S空位及非金属掺杂单层Bi_(2)S_(2)Se的第一性原理研究

Bi_(2)S_(2)Se是一种新兴的具有优异光电性能的材料,因此受到了广泛的关注.本研究采用第一性原理方法和开源程序,研究了本征单层Bi_(2)S_(2)Se以及掺杂非金属元素X(X=P,Cl,Br和I)和S空位的体系的电子结构和光学特性.计算结果表明,改性后出现了晶格缺陷.含S空位和P、Cl、Br掺杂体系的带隙减少,而I掺杂体系的带隙增加.同时,含S空位和Cl、Br、I掺杂体系的费米能级穿过导带底,而P掺杂体系的费米能级穿过价带顶.所有改性体系在费米能级附近都出现了缺陷能级或杂质能级,表现出较高的可见光吸收能力和散射能力,改性体系的对可见光的吸收能力和散射能力有所增加.

WO_(3)/Bi_(2)S_(3)异质结光催化剂的制备及其降解水体中四溴双酚A的研究

目的:研究WO_(3)/Bi_(2)S_(3)异质结光催化剂在低光照强度下(100 W)对水体中四溴双酚A(TBBPA)的降解性能。方法:通过溶剂热法制备一系列不同摩尔比的WO_(3)/Bi_(2)S_(3)异质结光催化剂;采用SEM、TEM、XRD、XPS等方法对合成的材料进行表征。探究WO_(3)/Bi_(2)S_(3)在低光照强度下对TBBPA的降解效率。通过自由基淬灭实验和电子自旋光谱解析WO_(3)/Bi_(2)S_(3)光催化体系对TBBPA降解机制。结果:在100 W光照强度下,摩尔比为1∶6的WO_(3)/Bi_(2)S_(3)光催化剂在用量为60 mg以及pH为8时具有最佳的降解效率,在150 min内对5.4 mg/L TBBPA的降解率约为76.3%。此外,TBBPA的降解主要通过空穴氧化实现。结论:WO_(3)/Bi_(2)S_(3)异质结光催化剂可在低光照强度下有效降解水体中的TBBPA。

基于第一性原理的无铅无机钙钛矿Cs_(3)Bi_(2)X_(9)(X=Cl、Br、I)光电性能表面效应研究

用基于第一性原理的密度泛函理论方法,对Cs_(3)Bi_(2)X_(9)(X=Cl、Br、I)的光电特性进行理论计算,并系统阐述这3种晶体的表面效应对光电性能的影响。结果表明,3种材料的光学特性由铋原子和卤素原子最外层p轨道上的价电子主导。在可见光区中,材料的吸收峰会随卤素原子序数的增加呈现红移,其中一维结构的Cs_(3)Bi_(2)Cl_(9)表面结构在光吸收能力上尤为特别且敏感;二维结构的Cs_(3)Bi_(2)Br_(9)光吸收能力会受厚度影响;零维结构的Cs_(3)Bi_(2)I_(9)非常稳定,且几乎不受表面特性和晶体厚度的影响。

Bi_(2)S_(3)/K-C_(3)N_(4)纳米棒复合材料对甲醛的光降解

通过控制复合物中Bi_(2)S_(3)与K-C_(3)N_(4)的比例,制备了不同负载比的Bi_(2)S_(3)/K-C_(3)N_(4)复合物。采用XRD、TEM、SEM和UV-Vis-DRS等技术对催化剂的晶相、形貌进行表征,并以甲醛为降解对象,评价其可见光催化活性。结果表明,在可见光照射下,Bi_(2)S_(3)/K-C_(3)N_(4)-0.07复合光催化剂在60 min内对甲醛气体的降解率达到了78%,远高于纯Bi_(2)S_(3)和K-C_(3)N_(4)。对复合物的形貌、性能进行了详细的讨论并进一步阐明了光催化降解机理。

光电材料Bi_(2)S_(3)/MWCNT-COOH的制备与表征

利用水热法合成了光电材料Bi_(2)S_(3)纳米棒和羧基化多壁碳纳米管,通过将Bi_(2)S_(3)与羧基化多壁碳纳米管结合,探究了不同比例的改性多壁碳纳米管与硫化铋掺杂之后的光电性能。利用扫描电镜(SEM)和光学显微镜观察了Bi_(2)S_(3)纳米棒以及羧基化多壁碳纳米管的形貌,并用x射线衍射(XRD)、UV-Vis、CV对其进行了表征。PEC测量结果表明,Bi_(2)S_(3)与羧基化多壁碳纳米管的结合使光电性能更加稳定。

