光解水制氢催化剂的掺杂改性

光催化分解水制氢,作为一种绿色、安全、高效且低成本的制氢技术,因其清洁性和巨大的发展潜力而受到广泛关注.尽管光催化分解水制氢在理论上具有显著优势,但在实际应用中仍面临捕光效率低、电荷分离难、表面反应速率慢以及光腐蚀等挑战.为解决上述问题并突破效率瓶颈,研究者们积极探索新的方法,如构建异质结、调控微观结构、引入助催化剂、掺杂和诱导缺陷等,以期提高光催化剂的性能.其中,光催化剂掺杂改性是研究热点之一.通过对光催化剂进行掺杂改性,可以有效调节其能带结构、光吸收性能以及电荷传输性能,进而提升光催化分解水制氢的效率.因此,对光催化剂掺杂在光催化分解水制氢中的作用机制和研究进展进行系统地梳理和总结,有助于深化对该领域的理解,具有重要意义.本文系统地介绍了近年来本课题组利用掺杂改性光催化剂提升光解水制氢性能的研究成果.首先,总结了光催化剂掺杂的合成方法和表征手段,并详细介绍了用于分析掺杂离子在催化剂中的分布及价态的原位表征方法.其次,以铋基复合氧化物为例,介绍了通过固溶法将稀土元素掺杂到铋基复合氧化物中,实现可见光下完全分解水,并探讨了掺杂对光催化剂能带结构的影响及作用机制.进一步,阐述了掺杂后铋基复合氧化物微观结构的变化,特别是暴露面、表面特性和缺陷态等对光生载流子分离与迁移的影响,归纳了掺杂诱导的结构变化与光催化分解水制氢性能之间的构效关系.此外,介绍了一种新颖的多局域梯度掺杂方法:利用离子扩散使预先储存掺杂离子的“纳米胶囊”持续、非均匀地释放入半导体材料中,诱导导带位置连续弯曲,从而在导带势能面内构建出多局域的势阱,从而延长了光生电子空穴对的寿命,为光生载流子提供了更多迁移至表面的通道,明显提高了光解水效率.最后,展望了光催化剂掺杂技术未来的研究方向:(1)通过对光催化分解水制氢中的析氢和析氧助催化剂进行掺杂改性,提高表面催化反应速率;(2)发展纳米催化剂上的非对称掺杂技术,在纳米颗粒内的特定区域或表面掺杂的精确调控,以提高光催化分解水制氢性能;(3)随着机器学习的进步,AI模型可以用于预测和优化掺杂条件,从而大幅减少实验量.综上,本文总结了掺杂在光催化分解水制氢研究中的研究进展,希望能为探索开发可见光光催化水分解的新型材料和提高能量转换效率提供参考和借鉴.

铝氮共掺杂溴氧化铋光催化性能的研究

【目的】为解决有机染料行业所造成的水污染问题,降解有害物质罗丹明B(RhB),对铝氮共掺杂的溴氧化铋基光催化剂开展研究。【方法】采用水热合成法合成了一系列掺杂不同含量铝或氮或铝氮共掺杂的溴氧化铋(BiOBr)样品,并采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和紫外-可见光分光光度计(UV-vis)对其进行表征。在可见光照射下,光催化降解罗丹明B。【结果】结果表明,铝和氮单独掺杂或共掺杂均能提升BiOBr的光催化性能,且铝氮共掺杂时对光催化的提升效果基本介于铝和氮单独掺杂之间。【结论】铝和氮之间对光催化性能的提升并不是简单叠加,而是存在相互作用的关系,并据此推测掺杂氮元素可以减弱掺杂铝元素对BiOBr晶格的破坏作用。

铌复合钇共掺杂改善高镍单晶三元正极材料的高温电化学性能研究

为解决高镍单晶三元正极材料表面残碱高、高温循环性能差等问题,利用铌与钇等元素共同掺杂对正极材料进行改性,提高其电化学性能。以高镍单晶三元前驱体Ni_(0.6)Co_(0.1)Mn_(0.3)(OH)_(2)为原料,采用高温固相反应合成不同双元素掺杂系列正极材料。结果表明,Nb与Y双掺杂样品具有优异的高温循环稳定性和倍率性能,45℃下循环50圈后,铌与钇双掺杂样品的容量保持率较单掺铌样品高2.58个百分点;2C倍率充放电条件下,铌与钇双掺杂样品放电容量比单掺铌的样品高6.2 mAh/g。

