复合型反蛋白石结构制备及电催化氧还原研究——一个研究型综合实验设计

设计了一个与科研工作紧密相关的综合性实验。通过硬模板法和催化自生长法制备含钴碳纳米管原位嵌入的复合型反蛋白石结构,利用SEM、TEM、XRD、XPS等对催化剂的形貌结构进行表征,并采用线性扫描伏安、塔菲尔曲线等手段对其氧还原电催化活性进行评价。本实验的开展及文献调研,将提高学生对电催化相关新能源材料与设备的认识,发展学生对组分-结构-性能关系的科学思维与认知。

反蛋白石结构大孔碳材料的制备及其在染料敏化太阳能电池对电极中的应用

以胶体晶体为牺牲模板合成反蛋白石结构碳(Inverted opal carbon,IO-C)材料,借助扫描电镜和透射电镜分析IO-C材料样品的形貌和微观结构,考察对电极中IO-C负载量对染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells,DSSC)光电转化性能的影响。结果表明:IO-C对电极DSSC的光电性能随着碳负载量的增加而提高,这可能与电荷转移电阻的降低有关。在本研究条件下,当碳负载量超过332μg/cm2时,进一步增大负载量对电池性能的提高并无明显帮助。相对于商用铂对电极电池(η=5.61%),IO-C对电极电池可以获得相近的光电转化效率(η=5.27%)。

反蛋白石结构光子晶体材料中光传输的仿真研究

单分散胶体球可自组装出面心立方结构(周期常数为a)的三维光子晶体材料,进一步用高折射率光学材料填充其间隙再除去胶体球则可制得高折射率差、反蛋白石结构的三维光子晶体材料,从而应用于集成光子器件。了解其光子带隙以及光在缺陷中的传输性质是设计与制造该光子晶体材料与器件的基础,因此采用时域有限差分法仿真,研究不同波长λ的光在完整与含直线、L形线缺陷的反蛋白石结构光子晶体材料中的传输性质。研究结果表明该材料光子禁带的归一化频率a/λ在0.45~0.55之间,光在直线缺陷和L形线缺陷中传输的透过系数分别为~65%和~72%。

纳米银分散的玻璃反蛋白石结构的制备与表征

作者通过溶胶凝胶填充方法、利用胶体晶体为模板,制备纳米银掺杂的氧化硅反蛋白石结构.其中胶体晶体模板通过单分散的胶体微球以垂直沉积法自组装而成.由胶体晶体模板制得的反蛋白石结构拥有与胶体晶体反结构相同的长程有序,并反射不同的色彩,其反射光谱随角度变化并满足布拉格关系.

具有反蛋白石结构的准固态电解质制备及其光电性能研究

针对提高染料敏化太阳能电池(DSC)的光捕获和能量转换效率,利用SiO2蛋白石模板制备了具有反蛋白石结构的聚合物凝胶,并将其作为骨架制备了具有光子禁带的准固态电解质。通过研究基于不同电解质的DSC的光电性能,揭示了电解质的反蛋白石结构对电池光捕获、能量转换效率、阻抗和稳定性的影响。结果表明:该结构可通过对透过光阳极的入射光的散射和反射来增强电池的光捕获能力和能量转换效率,而且其多孔结构还降低了电池的离子扩散阻抗,有利于提高电池的稳定性。

反蛋白石结构多孔g-C_(3)N_(4)的制备及光催化性能综合实验

利用多孔材料的吸附扩散性能与半导体材料的光催化性能的协同效应处理水体污染技术是当前的研究热点之一。首先,以正硅酸四乙酯为硅源,经水解、离心自组装制备的蛋白石结构SiO_(2)胶晶为硬模板剂,单氰胺为前驱体制备了反蛋白石结构多孔g-C_(3)N_(4)材料;其次,利用XRD、SEM、TEM以及氮气吸-脱附等手段对产物进行了表征;最后,以罗丹明B(RhB)为模拟污染物对样品进行光催化降解性能测试,并提出了其光催化作用机理。结果表明:所制备的三维有序大孔g-C_(3)N_(4)样品具有典型的反蛋白石结构形貌;与块状g-C_(3)N_(4)相比,最优原料配比条件下所得反蛋白石结构多孔g-C_(3)N_(4)样品(IOCN-1.0)的比表面积和催化降解RhB的效率均明显提升。该综合实验操作简单且安全高效,不但能锻炼学生的综合实践动手能力,还能培养学生的科研意识和创新思维。

反蛋白石结构硫化锑光子晶体的制备

用改进St ber法制备出单分散的SiO2胶球.通过离心沉降法将SiO2胶球有序排列,得到蛋白石结构的SiO2光子晶体,该方法可制备出较大尺寸的蛋白石结构光子晶体.以得到的SiO2光子晶体为模板,通过化学反应向模板间隙填入Sb2S3后再经氢氟酸腐蚀去除二氧化硅胶晶模板,制备出反蛋白石结构硫化锑光子晶体.

