ZnO/TiO_(2)核-壳纳米结构的低温制备及其光电性能研究

ZnO因其自身的高电荷复合、化学性质活泼,导致其应用受到限制,通过表面修饰进行复合可实现电子-空穴的分离并提高其化学稳定性。以二水合醋酸锌、六水合硝酸锌、六氟钛酸铵为原料,采用溶胶-凝胶、水热和液相沉积相结合的方法,在低温条件下制备出ZnO/TiO_(2)单异质结。采用XRD、SEM、EDS、TEM、PL等对样品进行表征并对其光电性能进行测试。结果表明,在沉积时间为20 min时,ZnO/TiO_(2)核-壳结构形貌最规整,其中ZnO直径约115 nm,TiO_(2)薄膜厚度约7.6 nm;TiO_(2)的负载,降低了电极中光生电荷的复合,提高了ZnO对光子的收集能力,光电流密度提升大约10倍,达到0.21μA/cm^(2),表现出优异的光电化学性能。

纳米TiO_(2)微球的制备及光催化降解气相苯特性

以四氯化钛和尿素为原料,通过溶剂热法制备了纳米TiO_(2)微球。利用XRD、FE-SEM、TEM、UV-Vis、BET测试手段对样品的组成、结构、形貌、光学性能、比表面特性进行分析,以气相苯为目标降解物,研究不同溶剂热时间所制备的微球对光催化活性的影响。结果表明,随溶剂热时间的延长,TiO_(2)微球结构经历了实心-核壳-空心的演变过程,但均由20 nm以下的颗粒组成。此类微球的光吸收带边出现明显“蓝移”现象,且光吸收性能较P25 TiO_(2)要高,比表面积是其3~5倍。其中溶剂热时间为6 h所制备的核壳结构微球光催化活性最佳,降解气相苯的矿化率高达93%,高于P25 TiO_(2)近3倍,分析表明,该优异性能得益于核壳结构对光的充分反射吸收和高比表面积导致的吸附协同光催化特性。

反溶剂对CsPbBr_(3)太阳电池性能的影响

分别在钙钛矿前驱体中添加一系列的反溶剂乙酸乙酯(EA)和乙腈(ACN),制备出不同形貌的CsPbBr_(3)薄膜,探究薄膜质量与太阳电池性能的内在联系。结果表明,在大气制备环境中,反溶剂有助于CsPbBr_(3)晶粒的生长,薄膜表面缺陷明显减少,太阳电池各性能参数(短路电流密度、开路电压以及填充因子)均有所提升,尤其是添加乙腈(V(PbBr_(2)/DMF)∶V(ACN)=10∶1)后,光电转换效率(PCE)从3.16%提高到7.10%。

空位有序双钙钛矿A2BX6的弹性和热电性质的第一性原理研究

卤化物钙钛矿在热电应用中表现出了巨大的潜力。准确了解卤化物钙钛矿的热电传输性质对于进一步提高热电设备的应用效率至关重要。本研究采用了Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)和修正的Becke Johnson(mBJ)交换关联泛函探究了卤化物双钙钛矿Rb_(2)SnI6、Rb_(2)PdI6和Cs_(2)PtI6的弹性和热电性质。通过对这些材料的力学稳定性、有效质量、塞贝克系数、功率因子和热电品质因数的研究,我们发现,这三种化合物都是力学稳定的,并且具有可塑性。这些化合物是窄带隙半导体,具有简并的带边结构,结合低的载流子有效质量使得它们具有热电应用潜力。Cs_(2)PtI6在空穴掺杂在500 K温度下可以达到0.76 mV·K^(−1)的高塞贝克系数。由于高塞贝克系数和最大功率因子,Rb_(2)SnI6、Rb_(2)PdI6和Cs_(2)PtI6在p型掺杂下具有高的热电品质因数,分别为0.91、0.96和0.98。总体而言,我们的研究为卤化物钙钛矿的热电性能提供了新的见解,为这些化合物的实验合成提供了有价值的参考。

