电场对GaN/g-C3N4异质结电子结构和光学性质影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了GaN/g-C₃N₄异质结的稳定性、电子结构、光学性质及功函数,同时考虑了电场效应.结果表明:GaN/g-C₃N₄范德瓦耳斯异质结的晶格失配率(0.9%)和晶格失配能极低(-1.230 meV/?~2,1?=0.1 nm),说明该异质结稳定性很好,且该异质结在很大程度上保留了GaN和g-C₃N₄的基本电子性质,可作为直接带隙半导体材料.同时,GaN/g-C₃N₄异质结在界面处形成了从GaN指向g-C₃N₄的内建电场,使得光生电子-空穴对可以有效分离,这有利于提高体系的光催化能力.进一步分析可知,外加电场使GaN/g-C₃N₄异质结的禁带宽度有着不同程度的减小,使得电子从价带跃迁至导带更加容易,有利于提高体系的光催化活性;此外,当外加电场高于0.3 V/A以及低于-0.4 ...     

高稳定性Mn:ZnO/Mn2O3纳米复合光催化剂的制备及光催化特性

采用修饰的高分子网络凝胶法成功制备了Mn₂O₃复合Mn掺杂ZnO纳米复合光催化剂(Mn:ZnO/Mn₂O₃)，并基于模拟太阳光照射下罗丹明B(RhB)及亚甲基蓝(MB)染料的光降解研究了催化剂光催化降解有机染料的特性。X射线衍射，扫描电子显微镜及BET比表面积测试结果显示，微量(0.1 mol%)Mn掺杂再复合微量(0.2 mol%)Mn₂O₃后，Mn:ZnO/Mn₂O₃的颗粒尺寸减小且分散性提高，有效比表面积增大。紫外-可见光吸收光谱表明，相对于纯ZnO,Mn:ZnO/Mn₂O₃在可见光区域的光吸收能力明显提高。光致发光光谱表明微量Mn掺杂和微量Mn₂O₃复合促进了光生电子-空穴对的分离。结合X射线光电子能谱，发现可见光吸收能力和光生电子-空穴对分离率的提高源于催化剂表面氧空位的增加以及Mn:ZnO和Mn₂     

原位低场核磁共振弛豫法定量监测光催化Cr(Ⅵ)还原反应

本文利用原位低场核磁共振（LF-NMR）技术在真实固液反应环境中对光催化还原Cr（Ⅵ）反应进行了定量研究,并对Ag纳米颗粒负载量不同的Ag担载石墨相氮化碳复合光催化剂（Ag/g-C₃N₄）在可见光照射下催化Cr（Ⅵ）还原为Cr（Ⅲ）的性能进行了研究.研究发现,Ag纳米颗粒负载（负载量分别为1 wt.%、2 wt.%、5 wt.%和10 wt.%）可以有效提高g-C₃N₄的光催化性能;且负载量为5 wt.%时光催化性能最优,为无Ag负载的g-C₃N₄的4倍.此外,本文还通过横向弛豫时间（T₂）定量分析了反应体系中顺磁性Cr（Ⅲ）离子的浓度,证实了采用LF-NMR弛豫法评价光催化Cr（Ⅵ）还原反应性能的可行性.     

硼掺杂增强g-C3N4基单原子催化剂性能的第一性原理研究

单原子催化剂(SACs)以其最大的金属原子利用率和较高的催化活性而备受关注.本文提出了在Mn负载g-C₃N₄单层(Mn/g-C₃N₄)中进行B掺杂的方案来提升单原子催化剂的光催化活性,并利用第一性原理对Mn/B-g-C₃N₄单原子催化剂的晶体结构,电子结构,带边位置和光学性质进行计算.计算结果表明B掺杂具有较强的结构稳定性,带隙变小,同时带隙中出现杂质能级,导致吸收边向可见光区发生红移,提高了g-C₃N₄在太阳光下光吸收能力和光催化活性,研究结果为制备高效的g-C₃N₄基光催化SACs提供了理论指导.     

