纳米α-Fe_(2)O_(3)/壳聚糖修饰玻碳电极的电化学行为研究

通过不同温度煅烧获得不同比表面积的α-Fe_(2)O_(3)纳米颗粒,将纳米α-Fe_(2)O_(3)与壳聚糖制成复合材料。利用滴涂法,将纳米α-Fe_(2)O_(3)/壳聚糖复合材料修饰在玻碳电极上,并通过循环伏安法研究纳米α-Fe_(2)O_(3)/壳聚糖/玻碳电极对铁氰化钾电化学性能的影响。结果表明:随着烧结温度从280℃提高到700℃时,α-Fe_(2)O_(3)纳米颗粒的比表面积由136.5m^(2)/g变为2.1m^(2)/g。纳米α-Fe_(2)O_(3)/壳聚糖/玻碳电极能显著提高铁氰化钾的电化学性能,与裸电极相比,氧化和还原电流均显著提高,其电化学催化性能与其纳米α-Fe_(2)O_(3)比表面积密切相关,比表面积越大峰电流就越强。在最佳实验条件下,浓度在510^(-4)~510^(-3)mol/L范围内,铁氰化钾的还原电流与浓度呈良好的线性关系,检出限为1.25×10^(-5)mol/L,该修饰电极重复性和稳定性较好。

Au@α-Fe_(2)O_(3)纳米棒的制备及光催化性能

本工作通过水热法与磁控溅射法结合成功构建了表面均匀沉积纳米Au粒子的α-Fe_(2)O_(3)(Au@α-Fe_(2)O_(3))纳米棒,纳米Au粒子的负载量和形态分别由磁控溅射时间和热处理温度调控。在沉积5.1%的纳米Au粒子后,因纳米Au的表面等离子体共振(SPR)效应,Au@α-Fe_(2)O_(3)纳米棒在550 nm处出现了一个新的吸收峰,其带隙由2.20 eV变窄至1.95 eV。Au@α-Fe_(2)O_(3)纳米棒的荧光强度和电化学阻抗显著降低,光电流从0.27μA·cm^(-2)增大至0.45μA·cm^(-2)。纳米Au粒子既拓宽了Au@α-Fe_(2)O_(3)纳米棒的可见光吸收性能,又抑制了电子-空穴对的复合。与α-Fe_(2)O_(3)纳米棒相比,Au@α-Fe_(2)O_(3)纳米棒的光催化性能变得更加稳定,Au@α-Fe_(2)O_(3)纳米棒的光催化效率提高约一倍。

玻纤负载α-Fe_(2)O_(3)/CuFe_(2)O_(4)异质结薄膜的制备 及其催化性能

为了克服传统芬顿催化剂的降解速率慢、pH适用范围窄、难回收等缺点,采用浸涂溶胶-凝胶法制备了玻璃纤维负载的α-Fe_(2)O_(3)/CuFe_(2)O_(4)异质结薄膜(FCGF),对其结构、形态和化学组成进行表征,并将其用于亚甲基蓝的光芬顿催化降解,考察其催化活性、pH值适用性和重复使用稳定性。结果表明:CuFe2O4颗粒生长在α-Fe_(2)O_(3)颗粒表面,形成α-Fe_(2)O_(3)/CuFe_(2)O_(4)异质结;在模拟太阳光辐射条件下,加入2 g FCGF和20 mmol/L的H_(2)O_(2),50 mL质量浓度为30 mg/L的MB溶液在40 min后降解率达到97%,而在相同条件下加入α-Fe_(2)O_(3)与CuFe_(2)O_(4)降解率分别为20%和30%,其催化活性的增强可归因于异质结光催化剂产生的光诱导电位差驱动的光生载流子的有效分离;同时,FCGF在宽pH范围显示出较高活性,pH=10时,MB溶液40 min后降解效率仍达到63%;FCGF具有良好的稳定性,5次循环后其催化性能没有衰减,反应40 min后MB降解率仍可达97%。

MOFs衍生多孔TiO_(2)/C、N掺杂Fe_(2)O_(3)复合材料的制备及其光催化性能

将TiO_(2)加入NH_(2)-MIL-101(Fe)前驱体中,采用溶剂热法制备TiO_(2)/NH_(2)-MIL-101(Fe),进一步经高温热处理得到TiO_(2)/C、N掺杂Fe_(2)O_(3)复合材料(TiO_(2)/C、N-Fe_(2)O_(3))。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光电子能谱(XPS)、紫外-可见分光漫反射(UV-Vis DRS)和荧光光谱(PL)等方法对所得样品的晶体结构、形貌特征、组成及光谱特性进行表征。在模拟太阳光照射下对罗丹明B(RhB)溶液进行降解,评价其光催化活性。结果表明,C、N均匀掺杂在Fe_(2)O_(3)中,TiO_(2)复合C、N掺杂Fe_(2)O_(3)后禁带宽度减小,模拟太阳光照射2.5 h后,在0.1 g/L TiO_(2)/C、N-Fe_(2)O_(3)复合材料的光催化作用下,10 mg/L罗丹明B的去除率达到95%,速率常速为0.0192 min^(-1),效果较TiO_(2)和C、N-Fe_(2)O_(3)有明显提高。所得复合材料稳定性好、可重复利用。MOFs衍生多孔C、N掺杂Fe_(2)O_(3)与TiO_(2)的复合缩短了带隙,强化了空穴与电子的分离从而提高可见光催化活性。