ZIF-8修饰同质异相结TiO_(2)的光催化固氮性能研究

光照条件下合成了微量ZIF-8定向修饰同质异相结TiO_(2)的ZIF-8/TiO_(2)复合材料以提高TiO_(2)的光催化固氮能力.利用X射线衍射(XRD)、场发射电子扫描显微镜(FESEM)、X射线光电子能谱(XPS)、UV-Vis漫反射谱、电化学阻抗谱等对合成材料的结构组成、形貌及光电性能等进行表征.结果表明,适量的ZIF-8修饰除了能显著增加TiO_(2)复合材料的比表面积和改善孔径分布范围之外,还能增强对可见光的吸收能力以及光生电荷的分离能力.光催化测试结果表明,ZIF-8/TiO_(2)-3复合材料的平均固氮速率达到了742μmol·L^(-1)·g^(-1)·h^(-1),约为同质异相结TiO_(2)的3.78倍,ZIF-8的3.71倍.经5次光催化循环后其光催化性能几乎没有衰减,表现出较好的光催化固氮活性和高的稳定性.为光催化固氮材料的设计提供了参考.

暴露不同晶面WO_(3)的简单合成及光催化性能

以二水钨酸钠和水合偏钨酸铵为前驱体,在没有模板剂和助剂的条件下,采用简单水热法合成暴露不同晶面的WO_(3)纳米短棒。通过XRD、TEM、FT-IR和UV-visDRS等手段对合成样品的晶型、微观结构、表面官能团和光吸收性能进行表征;通过可见光下降解罗丹明B考察样品的光催化活性。结果表明:以二水钨酸钠为前驱体所合成的WO_(3)(WO_(3)-ST)沿[001]轴生长,主要暴露(100)和(010)晶面;以水合偏钨酸铵为前驱体所合成的WO_(3)(WO_(3)-AT)沿[110]轴生长,主要暴露(001)晶面,并且拥有比前者更宽的可见光吸收范围和更窄的禁带宽度;可见光下对罗丹明B的降解速率为为0.018min^(-1),为前者的18倍。

自牺牲法合成氮空位g-C_(3)N_(4)/Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)异质结及其广谱光固氮性能

本研究采用原位自牺牲法合成了N空位掺杂的g-C_(3)N_(4)/Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)(VCN/Cu)异质结催化剂,该催化剂体现出优异的可见-近红外宽光谱驱动性。实验结果表明,g-C_(3)N_(4)与Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)之间的电荷迁移遵循“Z”型机制。氮空位的存在抑制了电荷载流子的重组,降低了界面电荷转移的能量屏障,对N 2和O_(2)的吸附和活化激发了固氮还原反应的进行,并提供了更多的反应活性位点。体系中甲醇作为空穴清除剂时O_(2)的添加对制备的催化剂的光固氮性能有显著的促进作用,在50%O_(2)和50%N_(2)混合气氛下VCN/Cu异质结催化剂的铵离子产率高达14.52 mg·L^(-1)·h^(-1)·g^(-1),是纯N 2气氛下的2.7倍,且按照“三线”光固氮机理运行。本研究为低耗、绿色环保固氮工艺提供了一条新途径。

用于检测痕量铅离子的功能化反射结构光纤干涉传感器

铅离子(Pb^(2+))是日常生活中常接触的有毒重金属污染物之一。本研究开发了一种新型反射式光纤干涉传感器,用于检测痕量铅离子。该传感器结构由单模光纤、无芯光纤和细芯光纤(TCF)依次拼接而成。TCF的包层被氢氟酸部分腐蚀并涂覆功能化的水凝胶传感膜。该传感膜选用甲基丙烯酸2-羟基乙酯(2-HEMA)作为识别单体。2-HEMA中的氧原子能与Pb^(2+)发生配体-受体相互作用,形成“-O-Pb-O-”交联结构,从而改变TCF的新包层有效折射率。因此,可以通过观察反射光谱中光信号的变化来检测水溶液中Pb^(2+)的浓度。所提出的传感器具有很高的检测灵敏度(1.926×10^(9)nm·mol^(-1)·L),其检测极限为4.14 ppt(1 ng·L^(-1)=1 ppt),比世界卫生组织(WHO)规定的饮用水中Pb^(2+)(10 ppb,1μg·L^(-1)=1 ppb)浓度低1000倍。此外,利用一个方程组实现了该传感器的温度自校准功能,成功地消除了环境温度的干扰。由于该传感器良好的特异性、稳定性以及反射式结构,非常便于实时远程检测,为环境和人类健康监测提供了广阔的前景。