梯度掺杂半导体材料光催化研究进展

提高光生载流子的分离效率是提升半导体材料光催化性能的有效途径之一。通常通过构建内建电场的方式来实现。然而,传统的异质结结构构建内建电场时需要半导体的能级相匹配,并且合成方式必须能够产生良好的界面接触,受到诸多条件限制。产生内建电场的另一种方法是构建同质结结构的内建电场,使用带隙相等但掺杂水平不同的同种半导体相互接触连接构成的同质结结构,相比于异质结,同样可以有效促进光生载流子的分离,而且由于只需要使用单一半导体材料,同质结的制备更为简便,已经在太阳能电池、光催化分解水制氢等诸多领域被应用。构建同质结结构最常用的一种方法是通过梯度掺杂在材料内部引入掺杂元素浓度阶梯式分布。文章介绍了梯度掺杂同质结半导体材料的光催化机理,并概述了梯度掺杂的不同掺杂方式及其在光催化领域的研究进展。

高效背结异质结太阳电池硼掺杂非晶硅发射极研究

晶硅/非晶硅异质结(HJT)太阳电池由于具有高开压、高转换效率和低温度系数等优点而备受关注,其中硼掺杂p型非晶硅(p-a-Si∶H)发射极是高转换效率电池中不可忽视的重要部分,改变其硼掺杂浓度,可以调节p-layer薄膜的电学特性,从而直接影响电池转换效率。本文采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备制备HJT太阳电池,通过改变B_(2)H_(6)的掺杂浓度,对电池中p-a-Si∶H层进行优化,使HJT电池获得0.75%的相对效率提升。进一步地,将发射极设置为梯度掺杂的双层结构,经过优化,少子寿命(@Δn=5×10^(15)cm^(-3))和隐开路电压(@1-Sun)分别提升400μs和3 mV,最终具有梯度掺杂发射极的电池其平均效率相对提升2.03%,主要表现为FF和Voc的明显增加,实现了高效HJT电池p型发射极的工艺优化。

金属/非金属和氮共掺杂生物炭的制备及其在有机污水处理中的应用进展

生物炭作为一种吸附材料在有机废水处理等领域具有广泛应用。使用单一金属/非金属和氮共掺杂,在一定条件下两者之间具有协同作用,可以丰富生物炭表面催化位点,增加催化活性。本文首先概述金属/非金属和氮共掺杂生物炭制备过程的机理,然后重点讨论近几年来金属/非金属和氮共掺杂生物炭在有机污水处理中的应用进展;最后展望金属/非金属和氮共掺杂生物炭的发展方向和应用前景。

钢渣/氮掺杂改性活性炭催化过硫酸盐降解罗丹明B

以提高钢渣资源化利用和深度降解有机污染物为研究目标,通过改变氨气煅烧温度制备了系列钢渣/氮掺杂改性活性炭复合材料,并用于催化过硫酸钠处理罗丹明B(RhB)废水。同时采用N2吸附/脱附、XRD、XPS等手段对复合材料的孔结构和表面性质进行了表征。结果表明:氮元素的引入可改善复合材料中活性金属与活性炭之间的相互作用,从而提高复合材料的催化活性。以最优复合材料60%GZ/AC-N800为研究对象,在反应温度为35℃、PS加量为2 g/L和宽pH(3~11)操作条件下,反应30 min后罗丹明B(100 mg/L)的去除率可达88.7%~92.2%。动力学分析发现,60%GZ/AC-N800复合材料催化PS降解RhB符合准二级动力学。自由基掩蔽实验发现,该降解过程是自由基途径(SO_(4)^(·-)和·OH)和非自由基途径(^(1)O_(2))共同参与反应的氧化过程。

Mn^(2+)掺杂对YAG∶Ce^(3+)荧光陶瓷发光性能的影响

过渡族金属Mn^(2+)掺杂的石榴石荧光陶瓷被认为是实现高显色激光照明的候选材料。然而,由于Mn^(2+)在不同配位环境下离子半径的多样性,Mn^(2+)掺杂石榴石陶瓷体系设计方案尚不明确。本文采用真空烧结技术制备得到不同浓度Mn^(2+)掺杂的YAG∶Ce^(3+)荧光陶瓷,并将Mn^(2+)分别设计进入八面体(OC)和十二面体(DO)格位。通过表征样品物相和显微结构、光致发光、荧光寿命、量子效率等,并通过LD激光器激发对荧光陶瓷的发光性能进行研究。实验结果表明,在添加电荷与体积补偿剂SiO_(2)的前提下,相比Mn^(2+)进入十二面体格位,Mn^(2+)进入八面体后石榴石的晶体结构更加稳定。因此,当Mn^(2+)的浓度控制在0.5%^(6)%(at)范围内,OC系列样品的量子效率高于DO系列样品。此外,OC系列样品的PL谱中位于588 nm和725 nm处的发射峰分别对应于Mn^(2+)占据八面体和十二面体格位的^(4)T_(1)→^(6)A_(1)电子跃迁,而DO系列样品中位于572 nm处的发射峰则源于Mn^(2+)占据扭曲的十二面体格位产生的电子跃迁。得益于Ce^(3+)→Mn^(2+)间高效的能量传递,将浓度为6%(at)的Mn^(2+)设计进入YAG∶Ce^(3+)中八面体格位制得荧光陶瓷,封装得到的激光白光光源的显色指数为70.8,相对色温为5117 K。本文对于Mn^(2+)掺杂的石榴石发光材料的开发研究是有力补充,也为提升YAG∶Ce^(3+)荧光陶瓷光谱中的红光成分,进而提高医疗、显示等领域的激光光源的显色性能提供借鉴。