碳氮缺陷修饰g-C3N4/WS2异质结光催化性质的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法计算了四种不同g-C₃N₄/WS₂异质结的超晶胞结构、功函数、能带结构、态密度和吸收光谱,研究了不同缺陷对g-C₃N₄/WS₂异质结的电子结构和光催化性能的影响.发现g-C₃N₄/WS₂、g-C₃N₄/WS₂-V_1N、g-C₃N₄/WS₂-V_1N1C、g-C₃N₄/WS₂-V_1N2C均能形成稳定的异质结,g-C₃N₄/WS₂-V_1N1C和g-C₃N₄/WS₂-...     

水热法制备In2O3/ZnO异质结及其高的光催化性能

采用简单的两步水热法合成了不同In₂O₃质量比的In₂O₃/ZnO异质结复合材料．通过X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见分光光度计(UV-vis)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的结构、形貌和性能进行了表征．同时还使用UV-vis分光光度计测试了异质结降解罗丹明B(RhB)的光催化活性．实验结果表明,与纯ZnO和In₂O₃相比,In₂O₃的引入将ZnO的吸收光谱扩展到可见光区域,从而提高了其光生电子和空穴的分离．此外,In₂O₃/ZnO异质结在可见光照射对RhB具有较高的光催化活性．5 wt%-In₂O₃/ZnO异质结对RhB的降解率为84.3%,且具有良好的光催化稳定性．In₂O₃/ZnO异质结复合材料在有机染料废水的降解中有更广阔的应用前景．     

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。     

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.     

不同光照条件下CO3O4纳米粉体的光催化性能

用沉淀-热解法制备Co₃O₄纳米粉体,并对其进行XRD和扫描电镜分析。分别使用300W高压汞灯及模拟可见光的氙灯为光源,使用该催化剂对B-GFF黑等3种不同模拟染料废水进行光催化降解,取得了较好的效果。实验结果表明,Co₃O₄催化剂在高压汞灯照射下有较好的光催化效果;在模拟可见光的氙灯条件下,也具有明显的光催化效果,具有一定的对可见光的利用能力,有很好的实际开发应用价值。     

TNAs/g-C3N4/Au NPs异质结同时作为光催化剂和SERS衬底:一种可回收的多功能检测平台

新型掺杂异质结的TiO₂纳米管阵列(TNAs)被广泛用作污染物的光催化剂,其残留检测通常采用其他方法。该研究制备了一种新型的TNAs/g-C₃N₄/Au NPs异质结,可同时用作光催化剂和SERS衬底。成功降解了结晶紫染料,并用拉曼光谱法检测了其残留浓度。在10.0μmol·L^-1～100.0 pmol·L^-1范围内,拉曼强度与结晶紫浓度呈良好的线性关系,检出限为87.9 pmol·L^-1。制备的异质结用于废水处理和生物染色检测。在检测应用中,异质结在拉曼增强方面表现出良好的可循环性。计算出原始增强因子为7.43×10⁶,10次循环后EF略有下降,仍为6.17×10⁶。     

第一性原理研究O和S掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点电子结构和光吸收性质

利用密度泛函和含时密度泛函理论研究了氧(O)和硫(S)原子掺杂的石墨相氮化碳(g-C_3N_4)_6量子点的几何、电子结构和紫外-可见光吸收性质.结果表明:掺杂后(g-C_3N_4)_6量子点杂质原子周围的C-N键长发生了一定的改变,最高电子占据分子轨道-最低电子未占据分子轨道(HOMO-LUMO)能隙显著减小.形成能的计算表明O原子取代掺杂的(g-C_3N_4)_6量子点体系更稳定,且O原子更易取代N3位点,而S原子更易取代N8位点.模拟的紫外-可见电子吸收光谱表明,O和S原子的掺杂改善了(g-C_3N_4)_6量子点的光吸收,使其吸收范围覆盖了整个可见光区域,甚至扩展到了红外区.而且适当的杂质浓度使(g-C_3N_4)_6量子点光吸收在强度和范围上都得到明显改善.通过O和S掺杂的比较,发现二者在可见光区对(g-C_3N_4)_6量子点的光吸收有相似的影响,然而在长波长区域二者的影响有明显差异.总体而言,O掺杂要优于S掺杂对(g-C_3N_4)_6量子点光吸收的影响.     