石墨相氮化碳的非金属多元素掺杂改性研究进展

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))因廉价易得、环境友好且催化活性好等优点,逐渐在催化和环境等领域成为研究热点。然而,单一g-C_(3)N_(4)存在对可见光的吸收效率低等缺点,采用元素掺杂实现g-C_(3)N_(4)的骨架结构的调整,是克服这一缺点的有效方法。对近年来有关非金属多元素组合掺杂的研究工作进行了系统总结,主要包括含氧、磷、硼和卤素等元素的二元和多元组合,并对非金属元素掺杂工作中存在的问题及未来发展方向进行了展望。

含Benzo[a]azulene单元的锯齿状梯形共轭聚合物的表面在位合成

梯形共轭聚合物(CLPs)因其独特的光电性质而受到广泛关注。绝大多数CLPs是通过溶液方法合成的,但近年来,在超高真空环境中进行的表面原位合成策略逐渐崭露头角,成为CPL合成的新方法。表面原位合成方法能够克服传统溶液合成的限制,如随着聚合度增加而受限的溶解度和结构稳定性,从而实现复杂共轭结构的精确合成。Azulene衍生物是在表面合成非苯型CLPs的有吸引力的前体。与传统的只含六元环的CLPs相比,使用烷基取代的azulene作为前体分子,有望获得具有复杂骨架结构的CLPs,从而调控其电子性质,但目前很少有人探索这种策略。本文报道了3,3'-二溴-2,2’-二甲基-1,1’-联薁(DBMA)在Au(111)表面上的热化学反应。在室温的Au(111)衬底上,我们发现沉积的分子在重构表面的fcc(面心立方堆积)区域形成无定型的聚集体,并在100℃以下保持形貌不变。当退火温度高于150℃后,DBMA发生脱溴反应并与金原子络合形成具有复杂空间立体结构的2,2’-二甲基-1,1’-联薁有机金属聚合物,并展现出迥异的图像特征。随后在更高温度下退火,有机金属聚合物脱去金属原子并经历碳碳偶联反应。该过程伴随着甲基与相邻薁单元之间的分子内环化反应,形成了含有benzo[a]azulene单元的梯形共轭聚合物。有趣的是,我们发现当一侧甲基参与反应并在聚合物中形成六元环时,会显著地弯折聚合物链,使得另一侧甲基与薁单元之间的距离增加,并抑制预期的环化过程。我们通过键分辨扫描探针显微镜对反应过程中的相关结构进行了研究,发现反应结果与反应中间结构的应力关联紧密。我们的结果表明,烷基取代的azulene前体可应用于非苯型碳纳米结构的表面合成,并有望实现扩展的非苯型二维碳纳米结构。

CeO_(2)-In_(2)O_(3)异质结复合材料的制备及其在三乙胺气敏监测中的应用

以In(NO_(3))_(3)∙4.5H_(2)O和Ce(NO^(3))_(3)∙6H_(2)O为原料,对苯二甲酸为配体,N,N-二甲基甲酰胺为有机溶剂,通过热解金属有机骨架法(MOFs)成功制备了CeO_(2)-In_(2)O_(3)复合材料。采用X射线双晶粉末衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-vis)和比表面积与孔隙度分析仪(BET)对材料的微观结构进行表征,研究了CeO_(2)-In_(2)O_(3)复合材料的气敏性能。结果表明,当In/Ce摩尔比为3∶1时,CeO_(2)-In_(2)O_(3)对1×10^(5)μg/L三乙胺(TEA)的响应值(48.37)最高,是纯In_(2)O_(3)(9.45)的5倍,响应/恢复时间缩短至36s/22s,且该复合材料在173℃的最佳工作温度下具有优异的选择性和长期稳定性。复合材料传感性能的增强可归因于热解金属有机骨架法提供的大比表面积以及n-n异质结的形成。

