钯氮共掺杂TiO2的制备与表征及其可见光催化活性

在空气气氛和N₂中热处理表面均匀分散有尿素和氯化钯的纳米管钛酸,制备了两个系列Pd/N共掺杂的TiO₂光催化剂,并对所得样品进行了X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、荧光光谱和电子自旋共振等表征.结果表明,焙烧气氛对样品的形貌、晶体结构、光谱吸收、生成的氧空位浓度和可见光光催化性能的影响很大,其中在空气气氛中制备的样品光催化性能优于在N₂中制备的样品.在可见光(λ≥420nm)照射下,以丙烯为模型污染物考察了样品的光催化活性,发现在空气中400℃下焙烧的样品具有最佳的可见光催化活性.另外,讨论了Pd/N共掺杂TiO₂光催化剂具有可见光响应的机理,认为掺杂的Pd/N元素和制备过程中生成的氧空位是影响可见光催化性能的重要因素.     

Ce4+替代Pu4+的模拟固化体(Gd1-xCex)2Zr2O7+x的合成及结构演变

Gd₂Zr₂O₇中Gd具有很大的中子吸收截面, 其烧绿石结构-缺陷萤石结构的转变能较低, 使其成为理想的核废料固化基材. 使用硝酸盐为原料, 添加少量NaF作助熔剂, 在较低温度下(和传统高温固相反应相比), 合成了烧绿石型Gd₂Zr₂O₇. 以Ce⁴⁺模拟Pu⁴⁺, 研究了Gd₂Zr₂O₇对锕系核素的固化, 并合成了系列模拟固化体(Gd_1-xCe_x)₂Zr₂O_7+x (0≤x≤0.6). 采用粉末X射线衍射(XRD)对系列样品进行了表征. 结果表明: 随着x值的增大,样品从烧绿石结构向缺陷萤石结构转变, 且晶胞大小基本保持恒定, 但当x=0.6时, 衍射峰明显宽化, 晶格畸变比较严重, 晶格稳定性降低. 当x=1时, 即用Ce⁴⁺完全取代Gd³⁺进行合成, 不能得到Ce₂Zr₂O₈, 产物发生了相分离, 为四方结构的(Zr_0.88Ce_0.12)O₂和萤石结构的(Ce_0.75Zr_0.25)O₂的混合物. 模拟固化体的浸出率测试表明: 当x≤0.2时, 各元素浸出率均很低, 但当x≥0.4时, 各元素的浸出率明显升高, 说明以Gd₂Zr₂O₇作为固化Pu⁴⁺的基材, Pu⁴⁺掺入量不宜高于40%.     

Sb,Bi,Zr,Si元素微量掺杂对荧光粉YAG∶Ce发光性能的影响

采用高温固相法分别合成了Sb³⁺,Bi³⁺,Zr⁴⁺,Si⁴⁺共掺杂的YAG:Ce黄色荧光粉。研究了YAG:Ce黄色荧光粉的发光强度随元素种类以及微量掺杂浓度的变化情况及相关机理。结果显示,随着元素Sb³⁺,Bi³⁺,Zr⁴⁺,Si⁴⁺掺杂浓度的增加,发射峰强度均表现出先增大后减小的趋势。Sb³⁺,Bi³⁺与Ce³⁺之间存在多极子相互作用的共振传递及晶格修复作用,当Sb³⁺,Bi³⁺掺杂浓度分别为0.5和0.1 mmol时发射峰强度达到最大值,分别提高了35.5%和44.8%。在YAG:Ce中由于Zr⁴⁺,Si⁴⁺的电荷补偿作用,促进Ce⁴⁺→Ce³⁺的转化,从而提高了YAG:Ce的发光强度。Zr⁴⁺,Si⁴⁺掺杂浓度分别在0.3和7 mmol时达到最大值,分别提高了27.4%和31.2%。由荧光粉颗粒形貌可知,Sb³⁺,Bi³⁺,Zr⁴⁺,Si⁴⁺元素的微量掺杂能促使晶粒长大,并且近似球型,导致发光强度有明显的提高。     

