随纳米带宽度的增加而增加。随着AC-g-C_3N_4NR宽度的增加,吸收系数在低能区域产生明显的蓝移现象。     

氮缺陷对GaN/g-C3N4异质结电子结构和光学性能影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层GaN、g-C₃N₄、GaN/g-C₃N₄异质结及3种氮缺陷GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性能。计算结果表明,GaN/g-C₃N₄异质结体系晶格失配率极低（0.8%）,属于完全共格。与单层g-C₃N₄相比,GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结的导带向低能方向偏移,价带上移,从而导致带隙减小,且态密度均显示出轨道杂化现象。GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结在界面处均形成了电势差,在其内部形成了从g-C₃N₄层指向GaN层的内置电场。GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结的界面电势差值最大且红移现象最为明显,表明GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结相较其他2个N缺陷异质结光学性能最好。氮缺陷的引入在不同程度上提高了GaN/g-C₃N₄异质结在红外光区域的光吸收能力。     

氮缺陷对GaN/g-C3N4异质结电子结构和光学性能影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层GaN、g-C₃N₄、GaN/g-C₃N₄异质结及3种氮缺陷GaN/g-C₃N₄-V_XN(X=1、2、3)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性能。计算结果表明,GaN/g-C₃N₄异质结体系晶格失配率极低(0.8%),属于完全共格。与单层g-C₃N₄相比,GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN(X=1、2、3)异质结的导带向低能方向偏移,价带上移,从而导致带隙减小,且态密度均显示出轨道杂化现象。GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN(X=1、2、3)异质结在界面处均形成了电势差,在其内部形成了从g-C₃N₄层指向GaN层的内置电场。GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结的界面电势差值最大且红移现象最为明显,表明GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结相较其他2个N缺陷异质结光学性能最好。氮缺陷的引入在不同程度上提高了GaN/g-C₃N₄异质结在红外光区域的光吸收能力。     

g-C3N4基复合分离膜的制备及光催化性能

利用g-C₃N₄纳米片表面的氨基与膜基底材料氯甲基化聚醚砜（CMPES）的苄氯基团发生化学交联反应,再通过相转化法制备出g-C₃N₄/CMPES复合膜。系统研究了g-C₃N₄纳米片的添加对复合膜的结构、形貌及过滤、光催化、抗污染性能的影响,并探讨其光催化降解牛血清白蛋白溶液（BSA）的机理。研究结果表明：g-C₃N₄纳米片与膜基底材料通过化学键相连接,有效提高了复合膜的光催化性能和稳定性。由于g-C₃N₄纳米片的亲水性和光催化作用,使复合膜表现出优异的过滤性能和抗污染性能。     

g-C3N4-BiOBr复合材料制备及可见光催化性能

利用原位沉积法将BiOBr纳米片生长到g-C₃N₄表面,制得g-C₃N₄-BiOBr p-n型异质结复合光催化剂。采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见漫反射(UV-Vis-DRS)和荧光光谱(PL)等测试对光催化剂结构和性能进行表征。通过可见光辐照降解甲基橙水溶液检测评估复合光催化剂光催化活性。研究结果表明:复合光催化剂由BiOBr和g-C₃N₄两相组成,BiOBr纳米片在片状g-C₃N₄表面快速形核生长形成面-面复合结构。相比于纯相g-C₃N₄和BiOBr,g-C₃N₄-BiOBr复合材料具有更强可见光吸收能力,吸收带边红移。在可见光辐照100 min后,性能最佳的2:8 g-C₃N₄-BiOBr复合光催化剂光催化活性分别是纯相g-C₃N₄和BiOBr的1.8和1.2倍,经过4次循环实验后,其降解率仍达84%,说明复合结构光催化剂催化性能和稳定性增强。复合光催化剂的荧光强度显著降低,说明光生载流子复合得到了有效抑制。复合光催化剂催化性能的提高归因于p-n型异质结促进电荷有效分离、抑制电子-空穴复合和吸收光波长范围的扩展,相比单一成分材料具有更好的催化活性和稳定性。自由基捕获实验证明,可见光降解甲基橙光催化过程中的主要活性成分为空穴,并据此提出了可能的光催化机理。     

