g-C_(3)N_(4)基S型异质结的构建及其光催化性能研究

为了解决日益严重的环境污染和能源短缺等问题,基于半导体的光催化技术利用太阳能为环境修复和能源储存提供了一种“绿色”可持续的方案。首先介绍了g-C_(3)N_(4)的优点和局限性,以及S型半导体的优势与不足,接着介绍了g-C_(3)N_(4)基S型异质结的电子结构和光催化性质,综述了基于不同类型g-C_(3)N_(4)的S型异质结光催化材料构建和光催化性能的提升策略,并梳理了其部分应用。最后,综述了基于g-C_(3)N_(4)的S型异质结面临的挑战和未来发展趋势,有望为g-C_(3)N_(4)基S型异质结光催化材料的开发和实际应用提供重要的参考。

模板法合成g-C_(3)N_(4)基复合材料及其光催化性能的研究进展

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))作为一种新型非金属高聚物半导体,具有易于合成、无毒无害、耐酸碱腐蚀、环境亲和性好等性质。独特的层状结构赋予了其较高的比表面积,适中的禁带宽度给予了其较好的光催化性能,使得其在光催化领域受到了广泛的关注。然而,纯相g-C_(3)N_(4)存在着比表面积小、活性位点不足、载流子复合过快和氧化还原能力偏弱等缺点,制约了其光催化领域的有效应用。研究表明,使用模板诱导工艺对g-C_(3)N_(4)进行结构调控可以有效解决上述问题。综述了目前常用于制备石墨相氮化碳的模板法(即硬模板法、软模板法和生物模板法),扩展讨论了多相复合工艺的进展情况,并归纳总结了g-C_(3)N_(4)基材料在光催化降解、CO_(2)转化和制氢等方面的应用情况。

g-C_(3)N_(4)/CeO_(2)/BiOBr三相复合材料的制备及其可见光催化降解RhB性能

以多孔层状g-C_(3)N_(4)为基体,引入沉淀法所得的CeO_(2)/BiOBr复合材料,经超声搅拌制得具有异质结结构的g-C_(3)N_(4)/CeO_(2)/BiOBr三相复合材料。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外-可见光漫反射光谱、光致发光光谱等方法对g-C_(3)N_(4)/CeO_(2)/BiOBr进行了成分、结构和光学性质表征。结果表明:g-C_(3)N_(4)/CeO_(2)/BiOBr三相复合材料呈三明治层状堆叠结构,界面结构构建良好,光响应性能优异,各相分布均匀且结晶程度较高。当Ce∶Bi摩尔比为1∶1,g-C_(3)N_(4)质量分数为15%时所得三相复合材料表现出最高的光催化活性,RhB降解率高达99%,降解速率是纯相CeO_(2)的86倍、纯相BiOBr的3倍。此外,经过4次循环后,复合材料的RhB降解效率依然保持在89%,表现出良好的稳定性。

g-C_(3)N_(4)基超级电容器用电极材料的研究进展

超级电容器由于具有功率密度大、储放电速度快、循环寿命长等优点受到储能领域的极大关注,电极材料是其性能优劣的关键所在。而具有较高含氮量、活性位点多且形貌与稳定性良好的g-C_(3)N_(4)作为一种优秀的超级电容器电极材料受到研究者的青睐。本文综述了g-C_(3)N_(4)基超级电容器的结构特征以及储能机理,重点阐述了g-C_(3)N_(4)基复合材料的性能提升策略,最后梳理了g-C_(3)N_(4)基超级电容器电极材料的性能提升研究进展,明确了g-C_(3)N_(4)基复合材料具有优秀的超级电容器电极材料应用前景。

CeO_(2)/BiOI/g-C_(3)N_(4)三相复合材料的制备及可见光催化降解RhB性能研究

通过溶剂热和超声搅拌合成了CeO_(2)/BiOI/g-C_(3)N_(4)三相复合材料。利用XRD、SEM、TEM和UV-Vis DRS等手段对该材料的成分、结构和光学性质进行表征。制备的CeO_(2)/BiOI/g-C_(3)N_(4)三相复合材料界面结构构建良好,光响应性能好,各相分布均匀且结晶程度较高。光催化降解实验表明,在可见光(λ>420 nm)下,CeO_(2)/BiOI/g-C_(3)N_(4)(Ce、Bi物质的量比为2∶1,g-C_(3)N_(4)质量分数为5%)三相复合材料光催化降解RhB的效率达到71%,是纯相CeO_(2)的7倍、纯相BiOI的10倍。同时光催化重复实验结果表明,光催化材料显示出良好的稳定性,经四次循环后,光催化效率基本无降低。最后探讨了复合材料的光催化机理,明确光催化实验中真正的活性物质为空穴及超氧自由基。