Bi_(2)S_(3)/g-C_(3)N_(4)复合异质结的制备及催化性能

g-C_(3)N_(4)是一种典型的聚合物半导体,具有优异的热稳定性、化学稳定性,颇具催化应用前景。采用水热法制备了Bi_(2)S_(3)/g-C_(3)N_(4)异质结复合材料,通过XRD、SEM、TEM、UV-Vis、FS等手段对样品的组成、形貌、结构和性能进行了表征分析,并模拟了可见光条件下,以甲基橙为降解对象时复合材料的催化性能。结果表明,复合催化剂的异质结结构显著提高了g-C_(3)N_(4)的光催化性能:光照3 h时,Bi_(2)S_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料(Bi_(2)S_(3)质量分数达到50%)对甲基橙的降解率达到了97.4%,远超Bi_(2)S_(3)的8.9%与g-C_(3)N_(4)的38.6%。对Bi_(2)S_(3)/g-C_(3)N_(4)催化机理进行了研究:Bi_(2)S_(3)的加入拓宽了g-C_(3)N_(4)的光吸收范围,与g-C_(3)N_(4)的异质结结构使光生电子-空穴对的分离效率得到了进一步提高,并延长了光生载流子的寿命,进而提高了g-C_(3)N_(4)的光催化性能。

水热反应温度对ZnIn_(2)S_(4)/Bi_(2)WO_(6)复合催化剂的影响研究

为解决传统半导体光催化剂可见光响应能力弱、光生电子空穴复合快、能带结构导致载流子氧化还原能力弱等问题,采用水热法制备ZnIn_(2)S_(4)/Bi_(2)WO_(6)(ZlS@BW)复合催化剂并系统研究水热反应温度对其结构性能的影响。当水热温度从80℃升高到160℃,ZlS@BW复合光催化剂结晶度提高,形貌转变为致密核壳结构,比表面积和光电性能先降低再升高,氟伐他汀去除率逐步上升。而当温度升高到200℃时,核壳结构遭到了破坏,比表面积和光电性能变差,氟伐他汀的降解效果降低,光催化性能下降。结果表明,水热温度为160℃时,制备的ZlS@BW复合光催化剂晶型结晶程度较高,且形貌致密,比表面积最大,产生的瞬态光电流最大,阻抗半径最小,具有最优光催化性能。对污染物氟伐他汀降的降解效率最高,可达到75.47%。

Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块自供能紫外探测器的制备及性能

为了实现在无外部供能下对紫外光的有效探测,基于Ag修饰的Bi_(2)O_(3)纳米块(Ag/Bi_(2)O_(3))纳米块制备了自供能紫外探测器。通过煅烧法制备Bi_(2)O_(3)纳米块,随后采用室温溶液法在其表面沉积Ag纳米粒子,进而成功制备了Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块,且对所制备样品的晶体结构和微观形貌等进行了表征。结果表明,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块的平均尺寸约为1μm,且Ag纳米粒子随机分布在Bi_(2)O_(3)纳米块表面。将涂覆Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块的FTO作为工作电极,并进一步构建了自供能紫外探测器。在365 nm的紫外光照射下,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器能在零偏压下实现对紫外光的快速检测,这证实其具有自供能特性。相比于Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器,Ag/Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器的光电流得到明显提升,上升和下降时间分别缩短至29.1 ms和40.2 ms,并具有良好的循环稳定性。