MoS2/g-C3N4复合材料的制备及可见光催化性能

首先在N-甲基吡咯烷酮溶液中超声剥离得到少层的MoS₂,将其与石墨相氮化碳（g-C₃N₄）复合,制得MoS₂/g-C₃N₄复合材料。采用X射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）,X射线光电子能谱（XPS）,傅里叶变换红外光谱（FTIR）,Raman光谱,紫外-可见漫反射吸收光谱（DRS）和光致荧光（PL）技术对复合材料进行表征。可见光下考察MoS₂/g-C₃N₄复合材料光催化降解罗丹明B（RhB）的活性,结果表明：将少量MoS₂与g-C₃N₄复合可明显提高光催化活性,且1%（w/w）MoS₂/g-C₃N₄复合物的光催化活性最高,可能的原因是MoS₂和g-C₃N₄匹配的能带结构,增大了界面间电荷的传输,降低了光生电子-空穴的复合,进而提高了光催化活性。     

Ⅱ型TiO2/g-C3N4异质结的构筑促进高效光催化U(Ⅵ)还原

采用水热法将TiO₂纳米片修饰在中空管状g-C₃N₄上制备了TiO₂/g-C₃N₄(T-CN)复合催化剂。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和光电流响应等对其形貌、结构和光物理性能进行了表征。结果表明,TiO₂纳米片均匀地分散在中空管状g-C₃N₄表面,两者紧密结合形成异质结。TiO₂与g-C₃N₄的质量比为20%时制得的T-CN-20复合催化剂在60 min内对U (Ⅵ)的去除率为85.64%,是纯相g-C₃N₄的6.7倍。在10倍高浓度阳离子共存条件下的去除率仍大于69.8%,且具有优良的结构稳定性。对光催化产物分析可知,T-CN将U (Ⅵ)还原为难溶的U (Ⅳ)(63.68%)以去除铀,可有效解决含铀核废水中的U (Ⅵ)污染问题。根据能带理论分析,提出了复合催化剂异质结的Ⅱ型光催化机理。     

碳化MoS2/掺硫g-C3N4异质结的合成及其在可见光下催化降解罗丹明B机理

为了进一步提高聚合物半导体类石墨相氮化碳（g-C₃N₄）降解有机物的活性,通过简单的水热法复合得到碳化MoS₂/掺硫g-C₃N₄异质结（MoSC/S-CN）,并在可见光下研究其罗丹明B （RhB）的降解性能。结果表明,相较于纯g-C₃N₄,最优化的MoSC/S-CN样品对可见光的吸收范围得到明显拓宽,并且在100 min内对RhB的降解效率为92.5%,比纯g-C₃N₄性能提高68.83%。一系列的结构和光学性质表明,掺硫后再进一步与碳化MoS₂耦合可以协同作用于g-C₃N₄,改善g-C₃N₄的能带结构,加速光生电子空穴对的分离,有效提高光催化活性。     

ITO/g-C3N4异质结催化剂的制备及其光解水产氢性能

采用低温热解法合成出g-C₃N₄和In₂O₃:Sn(ITO)催化剂粉体,通过静电引力作用将少量ITO纳米粉体分散在g-C₃N₄粉体颗粒表面制成ITO/g-C₃N₄异质结光催化剂。在可见光模拟系统中以乙醇为牺牲剂,检测氢气生成速率表征催化剂的光催化性能, 并借助X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外-可见光漫反射吸收光谱(UV-Vis)等对催化剂粉体进行了表征。实验结果表明, ITO附着在g-C₃N₄颗粒表面有利于光生电子的转移和光解水析氢反应。ITO/g-C₃N₄催化剂较之纯g-C₃N₄催化剂活性显著提高。当ITO附着量为4%时,析氢速率可稳定在350 μmol·g^-1·h^-1。     

单分散g-C3N4量子点修饰一维棒状BiPO4微晶的合成及其对光催化活性增强机理

利用水热法合成了一维棒状BiPO₄微晶,在此基础上采用浸渍-被烧法进行g-C₃N₄量子点表面修饰获得新颖的g-C₃N₄/BiPO₄异质结。借助X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(HRTEM)、能谱(EDS)、紫外-可见漫反射(UV-Vis-DRS)等测试手段对所得样品的相组成、形貌和谱学特征进行了表征。选择罗丹明B(RhB)和苯酚作为模型污染物研究了所得在可见光下的催化活性。结果表明,样品16%(w/w) g-C₃N₄/BiPO₄对RhB降解的速率常数分别是纯和的g-C₃N₄和BiPO₄的16倍和4.6倍。g-C₃N₄量子点与BiPO₄之间形成异质结,抑制了光生电子-空穴对的复合,从而提高了催化剂的活性。自由基捕获实验进一步表明,超氧负离子自由基(·O₂-)是催化降解RhB和苯酚的主要活性物种。     

