过渡金属电催化剂在硅基光阳极分解水产氧中的作用

光电化学分解水可将太阳能转换为绿色的氢能,为目前的能源危机和环境问题提供了一种理想的解决方案.在分解水反应中,涉及四空穴过程的产氧半反应是制约性能的关键步骤,往往需要在半导体表面沉积电催化剂以加速产氧反应动力学.因此,全面理解电催化剂在光电化学分解水体系中的作用至关重要.在目前的产氧电催化剂中,过渡金属羟基氧化物电催化剂(MOOH,M=Fe,Co,Ni)因其环保、廉价、高效以及稳定的特性,已被广泛用于半导体光阳极分解水器件中.而且,MOOH可用简单的电沉积方法沉积在光电极表面,易于大面积制备.然而,电沉积法制备的MOOH具有复杂的结构,对其作用机制的全面理解更加困难.因此,本文以电沉积MOOH修饰的硅基光阳极(n⁺p-Si/SiO_x/Fe/FeOx/MOOH)作为模型,研究了不同电催化剂对硅光阳极光电化学产氧性能的影响.实验发现电催化剂的界面优化在电催化剂修饰的光电极中发挥着重要作用,这是因为优化的界面可以提升界面电荷传输,提供更多的催化反应活性位点以及更高的本征催化活性,从而更有利于光解水性能的提升.该项研究揭示了电催化剂在光解水器件中的作用,并为今后高效光解水器件的设计提供了一定指导.首先在多晶n⁺p-Si基底上热蒸镀了一层30 nm的金属Fe膜,并通过电化学活化将Fe膜表面转换为FeOx得到Fe/FeOx(记作aFe)界面层,然后利用电沉积方法制备MOOH表面修饰层,最终得到n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH光阳极.X射线光电子能谱、拉曼光谱以及扫描电子显微镜表面元素成像的表征结果均证实电极表面由于界面层金属Fe元素的掺杂而形成了Fe1-xNixOOH.在模拟太阳光下用于光解水产氧时,n⁺p-Si/SiO_x/aFe:NiOOH电极的起始电位为~1.01 VRHE(相对于可逆氢电极的电势),在1.23 VRHE下的光电流为38.82 mA cm^-2,显著优于n⁺p-Si/SiO_x/aFe、n⁺p-Si/SiO_x/aFe:FeOOH以及n⁺p-Si/SiO_x/aFe:CoOOH三个对比样品,且其稳定性达到75 h.另外,我们发现n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH电极的光电化学产氧性能均显著高于n⁺p-Si/SiO_x/aFe电极,且p++-Si/SiO_x/aFe:MOOH的电催化产氧性能也高于p++-Si/SiO_x/MOOH,不仅证明了aFe界面层对Si与MOOH层之间的界面接触作用的有效调控,而且表明双电催化剂体系(aFe:MOOH)的电催化产氧活性高于单电催化剂(MOOH).热力学分析表明,n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH光阳极的光电压大小与其光解水产氧性能并不一致,从而排除了热力学因素对性能的关键影响.进一步从塔菲尔斜率、电化学活性表面积和电化学阻抗谱对各电极的动力学进行了分析,证明了动力学因素在上述光阳极产氧性能中的主导作用.同时发现,由于aFe:NiOOH双电催化剂具有更高的本征电催化产氧性能,提供了更多的表面活性位点以及更有效地促进了光生载流子的传输,对动力学的提升效果更显著,从而使n⁺p-Si/SiO_x/aFe:NiOOH光阳极表现出最高的光解水产氧性能.     