蜂巢状LaVO_(4)/Bi_(2)O_(3)异质结光催化降解盐酸四环素的研究

为提升Bi_(2)O_(3)的光催化活性,采用溶剂热和水热法制备了LaVO_(4)/Bi_(2)O_(3)复合材料。利用多种手段对LaVO_(4)/Bi_(2)O_(3)的结构、形貌和性能进行了表征与分析,并以盐酸四环素(TCH)作为降解对象,考察了该复合材料的光催化活性。研究结果表明,LaVO_(4)紧密负载在Bi_(2)O_(3)表面,形成Z型异质结,这种结构能有效促进光生载流子分离,从而显著提高LaVO_(4)/Bi_(2)O_(3)的可见光催化活性。LaVO_(4)/Bi_(2)O_(3)复合催化剂具有蜂巢状形貌,这种形貌显著提升了催化剂的比表面积,并有利于反应物分子的吸附、扩散和运输。LaVO_(4)/Bi_(2)O_(3)对TCH的降解效果优于Bi_(2)O_(3)和LaVO_(4),当LaVO_(4)质量分数为5%时,复合催化剂的光催化活性及稳定性最好。在可见光照射3 h后LaVO_(4)/Bi_(2)O_(3)对TCH的降解率可达86.32%,4次循环后对TCH的降解率仍然可达到76.58%,说明其理化性能稳定,能够长期循环使用。淬灭实验表明,LaVO_(4)/Bi_(2)O_(3)降解TCH过程中的主要活性物种为·OH和·O_(2)^(-)。本研究为提升Bi_(2)O_(3)的光催化活性及有效去除水体中的TCH提供了一种新思路。

Sb_(2)S_(3)/石墨烯负极材料的制备及其储钠性能研究

钠离子电池(sodium-ion batteries,SIBs)具有成本低的潜在优势,有望成为替代锂离子电池(lithium ion batteries,LIBs)的储能设备。为提升钠离子电池的性能,开发出适应钠离子脱嵌的负极材料尤为重要。硫化锑(Sb_(2)S_(3))因其理论比容量高被认为是较好的钠离子电池负极材料。本文使用简单水热法将Sb_(2)S_(3)与石墨烯复合,制备Sb_(2)S_(3)/石墨烯复合材料(Sb_(2)S_(3)/Gr)。结果表明:Sb_(2)S_(3)/Gr作为钠离子电池负极时,不仅表现出良好的电导率(3.5×10~(-3)S/cm)和钠离子扩散速率(4.853×10~(-13)cm~2/s),而且在0.5 A/g的电流密度下,首圈库伦效率为76.27%,经150次循环后的比容量稳定在488 m A·h/g,表现出较高的比容量。Sb_(2)S_(3)/Gr复合材料表现出了极大的应用潜力,为高性能钠离子电池负极材料的研发提供了一定的参考价值。

基于Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料的自供能紫外探测器的制备及性能研究

为了获得高性能的自供能紫外探测器,结合热聚法和溶液法成功制备了Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料,并对其微观形貌、晶体结构、元素组成及价态进行了表征。结果表明,Bi_(2)O_(3)呈蜂窝状结构的块体,其附着在具有层状结构的g-C_(3)N_(4)纳米片上。基于该异质结制备了无需外加偏压即能工作的紫外探测器。在紫外光照射下,Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)光电探测器能够立即产生光电流并达到最大稳定值约0.43μA,相比于Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器,其光电流提升了约1.05倍。值得注意的是,Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)紫外探测器还展现出了快的响应速度(约181.7 ms),并且其光电流与入射光强也具有良好的线性关系,表明该器件对不同强度的紫外光均能实现快速且稳定的探测。

Bi_(2)O_(3)/CaFe_(2)O_(4)Z型异质结材料光催化降解氧氟沙星

利用溶剂热法合成了Z型异质结Bi_(2)O_(3)/CaFe_(2)O_(4)复合催化剂。采用多种表征手段对其晶体结构、形貌和性能进行了表征,并以氧氟沙星(OFX)为降解对象考察了Bi_(2)O_(3)/CaFe_(2)O_(4)复合催化剂的光催化活性。结果表明:Bi_(2)O_(3)负载在CaFe_(2)O_(4)表面,构建了Z型异质结构,这种结构能加速无效光生载流子的复合,促进有效光生载流子的分离,提升Bi_(2)O_(3)/CaFe_(2)O_(4)复合催化剂的可见光催化活性;Bi_(2)O_(3)/CaFe_(2)O_(4)复合催化剂对OFX的降解效果明显优于纯Bi_(2)O_(3)和CaFe_(2)O_(4)。在Bi_(2)O_(3)负载量为5%时,Bi_(2)O_(3)/CaFe_(2)O_(4)对OFX的降解效果最好,降解率可达78.7%,经过4次循环,依然可达到62.5%,说明其理化性能稳定,能够长期稳定循环使用。