新型氮空位g-C_(3)N_(4)/Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)异质结的构建及广谱光催化降解有机染料的性能

本研究设计了一款不含贵金属、宽光谱响应的氮空位异质结催化剂g-C_(3)N_(4)/Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)(VCN/Cu),并考察了其对罗丹明B(RhB)的光催化降解性能。采用扫描电镜/透镜(SEM/TEM)、X射线衍射光谱(XRD)、X光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)等分析手段对产物形貌、结构、元素能态等性质进行了表征。结果表明,VCN/Cu异质结催化剂对250~1800 nm的光均有较强吸收。VCN/Cu光催化降解RhB最大反应速率常数达到0.052 min^(-1),分别是Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)和g-C_(3)N_(4)的12.7倍和5.8倍,且具有优异的光催化稳定性。Cu_(2)(OH)_(2)CO_(3)一方面作为红外光吸收材料,提高了对太阳光全光谱的利用率;另一方面与VCN构成异质结,提高了光生电子-空穴的分离效率,同时VCN上的氮空位强化了对光生电子的捕获、对氧的吸附及还原作用。此外,本研究还考察了VCN/Cu异质结催化剂光催化降解RhB的机理。

Na^(+)/g-C_(3)N_(4)材料的制备及光催化降解亚甲基蓝机理

制备碱金属掺杂的g-C_(3)N_(4)在g-C_(3)N_(4)半导体光催化材料研究中属于一个重要分支。本研究采用溶液合成、煅烧和溶剂热反应方法制备了Na^(+)掺杂的g-C_(3)N_(4)样品(Na^(+)/g-C_(3)N_(4)),通过不同检测手段确定了Na^(+)在g-C_(3)N_(4)中的负载位置和光电性能,考察了样品的形貌、比表面积及孔径随溶剂热反应时间延长的变化规律。结果表明:Na^(+)负载位置和表面生成的C-O-基团增强了g-C_(3)N_(4)材料的物理和化学吸附性能,Na^(+)/g-C_(3)N_(4)对亚甲基蓝(MB)的吸附率最高可达到93.25%;Na^(+)负载位置对g-C_(3)N_(4)的π共轭体系的电子分布产生影响,进而改变了材料的禁带宽度(Eg)、导(价)带位置和光生载流子分离效率及传输速率;在可见光降解过程中,由于MB的自身光敏性和在Na^(+)/g-C_(3)N_(4)样品表面的强吸附性,MB和Na^(+)/g-C_(3)N_(4)样品构建了独特的光敏-光催化降解体系,MB不仅通过光敏自降解,还在Na^(+)/g-C_(3)N_(4)协同下进行了光催化降解。在pH 6.0条件下,MB和Na^(+)/g-C_(3)N_(4)光催化体系对MB的最高降解率可达96.40%。

