平面电磁波用匹配电阻薄膜全吸收的理论模型

通过经典电磁学理论推导,提出一种完全吸收入射平面电磁波的电阻薄膜-介质层-全反射导体膜结构。该结构要求电阻薄膜与真空波阻抗匹配,电阻薄膜背面衬以λ/4厚度的无损耗介质,介质的底部放置全反射导体膜,即可保证全吸收入射电磁波,这对红外辐射计和隐身材料均适用,为此类特殊功能材料的研究提供依据。

氮化碳启发的共价有机框架光催化剂用于高效过氧化氢光合成

过氧化氢(H_(2)O_(2))是一种绿色高效氧化剂,广泛应用于医药、食品和造纸等领域.传统制备方法为蒽醌氧化法,但该法不仅耗能高,工艺复杂,而且会产生大量废水、废气和固体废物.探索绿色温和条件下新的H_(2)O_(2)合成方法成为当前研究热点.其中,以太阳能为驱动力的光催化H_(2)O_(2)合成策略广受关注.在光催化反应过程中,半导体光催化剂扮演着至关重要的角色,它们捕获光能、产生光生电荷并引发界面的氧化还原反应.因此,开发高效半导体催化剂是实现高效光催化H_(2)O_(2)合成的关键.氮化碳(C_(3)N_(4))是目前应用最为广泛的H_(2)O_(2)光合成催化剂.研究表明,C_(3)N_(4)中的庚嗪基团能够和活性氧中间体形稳定加成产物,有利于H_(2)O_(2)的选择性生成.然而,由于C_(3)N_(4)可见光吸收范围窄及光生电荷复合快等问题,导致光催化效率较低,严重限制了其光合成H_(2)O_(2)的实际应用.基于对C_(3)N_(4)本征优势和固有缺陷的了解,本文提出将C_(3)N_(4)的庚嗪构筑单元整合到具有宽光谱吸收的共价有机框架(COFs)骨架中,以优化材料的电荷分离动力学和光吸收性能,从而实现H_(2)O_(2)的高效合成.采用一步希夫碱缩合反应制备含庚嗪基团的COFs催化剂(COF-TpHt).XRD测试和结构模拟结果表明,COF-TpHt具有共轭的二维平面分子结构且层间通过π-π相互作用有序排列,这不仅有利于提高材料光吸收能力,同时也为光生载流子的分离提供了层内和层间传输通道.紫外可见漫反射吸收光谱结果表明,该催化剂在400-800 nm的宽范围内具有较好的可见光吸收能力.稳态和时间分辨荧光光谱结果表明,C_(3)N_(4)在λ=488 nm处具有很强的荧光强度,而COF-TpHt的荧光强度显著淬灭.另外,COF-TpHt比C_(3)N_(4)(8.53 ns)具有更长的荧光平均寿命(9.19 ns)和更大的光电流响应,这表明COF-TpHt中的电荷复合被有效抑制,有利于提高光催化反应活性.在光催化反应中,以苯甲醇为电子供体,在可见光(λ>420 nm)照射下,该催化剂实现了高达11986μmol h^(-1)g^(-1)的H_(2)O_(2)生成速率,在420 nm处的表观量子效率为38%,超过了目前报道的大多数有机或无机半导体光催化剂性能.除此之外,该催化剂也展现出较好的稳定性,在连续循环反应4圈(12 h)后仍保持原有的形貌与结构,且在长达30 h的连续光照反应过程中,H_(2)O_(2)产量仍能保持线性增长,最终达到2971μmol,浓度约为59.4 mmol L^(-1),可满足消毒和污水处理的实际应用要求.综上,本文材料对光催化的方式获得高浓度H_(2)O_(2)具有独特优势.

