TiO2/石墨烯复合材料的光生电荷分离调控与光催化产氢性能研究

半导体光生电荷分离是光催化过程中的关键步骤之一,其效率极大地影响了最终光催化性能.将TiO₂纳米片与石墨烯复合,能够促进TiO₂中光生电子和空穴的分离,从而提高其光催化活性.为了研究光生电荷的分离对TiO₂/石墨烯复合材料光催化性能的影响,通过调控TiO₂纳米片的尺寸来调节TiO₂/石墨烯复合材料中光生电荷分离的能力,然后研究其对TiO₂/石墨烯复合材料光催化性能的影响.合成了一系列不同厚度的TiO₂纳米片,将其与石墨烯复合,并通过光沉积负载Pt纳米颗粒作为助催化剂,用于光催化产氢.实验结果显示,随着TiO₂纳米片厚度减小,其与石墨烯形成的复合结构的光催化性能显著提高.这主要是由于TiO₂纳米片厚度减小时,光生电子沿厚度方向穿过TiO₂纳米片迁移到石墨烯的距离缩短,从而减少了光生电子在迁移过程中与空穴的复合;同时TiO₂纳米片厚度减小使其比表面积增大,使得TiO₂/石墨烯界面面积增大,从而使石墨烯更好地分离出TiO₂中的光生电子,有更多的光生电子到达石墨烯参与催化反应,提高TiO₂/石墨烯复合材料的光催化性能.此研究表明通过控制TiO₂纳米片的尺寸来调控TiO₂/石墨烯复合材料中光生电子和空穴的分离,是显著提高其光催化性能的有效途径.     

退火温度对TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜光电性能的影响

采用水热法在FTO上制备(001)高活性晶面主导的TiO_2纳米片薄膜,利用循环伏安法在TiO_2纳米片薄膜上沉积CdSe颗粒,制备了TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜。分别在150、250、350、450℃,氩气保护气氛中对样品进行退火。利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、X射线光电子能谱分析仪(XPS)、紫外-可见(UV-Vis)分光光度计以及电化学工作站对不同温度退火后的TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜的微观形貌、晶体结构、光电化学性能进行表征和测试。结果表明:六方相CdSe纳米颗粒均匀包覆在TiO_2纳米片表面,直径30 nm左右;随着退火温度的升高CdSe纳米颗粒长大,形成光滑的CdSe薄膜,且晶化程度提高;TiO_2纳米片表面的Se元素与Cd元素发生氧化;TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜对可见光的吸收光谱发生红移,禁带宽度逐渐减小。光电化学性能测试表明随着退火温度的升高,TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜的光电流密度显著提高,开路电压减小,但由于SeO_2和CdO的出现,导致填充因子减小,影响光电转换效率的提高。在本实验条件下,TiO_2/CdSe纳米片异质结薄膜的最佳退火温度为150℃,填充因子为0.77,光电转换效率达到3.12%。     

超声波辐射快速合成高光催化性能的BiOCl(Br)纳米片

在室温条件下,利用超声波辐射方法快速合成了四方状BiOCl(BiOBr)纳米片光催化剂。应用N2-物理吸附、X射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、紫外可见光谱等手段对催化剂进行了表征,并以波长为λ=365 nm的紫外光和420 nm<λ<660 nm的可见光为光源,评价了该催化剂光催化降解酸性橙Ⅱ的活性。表征结果表明,超声波辐射可加速BiOCl和BiOBr晶化过程,显著提高BiOCl和BiOBr的结晶度,并使其晶粒发生细化,提高催化剂的比表面积。活性测试表明,声化学合成样品的光催化活性优于普通搅拌制备的样品。其中BiOCl的紫外光催化活性高于商业TiO2(P25)光催化剂。     

CoFeOx/MoO2准平行纳米阵列电极的析氢性能

利用CoFe层状双金属氢氧化物(CoFe LDH)准平行纳米片阵列作为载体前驱体,通过原位负载及煅烧方式,实现了含有氧空位的MoO₂纳米颗粒在纳米片阵列表面的生长。电化学研究结果表明,所得CoFeO_x/MoO₂纳米阵列电极具有高析氢反应(HER)催化活性。该电极在10和1 000 mA·cm^-2时的HER过电位分别为40和217 mV。在50 mA·cm^-2的电流密度下,该电极可以稳定运行125 h。     

MFI沸石纳米片及b轴取向MFI沸石薄膜的制备

我们通过自下而上（bottom-up）的方法制备了高宽深比、高结晶度的b轴方向上超薄的MFI沸石纳米片,为制备b轴取向MFI沸石薄膜提供了基础。采用滑动涂覆法（slip coating method）在玻璃片载体上制备了厚度约为100 nm的b轴取向MFI纳米片晶种层。采用无模板剂二次生长法,抑制晶种层面外孪晶生长,实现了晶种层的面内外延生长。在合成体系的n_SiO2：n_Na2O：n_{C2 H5 OH}：n_{H2 O}=1：0.03：1.3：0.89、晶化时间48 h、晶化温度180℃时,制备了厚度约为200 nm的连续致密的b轴取向MFI沸石膜,与基于四丙基氢氧化铵（TPAOH）的常规合成溶液水热二次生长制备的MFI沸石膜相比,厚度降低了90%,并且保持了晶种层的b轴取向性。     

锂离子电池CoO多孔纳米片阵列/碳布柔性负极材料

可穿戴、可折叠电子设备日益受到人们的关注,开发与之配套的柔性电极材料成为当下的研究热点。本研究采用水热法制备前驱体/碳布复合材料,将其在高纯氩气气氛下煅烧,得到柔性的CoO多孔纳米片阵列/碳布负极材料。这种多孔与三维网状立体结构能够有效缓解充放电过程中材料的体积效应,而且多孔结构还增加了活性物质CoO纳米片的比表面积,有利于电极材料储锂容量的提升。电化学性能测试表明,该CoO多孔纳米片阵列/碳布负极材料在100 mA·cm^-2的恒电流下, 首次放电容量1 862.8 mAh·cm^-2,首次循环库伦效率87.8%,在700 mA·cm^-2的电流密度下,经过100次的充放电循环后,材料的放电比容量仍保持在1 428.9 mAh·cm^-2。在1 000 mA·cm^-2的电流密度下,仍然有1 353.8 mAh·cm²的容量。该方法简便易行且原料成本低廉,可以降低锂离子电池柔性负极材料的成本。     

应变和C掺杂对单层BN纳米片的电子结构和磁学性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了应变和C原子掺杂对单层BN纳米片的电子结构和磁学性质的影响. 计算结果表明未掺杂的单层BN纳米片具有宽的直接带隙, 在压缩和拉伸应变的作用下, 带隙会分别增大和减小, 但应变对带隙的调制整体效果不太明显. 单个C原子掺入BN纳米片的态密度揭示体系呈现出半金属性(Half-metallicity), 磁矩主要源于C 2p态, 而B 2p和N 2p态在极化作用下也能提供部分磁矩. 两个C原子掺入BN纳米片时, 磁性基态会随着C原子的间距发生变化: 当两C原子为最近邻(nn)和次近邻(nnn)时, 反铁磁态为磁性基态; 而当两C原子为次次近邻(nnnn)时, 铁磁态为基态, 并且其态密度也显示出半金属性.