生物鸡蛋内膜结构氧化铈材料的合成与表征

采用生物废弃材料鸡蛋内膜为模板,选取适当浓度的硝酸铈溶液,调节pH值,通过两步浸渍,经有机-无机界面上的表面化学及生物化学过程的交互作用,使生物膜与稀土元素铈均匀结合,并于550℃煅烧,合成了管状分级多孔氧化铈纳米材料.通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)和场发射扫描电镜(FESEM)等测试手段对材料进行了表征.结果表明,该材料具有独特的纤维网络状生物形貌,是由内径500 nm、管壁厚约为250 nm的微米级氧化铈中空管所组成,其壁上含有大量1～5 nm孔径的颗粒堆积孔.考察了该材料对酸性品红染料脱色反应的催化活性,结果表明,当酸性品红浓度为20 mg/L和催化剂用量为0.2 g/L时,反应120 min后染料脱色率可达到90%以上.

以枫叶为模板合成分级多孔氧化铈材料及其催化性能

以枫叶为生物模板合成了由纳米颗粒构成的分级多孔氧化铈材料.采用场发射电子显微镜（FESEM）、透射电子显微镜（TEM）和氮气脱吸附技术表征了材料的独特生物形态微结构,其仿生结构是由复制气孔得到的微米孔和复制细胞孔得到的2~4 nm的小孔构成.通过广角X射线衍射（XRD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和BET计算发现多孔氧化铈具有很小的晶粒（6~8 nm）和较大的比表面积（64.4 m2/g）.利用化学储氧量（OSC）评价了样品催化性能,结果表明：分级多孔氧化铈比无孔氧化铈含有更多的表面活性氧.当将材料用于酸性品红脱色反应,由于分级多孔氧化铈材料的颗粒小,比表面积大和化学储氧量高,其在染料废水净化处理时具有较好的催化活性和吸附能力,到300 min时脱色率可达到100%.

水热法合成棒束状纳米CeO_2粉体及其催化性能

在醇-水体系中以P123为模板、硝酸铈和草酸为原料,利用水热法制备了棒束状纳米CeO2粉体,研究了反应温度、硝酸铈与草酸的物质的量比(nCH)、溶液pH以及反应时间对CeO2粉体颗粒的影响,确定了制备棒束状纳米CeO2粉体的最佳工艺参数;将最佳工艺参数下制得的CeO2对酸性品红溶液进行催化降解试验,并与块状CeO2催化降解结果进行对比。结果表明:制备棒束状纳米CeO2的最佳工艺参数为200℃、nCH=2∶3、pH=1、反应时间360 min;在此最佳工艺参数下制备的棒束状纳米CeO2对酸性品红溶液的催化活性比普通块状CeO2的大大提高。

CeO_2-MnO_2纳米氧化物/石墨烯复合电极材料的制备及其超级电容性能

通过水热法制备了CeO2-MnO2纳米氧化物/石墨烯复合电极材料,采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪等对复合电极材料的表面形貌、晶体结构,石墨烯表面官能团等进行了研究;并用恒流充放电、循环伏安法研究了复合电极材料的电化学性能。结果表明:氧化铈的掺入对电极循环次数的提高有着明显的促进作用;在铈锰物质的量比为2∶8时,复合电极材料的比电容和电容损达到最优,在10mV·s-1扫描速度下,1mol·L-1的Na2SO4电解液里测试的比电容最大达到157F·g-1,且充放电1 000次循环后,电容损低至23%。

Ag/介孔CeO_2纳米复合材料的合成、表征及抗菌性能(英文)

利用改进的溶剂挥发诱导自组装法(EISA)制备高比表面积介孔CeO2,通过改进的乙二醇还原法,在得到的介孔CeO2中负载上不同量的银。采用粉末X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS),N2吸附-脱附法方法对产物进行表征。由BJH方程计算得到材料的孔径分布,以BET法计算材料的比表面积。研究负载不同比例银纳米粒子的介孔CeO2的结构及其抗菌活性。实验表明所制备的新材料具有很好的抗菌性能。

科研促进《材料分析方法》课程教学改革

材料分析方法课程是材料类专业的主要基础课程之一。本文探究了科研对于该门课程的促进与深化,通过教学与科研互动、科研带动学生实践和自主学习模式这三方面的培养,将理论与大型仪器操作和科研项目相结合,提升了教学质量。不仅使学生掌握了繁多的材料分析知识点,同时加强了他们的科研实践创新能力。