柔性PMMA反蛋白石结构薄膜的制备及表征

以粒径为270 nm的SiO_2微球胶体晶体作为模板,向其中填充过量单体MMA,热聚合后形成SiO_2/PMMA复合结构光子晶体,将此光子晶体浸泡入浓度为20%的HF溶液中,刻蚀半小时后得到脱离ITO玻璃基板的柔性PMMA反蛋白石结构薄膜.该薄膜为周期有序的三维多孔结构,孔径大小均一,约为210 nm,外观蓝紫色与测试得到的带隙位置相对应.分析其微观形貌可知,对模板的过量填充产生了一层附着于胶体晶体上表面的PMMA致密层,致密层与其下层PMMA反蛋白石结构骨架在热聚合过程中由于体积收缩产生一定的应力差,使反结构薄膜自发从原基板脱离,从而获得柔性反蛋白石结构光子晶体.该薄膜可用于柔性光子晶体器件的制备.

大尺寸TiO_2反蛋白石结构的制备及性能分析

针对蛋白石结构光子晶体不能产生完全光子带隙的问题,采用垂直沉积法制备出单分散聚苯乙烯(PS)蛋白石结构胶体晶体模板,向模板填充TiO_2溶胶制成PS/TiO_2复合结构,将其放置在450℃的电炉中高温煅烧2h,得到了TiO_2反蛋白石结构.通过扫描电镜、吸收光谱仪和偏光显微镜对煅烧后的材料进行了测试和表征.结果表明:制备得到的TiO_2反蛋白石薄膜为厘米尺度范围内排列周期有序的大孔结构,孔径可控且选择范围宽.结构骨架表面平整,缺陷很少,几乎不存在塌陷.薄膜的透射光谱带隙窄,深度大,峰值尖锐,证实了样品内部结构的高质量和有序性.

反蛋白石结构ZnO@PDA用于增强光催化产H_(2)O_(2)性能

利用太阳能驱动生产高能量密度的H_(2)O_(2)太阳能燃料引起了广泛关注,但目前光催化剂缓慢的动力学限制了其实际应用。本文制备-种聚多巴胺(PDA)改性的反蛋白石结构ZnO(ZnO@PDA)光催化剂,用于可持续性的光催化产H_(2)O_(2)。由于电子的转移,因此当PDA与ZnO接触后,会在界面处形成一个从PDA指向ZnO的内建电场。在内建电场和能带弯曲的驱动下,ZnO导带中的光生电子与PDA最高占据分子轨道(HOMO)中的空穴复合,符合梯型异质结的电荷转移和分离途径。这种独特的梯型异质结确保了有效的电子或空穴的分离并且留存下具有强氧化还原能力的光生载流子。此外,与纯ZnO相比,反蛋白石结构的Zn0@PDA具有更强的光吸收能力。实验表明,归因于光吸收能力的提高,光生载流子的有效分离和强氧化还原能力,负载0.03%(原子分数)PDA的ZnO样品具有最佳的产H_(2)O_(2)性能(1011.4 μmol·L^(-1)·h^(-1)),分别是纯ZnO和PDA的4.4和8.9倍。

利用局域光效应增强全光谱光催化的ZnO/PVDF反蛋白石结构薄膜

随着环境污染与能源危机的问题日益严重,利用清洁能源太阳能的光催化技术得到了研究者的广泛关注.然而,半导体光催化剂的带隙严重限制了其利用整个太阳光谱的能力.尽管通过能带工程、上转换等技术,已经有部分可见光可以被利用,但其本身的效率却并不高.太阳光谱中的近红外光有着显著的光热效应,可提高光催化反应的温度,促进光生载流子的分离,进而提升光催化的效果.光子晶体是一种周期性结构,通过调节其折射率以及孔径大小,可以对不同波段的光实现增强吸收或反射的效果.人们已制备了二氧化钛的反蛋白石结构用于光催化降解污染物,其光催化效率明显提高.但是,通过利用反蛋白石结构光子晶体增强近红外光的吸收,进而实现全光谱利用的光热协同催化目前还未有报道.本文以二氧化硅单分散微球为模板,制备了以苯胺黑-聚偏氟乙烯为基底、氧化锌为光催化剂的反蛋白石结构光子晶体薄膜,采用扫描电镜、XRD和XPS等技术表征了薄膜的结构,并通过透射光谱与镜面反射光谱验证了苯胺黑的加入可增强全光谱的利用率.结果发现,当苯胺黑掺量为0.5%时,微反应器中的薄膜温度在60 min内上升了13.6℃,而空气中的薄膜温度在2 min内升了24.5℃,表明苯胺黑在近红外光生热中起着重要作用.对比普通薄膜,Z0.5A-369在微反应器与空气中的温度分别提升了14.7和26.8℃,证实了光子晶体对于光谱吸收的增强效应.就光催化性能来看,Z0.5A-369比普通薄膜的效率提高了1.63倍,而微反应器也比普通反应器提升了5.85倍.可见,薄膜和反应器的设计实现了协同催化.光热协同光催化发现,利用近红外光的光热效应来提高光催化反应过程中的温度可有效促进光催化反应,是一种高效利用太阳光谱的方法.光子晶体因其多孔结构、高比表面积、限光效应和慢光效应而增强了对光的吸收,进一步提高了光催化效率.另外,微反应器通过其局域的热效应和缩短的传质路径有效地增加了反应速率.