NiS助催化剂的硫调控光沉积合成及其增强g-C3N4的光催化产氢性能

作为一种非金属聚合半导体,石墨相氮化碳(g-C3N4)具有特殊的能带结构、可见光响应能力以及优良的物理化学性质以及生产成本低等特点,因而已成为目前光催化领域的研究热点.然而,由于g-C3N4被光激发的电子与空穴极易复合,导致g-C3N4材料的光催化性能并不理想.而助剂修饰是实现光生载流子有效分离以提高光催化活性的有效途径.众所周知,贵金属Pt可以作为光催化产氢的反应位点,但高昂的成本限制了它的实际应用.所以,开发高效的非贵金属助剂很有必要.近年来,NiS作为优良的电子助剂在光催化领域受到广泛关注.大量研究表明,NiS可以作为g-C3N4的产氢活性位点用于提高其光催化产氢性能.NiS助剂主要是通过水热、煅烧和液相沉淀的方法修饰在g-C3N4的表面上.相较而言,助剂的光沉积方法具有一些独特的优势,例如节能、环保、简易并且能够实现其原位牢固地沉积在光催化剂的表面.然而g-C3N4光生电子和空穴强还原和氧化能力容易导致像Ni^2+的还原和S^2-的氧化等副反应发生,因此NiS助剂很难光沉积在g-C3N4材料表面.本文采用硫调控的光沉积法成功合成了NiS/g-C3N4光催化材料,该法利用g-C3N4在光照条件下产生的光生电子结合S以及Ni^2+生成NiS,然后原位沉积在g-C3N4表面.由于E0(S/NiS)(0.096 V)比E0(Ni^2+/Ni)(-0.23 V)更正,所以NiS优先原位沉积在g-C3N4表面.因此,硫调控的光沉积法促进了NiS的生成,并抑制了金属Ni等副反应的形成.通过X射线光电子能谱分析NiS/g-C3N4的表面化学态,表明该方法能成功地将NiS修饰在g-C3N4的表面,这也得到透射电镜和高分辨透射电镜结果的证实.光催化产氢的结果表明,NiS/g-C3N4光催化剂实现了良好的光催化性能,其最优产氢速率(244μmol h^?1 g^?1)接近于1 wt%Pt/g-C3N4(316μmol h^?1 g^?1).这是因为硫调控的光沉积法实现NiS助剂在g-C3N4表面的修饰,从而促进光生电子与空穴的有效分离,进而提高光催化制氢效率.此外,在该方法中,NiS的形成通常在g-C3N4光生电子的表面传输位点上,因此也能够使NiS提供更多的活性位点以提高界面产氢催化反应速率.电化学表征结果也进一步证明NiS/g-C3N4光催化剂加快了电子与空穴的分离和转移.更重要的是,这种简易且通用的方法还可以实现CoSx,CuSx,AgSx对g-C3N4的助剂修饰,并且都提高了g-C3N4的光催化产氢性能,表明该方法具有一定的普适性,为高效光催化材料的合成提供了新的思路.     

Er3+掺杂Li2O-SrO-ZnO-Bi2O3玻璃中Er3+离子在1.53 μm处的荧光发射特性

采用传统的熔融法制备了Er~(3+)掺杂的新型铋酸盐玻璃(Li_2O-SrO-ZnO-Bi_2O_3,LSZB),并对其光谱性质进行了表征,分析了玻璃的拉曼光谱、吸收光谱、荧光光谱,利用Judd-Ofelt理论研究了其荧光特性。LSZB玻璃样品中Er~(3+)的~4I_(13/2)→~4I_(15/2)跃迁发射峰位于1.53 μm处,半高宽约为78 nm。样品中Er~(3+)的~4I_(13/2)能级寿命为2.848 ms,量子效率为99.93%,受激发射截面达到9.76×10~(-21)cm~2。以上结果显示,Er~(3+)掺杂LSZB玻璃有良好的光谱特性。     

直接Z型LaNiO3/Mn0.2Cd0.8S异质结催化剂光解水产氢性能及机理探究

以LaNiO_3纳米颗粒为基质,在水热法制备CdS的过程中引入Mn~(2+)离子,原位合成直接Z型LaNiO_3/Mn_(0.2)Cd_(0.8)S异质结光催化剂。分别采用场发射扫描电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、紫外可见漫反射光谱、氮气吸附-脱附测试以及电化学测试等分析方法对制备的催化剂进行表征。在光解水产氢测试中,LaNiO_3/Mn_(0.2)Cd_(0.8)S异质结光催化剂在5 h的H_2产量达到1 190.3μmol,相较于CdS和Mn_(0.2)Cd_(0.8)S,其H_2产量分别提高了 25倍和10倍。荧光和电化学实验证实,Mn~(2+)的引入能够有效地促进光生载流子的分离,同时LaNiO_3/Mn_(0.2)Cd_(0.8)S之间异质结的构筑能有效地促进光生载流子在界面间的迁移、分离,从而促进其光解水产氢效率和稳定性的提高。结合一系列表征和活性测试结果提出直接Z型光解水反应机理,很好地阐述了其光解水产氢活性和稳定性的增强。     

