提高氧化铁光电催化分解水效率的策略进展

为了解决能源危机与环境污染问题,发展一种可再生的清洁能源至关重要.太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,而氢气是一种良好的能源载体.利用太阳能光电催化水分解制氢,是一项有望能够解决能源与环境问题的技术,具有很大的应用前景.其中,氧化铁因为具有合适的能带位置与带隙、良好的稳定性与廉价无毒等优点,成为一种理想的光阳极材料.但是,在实际的测试中,氧化铁仅仅只能得到一个较低的光电转换效率,这可能是因为其较短的空穴扩散距离、较低的电导率以及极度缓慢的水氧化反应动力学所致.整个光电催化水氧化可分为三个过程,即光吸收过程、电荷分离过程以及表面空穴注入过程.这三个过程的效率共同决定了器件的太阳能转化效率.鉴于此,本文将从如何提高这三个效率的角度出发,总结近期研究报道中提高氧化铁光电催化分解水效率的一些策略.光吸收过程是指半导体中价带的电子在吸收具有一定能量的光子后发生跃迁,产生空穴-电子对的过程.其光子的损失主要来源于光的反射、透射以及半导体吸收边的限制.提高光吸收效率的主要策略包括制备具有特定纳米结构的氧化铁电极、利用表面等离子体共振效应以及组成双光吸收系统和掺杂等.电荷分离过程指的是受光激发产生的空穴电子对,在内建电场的作用下发生电荷分离,即光生空穴流向电极表面,光生电子流向半导体内部并从外电路导出.电荷分离效率的损失主要来源于光生载流子在迁移过程中的复合.因此,为了提高电荷分离效率,常见的策略是提高载流子在电荷分离过程中的复合时间τ₁和减少电荷迁移到表面(空穴)或者基底(电子)的时间τ₂.具体的策略包括制备特定的纳米结构(缩短体表相距离,减少τ₂)、构建异质结(增强能带弯曲,提高τ₁和减少τ₂)、掺杂(减少τ₂)和钝化复合中心(提高τ₁)等.表面空穴注入是指到达表面的光生空穴发生水氧化反应生成氧气的过程.除了空穴注入外,表面还可能存在复合与逆反应过程.因此,为了提高表面空穴注入效率,我们既可以提高水氧化反应动力学,具体的手段包括引入水氧化催化剂、F掺杂和碱处理等;也可以采用减少复合反应的策略,具体的方法包括引入钝化层、酸处理和高温热处理等;还可以采用减少逆反应的方法,最常见的手段就是在基底与氧化铁层之间引入电子阻挡层.上述三种途径都能提高表面空穴注入效率.最后,通过结合上述的一些策略,目前得到的最高性能的氧化铁电极在1.23 V(相对于可逆氢电极)能够达到6 mA cm^?2的光电催化分解水电流,但这个值依然明显低于氧化铁的理论值(12.6 mA cm^?2).这可能是由于体相复合所致.除此之外,氧化铁表面的水氧化机理现在依然不清晰,这些都是需要我们在未来解决的问题.     

Study of ozone generation in an atmospheric dielectric barrier discharge reactor

Ozone (O₃) generation in a dielectric barrier discharge (DBD) reactor driven by a pulsed power supply was investigated at atmospheric pressure and room temperature. An O₃ generation efficiency model is established in which discharge power, O₂ concentration, gas flow rate, and volume of the discharge space are included. Constants in the O₃ generation efficiency model were obtained by fitting the model with experiment results. O₃ concentration can be simply calculated from the energy density and initial O₂ concentration. Comparison on O₃ concentrations from calculation with references is given.     

光生物节律因子计算模型的研究

通过实验测量额头温度拟合光生物节律因子-额温差曲线,对现有评价光生物效应作用大小的BioEq模型和CLA模型的计算结果进行分析比较.利用不同图片LCD屏幕的光谱计算节律因子,发现两种模型对于绿色波段的光抑制较强,而对红色波段的光则与实际不相符.通过对九种不同颜色的LED光源测试额头温度,比较模型计算结果与实际光生物效应的作用,发现光生物节律因子与生理体征变化线性递增,其中对BioEq模型的直线拟合相关度达到0.95.     

掺杂PbSe/PVA量子点的光致聚合物全息特性

通过原位合成法以聚乙烯醇辅助合成了6.5nm、10nm和15nm的PbSe量子点,研究了掺杂PbSe量子点的光致聚合物的全息特性.将三种尺寸的PbSe量子点按不同浓度分别掺入光致聚合物中,制成无机-有机复合型光致聚合物膜,并对其全息性能进行研究.复合聚合物膜的UV-Vis吸收光谱表明掺入的PbSe量子点并未与聚合物中的有机组分发生化学反应.采用氩氪离子激光器输出的647nm红光研究了复合聚合物膜的透过率和全息记录光栅的布喇格偏移与衍射效率.透过率曲线表明PbSe量子点在复合聚合物膜中分散良好,膜表面均匀.由于PbSe量子点在聚合物链中起支撑作用,复合聚合物膜在全息记录过程中不易发生形变,从而增加了聚合物膜的抗缩皱能力.衍射效率曲线表明掺入PbSe量子点的复合聚合物膜的衍射效率比未掺杂的有所提高.此外,体系存在一个最优值,当掺入平均粒径为10nm且浓度为3.6×10-6 mol/L的PbSe量子点时,样品的透过率达到84%,衍射效率从67.2%提升到89.7%,缩皱率降低到0.8%,极大提高了材料的全息性能.     