溶剂热合成可调控氧空位的Bi2MoO6纳米晶及其光催化氧化制喹啉和抗生素降解

近年来,半导体光催化在环境净化和有机合成领域的研究引起了广泛的重视.其中,在有机合成领域中,光催化技术已经应用在醇类、环己烷以及芳香族化合物的选择性氧化研究.而另一类具有特殊结构的有机物——N-杂环芳烃,在药物化学和材料科学中具有重要意义.而传统用于合成N-杂化芳烃的脱氢催化氧化反应通常需要高温高压的苛刻环境,传统方法通常还需要使用贵金属催化剂,这也增加了N-杂化芳烃的合成成本;另外,如果合成是均相催化过程,则催化剂难以实现回收利用.因此,开发室温常压条件下的非贵金属多相光催化技术具有巨大的应用前景.本文以能够被可见光驱动的钼酸铋半导体为催化剂,利用氧缺陷策略来提升钼酸铋的光催化氧化性能.不同于传统氧缺陷制备方法(氢气还原热处理、离子掺杂等),本文采用一种低成本的乙二醛辅助溶剂热的方法合成具有可调控的含氧空位Bi₂MoO₆催化剂(OVBMO).通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜、透射电镜、紫外可见漫反射吸收光谱、氮气物理吸附脱附、X射线光电子能谱(XPS)、电子自旋共振光谱、光致发光光谱及电化学测试等技术对制备的OVBMO材料进行了物理化学性质及能带研究.XPS,XRD,Raman和FT-IR结果表明,氧空位存在于[Bi₂O₂]²⁺和MoO₆八面体的层间.紫外可见漫反射结果表明,随着氧空位的引入,Bi₂MoO₆的光吸收范围扩大,带隙变窄.结合莫特肖特基和VBXPS分析获得OVBMO的能带位置,发现氧空位的存在不仅会导致禁带中出现缺陷带能级,还会导致价带顶位置上移,促进光生空穴的迁移.PL和电化学结果表明,氧空位的存在使得载流子浓度、载流子的分离能力与界面电荷迁移能力都有较大提升,这是因为氧空位引入的缺陷能级可以浅势捕获电子,抑制光催化剂中的电子与空穴的复合,改变化学反应的速率.同时,氧空位有助于捕获分子氧,分子氧与捕获的光生电子发生反应,产生更多的超氧自由基(·O₂)和空穴(h⁺),从而极大地提升光催化剂的氧化性能.因此,OVBMO在1,2,3,4-四氢喹啉脱氢氧化产生喹啉及系列抗生素(环丙沙星、四环素、盐酸土霉素)的降解反应中,表现出较好的光催化氧化性能.结合多种表征分析,本文还进一步阐明了OVBMO催化剂将1,2,3,4-四氢喹啉脱氢氧化为喹啉的自由基参与的多相催化反应机理.     

纳米孔缺陷导致单层黑磷电荷局域极大抑制非辐射电子-空穴复合的时域模拟

通常认为缺陷加速黑磷的非辐射电子-空穴复合,阻碍器件性能的持续提高。实验打破了这一认识。采用含时密度泛函理论结合非绝热分子动力学,我们发现P-P伸缩振动驱动非辐射电子-空穴复合,使纳米孔修饰的单层黑磷的激发态寿命比完美体系延长了约5.5倍。这主要归因于三个因素。一,纳米孔结构不但没有在禁带中引入深能级缺陷,而且由于价带顶下移使带隙增加了0.22 eV。二,除了带隙增加,纳米孔减小了电子和空穴波函数重叠,并抑制了原子核热运动,从而使非绝热耦合降低至完美体系的约1/2。三,退相干时间比完美体系延长了1.5倍。前两个因素战胜了第三个因素,使纳米孔结构激发态寿命延长至2.74 ns,而其在完美体系中约为480 ps。我们的研究表明可以制造合理数量和形貌的缺陷,如纳米孔,降低黑磷非辐射电子-空穴复合,提高光电器件效率。这一研究对于理解和调控黑磷和其它二维材料的激发态性质有重要意义。     