β-Ga_(2)O_(3)的p型掺杂研究进展

β-Ga_(2)O_(3)具有超宽禁带宽度、高击穿场强、较高的巴利加优值等优点使其成为一种新兴半导体材料,在高功率电子器件、气体传感器、日盲紫外探测器等方面有着极大的应用潜力,但p型掺杂难的问题成为了β-Ga_(2)O_(3)发展的巨大障碍。本文首先简要概述了β-Ga_(2)O_(3)的优点,并介绍了其晶体结构和基本性质。其次,说明了β-Ga_(2)O_(3)的本征缺陷,尤其是氧空位对导电性能的影响。然后,详细讨论了β-Ga_(2)O_(3) p型掺杂的研究现状,包括p型掺杂困难的原因和N掺杂、Mg掺杂、Zn掺杂、其他受主元素掺杂、两种元素共掺杂以及其他方法。最后,总结并对β-Ga_(2)O_(3)未来的发展进行了展望。

基于生物质衍生α-Fe_(2)O_(3)的丙酮气体传感器实验研究

研制具有高灵敏度、低检测限的丙酮气体传感器对于工业生产安全和人体疾病诊断具有重要意义。本文以生物质脱脂棉为模板,采用金属盐溶液浸泡法和空气中煅烧处理相结合的策略制备了α-Fe_(2)O_(3)微米管,然后采用X射线衍射仪、热重分析仪、扫描电子显微镜(SEM)对α-Fe_(2)O_(3)的物相组成与表面形貌进行表征。所制备的α-Fe_(2)O_(3)传感器表现出优异的丙酮传感性能,包括高响应(192.51%@20×10^(-6)),低检测限(1×10^(-6)),优异的重复性和选择性,并分析传感器的敏感机制。该工作不仅为多孔金属氧化物材料的简便设计提供了方案,而且在构建用于高性能丙酮气体检测系统方面具有应用潜力。

聚吡咯微胶囊γ-Fe_(2)O_(3)的合成及在膨胀阻燃环氧树脂中的应用

以聚吡咯(PPy)微胶囊γ-Fe_(2)O_(3)得到的PPy-Fe_(2)O_(3)为协效剂、二氨基二苯甲烷改性聚磷酸铵(DDP)为阻燃剂制备了膨胀阻燃环氧树脂(EP)复合材料。结合极限氧指数(LOI)、UL94、热重分析、锥形量热仪及扫描电镜探究PPy-Fe_(2)O_(3)对EP/DDP体系的阻燃性、热稳定性及成炭性能的影响。结果表明,PPy-Fe_(2)O_(3)的加入可增强EP/DDP体系的阻燃性能、抑烟性能及热稳定性。利用PPy-Fe_(2)O_(3)与DDP复配有助于形成更加致密和稳定的炭层结构以减少热释放和生烟量,其中添加0.2%PPy-Fe_(2)O_(3)与9.8%DDP可使EP复合材料的峰值热释放速率(PHRR)与峰值生烟速率(PSPR)分别下降12.3%与11.0%,并成功通过UL94 V-0级且具有35.5%的LOI值。热重分析表明,PPy-Fe_(2)O_(3)的加入显著提高了EP/DDP体系的热稳定性与成炭性能,其中含0.2%PPy-Fe_(2)O_(3)的EP复合材料在700℃时的残炭量达到32.0%。

4A分子筛负载Ce和γ-Fe_(2)O_(3)去除水中Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的研究

为深度处理水中的三价锑[Sb(Ⅲ)]和五价锑[Sb(Ⅴ)],采用共沉淀法合成铈(Ce)、铁(γ-Fe_(2)O_(3))负载的4A分子筛新型吸附剂(4A@Ce-Fe)。Ce和γ-Fe_(2)O_(3)的负载显著提高了4A分子筛对锑的吸附能力,当铈铁质量比为1∶3、p H=7.0时,4A@Ce-Fe对Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的最大吸附容量分别为50.50 mg/g和10.03 mg/g。4A@Ce-Fe的饱和磁化强度为23.70 emu/g,有良好的磁分离性能。Langmuir等温线模型可以更好地拟合Sb(Ⅲ)的吸附,而Langmuir和Freundlich两种等温线模型都能很好地拟合Sb(Ⅴ)的吸附。吸附动力学数据拟合表明,Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的吸附更符合准二级动力学模型。4A@Ce-Fe在初始pH为4.0~10.0时有较好的吸附效果,Ce、Fe几乎没有溶出;共存Cl^(-)、SO_(4)^(2-)和NO_(3)^(-)对Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的吸附效果影响较小,而共存HCO_(3)^(-)和H_(2)PO_(4)^(-)的影响则较大。XRD、SEM、BET、FTIR、XPS等测试结果表明,Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)在4A@Ce-Fe上可能的吸附机理包括离子交换、表面络合和氧化还原反应,其中M—O—Sb配合物的形成对Sb的吸附起主要作用。