Al掺杂ZnO纳米线阵列紫外光探测器特性

采用简便水热法,在具有叉指图案的氟掺杂氧化锡导电玻璃基底上,生长出几种Al掺杂浓度ZnO纳米线阵列,Al/Zn原子比分别为0%(未掺杂)、0.5%、1%、2%和4%。实验结果显示:所有样品均为六方纤锌矿结构,Al掺杂ZnO纳米线沿近似垂直基底表面方向生长,形成良好取向阵列。并且用这些Al掺杂ZnO纳米线阵列作为光敏层,制备了五种紫外光探测器,系统研究了器件性能。经分析,所有器件对365 nm紫外光表现出良好响应。1%Al掺杂ZnO纳米线阵列紫外光探测器具有最佳性能,在365 nm波长处,该探测器响应度、比探测率、灵敏度、外量子效率、响应时间和衰减时间分别为6180 mA/W、1.51×10^(12)Jones、83.2、6090%、4.12 s和14.45 s。该研究证实在ZnO纳米线阵列中进行适量Al掺杂,可有效提高其紫外光探测器性能。

氮掺杂空心碳纳米球嵌入氮掺杂石墨烯负载钯纳米粒子作为甲酸氧化的高效电催化剂

低成本、高活性、耐久性好的高效电催化剂对直接甲酸燃料电池的应用起着至关重要的作用。本文采用简单经济的方法,研究了以三维层状多孔结构嵌入氮掺杂石墨烯(NG)的氮掺杂空心碳纳米球(NHCN)负载Pd纳米粒子作为直接甲酸燃料电池催化剂。由于具有独特的氮原子掺杂三维互联层状多孔结构,Pd纳米颗粒尺寸较小的Pd/NHCN@NG催化剂具有较大的催化活性表面积、优越的电催化活性、较高的稳态电流密度和较强的抗CO中毒能力,明显超过传统的Pd/C、Pd/NG和Pd/NHCN催化剂对甲酸电氧化的催化性能。通过优化HCN/GO比,当HCN/GO质量比为1∶1时,Pd/NHCN@NG催化剂对甲酸的催化氧化性能最佳,其活性是Pd/C的4.21倍。本工作开发了一种优越的碳基电催化剂载体材料,为燃料电池的发展带来了广阔的应用前景。

316L不锈钢掺杂SiC环状同轴送粉TIG熔覆层组织结构与性能

TIG熔覆是经济高效的表面修复方法,与传统的预置粉末法相比,同轴送粉法具有优良的适应性,但是试验研究相对较少.自主设计制造了环状同轴送粉TIG熔覆焊枪,与管状同轴送粉TIG熔覆焊枪相比,制造的熔覆层不存在熄弧位置凹坑、焊缝不够平直以及焊缝熔宽不一致等问题,而且具有更高的熔覆效率.结果表明,采用优化的焊接热输入、送粉量和SiC含量参数匹配,在316L不锈钢表面进行环状同轴送粉TIG熔覆,获得了外观优良的单层单道熔覆层、单层多道熔覆层.对熔覆层进行显微硬度测量、微观组织及元素成分分析、宏观电化学腐蚀试验、微区电化学腐蚀试验以及耐磨性能测试,并与母材进行了比对,环状同轴送粉TIG熔覆导入的SiC粉末有效地提升了熔覆层的耐蚀性与耐磨性.