内电场增强管状Z型In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)异质结的可控合成及光催化性能

构建具有特殊形貌和增强内电场的异质结材料可以有效提高光催化剂的光生电子-空穴对的分离效率,从而提升光催化活性。采用两步溶剂热+热解可控合成了金属有机骨架(MOFs)衍生的Z型In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)异质结,利用表征分析、光催化降解实验对构建的异质结物相、形貌、光学特性和活性进行了系统研究。结果表明,管状形貌的In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)具有强的光吸收响应,在In_(2)O_(3)和In_(2)S_(3)界面处形成的强内电场抑制了光生电子-空穴对的复合。在可见光照射下,质量比1∶1的In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)表现出最优异的光催化活性,在60 min内对盐酸四环素(TCH)的降解率达到68.44%,反应动力学常数分别比In_(2)O_(3)和In_(2)S_(3)提高了29.8和3.2倍,经3次循环表现出良好的稳定性。电化学测试和自由基捕获试验表明,In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)异质结内电场强度相比In_(2)O_(3)和In_(2)S_(3)分别提高了3.89和2.42倍,超氧自由基(·O_(2)^(-))和空穴(h^(+))是光催化过程中主要活性物质。该研究为强内电场异质结的高效光催化剂可控合成提供了一种有效策略。

g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合材料宽光谱光电探测器制备及其性能研究

通过热聚法制备了g-C_(3)N_(4)和Bi_(2)S_(3)纳米材料,在室温下进一步利用溶液法得到了g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对样品的表面形貌和晶体结构进行了表征,结果表明复合Bi_(2)S_(3)后并没有破坏g-C_(3)N_(4)本身的片层结构,且g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构仍然具有较好的结晶质量。基于g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构制备了紫外可见光探测器,并对其性能进行了研究。光电探测结果表明g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构探测器对紫外光的探测性能显著提高,其最大光电流约为g-C_(3)N_(4)纳米片探测器的12倍。此外,g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构探测器在可见光区也表现出了较好的光响应特性和稳定性,具有宽光谱响应特性。

Bi_(2)WO_(6)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的制备及其光催化性能研究

以尿素、硝酸铋、钨酸钠等为主要原料,在热缩聚法制备g-C_(3)N_(4)的基础上,通过水热法制备Bi_(2)WO_(6)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂。在模拟太阳光照射下,研究Bi_(2)WO_(6)/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂对甲基橙的光催化降解性能。结果表明,复合光催化剂相比于单体光催化剂的性能有显著提高。在Bi_(2)WO_(6)与g-C_(3)N_(4)质量比为2∶1、水热温度为180℃、水热时间为12 h条件下,复合光催化剂的性能最好。光照时间210 min时,甲基橙降解率达到了98.15%,相比于单体Bi_(2)WO_(6)和g-C_(3)N_(4)光催化剂的效率分别提高了25.1%和37.7%,且光催化降解过程符合一级动力学方程。复合光催化剂具有优异的稳定性,经过4次重复性实验,甲基橙降解率仍达到95.17%。

微波辐射制备Bi_(2)O_(3)/NiF光阳极及模拟日光下光电催化氧化降解罗丹明B

针对粉体Bi_(2)O_(3)光催化剂光利用效率低及难回收再利用等技术问题,采用浸渍—微波辐射技术在泡沫镍(NiF)上负载Bi_(2)O_(3)来制备Bi_(2)O_(3)/NiF光阳极,并借助SEM,XRD,XPS等手段及电化学工作站分析方法研究了光阳极的形貌结构及光电催化氧化性能.结果显示,花簇状的Bi_(2)O_(3)成功地负载在NiF的三维骨架上,Bi_(2)O_(3)/NiF具有优异的光电转化效率.在最佳制备条件,当光电流密度为15µA/cm^(2),外加电压为2V、RhB初始浓度为8mg/L、pH值为3的条件下,Bi_(2)O_(3)/NiF光电催化氧化降解罗丹明B(RhB)的效率可达95.35%,Bi_(2)O_(3)/NiF光电催化氧化降解RhB符合一级反应动力学方程,自由基淬灭实验证实h+在Bi_(2)O_(3)/NiF光电催化氧化降解RhB过程中起着主要作用.