垂直沉积和离心沉降的蛋白石结构与反蛋白石结构的制备研究

采用无皂乳液聚合的方法合成了粒径可控且范围在485 nm-660 nm内的聚苯乙烯(PS)微球乳液,得到的PS微球粒径均一且带有负电荷,满足组装成二维和三维光子晶体的条件。采用垂直沉积和离心沉降两种方法制备蛋白石结构和反蛋白石结构光子晶体,并对其形貌进行分析。垂直沉积法得到的蛋白石结构和反蛋白石结构光子晶体结构紧密为六方堆积结构,排列有序,缺陷较少。但获得的光子晶体质量有限且制备周期较长,并限于二维类薄膜结构,适合对结构要求比较高的低维材料应用。离心沉积法得到的蛋白石结构和反蛋白石结构光子晶体存在多种排列结构,有序性差含有较多缺陷。但这种方法得到的光子晶体材料量大且制备周期短,具有三维材料结构,适合对结构有序度要求不高的光子晶体大批量负载材料等应用。

反蛋白石结构BiVO_4/WO_3催化处理苯酚废水研究

采用溶剂蒸发-提拉法以苯乙烯为模板制备了反蛋白石结构BiVO_4/WO_3复合光催化材料。对其结构进行了表征,考察了其在可见光照射条件下对苯酚的光催化性能。结果表明,反蛋白石结构BiVO_4/WO_3具有较好的光催化活性,能有效去除水体中的苯酚。在苯酚质量浓度80 mg/L范围内,催化剂对苯酚含量不敏感,90 min后去除率基本达到99%,去除效率远高于普通WO_3。在降解过程中加入一定浓度的H2_O_2对光催化有促进作用,过量则抑制降解,H_2O_2的适宜浓度为5 mmol/L,此时苯酚(质量浓度20 mg/L)去除率为99.7%。降解体系中含草酸对光催化反应有抑制作用,且草酸含量越高抑制越严重。催化剂在重复使用5次后苯酚的去除率超过90%,该催化剂在处理苯酚废水方面具有较高的应用价值。

TiO2反蛋白石结构光阳极结构改性及光电性能研究

将TiO_2反蛋白石结构(Inverse Opal)光阳极置于氟钛酸铵、硼酸和水的反应液中,通过液相反应,在光阳极表面沉积TiO_2纳米颗粒。结果表明,该处理使TiO_2反opal光阳极比表面积增大、染料吸附能力增强,组装为染料敏化太阳能电池(DSSCs)后电池交流阻抗降低,进而能显著提高DSSCs光电性能。研究发现,当反应液中硼酸浓度为0.22 mol/L时,DSSCs短路电流密度和光转化效率分别提高了134.0%和105.2%。

官能化反蛋白石结构光子晶体的构筑及对肝素的检测

制备了一种具有反蛋白石结构的光子晶体(IOPCs),通过聚乙烯亚胺(PEI)实现了对该IOPCs的官能化;PEI官能化的IOPCs与肝素之间具有强静电作用,从而可利用其对肝素进行特异性检测.研究结果表明,随着肝素浓度的增加(0~10-4 mol/L),官能化IOPCs的布拉格衍射峰最大位移约为40 nm;肝素浓度的对数与IOPCs的最大衍射波长位移具有良好的线性关系(R^2=0.99905),检测限为10^-10 mol/L.该IOPCs具有较好的物理和化学稳定性,且能重复用于肝素的检测,具有良好的应用前景.