g-C3N4碳位掺杂电学及光学性质的分析

使用第一性原理研究了C位掺杂的g-C₃N₄的电学性质和光学性质,掺杂原子为B、P、S. g-C₃N₄有C1位和C2 位两种对称位碳原子,其中在C1 位上的掺杂易于C2 位,掺杂体系也较C2 位稳定. 相比于磷和硫在g-C₃N₄上的掺杂,硼掺杂最易于进行. 掺杂后体系的晶体结构之间差别较大,这与掺杂原子的大小以及电负性有关. 由轨道布居分布可知,掺杂后的硼、磷、硫原子价电子发生了变化,表明掺杂原子发生了杂化,与相邻原子以强的共价键相连. 掺杂原子与被取代的碳原子之间的价电子差异导致了能带的增加. 在原来的体系中,掺杂后的体系出现了一条新的能带,因此导致实际带隙下降,表明了掺杂后的体系导电性能增强. 对纯g-C₃N₄及掺杂g-C₃N₄的光学性质分析表明,g-C₃N₄的光学吸收主要在紫外光区,掺杂磷和硫后对g-C₃N₄的光吸收波长范围无改变,掺杂硼后的g-C₃N₄光吸收不再局限于紫外光区,而且延伸至可见光区和红外光区,并在红外光区有很强的吸收,表明g-C₃N₄掺杂硼后能大大地提高光催化效率. 电子能量损失光谱和光导率谱以及介电常数都佐证了上述观点.     

Pt/g-C3N4/KB纳米复合催化剂的制备及其甲醇氧化性能

采用溶液中等离子放电法制备出了Pt纳米颗粒,用热氧化刻蚀和水热法成功的对石墨相氮化碳（g-C₃N₄）进行处理进而均匀吸附在科琴黑（KB）表面,最终制备出了Pt/g-C₃N₄/KB纳米复合催化剂。通过XRD分析,扫描电镜,透射电镜和电化学工作站探究了催化剂的组成、结构、颗粒大小以及电化学性能。Pt/g-C₃N₄/KB纳米复合催化剂展现出了良好的甲醇电氧化性能,性能的提升可能是由于g-C₃N₄良好的化学稳定性,N元素的存在改变Pt外层电子结构从而提高催化活性,这些因素提高了Pt的催化效率。     

Pt/g-C_3N_4/KB纳米复合催化剂的制备及其甲醇氧化性能

采用溶液中等离子放电法制备出了Pt纳米颗粒,用热氧化刻蚀和水热法成功的对石墨相氮化碳(g-C_3N_4)进行处理进而均匀吸附在科琴黑(KB)表面,最终制备出了Pt/g-C_3N_4/KB纳米复合催化剂。通过XRD分析,扫描电镜,透射电镜和电化学工作站探究了催化剂的组成、结构、颗粒大小以及电化学性能。Pt/g-C_3N_4/KB纳米复合催化剂展现出了良好的甲醇电氧化性能,性能的提升可能是由于g-C_3N_4良好的化学稳定性,N元素的存在改变Pt外层电子结构从而提高催化活性,这些因素提高了Pt的催化效率。     

MoS_2/g-C_3N_4复合材料的制备及可见光催化性能

首先在N-甲基吡咯烷酮溶液中超声剥离得到少层的MoS_2,将其与石墨相氮化碳(g-C_3N_4)复合,制得MoS_2/g-C_3N_4复合材料。采用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),X射线光电子能谱(XPS),傅里叶变换红外光谱(FTIR),Raman光谱,紫外-可见漫反射吸收光谱(DRS)和光致荧光(PL)技术对复合材料进行表征。可见光下考察MoS_2/g-C_3N_4复合材料光催化降解罗丹明B(Rh B)的活性,结果表明:将少量MoS_2与g-C_3N_4复合可明显提高光催化活性,且1%(w/w)MoS_2/g-C_3N_4复合物的光催化活性最高,可能的原因是MoS_2和g-C_3N_4匹配的能带结构,增大了界面间电荷的传输,降低了光生电子-空穴的复合,进而提高了光催化活性。     