植物膜模板法合成二维超薄纳米片及其光催化性能研究

以山茶花花瓣为模板,经硝酸铈溶液浸渍后煅烧,合成新型超薄CeO2分层介孔纳米片。采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis/DRS)、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附-脱附等分析手段对样品进行了表征。结果表明所得样品是由厚度约为6nm的具有生物形态结构的萤石结构CeO2纳米片组成。制得的CeO2薄层表面存在大量介孔,其孔径集中分布于15nm左右。由紫外-可见漫反射吸收光谱可知,材料的吸收边较块体CeO2红移了约35nm,从而具有了更高的可见光催化活性。在阳光照射下表现出了较强的光催化活性,在90min内对亚甲基蓝的降解率可达98%,远高于普通块体CeO2。

以花瓣为模板制备TiO_2分层介孔纳米片

以月季花花瓣为模板,经钛盐溶液浸渍后煅烧,合成了新型TiO2分层介孔纳米片.采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、环境扫描电子显微镜(ESEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis/DRS)和氮气吸附-脱附曲线分析等手段对样品进行了表征.结果表明,所得样品由厚度约4 nm的具有生物形态结构的锐钛矿型TiO2纳米片组成.TiO2薄层表面存在大量介孔,其孔径集中分布于4 nm左右.由紫外-可见漫反射吸收光谱可知,材料的吸收边较纳米TiO2(P25)红移了约20 nm,因而具有更高的可见光光催化活性.TiO2分层介孔纳米片在阳光下表现出较强的光催化活性,在90 min内对亚甲基蓝的降解率可达98%,远高于TiO2纳米粉.

生物模板法制取微纳米多孔材料

微纳米多孔材料因其在催化、能源、转化等领域的应用而日益受到重视。微纳米多孔材料的传统合成方法过程一般较为繁琐,成本较高且大多对环境造成污染。而大多数组成生物的天然材料具有尖端技术也无法合成的精密复杂结构以及特殊的功能。因此,各种生物模板的理论和机制得到大量的研究。主要介绍了各类生物的模板类型,生物仿生材料的合成过程及其在电子学、光子学、磁学、传感等领域的广泛应用。

以硅藻为模板合成TiO_2微胶囊及其可见光催化性能

通过仿生方法,以羽纹硅藻为模板,经钛盐溶液浸渍、煅烧去除模板后制得直径为10μm左右的多孔TiO2微胶囊,研究了多孔TiO2微胶囊的结构特性以及其在可见光下降解亚甲基蓝溶液的催化性能。结果表明:煅烧后得到的多孔TiO2微胶囊具有多孔结构和较大的比表面积,并含有部分生物遗留下的氮元素;多孔结构及氮元素的掺杂使得多孔TiO2微胶囊具有优良的可见光催化降解亚甲基蓝效果。

仿生CuO-CeO2复合材料低温选择性催化还原脱硝性能

以擦镜纸纤维为模板,经硝酸铈和硝酸铜溶液浸渍,煅烧后制得 CuO-CeO2复合材料,分析了其微观形貌和物相组成,研究了其表面性能以及催化脱硝性能,并与商用纳米 CeO2和块状CeO2的进行了对比.结果表明：CuO-CeO2复合材料为长管状,管径约为7μm,其中的 CuO 和CeO2晶粒大小均匀,粒径为5~8 nm,自然堆积形成了纳米尺寸的孔隙；该复合材料中存在立方萤石结构的CeO2,与商用纳米CeO2相比,粒径较小,比表面积较大,达到106．5 m2？g－1；掺杂 CuO的CuO-CeO2复合材料的催化活性较高,在催化NH3还原NO 时,当温度为280℃时NO 的转化率就超过了94％,远高于商用块状CeO2和纳米CeO2的.

介孔介晶Ce_(1-x)Sm_xO_2固溶体的合成及其催化性能研究

以乙酸盐为原料,三嵌段共聚物P123为模板,采用溶剂诱导自组装法(EISA)合成介孔介晶Ce1-x-Smx O2固溶体。利用X射线衍射、N2吸-脱附、X射线光电子能谱和氢气-程序升温还原等测试手段对样品的形貌和结构进行了表征。结果表明:样品属于立方萤石结构,平均颗粒尺寸为7.65nm,孔径分布在2.0～3.8nm之间,平均比表面积为96m2/g。介孔介晶Ce1-x Smx O2材料对亚甲基蓝模拟染料废水具有良好的脱色能力,在反应120min时脱色率基本超过70%。

WO_(3)微晶/g-C_(3)N_(4)的制备及其光催化性能研究

以三聚氰胺为前驱物经煅烧法制备g-C_(3)N_(4)光催化材料,再引入WO_(3)微晶构建Z型异质结以提升光催化活性。优化了WO_(3)的水热时间和负载比例,获得了一系列WO_(3)/g-C_(3)N_(4)光催化复合材料。结果表明,引入WO_(3)微晶后,g-C_(3)N_(4)的禁带发生了变化,成功构建了Z型异质结,从而提高了可见光催化效率。WO_(3)负载量为20%,水热时间为10 h时,所制备的WO_(3)/g-C_(3)N_(4)具有最高的光催化性能,180 min时罗丹明B的降解效率可达83%,光催化反应速率k可达0.001 min^(-1),是纯g-C_(3)N_(4)反应速率常数的2.8倍。