Graphitic carbon nitride based single-atom photocatalysts

Single-atom photocatalysts, due to their high catalysis activity, selectivity and stability, become a hotspot in the field of photocatalysis. Graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) is known as both a good support for single atoms and a star photocatalyst. Developing g-C₃N₄-based single-atom photocatalysts exhibits great potential in improving the photocatalytic performance. In this review, we summarize the recent progress in g-C₃N₄-based single-atom photocatalysts, mainly including preparation strategies, characterizations, and their photocatalytic applications. The significant roles of single atoms and catalysis mechanism in g-C₃N₄-based single-atom photocatalysts are analyzed. At last, the challenges and perspectives for exploring high-efficient g-C₃N₄-based single-atom photocatalysts are presented.     

Computational study on the half-metallicity in transition metal–oxide-incorporated 2D g-C3N4 nanosheets

In this study, based on the first-principles calculations, we systematically investigated the electronic and magnetic properties of the transition metal–oxide-incorporated 2D g-C₃N₄ nanosheet (labeled C₃N₄– TM–O, TM= Sc–Mn). The results suggest that the TM–O binds to g-C₃N₄ nanosheets strongly for all systems. We found that the 2D C₃N₄–TM–O framework is ferromagnetic for TM= Sc, Ti, V, Cr, while it is antiferromagnetic for TM= Mn. All the ferromagnetic systems exhibit the half-metallic property. Furthermore, Monte Carlo simulations based on the Heisenberg model suggest that the Curie temperatures (T_c) of the C₃N₄–TM–O (TM= Sc, Ti, V, Cr) framework are 169 K, 68 K, 203 K, and 190 K, respectively. Based on Bader charge analysis, we found that the origin of the half-metallicity at Fermi energy can be partially attributed to the transfer of electrons from TM atoms to the g-C₃N₄ nanosheet. In addition, we found that not only electrons but also holes can induce half-metallicity for 2D g-C₃N₄ nanosheets, which may help to understand the origin of half-metallicity for graphitic carbon nitride.     

基于石墨相氮化碳量子点直接荧光猝灭法检测碘离子的研究

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)荧光纳米材料具有原料便宜、制备容易、荧光量子产率高、光学稳定性好、毒性低等优点,并且避免有机荧光染料复杂的合成步骤或者金属半导体量子点对环境潜在的危害,这些优点使得g-C₃N₄纳米材料成为新兴的荧光探针用于检测金属离子。最近,已有文献报道重金属汞离子能够高灵敏高选择性地猝灭g-C₃N₄量子点的荧光,加入碘离子能够提取被键合的汞离子形成碘化汞(HgI₂)进而恢复g-C₃N₄量子点的荧光,从而建立一种高灵敏检测碘离子的荧光传感器。然而,该方法依然需要重金属汞离子的参与,限制了该方法的推广应用。通过硝酸氧化块体g-C₃N₄并结合水热法处理制备了一种水溶性好、荧光强度高的g-C₃N₄量子点。该量子点的荧光发射波长位于368 nm,且其荧光发射波长不随激发波长的改变而改变,表明该量子点的尺寸比较均一。笔者发现碘离子在220 nm处有一个较强的吸收峰,与该量子点的激发光谱(中心波长245 nm)具有较大的重叠,从而产生内滤效应引起该量子点的荧光发生猝灭。利用这一性质,构建了一种选择性检测碘离子的新型荧光传感器。在最优检测条件下,g-C₃N₄量子点的荧光猝灭强度(ΔF)与碘离子浓度(X,μmol·L-1)在10～400 μmol·L-1之间具有良好的线性关系,线性方程为ΔF=0.325 79X+6.039 05(R2=0.999 5),检出限为5.0 μmol·L-1。通过“混合即检测”并且不需要借助与重金属离子的配位作用就能够检测碘离子,因此该方法具有快速、环保以及操作简便等优点。     