钙钛矿太阳能电池纳米纤维改性电子传输层研究

二氧化锡(SnO_(2))由于具有高透光率、高电子迁移率、良好的紫外稳定性以及可低温加工等优势,作为电子传输材料在钙钛矿太阳能电池(PSC)中得到广泛应用。然而,用商业胶体溶液制备的SnO_(2)电子传输层仍然存在易团聚、缺陷多、能级不匹配等问题,限制了器件性能和稳定性。本研究将一种高分子甲壳素纳米纤维(1,2-二苯甲酰氧基苯基甲壳素,DC)引入到SnO_(2)前驱液中来改善SnO_(2)薄膜质量,系统研究了DC对前驱液、薄膜和器件性能的影响。实验结果表明,DC添加剂能够有效抑制纳米颗粒团聚,使前驱液分散得更均匀。改善后的SnO_(2)薄膜的粗糙度更小,能更好地被钙钛矿溶液浸润,有利于SnO_(2)与钙钛矿层形成更紧密的接触。同时,SnO_(2)薄膜中的氧空位缺陷被有效钝化,缺陷占比降低至30%,进一步提升了薄膜质量。改进后SnO_(2)电子传输层与钙钛矿层的能级匹配性更好,载流子提取和传输性能得到优化。DC改性后的PSC性能得到显著提升,最优器件的光电转换效率达到19.11%。本工作不仅解决了SnO_(2)电子传输层在制备过程中的团聚问题,而且为提高PSC能提供了理论指导与方法。

聚苯胺红外电致变色器件研究进展

电致变色是材料反射、吸收等光学性质在外加电场驱动下发生稳定、可逆变化的现象,在不同波段可表现为颜色、红外发射率等变化。红外电致变色器件(IR-ECDs)能够动态调节物体的红外光学特性,在自适应伪装、热管理等应用中受到广泛关注。作为最有代表性的有机电致变色材料,聚苯胺(PANI)制备方法简单,电化学性能优异,在多波段电致变色领域有着巨大的潜在应用价值。本文从电致变色器件结构出发,介绍了从可见电致变色到红外电致变色的原理和器件结构的演变,对近年来增强聚苯胺红外电致变色器件性能的策略和最新进展进行了归纳和分析,讨论了其多功能化应用的拓展方向,最后对所面临的挑战与未来的发展方向进行了总结与展望,为今后发展优异性能的IR-ECDs提供了参考,希望能够对本领域研究者有所启发,促进电致变色领域的发展。

上转换发光纳米材料对钙钛矿太阳能电池迟滞效应和离子迁移动力学的影响

迟滞效应是影响钙钛矿太阳能电池性能和稳定性的重要问题,离子迁移和由此产生的界面离子积累是引起迟滞效应最重要的原因之一。本研究采用上转换发光纳米材料(Upconversion Luminescent Nanoparticles,UCNP)修饰电子传输层/钙钛矿活性层的界面及本征钙钛矿活性层,系统探究了UCNP对钙钛矿的形貌、结构、光谱/光电性能和离子迁移动力学的影响。结果表明:钙钛矿活性层经过UCNP修饰后器件的光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)最佳(16.27%),而且迟滞因子(Hysteresis Factor,HF)得到显著改善(0.05)。进一步采用回路切换瞬态光电技术系统探究了钙钛矿太阳能电池不受光生载流子干扰的离子迁移动力学过程,证明UCNP在光电转换过程中起到抑制离子累积和迁移的双重作用:一方面UCNP可以形成阻隔层,阻碍离子累积;另一方面,UCNP可以在退火过程中进入到钙钛矿体相晶界处,阻碍离子迁移,使恢复电压从0.43 V降低到0.28 V。极化诱导缺陷态模型解释了离子-载流子相互作用机制,阐释了UCNP抑制钙钛矿光伏器件迟滞效应的机理。本研究可以为调控钙钛矿太阳能电池迟滞提供一种有效的解决方案。

Mo-g-C_(3)N_(4)制备与可见光催化性能

以三聚氰胺和四水合钼酸铵为前驱体,利用一锅法制备了不同钼掺杂浓度的石墨型氮化碳光催化剂。利用X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)、荧光光谱(PL)、扫描电子显微镜(SEM)等测试技术对合成催化剂进行了表征,结果发现:钼掺杂的氮化碳光催化剂具有石墨型结构,Mo的引入扩展了氮化碳的光谱响应范围,降低了光生电子和空穴的复合速率。亚甲基蓝的可见光降解测试表明,钼掺杂的氮化碳光催化剂比纯氮化碳展现出更高的光催化活性,掺杂浓度0.7%光催化剂的反应速率常数为纯氮化碳的1.4倍;同时,研究了Mo掺杂g-C_(3)N_(4)光催化降解性能的影响因素。