利用多像素光子计数器的光学串话效应提高光子探测效率

通过分析多像素光子计数器(MPPC)的工作原理和其光学串话(OC)效应的特点,提出在使用MPPC输出雪崩信号的幅度或电荷量作为光子计数的参量时,利用MPPC的OC效应能提高MPPC的光子探测效率的观点,并从理论上分析了OC效应对光子探测效率的影响。理论分析结果显示,在这两种光子计数模式下,利用OC效应能明显提高MPPC的光子探测效率。利用本文模型计算得出当MPPC的雪崩单元数M为1 600个,忽略OC效应时的光子探测效率等于30%,光学串话概率等于50%,以及单脉冲入射光子数均值为10时,包含OC效应影响的等效光子探测效率可提高50%,达45%左右。该结果对MPPC在天体物理、粒子物理、荧光光谱探测等弱光探测场合的应用有一定指导意义。     

低温等离子体处理化工恶臭污染物硫化氢的研究

采用电晕放电低温等离子体处理模拟硫化氢恶臭气体,考察了输入功率、初始浓度、气体湿度、停留时间等因素对降解效果和能量效率的影响,同时对反应过程进行了动力学研究。研究表明：输入功率以及停留时间对硫化氢降解的影响是积极的,但能量效率随着两者的增加先增大后减小。硫化氢的降解率随着初始浓度的增加而降低,而能量效率随着初始浓度的增加而增加。在气体湿度增加初期,硫化氢降解率和能量效率均随着气体湿度的增加而增加,当气体湿度为50%时达到最大值,然而随着气体湿度的进一步增加,其降解率和能量效率反而降低。对电晕放电低温等离子体处理硫化氢的反应动力学进行了分析,得到硫化氢的反应速率常数为kH2S=0.356 8 m3/（W·h）。     

Desorption/ionization efficiencies of triacylglycerols and phospholipids via EASI‐MS

Knowledge of the major effects governing desorption/ionization efficiency is required for the development and application of ambient mass spectrometry. Although all triacylglycerols (TAG) have the same favorable protonation and cationization sites, their desorption/ionization efficiencies can vary dramatically during easy ambient sonic‐spray ionization because of structural differences in the carbon chain. To quantify this somewhat surprising and drastic effect, we have performed a systematic investigation of desorption/ionization efficiencies as a function of unsaturation and length for TAG as well as for diacylglycerols, monoacylglycerols and several phospholipids (PL). Affinities for Na⁺ as a function of unsaturation level have also been assayed via comprehensive metadynamics calculations to understand the influence of this phenomenon on the ionization efficiency. The results suggest that dipole–dipole interactions within a carbon chain tuned by unsaturation sites govern ionization efficiency of TAG and PL. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Alleviation of ion suppression effect in sonic spray ionization with induced alternating current voltage

In this study, alleviation of ion suppression effect in sonic spray ionization mass spectrometry (SSI‐MS) was investigated. Ion suppression effect was firstly compared between electrospray ionization (ESI) and conventional SSI, and more severe ion suppression effect was observed with SSI. Ion suppression effect of SSI was also found difficult to be alleviated by simply optimizing major parameters. Alternatively, we found that with the assistance of an alternating current (AC) voltage with low amplitude, the ion suppression effect was greatly alleviated (comparable with conventional ESI). That AC voltage was applied outside the SSI spray tip, and no direct contact between the electrode and spray solution was necessary. Besides the alleviation of the ion suppression effect, this newly‐developed method, termed as induced electrosonic spray ionization (IESSI), appeared to preserve similar charge state distribution with SSI for protonated cytochrome c, hemoglobin, and bradykinin. IESSI could also obtain significantly improved ion intensities (~1000‐fold over conventional SSI). In addition, tolerance of concentrated salts for IESSI‐MS was investigated through the analysis of cytochrome c in the presence of concentrated sodium chloride (NaCl) or ammonium acetate (NH₄OAc). Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

用CdSe/ZnS量子点提高体异质结有机太阳电池的效率

通过掺杂吸收光谱在可见光波段的量子点可提高聚合物对可见光的吸收,因此掺杂CdSe/ZnS核-壳结构量子点(CQDs)能提高聚(3-己基噻吩):[6,6]-苯基-C61-丁酸甲酯(P3HT:PCBM)体异质结太阳电池的能量转换效率.本文研究了CdSe/ZnS量子点在P3HT:PCBM中的不同掺杂比例及其表面配体对太阳电池光伏性能的影响,优化器件ITO(氧化铟锡)/PEDOT:PSS(聚(3,4-乙撑二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸)/P3HT:PCBM:(CdSe/ZnS)/Al的能量转换效率达到了3.99%,与相同条件下没有掺杂量子点的参考器件ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al相比,其能量转换效率提高了45.1%.