量子点敏化太阳能电池研究进展

量子点敏化太阳能电池(QDSCs)因其制备成本低、工艺简单及量子点(QDs)本身的优异性能(如尺寸效应、多激子效应)等优点,近年来受到广泛关注。在此类电池中,无机半导体量子点敏化剂作为吸光材料,其自身的光电性质、制备方法、表面缺陷、化学稳定性及其在TiO₂光阳极上的敏化方法等是影响电池性能的关键。本文综述了无机半导体量子点敏化剂(包括窄带隙二元量子点、多元合金量子点及Type-Ⅱ核壳量子点)的最新研究进展,重点介绍了胶体量子点的制备方法;分类阐释了量子点在TiO₂光阳极表面的沉积与敏化方法,特别是双官能团辅助自组装吸附法;总结了针对提高电子注入效率和减少复合的量子点表面修饰方法;最后简要介绍了QDSCs的电解质和对电极的研究进展。     

一种高效便捷的红外探测卡

我们利用稀土直接掺杂工艺 ,通过向带隙宽为 4～ 5ｅＶ的ⅡＡ ⅥＡ族化合物中掺入稀土离子Ｅｕ、Ｓｍ ,合成了电子俘获材料 (ＥＴＭ ＥｌｅｃｔｒｏｎＴｒａｐ ｐｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌ)ＣａＳ :Ｅｕ ,Ｓｍ。该材料具有红外上转换和光存储特性 ,其红外响应光谱宽 ( 0 .8～ 1 .6μｍ)、量子转换效率高达 76% [1 ,2 ] 、热稳定性好、使用方便 (室温下工作 ,不需制冷 )、造价低 ,并且具有“常光充能”特性 ,即不需紫外线预激发就能在室温下将红外光 ( 0 .8～ 1 .6μｍ)直接转换为醒目的可见红光 ,是一种优良的红外探测材料 ,利用该材料制作的…     

双水杨醛缩环己二胺类西佛碱及其配合物的合成、性质研究

合成了两种双水杨醛缩环已二胺类西佛碱N，N’-(二羟苯次甲基)环已二胺(1)和N，N’-二(3，5-二叔丁基-2-羟苯次甲基)环已二胺(2)，以及它们的金属锌配合物(3)和(4)，通过核磁共振、元素分析和红外光谱确定了四种物质的结构，研究了它们的紫外吸收光谱、荧光光谱，测定了(3)和(4)的荧光量子效率．(4)中四个叔丁基的存在使其荧光量子效率提高．此类双西佛碱金属配合物可以应用于有机电致发光材料中．     

光电流谱、光致发光光谱和紫外可见吸收光谱在纳米半导体光电器件研究中的联用

在纳米半导体中由于纳米效应(如量子尺寸效应),其电子结构与块体半导体有所不同。进一步地,当纳米半导体与基底和其他组分结合制成器件后,其性质又受到基底或其他组分的影响,这两点导致了基于纳米半导体的光电器件的性能以及相应表征方法也大不相同。将光电流谱、光致发光光谱和紫外可见吸收光谱三种技术有机地结合起来,可以更好地表征纳米半导体的电子性质和光电性能。本文根据纳米半导体材料与电极的电子性质特点及其测量,结合本课题组前期工作,举例介绍三种谱学方法相结合应用于探究光伏电池和电致发光器件的纳米半导体材料的性能,以及纳米半导体材料表面态的表征。     

CdSe量子点/氧化石墨烯复合物对灿烂绿染料的光催化降解性能研究(英文)