Linear and nonlinear optical response of g-C_3N_4-based quantum dots

Graphite carbon nitride(g-C_3N_4) attracts wide-ranging research interest due to its extraordinary physicochemical properties and promising applications ranging from heterogeneous catalysis to fuel cells. In this work, we design different g-C_3N_4-based quantum dots(g CNQDs), carry out a systematic study of optical properties, and elucidate the shape selectivity, composite nanostructure, and outfield effect. In particular, composites of g CNQDs and metal nanochains present excellent optical response, making it applicable to bioimaging, nano-plasma devices, and metalloenzyme in infrared light related fields. Besides, QDs which original bridging nitrogen atoms are replaced by amino(–NH_2), hydroxyl(–OH),and methyl(–CH_3) functional groups respectively, have excellent spectral selectivity in the deep ultraviolet region. More interestingly, in the study of the laser interaction with materials, the g CNQDs exhibit extremely high stability and light corrosion resistance. Phase transition from insulation to metal is observed under the critical condition of about 5 e V intensity or 337 nm wavelength. All provided theoretical support for designs and applications in g-C_3N_4 quantum devices.     

InGaAs/Si3N4 interface obtained in ultrahigh vacuum multipolar plasma: In-situ control by ellipsometry and electrical characterization

A multipolar plasma passivation scheme controlled by in-situ ellipsometry has been developed to produce a high electrical quality InGaAs/Si₃N₄ interface. We have demonstrated the possibility to remove all native oxides at the InGaAs surface by heating the sample at 240°C, then using the action of a multipolar H₂ plasma at 185°C, without optical degradation of the surface. The passivation by a native nitride layer is then performed using a N₂ plasma, and Si₃N₄ is deposited. The treatment induces a reduction of the density of interface states N_ss(E), and also a change of the nature of these interface states as shown by a reduction in the capture cross section σ_n(E).     

Laser irradiation of AISI 316L stainless steel coated with Si3N4 and Ti

AISI 316L stainless steel was laser surface treated with different compositions of Si₃N₄ and Ti under various laser-processing parameters to improve its surface hardness through reinforcement of Ti-based silicides. The laser-treated regions exhibited improved surface hardness (250–1000 HV), variations in the surface morphology (smooth and bowl like) and presence of cracks and pores depending upon the Si₃N₄–Ti composition and laser-processing parameters. The study shows that when the Si₃N₄–Ti composition is 75–25 wt% and laser parameters are 1.5 kW laser power and 1.0 m min⁻¹ scan speed, a laser-treated region with high hardness of about 800 HV and smooth surface morphology as well as free from pores and cracks is observed. The X-ray diffractometer (XRD) and Energy-Dispersive Spectroscopy (EDS) analyses show that the laser surface-treated region has reinforced phase of Ti₅Si₃ and retained austenitic structure. The reinforced phase gives rise to very high hardness (or wear resistance) and also a corrosion resistance.     

紫外波段SiO2/Si3N4介质膜分布式布拉格反射镜的制备与研究

采用光学传递矩阵方法设计了紫外波段SiO₂/Si₃N₄介质膜分布式布拉格反射镜, 并利用等离子体增强化学气相沉积技术在蓝宝石(0001)衬底上制备了SiO₂/Si₃N₄介质膜分布式布拉格反射镜. 光反射测试表明, 样品反射谱的峰值波长仅与理论模拟谱线相差10 nm, 并随着反射镜周期数的增加而蓝移. 由于SiO₂与Si₃N₄具有相对较大的折射率比, 因而制备的周期数为13的样品反射谱的峰值反射率就已大于99%. 样品反射谱的中心波长为333 nm, 谱峰的半高宽为58 nm. 样品截面的扫描电子显微镜和表面的原子力显微镜测量结果表明, 样品反射谱的中心波长蓝移是由子层的层厚和界面粗糙度的变化引起的. X射线反射谱表明,子层界面过渡层对于反射率的影响较小, 并且SiO₂膜的质量比Si₃N₄差, 也是造成反射率低于理论值的原因之一.     

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.