g-C_3N_4/CaTi_2O_5复合材料制备及其光催化性能

利用类石墨氮化碳(g-C_3N_4)和亚稳相钙钛氧化物(CaTi_2O_5)固相法制备C_3N_4/CaTi_2O_5复合材料。利用X射线衍射(XRD)、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)及附带能谱分析仪(EDS)和N2吸附-脱附对样品的显微结构和比表面积进行检测分析,并用紫外-可见吸收光度计(UV-Vis)测试了样品的光吸收性能,研究C_3N_4与CaTi_2O_5物质的量之比(nC_3N_4/nCaTi_2O_5)对C_3N_4/CaTi_2O_5复合样品的物相结构和微观形貌的影响,同时考察C_3N_4/CaTi_2O_5复合样品在可见光照射下光催化降解罗丹明染料效果。实验结果表明:相比纯C_3N_4和CaTi_2O_5样品,C_3N_4/CaTi_2O_5复合样品在可见光下具有较高的光催化性能,随着nC_3N_4/nCaTi_2O_5增加,样品的光催化降解率随之增加而后降低,当nC_3N_4/nCaTi_2O_5=1∶1时,样品的光催化降解率达到最大值99.5%,并且循环重复利用5次后,样品的光催化剂降解率仍几乎保持不变。复合样品光催化性能提高主要归因于复合能级结构有效地抑制了电子和空穴复合所致。     

扶手椅型二硫化钼纳米带的电子结构与边缘修饰

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了扶手椅型二硫化钼纳米带的几何构型与电子结构, 发现其稳定性与电子性质敏感地依赖于边缘修饰. 随着边缘修饰的H原子数增加, 纳米带变得更加稳定, 并在间接带隙半导体、半金属和直接带隙半导体之间转变. 纳米带的能带结构和电子态密度显示, 其费米能级附近的能带主要由边缘态贡献. 当二硫化钼纳米带两边用不同数目的H原子修饰时, 纳米带同时具有由这两种修饰引起的边缘态并且两种边缘态的相互影响很小. 研究了三类纳米带带隙与宽度的关系, 对于每个原胞修饰0个或8个H原子的纳米带, 带隙随宽度以3为周期振荡变化; 而对于每个原胞修饰4个H原子的纳米带, 带隙振荡不再具有周期并且振荡幅度变小.     

石墨相氮化碳/二氧化锡复合材料的制备及光催化性能

采用热聚合法和水热法相结合的方法制备了g-C_3N_4/SnO_2复合光催化剂。利用XRD、SEM、TEM、FT-IR和UV-Vis DRS等多种测试手段对所得样品的物相结构、微观形貌和吸光特性等进行了表征。结果表明,异质结构复合光催化剂的最大光吸收边位置相对纯相SnO_2发生了明显的红移,并且SnO_2颗粒均匀分布于g-C_3N_4表面,其中最优组分(50%-g-C_3N_4/SnO_2)光催化降解染料罗丹明B(RhB)的效率达到了纯相g-C_3N_4的3.78倍。     

Isolated spin 3/2 plaquettes in Na3RuO4

The crystal structure of Na₃RuO₄ determined by powder neutron diffraction is reported. The structure consists of isolated tetramers of edge sharing RuO₆ octahedra in the ab plane, creating isolated four-member plaquettes of Ru atoms comprised of two equilateral triangles sharing an edge. Magnetic susceptibility measurements reveal an antiferromagnetic transition at ∼29 K, with . Neutron diffraction data indicate the onset of three-dimensional magnetic ordering at 29 K.     

微波水热合成Zn2GeO4纳米带及其光催化活性

采用微波水热法快速合成Zn₂GeO₄纳米带, 研究反应温度、模板剂、原料用量等因素对晶体生长的影响, 并优化其合成条件. 用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)光谱和紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis RDS)等手段分析产物的形貌、结构和组成, 考察合成的Zn₂GeO₄在甲基橙光催化降解反应中的性能. 研究结果表明: 微波水热条件下, 以摩尔比为2:1的乙酸锌和氧化锗为原料, 在160℃反应20 min可合成分散均匀的Zn₂GeO₄纳米带, 宽约100 nm, 长为几十微米. 与常规水热法相比,微波水热法合成的Zn₂GeO₄纳米带的本征缺陷减少, 光致发光(PL) 光谱降低,比表面积增大50.7%,光催化活性提高54.7%.