纺织、塑料、造纸和纸浆等工业排放物中含有大量的有机染料,这些染料通常不可生物降解,从而产生了严重的环境污染问题.为了降解这些有机染料废弃物,人们迫切需要高效、廉价、稳定的有机物降解光催化剂.近年来,半导体光催化剂引起了人们的广泛关注,尤其是窄禁带半导体材料可以实现染料的高效降解.在半导体II–VI族中,CdSe具有合适的带隙(1.74 eV)和快速生成的电子-空穴对,被认为是光催化降解有机污染物的重要半导体材料.特别是当它与超高的电子导电性的碳基纳米材料结合时,光催化活性增强.本文采用一种简单的化学沉淀法成功合成了CdSe量子点与氧化石墨烯(GO)的复合材料.紫外-可见吸收光谱显示,CdSe量子点和CdSe/GO纳米复合材料的吸收边分别出现在583和556 nm处.与纯CdSe量子点相比,GO层上的CdSe量子点的尺寸减小,由于量子限制效应,CdSe/GO纳米复合材料的光吸收波长在蓝移,从而拓宽了CdSe/GO纳米复合物的光吸收范围.PL光谱图显示CdSe量子点的可见光区的强宽发光峰出现在缺陷态的603 nm,而在576nm处观察到CdSe/GO纳米复合材料的发射峰,峰位蓝移,光猝灭.GO表面上CdSe量子点的修饰改变了GO层间相互作用的范德华力和CdSe量子点与GO片相互作用的静电作用力.这些相互作用导致能级的变化,使得CdSe/GO纳米复合的发射峰蓝移.由于复合物中电子-空穴对的复合被抑制,CdSe/GO纳米复合材料的光致发光强度低于CdSe量子点,此对应于CdSe量子点到GO板的界面电荷转移.PL研究表明,GO修饰CdSe可促进电子-空穴对的分离.EIS测量方法进一步研究了CdSe量子点和CdSe/GO纳米复合材料的电荷输运行为.结果显示,加入GO后,CdSe量子点的阻抗值减小,表明GO的引入降低了电荷转移电阻,促进了其界面电荷转移.因此,CdSe/GO纳米复合材料具有较高的电荷分离效率,可以提高其光催化活性.拉曼光谱显示,由于CdSe量子点的激发,电子注入到GO中,使得CdSe/GO纳米复合物材料的拉曼光谱向更高的波数转移.通过BET性能测试,CdSe/GO纳米复合物的比表面积为10.4 m~2/g,比CdSe量子点的比表面积(5 m~2/g)增加了一倍.我们发现在太阳光的照射下,CdSe量子点和CdSe/GO纳米复合物对灿烂绿染料的光降解率分别为81.9%和95.5%,各自对应的光降解速率分别为0.0190和0.0345 min~(-1).CdSe/GO纳米复合物增强的光催化性能归因于具有较大的比表面积以及氧化石墨烯的加入促进了电子-空穴对的有效分离.     

基于原位形成p-n结的新型光电化学传感器检测Hg~(2+)

利用简单方法合成了水溶性的巯基乙酸修饰的硫化镉(CdS)量子点。通过静电吸附,用聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)将CdS修饰到氧化铟锡(ITO)电极上。在电子供体三乙醇胺(TEA)的存在下,CdS修饰的ITO电极具有稳定的阳极光电流。Hg2+原位吸附于CdS表面形成的p型半导体HgS与n型半导体CdS形成p-n结,能够促进电子-空穴的分离与电荷传输,使CdS量子点的光电流增大。研究了反应前驱体中Cd,S摩尔比、反应溶液的pH值、回流时间等条件对所合成的量子点与Hg2+相互作用的影响。此外,还研究了电解质溶液的pH值、外加电压、反应时间对Hg2+增大CdS量子点光电流的影响。基于此,构建了灵敏检测Hg2+的光电化学传感器。该传感器对Hg2+响应的线性范围为4.0×10-8~2.0×10-5mol/L,检出限为2.4×10-8mol/L,回收率为98.3%~103.5%。     

二萘嵌苯二酰亚胺衍生物的半导体性质

应用密度泛函理论研究了四种二萘嵌苯二酰亚胺(PDI)(N,N'-二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺(1), N,N'-二(3-氯苯甲基)二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺(2), N,N'-二(3-氟苯甲基)二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺(3)和N,N'-二(3,3-二氟苯甲基)二萘嵌苯-3,4,9,10-四羧酸二酰亚胺(4))半导体材料的最高占据轨道和最低未占据轨道能量、离子化能和电子亲和能以及在电荷传导过程中的重组能. 与化合物2-4的最高占据轨道和最低未占据轨道能量变化相同, 在PDI分子外围引入氯苯甲基或氟苯甲基后导致化合物2-4的绝热电子亲和能有不同程度的增加. 应用Marcus电子传导理论, 计算了这四种半导体材料应用于有机场效应晶体管在电子传递过程中的电子耦合和迁移率. 计算结果表明:这四种化合物相对于金属金电极而言具有较小的电子注入势垒, 是优良的n型半导体材料. 计算的这四种半导体材料的电子传输迁移率分别为5.39, 0.59, 0.023和0.17 cm2·V-1·s-1. 通过研究化合物分子在还原过程中几何结构变化和在化合物3晶体中不同类型的电子传递路径, 合理地解释了化合物1-4在有机场效应晶体管电荷迁移过程中具有较高的电子迁移率.     