Mn^(2+)掺杂Cs_(3)Cu_(2)I_(5)微晶的温和、快速溶液法合成

在铜基金属卤化物Cs_(3)Cu_(2)I_(5)中掺杂Mn^(2+)是拓宽发光范围的重要途径,但是已报道的掺杂方法大多需要高温、惰性气氛、较长时间和专用设备等。本工作将CsI固体粉末直接投加至CuI和MnCl_(2)的氢碘酸溶液中,在较低温度(60℃)、空气条件下快速(3 min)合成Mn^(2+)掺杂Cs_(3)Cu_(2)I_(5)微晶,并测试了其结构和发光性能。通过系列对比实验,提出一种由反应物溶解度控制的“缓释生长-掺杂”机制,证实CsI固体粉末在高浓度氢碘酸中的缓慢溶解能够降低Cs_(3)Cu_(2)I_(5)晶体的生长速率,为Mn^(2+)的低温、可控掺杂提供有利的动力学条件。该方法为全无机金属卤化物体系的掺杂发光和掺杂动力学研究提供了新的思路。

硅、铬掺杂对TiAlN基涂层微观结构及摩擦学性能的影响

分别以Ti_(0.5)Al_(0.5)、Ti_(0.5)Al_(0.4)Cr_(0.1)、Ti_(0.5)Al_(0.4)Si_(0.1)为靶材,采用电弧离子镀技术制备了TiAlN涂层、TiAlSiN涂层和TiAlCrN涂层,研究了硅、铬掺杂(二者掺杂量近似相同)对TiAlN基涂层微观结构、力学性能以及摩擦学性能的影响。结果表明:TiAlN涂层、TiAlSiN涂层和TiAlCrN涂层均结构致密,与基体结合良好,呈柱状晶生长,呈现较强的(200)晶面择优取向;硅、铬元素掺杂使得涂层晶粒细化,其中硅元素掺杂形成的Si_(3)N_(4)非晶相对(Ti,Al)N纳米晶生长有抑制作用,TiAlSiN涂层的晶粒尺寸最小。硅、铬元素掺杂提高了涂层的硬度和内应力,并且硅掺杂的提升效果更好;硅、铬掺杂降低了涂层的硬度与弹性模量的比值和结合力,并且硅掺杂的降低幅度更大,TiAlSiN涂层的韧性最差;硅元素和铬元素的掺杂均能降低TiAlN涂层的摩擦因数和磨损率,硅掺杂对摩擦因数的降低幅度高于铬掺杂,对磨损率的降低幅度低于铬掺杂。

磁控溅射制备铝、钛掺杂钽氮化合物薄膜的微观结构与电学性能研究

采用反应射频磁控溅射法,在Al_(2)O_(3)陶瓷基片上通过共溅射的方式成功制备了Al-TaN和Ti-TaN薄膜,并通过调节Al和Ti靶的溅射功率以实现了掺杂,研究了掺杂元素变化对薄膜微观结构和电学性能的影响。结果显示,随着掺杂元素Al和Ti的增加,TaN薄膜的粗糙度逐渐增大,晶体结构逐渐向非晶转变;Al元素掺杂时,当Al靶掺杂功率由0 W升至70 W,薄膜电阻率由0.88 mΩ·cm增至82.72 mΩ·cm;Ti元素掺杂时,当Ti靶掺杂功率由0 W升至70 W,电阻率由1.03 mΩ·cm降至0.32 mΩ·cm。此时,随着Al和Ti靶材掺杂功率由0 W升至70 W,薄膜的TCR值分别从-1313×10^(-6)℃^(-1)逐渐负偏至-3831×10^(-6)℃^(-1)和从-1322×10^(-6)℃^(-1)正偏至-404×10^(-6)℃^(-1)。该研究为溅射制备掺杂TaN薄膜提供了深刻的理论和实验基础。

Mn掺杂ZnO材料的制备与热致变色性能研究

用固相反应法制备不同Mn掺杂比的ZnO粉体(Zn_(1-x)Mn_(x)O),用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)、紫外/可见/近红外漫反射测试仪(UV-Vis)、X射线光电子能谱仪(XPS)对样品的成分结构、微观形貌等进行表征。结果表明:当Mn的摩尔分数<7%时,Mn能完全进入ZnO晶格,不会引起ZnO六方纤锌矿结构的改变;当Mn的摩尔分数≥7%时会形成杂质相,且Mn掺杂比增大,破坏了ZnO晶体结构的完整性。常温下,Mn的摩尔分数为1%的ZnO粉体的颜色为蜜柑色,随掺杂比例增大,颜色逐渐变深。此外,当测试温度从常温升至400℃时,样品颜色由蜜柑色变为灰茶色,当冷却到常温时,样品的颜色又恢复到原色,具有颜色可逆性。