RuO_(2)/TiO_(2)复合催化剂制备及光催化性能

通过湿浸法结合热处理工艺制备了RuO_(2)/TiO_(2)复合催化剂,利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其结构进行了表征,并对RuO_(2)用量、光照强度、甲基橙溶液的pH值和通气量等不同条件下该复合催化剂的光催化效果进行了分析。结果显示,RuO_(2)的掺杂并未显著改变TiO_(2)的晶面结构,随着RuO_(2)质量分数的增加,样品颗粒尺寸先增大后减小,在添加质量分数为0.15%时达到较为理想的平衡点,光照强度为4.23 mW/cm2时,降解甲基橙的降解率达65%。同时甲基橙溶液为酸性,煅烧温度为550℃时,光催化效果更好。通气量并不是影响光催化效果的关键因素。RuO_(2)/TiO_(2)复合催化剂的制备和应用提供有价值的参考。

Mn^(2+)掺杂准二维钙钛矿(PEA)_(2)Pb_(y)Mn_(1-y)Br_(4)的制备及其电致发光性能

制备了具有高荧光量子产率(photoluminescence quantum yield,PLQY)的Mn^(2+)掺杂准二维钙钛矿(PEA)_(2)Pb_(y)Mn_(1-y)Br_(4)(PEA为苯乙胺,y为Pb^(2+)占Mn^(2+)和Pb^(2+)总含量的物质的量分数)薄膜。宽带隙的(PEA)_(2)PbBr_(4)作为给体,掺杂杂质Mn^(2+)作为受体,构筑了双发射的激发态传递系统。通过调控Mn^(2+)掺杂的不同比例对(PEA)_(2)Pb_(y)Mn_(1-y)Br_(4)的发光性能和薄膜形貌的影响,发现当前驱体溶液中Mn^(2+)与Pb^(2+)的物质的量之比为1∶4时,薄膜有着最高的PLQY和最低的表面粗糙度。利用飞秒瞬态吸收(transient absorption,TA)光谱,追踪其动力学过程,发现主客体之间的激发态传递是通过电荷转移来实现的。为了研究材料的电致发光特性,我们将(PEA)_(2)Pb_(y)Mn_(1-y)Br_(4)作为活性层,加工得到了发光二极管(light emitting diodes,LEDs)。在室温下,器件发出明亮的橙色,其最高的发光强度为0.21 cd·m^(-2),外量子效率(external quantum efficiency,EQE)为0.0025%。

基于挥发性溶剂制备MAPbI_(3)钙钛矿太阳能电池/模组

制备大面积、高效率的钙钛矿太阳能电池模组(PSM)是钙钛矿太阳能电池(PSCs)产业化的关键步骤。使用挥发性溶剂的钙钛矿前驱体溶液在形成液膜后,溶剂可以迅速自行蒸发,无需添加反溶剂、退火等后处理过程,极大简化了工艺流程,更加适合工业化生产。然而,挥发性溶剂体系制备的钙钛矿薄膜结晶速率过快,生成的钙钛矿晶粒尺寸偏小,且薄膜的缺陷态密度较高,这造成制备的器件效率和稳定性较差。本研究设计了一种由甲胺/乙腈(MA/ACN)组成的挥发性溶剂体系,制备了MAPbI_(3)钙钛矿太阳能电池/模组,并在钙钛矿前驱体溶液中添加了适量的PbCl_(2),用于延缓结晶并钝化晶界缺陷。使用这种方法制备的0.06 cm^(2)小面积器件的光电转换效率(PCE)最高达到21.21%,并且稳定性较好,基于此工艺制备的钙钛矿太阳能电池模组的PCE达到18.89%。本研究为钙钛矿太阳能电池的大规模工业化生产提供了一种新的思路。