手性CdTe量子点制备及在药物青霉胺对映体检测中的应用

以青霉胺对映体作为稳定剂水相制备D-型和L-型CdTe量子点。研究表明,D-型和L-型CdTe量子点的圆二色谱图呈现镜像分布,证明两种量子点是互为光学异构的。D-型量子点(或L-型量子点)与L-型青霉胺(或D-型青霉胺)相互作用将导致其荧光强度的明显下降,而加入同型青霉胺时体系的荧光强度几乎不改变。当D-青霉胺浓度在0.01~0.5 mmol/L之间(或L-青霉胺浓度在0.01~0.2 mmol/L之间)量子点荧光强度峰值与对映体浓度符合线性关系,检出限为0.0033 mmol/L(S/N=3)。方法已成功应用于药物中青霉胺对映体的快速检测。     

聚胺界面修饰改善碳量子点可见光光敏化性能

在新兴能源的存储与转化技术中,碳量子点作为新一代光吸收组分得到越来越广泛的关注。然而目前关于对碳量子点复合体系界面的改性,进而有效提高碳量子点光敏化性能的研究还较少。在本研究工作中,我们通过一种简单的静电自组装的方法构建催化体系,碳量子点能够很好地分散在枝状聚乙烯亚胺修饰的二氧化钛表面,其中碳量子点在复合体系中质量分数约为5%(w, mass fraction)时,展现出最优的可见光还原对硝基苯胺的活性。整体活性相比没有经过修饰的二氧化钛/碳量子点复合体系以及作为参比的枝状聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅/碳量子点复合体系均有较明显的提高。结构与光谱研究表明,碳量子点与聚乙烯亚胺修饰的二氧化钛形成了较好的界面接触;进一步通过对比二氧化硅复合体系与二氧化钛复合体系表明,枝状聚乙烯亚胺可作为电子传输通道,能够有效地促进光生电子的分离与传递。因此,得益于良好的界面接触与有效地光生载流子的传递,相比未修饰的复合体系,枝状聚乙烯亚胺修饰的二氧化钛/碳量子点展现出更好地光催化反应活性。此研究工作中界面优化的手段,可将二氧化钛/碳量子点复合体系进一步拓展到其他宽带隙半导体光催化体系并设计构建有效的碳量子点基的半导体光吸收体系。     

基于天冬氨酸与纤维素碳点材料的合成与性能研究

以羟乙基纤维素为碳源,L-天冬氨酸为氮源,通过一步水热合成法制备氮掺杂碳量子点(CDs)材料.利用红外光谱(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、荧光分光光谱仪(FS)和紫外-可见吸收光谱仪(UV-Vis)对产物进行表征分析,研究了不同氮掺杂含量和氧气对CDs的光致发光性能的影响.结果表明:制备得到的CDs材料表面富含O和N原子;掺杂N原子有效提高了CDs的荧光强度,且荧光强度随着激发波长的增大,呈现先增强后减弱的趋势;其中荧光量子产率最高达到27.5%;CDs材料在无氧环境下的荧光强度要比有氧环境下的大,表明氧气的存在对碳量子点材料表面荧光有猝灭作用.     

聚胺界面修饰改善碳量子点可见光光敏化性能（英文）

在新兴能源的存储与转化技术中,碳量子点作为新一代光吸收组分得到越来越广泛的关注。然而目前关于对碳量子点复合体系界面的改性,进而有效提高碳量子点光敏化性能的研究还较少。在本研究工作中,我们通过一种简单的静电自组装的方法构建催化体系,碳量子点能够很好地分散在枝状聚乙烯亚胺修饰的二氧化钛表面,其中碳量子点在复合体系中质量分数约为5%(w,mass fraction)时,展现出最优的可见光还原对硝基苯胺的活性。整体活性相比没有经过修饰的二氧化钛/碳量子点复合体系以及作为参比的枝状聚乙烯亚胺修饰的二氧化硅/碳量子点复合体系均有较明显的提高。结构与光谱研究表明,碳量子点与聚乙烯亚胺修饰的二氧化钛形成了较好的界面接触;进一步通过对比二氧化硅复合体系与二氧化钛复合体系表明,枝状聚乙烯亚胺可作为电子传输通道,能够有效地促进光生电子的分离与传递。因此,得益于良好的界面接触与有效地光生载流子的传递,相比未修饰的复合体系,枝状聚乙烯亚胺修饰的二氧化钛/碳量子点展现出更好地光催化反应活性。此研究工作中界面优化的手段,可将二氧化钛/碳量子点复合体系进一步拓展到其他宽带隙半导体光催化体系并设计构建有效的碳量子点基的半导体光吸收体系。     