溶液法生长大面积超薄钙钛矿单晶薄膜

卤化物钙钛矿由于其独特的光电性质,在薄膜光电子器件领域具有极大潜力1。虽然许多工作都集中在多晶钙钛矿材料上,但单晶钙钛矿比多晶具有更低的缺陷态密度、更好的载流子输运能力和更高的稳定性2,3,可以有有效减少甚至消除载流子输运过程中的散射损失以及在晶界处的非辐射性复合4。采用单晶钙钛矿薄膜作为器件活性层被认为是进一步提高钙钛矿光电子器件性能的理想方案。目前,研究报道的钙钛矿单晶薄膜生长方法主要通过化学气相沉积和溶液空间限制法5,6,然而,所制备的薄膜厚度往往较厚,相应的器件性能也没有多晶薄膜的器件高7,因此,生长高质量的超薄大面积钙钛矿单晶薄膜至关重要。     

界面偶极如何影响有机与钙钛矿太阳电池的能带结构与性能

界面能带结构是指界面处电子能带的弯曲和倾斜。它能显著影响载流子的产生、注入、分离、传输、复合和收集等过程,是半导体光电子器件性能的重要影响因素。因此,优化界面能带结构、调控器件性能与工作机理是光电子器件领域的核心课题之一。如果将一组相距很近的正负点电荷肩并肩排列所组成的偶极层插入器件界面,电势能穿过偶极层时会发生突变,将能有效调控界面能带结构和载流子运动过程。     

利用高阶拉盖尔-高斯横模精确测量法布里-珀罗腔内原子的运动轨迹

研究了冷原子与法布里-珀罗腔内拉盖尔-高斯横模强耦合相互作用体系的透射光谱, 分析了透射光谱与原子在腔中运动轨迹的关系. 结果表明, 与厄米特-高斯横模相比, 拉盖尔-高斯横模的腔场与原子的最大耦合系数几乎不随阶数的增加而变化, 使得探测光谱的对比度受模式阶数的影响较小. 在拉盖尔-高斯横模场分布的圆环边缘附近, 原子运动轨迹的微小偏移会引起透射光谱的很大变化, 因此在这些位置可以实现原子运动轨迹的高精度探测.     

围岩压力在煤矿爆破中的光纤在线监测

围岩压力状况的在线实时监测,特别是在煤矿爆破过程中,对及时采取安全支护措施和预防顶板失稳具有重要意义。利用ANSYS有限元仿真分析顶板的受力分布,将一种双膜式光纤Bragg光栅土压力传感器通过全锚锚杆使传感器均匀地承接来自直接顶的压力作用。在试点处,通过螺母与锚杆伸出端的螺纹连接,用托盘将土压力传感器紧紧顶靠在围岩顶板上。采集数据显示,监测数据的曲线走势出现三次峰值突变,分别为128kPa、87kPa和134kPa,反映出煤矿爆破对围岩压力产生的扰动作用。实现了在爆破过程中对围岩压力的实时监测,为进一步的顶板失稳预报提供了可靠的数据支持。     

基于光腔衰荡光谱的宽范围水汽探测

介绍基于光腔衰荡光谱技术的光学湿度测量装置．该装置具有高真空兼容性,衰荡腔由低膨胀的殷钢制成,并利用其自身的自由光谱范围实现光谱的自标定．使用单个在1.39 μm的半导体激光器,实 现了从真空、高纯氦气中痕量水汽,一直到大气湿度的测量,可测量的水汽分压范围极大：0.1 μPa～1 kPa．该光学湿度计可用于作为基本水汽标准,以及测定低温下水(冰)的蒸气压．