用于含能分子性质预测的分子描述符增强图神经网络

含能分子在军事和民用应用中都发挥着重要作用.传统上,确定含能分子的物理化学参数需要实验工作量且具有风险,而新兴的机器学习方法有望解决这一问题.在这项工作中,我们报道了一种分子描述符增强的图神经网络(MD增强的GNN)模型,该模型可以准确快速地预测含能分子的三个爆轰参数.该模型集成了基于序列的分子描述符和基于结构的图向量,提供了一个不需要自定义描述符的全面框架.因此,我们构建了一个包含18,991个CHNO含能分子的含能分子数据集,并将我们的模型与单一的分子指纹/描述符和GNN方法进行了比较.研究发现,我们提出的MD增强的GNN集成方法通过结合两个不同的互补特征,实现了卓越的精度,R2超过0.93,学习速度提高了20%以上,这突出了我们的模型在重塑含能分子设计格局方面的潜力,并有望在这一关键领域内大幅提高效率和有效性.

靶向钝化与界面载流子动力学优化以提高无空穴传输层的窄带隙钙钛矿太阳电池的效率和稳定性

窄带隙锡-铅混合钙钛矿太阳电池(PSCs)的效率有望接近Shockley-Queisser极限,然而,易氧化的亚锡离子Sn^(2+)以及载流子传输层/钙钛矿未优化的界面接触会导致严重的界面电荷复合和器件性能下降,这在很大程度上阻碍了锡-铅混合钙钛矿太阳电池的实际应用,本文通过在钙钛矿中掺入少量有机膦酸咔唑分子,成功地制备了无空穴传输层锡-铅混合钙钛矿太阳电池.相对于Pb^(2+),有机磷酸咔唑分子在晶界处和晶体表面与Sn^(2+)离子有更强的化学配位作用,从而有效抑制Sn^(2+)的氧化,钝化缺陷并抑制非辐射复合。在移除空穴传输层的情况下,此类有机膦酸咔唑分子靶向修饰作用可有效增强内建电场(~100mV),优化透明导电基底与钙钛矿层的能级排列,从而加速光生电荷分离,促进界面空穴抽取和传输.最终,无空穴传输层的锡-铅混合钙钛矿太阳电池获得最高20.21%的光电转换效率,开路电压高达0.87V,同时实现了超过2400小时的长期稳定性。

Au/SnO2核/壳纳米颗粒实现电化学高效固氮

提升催化剂对氮气的吸附与活化是设计高效电化学固氮催化剂的关键.本文开发了一种提升电化学固氮手段,通过调控Au@SnO2核/壳纳米颗粒表面的氧空位,成功实现了将氮气有效电催化还原为氨.研究表明,Au@SnO2核/壳结构具有优异的导电性,同时能够增强氮气吸附与活化,在二者协同作用下实现了电化学高效固氮.其氨产率和法拉第效率在-0.2 V(vs.RHE)下分别可达21.9μg h-1 mg-1cat和15.2%,性能优于许多已报道的金基电催化剂.

可控CO吸附决定CO_(2)电还原产生乙烯和甲烷

在所有的CO2电还原产物中,甲烷(CH4)和乙烯(C_(2)H_(4))是两种典型且有价值的烃类产物,它们通过同一CO中间体的加氢(C1)和二聚(C2)反应而形成.理论研究表明,CO中间体的吸附构型和吸附强度决定了反应途径.然而,实验上控制催化剂上CO中间体的吸附构型是一个挑战,因此烃类产物选择性仍然很低.本文合成了两种表面环境可控的铜纳米粒子作为模型催化剂.在相同的还原条件下,所得的催化剂对CH4(83%)和C_(2)H_(4)(93%)具有极高的碳选择性.扫描和透射电子显微镜和X射线吸收谱表征显示了两种催化剂分别具有低配位Cu^(0)位点和局部Cu^(0)/Cu^(+)位点.CO程序升温脱附、原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱和密度泛函理论研究表明,低配位Cu^(0)位点上桥式吸附的CO倾向于加氢反应产生CH4,而Cu^(0)/Cu^(+)位点上桥式吸附和线性吸附的CO倾向于共聚产生C_(2)H_(4).该研究发现为设计具有可控CO吸附构型的高烃类产物选择性催化剂开辟了一条新途径.