量子点CdS修饰纳米结构TiO2复合膜的光电化学研究

半导体量子点作为宽禁带半导体材料的敏化剂有着重要的意义[1-5],利用量子点作为光敏剂有许多优点:第一,通过控制量子点的尺寸可以调节它们的能带以至于他们的吸收光谱能够被调节去匹配日光的光谱分布;第二,半导体量子点由于量子局限效应而有大的消光系数,并且有可以导致电荷快     

镍配合物分子印迹光电流型传感器的研究

制作了一种基于光电流检测的分子印迹传感器,并应用于Ni2+测定。此传感器以CdTe量子点为光电材料,将量子点覆盖在导电玻璃表面,并在此层上以光聚合法制作镍-1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚( PAN)分子印迹膜。365 nm紫外光作为激发光源,量子点在光照下生成电子-空穴对,电子与电子受体-抗坏血酸作用形成的光电流作为检测信号,根据“门效应”进行Ni2+检测。实验中对配合物进行了红外表征,对量子点进行了紫外和荧光表征,对洗脱吸附时间和底液中抗坏血酸浓度的用量进行了优化。实验表明Ni2+浓度在5×10-11~5×10-8 mol/L的范围内与光电流大小呈线性关系,检出限达8.3×10-12 mol/L。此传感器具有较好的选择性,已用于水样分析。     

石墨烯量子点荧光开关综合实验的设计

以柠檬酸为原料通过脱水缩合的方法合成荧光石墨烯量子点,结合透射电镜、红外及荧光光谱仪对其结构、组成及性能进行表征,并利用过渡金属离子与石墨烯量子点之间的电子转移作用、乙二胺四乙酸与金属离子之间的络合作用使其发生荧光淬灭与恢复,实现石墨烯量子点荧光“关”与“开”的设计,并总结出过渡金属离子电子结构与荧光开关之间的作用规律。将实验教学与前沿研究紧密结合,涵盖了材料合成、表征和性能研究等3方面的内容,内容丰富、综合性强,有利于培养学生的科研素养与实验技能,并提高其分析问题、解决问题的能力。     

同分异构的胶体硫化镉半导体幻数团簇的可逆转化

<正>半导体量子点作为准零维材料,由于其量子尺寸效应和优良的光电性质,在新一代照明、显示、新能源(如太阳能电池)和生物医学等应用方面都得到了极大的关注1–4。人们通常认为,由于量子限域效应,量子点的尺寸是调节其光学性质的重要参数—不同尺寸的量子点具有不同的禁带吸收及荧光等光学性质。     

可见光诱导Z型V2O5/g-C3N4异质结催化未活化烯烃串联反应(英文)

半导体光催化剂是一种极具前景的绿色催化剂,广泛用于污染物降解、水解制氢和有机合成等领域,有望利用太阳能来解决能源和环境问题,是当前的研究前沿和热点.然而,单组分半导体光催化剂的光生电子和空穴容易复合,导致量子效率差和光催化效率低.近年人们发现,将两种或多种催化材料结合,构建异质结光催化体系可有效促进光生电子-空穴分离.但传统的异质结体系中光生电子的还原性和光生空穴的氧化性通常在电荷转移后变弱,因此,很难同时具备高电荷转移效率和强氧化还原能力.研究发现,构建Z型异质结光催化体系不仅可以减少本体电子-空穴的复合,使其在不同半导体材料上实现空间分离,具有光谱响应宽、电荷分离效率高和稳定性高等优势,而且能保持良好的氧化还原能力.在半导体材料领域,石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种无金属聚合物半导体,具有良好的热化学稳定性、电学和光学特性,但存在量子效率低和适用范围窄等局限性.而五氧化二钒(V₂O₅)是一种重要的过渡金属氧化物半导体,由于具有良好的电学和光学性能被广泛用于锂离子电池、气敏传感器和光电器件.V...     