表面活性剂修饰ZnIn2S4光催化甲苯选择性氧化

采用溶剂热合成法,借助十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和十八烷基三甲基溴化铵 （STAB）的修饰合成了富含硫缺陷的ZnIn2S4-CTAB和ZnIn2S4-STAB光催化剂. 通过透射电镜、X射线衍射、紫外可见漫反射光谱、电子顺磁共振和光电化学性能测试对所有样品进行了表征,并通过光催化甲苯氧化反应测试样品的催化活性. 活性结果表明ZnIn2S4-CTAB和ZnIn2S4-STAB上甲苯转化速率分别达到795 μmol gcat-1 h-1和1053 μmol gcat-1 h-1,是未修饰ZnIn2S4-Blank催化剂的4倍和5倍,同时目标产物苯甲醛选择性均大于92%. 机理研究发现,表面活性剂修饰后的ZnIn2S4-CTAB和ZnIn2S4-STAB较ZnIn2S4-Blank,具有更高浓度的硫缺陷. 硫缺陷通过捕获电子促进了光生载流子的分离与利用,显著提高了ZnIn2S4-CTAB和ZnIn2S4-STAB的光催化甲苯选择性氧化制苯甲醛活性.     

锰氧化物中氧空位的构建及其催化氧化苯系物作用机制研究进展

作为一种过渡金属氧化物,锰氧化物以其多晶型、储/释氧能力强、蕴含丰富氧物种、结构缺陷可控等优点被广泛应用于苯系物的热催化氧化。其中,具有众多特性的氧空位能有效促进苯系物的完全催化氧化,因而成为各界研究的焦点。我们综述了常见的氧空位构建方法及表征技术,并总结了在苯系物催化氧化过程中,锰氧化物中氧空位的几种重要作用机制对催化活性和抗水性能的积极影响。最后文章对氧空位构建新方法、形成机理、具体过程及其在锰氧化物热催化氧化苯系物领域中的应用进行了总结和展望。     

一维相位缺陷量子行走的共振传输

从分立时间量子行走理论出发, 分别在包含两个格点相位缺陷和一段格点相位缺陷(方相位势)的一维格点线上研究量子行走的静态共振传输. 利用系统独特的色散关系和边界点上的能量守恒条件, 获得量子行走通过缺陷区域的透射率, 讨论了相位缺陷的强度和宽度不同时透射率随入射动量的变化行为. 在相位缺陷强度π/2两侧, 透射率表现出不同的共振特性, 并给出了强缺陷强度下共振峰和缺陷宽度的关系.     

硅单粒子位移损伤多尺度模拟研究

本文结合分子动力学方法和动力学蒙特卡罗方法, 研究了单个粒子入射硅引起的位移损伤缺陷的产生和演化过程; 基于Shockley-Read-Hall理论计算了单个粒子入射引起的位移损伤缺陷导致的泄漏电流增加及其演化过程, 比较了缺陷退火因子与泄漏电流退火因子之间的差异, 并将计算结果与实验值进行了对比. 结果表明, 计算泄漏电流时, 仅考虑一种缺陷的情况下缺陷退火因子与泄漏电流退火因子相同, 考虑两种缺陷类型情况下二者在数值上有所区别, 但缺陷退火因子仍能在一定程度上反映泄漏电流的退火行为. 分子动力学模拟中采用Stillinger-Weber势函数和Tersoff势函数时缺陷退火因子和泄漏电流退火因子与实验结果一致, 基于Stillinger-Weber势函数的计算结果与实验值更为接近.     

Sn掺杂ZnO薄膜的室温气敏性能及其气敏机理

采用化学气相沉积方法在预制好电极的玻璃基底上制备出Sn掺杂ZnO薄膜和纯ZnO薄膜. 两种样品典型的形貌为四足状ZnO晶须, 其直径约为150-400 nm, 呈疏松状结构. 气敏测试结果显示Sn掺杂ZnO薄膜具有优良的室温气敏性, 并对乙醇具有良好的气敏选择性, 而纯ZnO薄膜在室温条件下对乙醇和丙酮均没有气敏响应. X射线衍射结果表明两种样品均为六方纤锌矿结构. Sn掺杂ZnO样品中没有出现Sn及其氧化物的衍射峰, 其衍射结果与纯ZnO样品对比, 衍射峰向小角度偏移. 光致发光结果表明, Sn掺杂ZnO薄膜与纯ZnO薄膜均出现紫外发光峰和缺陷发光峰, 但是Sn的掺杂使得ZnO的缺陷发光峰明显增强. 将Sn掺杂ZnO样品在空气中退火后, 其室温气敏性消失, 说明Sn掺杂ZnO样品的室温气敏性可能与其缺陷含量高有关. 采用自由电子散射模型解释了Sn掺杂ZnO薄膜的室温气敏机理.