Gd^(3+)、Mo^(6+)共掺杂BiVO_(4)颜料的制备及表征

在炎热地区,将色彩艳丽的环境友好型高近红外反射颜料作为建筑外墙以及交通工具的外漆,可减少制冷所需要的空调能耗,可在满足人们视觉需求的同时,有效缓解城市“热岛效应”.离子掺杂是调和颜料的色彩的重要手段.研究采用固相煅烧法制备了钆离子和钼离子共掺杂的(Gd_(0.5)Mo)_(x)(BiV)_(1-x)O_(4)(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)近红外反射黄色颜料.通过X射线衍射仪(XRD)、紫外/可见/近红外分光光度计、色度仪和热重–示差扫描量热仪(TG–DSC)、扫描电子显微镜(SEM)等对颜料样品的结构组成、反射特性、颜色及热稳定性等进行了测试表征.结果表明,制备的颜料样品为单斜白钨矿结构,Gd^(3+)和Mo^(6+)通过取代Bi^(3+)和V^(5+),成功进入BiVO4晶格.随着掺杂量的增加,样品颜色由暗黄向明黄转变,在700~2500 nm波段近红外反太阳光射率最高达到82.5%.所制备的颜料具有良好的热稳定性.因而,黄色(Gd_(0.5)Mo)_(x)(BiV)_(1-x)O_(4)可作为热反射隔热候选颜料用于建筑及交通工具等领域.

P掺杂煤沥青基多孔炭的制备及对废水中广谱抗生素的吸附性能

以煤沥青为碳源,一水合次亚磷酸钠为磷源,氧化镁为模板耦合KOH活化,采用一步法制备了多孔炭(CPC_(x));并采用扫描电子显微镜、氮气吸附-脱附仪、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱等对炭材料进行了表征,考察了CPC_(x)对土霉素和氯霉素的吸附性能.结果表明,当煤沥青与磷源的质量比为2∶1时,制得的CPC_(2.0)总比表面积和微孔比表面积分别为2739和2353 m^(2)/g,平均孔径为3.78 nm;苯基吸收峰有所加深,出现新的P—O伸缩振动峰;碳材料表面的磷及磷构型中最稳定的C_(3)—P=O官能团含量分别达0.45%和37.7%(摩尔分数);Langmuir模型和拟二级动力学模型能更好地描述CPC_(2.0)对抗生素的吸附过程,CPC_(2.0)对土霉素和氯霉素的最大吸附容量分别为1780和1122 mg/g,表现出优异的吸附性能.

掺杂B,Cr,Mo,Ti,W,Zr后金刚石中正电子湮灭寿命计算

金属基金刚石复合材料被广泛应用和研究,但金刚石表面预处理所导致的空位、掺杂等缺陷对金属基与金刚石界面性能有很大影响.尽管透射电子显微镜和能谱分析等技术已用于缺陷检测,但这些方法存在局限性.通过计算金刚石中正电子湮灭寿命,可以准确评估金刚石的界面缺陷.本文利用第一性原理计算方法,采用多种正电子湮灭算法和增强因子,计算了金刚石理想晶体、单空位、掺杂B,Cr,Mo,Ti,W和Zr后的正电子湮灭寿命.结果显示,在采用局域密度泛函时,结合Boronski&Nieminen算法以及随机相位近似限制作为湮灭增强因子时,计算得到的正电子湮灭寿命与文献的实验结果更吻合.同时,金刚石中B和Cr的掺杂使正电子湮灭寿命从由单空位119.87 ps增加为148.57 ps和156.82 ps.总体来说,金刚石中的空位和掺杂原子缺陷都会引起正电子湮灭寿命的变化.这些发现为理解和优化金刚石界面提供了有价值的理论依据.

铁磷共掺杂氮化碳光催化剂的制备及催化性能

以双氰胺单体、硝酸铁和磷酸氢二铵为前驱体,制备了铁磷共掺杂氮化碳(P/Fe-CN)。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X光电子能谱(XPS)和BET比表面积分析等方法研究了P/Fe-CN的晶相、结构和元素组成。结果表明:Fe和P共掺杂的协同作用打开了原始氮化碳紧密的片层堆积结构和团聚状态,有效降低了原始g-C_(3)N_(4)的禁带宽度,增加了活性物质,提高了光催化性能。其中,P掺杂量为5%的双掺杂样品(5%P/Fe-CN)在可见光下对甲基橙(MO)表现出最优的光催化活性。其光催化降解MO的速率常数为0.03863min-1,是g-C 3N 4光催化效率的4.7倍。紫外-可见光(UV-Vis)结果表明,5%P/Fe-CN的带隙宽度为2.248eV,较原始g-C 3N 4减小了0.331eV。

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。