基于S-型光催化机制CuInS2内嵌中空凹面氮化碳光催化分解H2O制H2（英文）

光催化解离H2O合成H2是绿色可再生的太阳能光子能量转换策略之一.目前,增强光催化材料对太阳能光子的捕获并将之有效利用仍然是一个具有挑战性的课题.光催化解离H2O反应包括三个过程:太阳能光子能量促使光生电子在半导体材料带隙中的跃迁;光生电子定向传输;光生电子与吸附在半导体材料表面的H2O分子发生反应.第一过程需要强的太阳光子捕获能力以产生足够的光生载流子;第二、三过程在动力学上反映了光生载流子在各个竞争过程中能否有效利用的问题,如光生电子迁移与H2O作用的速度很慢(~μs),而电子与空穴的复合速度快(~ps).目前研究者很难协调半导体材料的电学和光学特性以满足光生载流子在热力学和动力学两方面的要求.g-C3N4是由C、N原子通过sp2杂化组成的二维π共轭体系.当g-C3N4结构偏离二维平面时,共轭体系的π电子由凹面迁移到凸面,促使凹、凸面形成表观电势差,有利于电子的定向传输.本文通过卷曲sp2杂化离域均三嗪体系偏离二维平面,得到空心凹面g-C3N4结构,便捷地优化了半导体的电子结构.将CuInS2嵌入生长于空心g-C3N4的凹面,所构成的半导体光催化材料CuInS2@C3N4展现了增强的光捕获能力,以及电子定向传输转移能力.结合XPS、光电流测试、电化学阻抗谱、稳态及瞬态荧光等表征手段揭示空心g-C3N4凹、凸面表观电势差驱动光生电子以S-型光催化作用机制从CuInS2的Cu 2p向g-C3N4的N 1s的路径转移.因而,所构建的CuInS2@C3N4在可见光激发下产氢效率提高到373μmol·h^?1·g^?1,其产氢效率分别是二维平面g-C3N4负载1 wt%Pt和3 wt%Pd效率的1.57倍和1.35倍,表明空心g-C3N4凹、凸面电势差可以显著地促进光生电子分离和利用率,从而提高光催化解离水制氢效率.本文可增强g-C3N4的可持续太阳能转换性能,也适用于其他半导体材料以替代贵金属光催化体系,降低光催化产氢技术成本,促进光催化技术的应用.     

发光碳量子点的合成及应用

碳元素是地球上所有已知生命的基础.由于其具有多样的电子轨道特性(sp、sp²、sp³),因此形成许多结构和性质奇特的物质.碳量子点是2004年发现的一种新型碳材料,相对于传统的半导体量子点和有机染料,这位碳家族中的新成员不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点,而且还拥有发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无可比拟的优势.虽然在某些性能方面,稀土荧光纳米颗粒可以与之媲美,但是稀土元素昂贵的价格极大地限制了其在实际生产中的应用.因此,对碳量子点这一新兴领域的研究必将对材料科学的发展产生重大影响,它也会为碳家族赢得更多的荣耀.本论文的主要工作是建立了一步合成高荧光量子效率碳量子点的合成方法;对碳量子点的表面进行功能化;制备了碳量子点薄膜、块体和流体材料。     

光致发光胶体量子点研究及应用

胶体量子点材料由于具有激发光谱宽、半峰宽窄、颜色可调和可溶液加工等特点受到广泛关注。经过30多年的发展,量子点材料已实现了"绿色合成路线"和核壳结构设计的优化,部分量子点已可以做到工业化产品生产供应,并已开发出商业化应用的光致发光器件,该系列器件相继应用于LED(light-emitting diode,发光二极管)照明和显示领域。尤其是光致发光量子点器件在显示领域的商业应用,其将色域典型值从传统的72%提高到100%以上,显示色彩更加丰富多彩,吸引了越来越多的产业界厂商参与到量子点应用的阵营中。本文介绍了胶体量子点发光的基本原理、量子点制备及结构设计发展历程、量子点光致发光器件在LED照明和显示领域的应用情况,以及其广阔的应用前景和面临的挑战。     

富含缺陷的2D/2D异质结促进光催化清洁能源转化

正低维纳米材料因其特有的厚度尺寸和低维结构等特点,使其具有相应块状材料所不具备的独特性能。低维材料的显著特征就是至少有一个维度低于100 nm;零维材料,如零维纳米颗粒、量子点;一维材料,如纳米棒、纳米线和纳米纤维;二维材料如纳米片、纳米盘等。催化材料维度的降低将显著改善其量子限域效应和电子结构,进而改善其催化性能~(1–4)。基于这些思路,研究者们开始致力于研究用于光催化作用的新型二维半导体超薄材料。研究表明,