Ⅱ/Z型Bi_(2)MoO_(6)/Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)异质结可见光催化降解四环素

构建异质结能够有效抑制光催化剂中光生电子和空穴的快速复合。本研究采用水热法、煅烧法以及溶剂热法合成了Ⅱ/Z型Bi_(2)MoO_(6)/Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)异质结光催化剂,利用不同研究手段分析材料的组成、形貌以及光电化学性能。结果发现,复合材料的最佳组成为25%ABOBM(Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)和Bi_(2)MoO_(6)的质量比为1:4)。在可见光照射下25%ABOBM对四环素(TC)的降解效率可达85.6%,明显高于Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)和Bi_(2)MoO_(6),而且三次循环实验后仍具有良好的稳定性。25%ABOBM光催化性能的提高可归因于Ag_(2)O、Bi_(2)O_(3)以及Bi_(2)MoO_(6)之间异质结的构建和特殊形貌的形成。自由基捕获实验和电子顺磁共振谱(EPR)结果表明,h+和·O2-在TC的降解过程中发挥着主要作用,而·OH和1O2发挥着次要作用。实验还探索了相关光催化机理,并利用液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)对TC可能的降解路径进行了分析。本研究为双异质结光催化剂的制备及其在有机污染物降解应用方面提供了新的思路。

Bi_(2)O_(3)-CuO复合材料的制备及其电催化还原CO_(2)性能研究

采用沉淀法-水热法合成了电催化Bi_(2)O_(3)-CuO复合材料.利用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)等方法对样品的结构和形貌进行了研究.用电化学测试方法对材料电催化性能进行研究,用气相色谱和核磁共振氢谱对产物进行分析.电催化实验结果表明,Bi_(2)O_(3)-CuO复合材料的电催化性能及对甲酸盐的选择性远高于Bi_(2)O_(3)和CuO.其中比例为1∶1的Bi_(2)O_(3)-CuO复合材料性能最好,在-1.2 V vs.RHE的电位下,甲酸盐的法拉第效率为90.3%,电流密度为20 mA/cm^(2),测试10 h保持稳定.

CNT-Co/Bi_(2)O_(3)催化剂光催化协同过硫酸盐活化高效降解四环素

在过硫酸盐高级氧化技术中,Co^(2+)的再生效率低是Co高效活化过一硫酸盐(PMS)的主要问题。成功制备了富含氧缺陷氧化铋负载碳纳米管(x%CNT-Co/Bi_(2)O_(3))光催化剂,用于光催化协同过硫酸盐活化降解污染物。在紫外线照射下,催化剂添加量为20 mg/L、PMS浓度为0.5 mmol/L和初始p H为4.68时,70%CNT-Co/Bi_(2)O_(3)对四环素(TC)的降解率高达91.3%,具有优异的可重复利用性和稳定性。其降解活性的提高归因于CNT-Co具有极大的比表面积,有利于TC吸附,光生电子加速Co^(2+)→Co^(3+)→Co^(2+)的循环速率,既促进光生电荷的分离与迁移,又促进PMS的活化,实现TC的快速降解。此外,Bi_(2)O_(3)均匀分散在CNT-Co外管壁上,避免了Bi_(2)O_(3)纳米颗粒的团聚,CNT-Co具有较大的比表面积,有利于污染物吸附于催化剂表面,增加吸附效果。该体系产生多种活性物种,其贡献度为^(1)O_(2)>·SO_(4)^(-)>·OH>·O_(2)^(-),可实现自由基和非自由基双通路高效降解污染物。

Bi_(2)O_(3)/Bi_(2)S_(3)二元异质结光催化剂的合成与制备

半导体光催化技术是解决能源危机和环境污染的有效手段。本文采用水热法制备了Bi_(2)O_(3)、Bi_(2)S_(3)及Bi_(2)O_(3)/Bi_(2)S_(3)复合物。以SEM、XRD等表征方法对样品进行分析,以染料为目标污染物考察了催化剂的光催化性能,并以染料的pH值和催化剂的用量以及催化剂的配比三个因素进行光催化实验,通过实验可知在催化剂对染料MB降解时,染料溶液pH值为3、催化剂为10 mg时为最优的降解效果,最大降解率可以达到96%,并提出了复合催化剂在光催化反应中的可能机理。