基于共沉积法的高结晶反蛋白石g-C_(3)N_(4)制备及其产氢性能分析

为获得光催化产氢性能优异的g-C_(3)N_(4),采用共沉积法,通过二氧化硅微球/单氰胺混合溶液制备具有高结晶反蛋白石结构的g-C_(3)N_(4),并通过扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱仪和比表面积及孔径分析仪等表征手段对其结构和形貌进行分析,采用气相色谱仪对其光催化产氢性能进行表征。结果表明:当二氧化硅微球/单氰胺混合溶液的离心速率为5500r/min和单氰胺溶液质量分数为70%时,所制备的高结晶反蛋白石结构的g-C_(3)N_(4)(CN5500-70%)层间距为3.23Å,比表面积为32m^(2)/g,光催化产氢性能显著提升,产氢速率为7217.01μmol/(g·h)。该方法制备的高结晶反蛋白石结构g-C_(3)N_(4)具有良好的结晶性和优异的光催化产氢活性,为g-C_(3)N_(4)基催化材料的实际应用提供参考。

反蛋白石结构三维有序大孔CeO_2的制备和性能

以单分散聚苯乙烯(PS)微球为构筑单元,用双基片垂直沉积方法制备高度有序的PS胶体晶体模板,再用模板法合成了具有反蛋白石结构的三维有序大孔CeO_2(3DOM-CeO_2)。用X-射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、原子力显微镜(AFM)和N_2吸脱附等手段对样品微观结构进行了表征,并借助H_2-TPR分析了样品的还原性能。结果表明:PS胶体晶体模板排列高度有序,呈多层面心立方结构紧密堆积;所制备的3DOM-CeO_2具有三维周期性排列的多孔结构,其孔间距在280-300 nm,壁厚约为40 nm;样品的大孔骨架由粒径为5-10 nm的CeO_2颗粒所组成;与纳米CeO_2标样相比,3DOM-CeO_2样品具有更好的低温还原性能。

WO_(3)/PANI核壳结构反蛋白石薄膜的电致变色性能

采用连续离子层吸附法在反蛋白石结构三氧化钨(IO-WO_(3))薄膜表面引入导电聚合物聚苯胺(PANI)层,制备了独特的WO_(3)/PANI核壳结构反蛋白石薄膜(IO-WO_(3)/PANI).探究了IO-WO_(3)/PANI薄膜的形貌、组成和电化学行为.结果表明,当电位扫描范围为−0.6~1.0 V时,IO-WO_(3)/PANI复合膜在不同电压状态下会呈现出4种不同的颜色,分别为蓝色(1.0 V)、绿色(0.2 V)、浅绿色(0 V)和蓝紫色(−0.6 V).与IO-WO_(3)薄膜相比,IO-WO_(3)/PANI复合膜的电致变色性能显著提高,其着色与退色响应时间分别为3.8和6.14 s,变色效率(CE)值为201.1 cm^(2)/C.电致变色性能的改善主要归因于WO_(3)与PANI形成给体-受体体系和核壳反蛋白石等级孔结构,使得离子快速扩散,并为电荷转移反应提供更大的表面积.研究结果表明,IO-WO_(3)/PANI核壳结构反蛋白石薄膜是一种潜在的多色电致变色材料,具有广阔的应用前景.

二元共组装法制备无裂痕反蛋白石结构薄膜的研究

近年来,由于在光学、电学和生化等领域具有广泛的潜在应用,有序多孔反蛋白石结构薄膜的研究引起了人们的广泛关注.但是其在制备过程中常常会形成一些无法控制的缺陷,限制了这类材料的普及和实际应用.通过使用两种基质前驱体(正硅酸乙酯或丝素蛋白)与胶体小球混合共组装,探究了二元体系共组装法制备无裂痕反蛋白石结构薄膜的可行性.并用扫描电镜和可见光谱对薄膜结构进行了表征.结果表明,对于正硅酸乙酯体系,在不影响胶体小球有序排列的条件下,正硅酸乙酯在小球间的空隙中发生溶胶凝胶转变,与微球共同组装成有序致密的整体,去除微球模板后,可以得到大规模(>200μm)无缺陷有序的反蛋白石结构薄膜.而对于大分子丝素蛋白体系,由于它和胶体小球有较强的相互作用力,会抑制胶体小球的有序组装,导致无法形成有序结构薄膜.对两种二元共组装体系进行了实验探索,实验结果不仅有助于人们了解共组装方式的适用范围,而且为设计和制备无缺陷反蛋白石薄膜提供了新的途径.

反蛋白石结构二氧化钛制备及光学性能研究

作为一种新颖的三维周期性有序结构，反蛋白石结构材料在光学通信、光子计算、太阳能电池等领域有着广阔的应用前景。以不同直径的聚苯乙烯（PS）微球制备成的蛋白石为模板，结合溶胶-凝胶法制备了反蛋白石结构二氧化钛（TiO2）。在卤钨灯的照射下，反蛋白石TiO2呈现不同的颜色，其具有与蛋白石结构互补的三维周期性孔洞结构。在可见光范围内，反蛋白石TiO2薄膜的光子带隙可以通过改变反蛋白石结构中空气球的直径进行调节。通过测量光子带隙以及利用Bragg公式，计算出了反蛋白石结构的填充率。本文系统地研究反蛋白石TiO2的光子带隙和填充率，有望为深入研究反蛋白石结构材料提供理论依据和参考。