非贵金属钴、氮共掺杂碳纳米管负载纸衍生多孔碳电催化剂的制备及其氧还原性能研究（英文）

燃料电池可以直接将化学能转化为电能,是一种极具前景的能量转换设备.目前,铂碳是燃料电池阴极氧还原反应(ORR)常用催化剂,但是铂储量低、价格昂贵、稳定性差且容易受CO毒化,极大地限制了其在燃料电池商业化中的应用.因此,探索价格低廉、性能优越的非贵金属氧还原催化剂显得尤为重要.大量研究发现,碳基材料具有优越的氧还原性能和良好的电化学稳定性.同时,自然界的生物质种类丰富,是很好的碳基材料来源.本文选取日常生活中最常见的富碳生物质废纸作为碳源,二氰二胺和乙酰丙酮钴分别作为氮源和钴源,经过特定气氛下的梯度升温制得非贵金属钴、氮共掺杂碳纳米管负载多孔碳氧还原催化剂(Co/N/CNT@PC-800).考察了杂原子N掺杂、过渡金属Co掺杂对材料形貌和性能的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼(Raman)光谱、氮气吸附-脱附和X射线光电子能谱(XPS)等表征方法探究了Co/N/CNT@PC-800材料的组成与结构,通过循环伏安法(CV)以及线性扫描伏安法(LSV)等电化学测试探究了其氧还原反应性能.SEM和TEM结果表明,Co/N/CNT@PC-800材料为表面生长着大量碳纳米管的多孔碳结构.这是因为二氰二胺和钴引入后,钴催化二氰二胺转化成碳纳米管.金属纳米粒子被封装在碳层之间和碳纳米管中而得到有效的保护,使之不易被酸腐蚀.同时,Co和N元素可以形成更多的活性位点(Co–Nx),增强材料ORR活性.SEM和氮气吸附-脱附结果显示,掺杂Co后,材料的介孔结构会进一步增加,形成微孔/介孔结构.多孔结构可以增强ORR相关物质(O2,H+,OH.,H2O)的传质速率,提升反应速率,达到增强ORR活性的效果.除此之外,多孔的结构也可以促进活性位点的暴露,进而提升材料的ORR性能.XPS结果显示,Co/N/CNT@PC-800材料中N主要以吡啶氮和石墨氮两种形式存在,而这两种类型的氮有利于促进ORR的进行.Raman光谱结果显示,在引入N和Co元素后,材料的缺陷结构有所增加,因而有利于电催化氧还原反应性能的提升.另外,LSV测试结果表明,在引入Co或者N后,材料催化ORR的起始电位、半波电位、极限电流密度均有小幅改善;同时引入Co和N后,Co/N/CNT@PC-800材料催化ORR的起始电位(0.005 V vs.Ag/AgCl)、半波电位(.0.173 V vs.Ag/AgCl)、极限电流密度(.4.117 mA cm.2)均有较大幅度的改善.通过Koutecky-Levich(K-L)方程计算以及旋转环盘电极测得的氧还原极化曲线结果均表明,Co/N/CNT@PC-800材料的氧还原反应是通过准四电子反应转移路径进行.此外,循环(3000圈CV)稳定性测试结果证明,Co/N/CNT@PC-800材料比商业化的Pt/C具有更好的稳定性.总之,本文采用简单的梯度升温法制备出非贵金属钴、氮共掺杂的碳基氧还原催化剂(Co/N/CNT@PC-800),为探索利用生物质制备电催化剂用于燃料电池提供了一种可供选择的途径.

基于植物模板法制备高性能石墨烯/氧化锰复合材料及其电化学性能

以植物膜作为碳源和模板,通过浸渍氯化锰溶液并经两次煅烧合成了石墨烯/氧化锰复合材料,分析了该复合材料的微观形貌、物相组成以及表面性能;将该复合材料制成电极,通过循环伏安和恒流充放电方法测试了其电化学性能。结果表明:石墨烯/氧化锰复合材料中不存在氧化石墨烯,其石墨烯为褶皱状片层结构,厚度约1.449nm,其上负载着大量粒径为10~40nm的氧化锰颗粒;该复合材料的BET比表面积约为202.5m^2·g^(-1),孔径分布于5~30nm;该复合材料的电化学反应可逆性优良,比电容为245F·g^(-1),远高于市购碳粉(25~26F·g^(-1))和植物膜煅烧制备石墨烯(45~50F·g^(-1))的。