无水草酸辅助硝酸铁热分解制备高饱和磁化强度γ-Fe_(2)O_(3)纳米粒子

采用硝酸铁和无水草酸为原料,通过简便的一步固相法焙烧制备γ-Fe_(2)O_(3)纳米粒子。采用XRD、SEM-EDS、N_(2)-吸附/脱附和VSM等表征手段分析了样品的结构、形态和磁性能。研究表明,在Fe(NO_(3))_(3)·9H_(2)O中添加C_(2)H_(2)O_(4),可以制备出饱和磁化强度为76.3 emu/g的棒状γ-Fe_(2)O_(3)。

Fe、La掺杂和氧缺陷对CeO_(2)表面吸附As_(2)O_(3)的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论研究了As_(2)O_(3)(g)在Fe、La掺杂CeO_(2)(110)表面及氧缺陷LaCeO(110)表面的吸附行为,探索了LaCeO表面砷吸附能力显著高于FeCeO表面的主要原因。结果表明,As_(2)O_(3)(g)的吸附效果与吸附位点数量、吸附能、键长和电荷转移密切相关。纯CeO_(2)表面的吸附主要为化学吸附,吸附能绝对值大于−4.22 eV,电荷转移量为(−0.19)−(−0.31)e,As_(2)O_(3)得到电荷带负电,起表面受主作用,因此吸附量较小。FeCeO(110)表面新增Fe顶位和Bridge-2桥位两个吸附位,其中,Fe顶位为化学吸附,Fe掺杂改变了FeCeO表面电子分布和晶格结构,但并未改变As_(2)O_(3)与FeCeO之间的电荷转移方向,因此,As_(2)O_(3)仍呈负离子形式吸附。LaCeO(110)表面新增了三个吸附位:La顶位、Bridge-3桥位和Hollow-2空位,La掺杂改变了As_(2)O_(3)与LaCeO之间的电荷转移方向,使得As_(2)O_(3)失电子呈正离子吸附,起表面施主作用,因此,吸附能力增强。无O_(2)环境下,单一O缺陷LaCeO(110)表面吸附能力低于完整LaCeO表面;有O_(2)环境下,O缺陷有利于As_(2)O_(3)的吸附。

α-Fe_(2)O_(3)纳米棒的水热合成与阻变开关特性研究

采用水热法合成了沿[110]方向具有优先生长取向的α-Fe_(2)O_(3)纳米棒,设计了具有非易失性阻变开关性能的W/α-Fe2O_(3)/FTO阻变存储器。对W/α-Fe_(2)O_(3/)FTO器件的阻变开关特性进行分析发现,W/α-Fe_(2)O_(3)/FTO阻变存储器的电阻比(RHRS/RLRS)在一个数量级以上,可保持100 s以上而无明显下降。此外,器件的载流子运输特性分别由LRS下的欧姆传导机制和HRS下的陷阱控制的空间电荷限制电流传导机制决定。由氧空位的迁移引起的纳米导电细丝的部分形成与断裂可以解释W/α-Fe_(2)O_(3)/FTO阻变存储器的非易失性阻变开关行为。因此,基于α-Fe_(2)O_(3)纳米棒的阻变存储器件可能是下一代非易失性存储应用的潜在候选器件。

掺杂Al_(2)O_(3)对LiNbO_(3)压电陶瓷组织和性能的影响研究

通过真空热压烧结法在900℃、35 MPa下保温120 min制备铌酸锂(LiNbO_(3),简称LN)压电陶瓷,研究掺杂不同含量的Al_(2)O_(3)对其压电性能的影响。通过物相、密度、微观组织、压电性能和介电性能分析发现,在0.5%~3%(摩尔分数)Al_(2)O_(3)掺杂量范围内,所有LN压电陶瓷样品的主体衍射峰位置相同、峰形尖锐,均为类钙钛矿结构;随着Al_(2)O_(3)掺杂量的增加,LN压电陶瓷晶粒尺寸逐渐减小,气孔增大、增多,密度和压电常数d_(33)均呈先增大后减小的趋势,均在Al_(2)O_(3)掺杂量为1%时达到最大,分别为4.65 g/cm^(3)和11.3 pC/N,此压电常数相较于激光烧结法制备的LN压电陶瓷提高了88.3%。在1 MHz测试频率下,LN压电陶瓷的相对介电常数随着Al_(2)O_(3)掺杂量的增加而逐渐增大。

α-Fe_(2)O_(3)@TiO_(2)纳米核壳球的制备及光催化清除乙烯性能研究

提高纳米TiO_(2)在可见光下光催化及乙烯清除效果。方法本文以FeCl_(3)·6H_(2)O和TiF4为原材料,采用水热合成法制备出以α-Fe_(2)O_(3)为核、以TiO_(2)为壳的纳米复合型材料α-Fe_(2)O_(3)@TiO_(2),通过X射线衍射、紫外可见漫反射吸收光谱及电子顺磁共振等光化学表征及乙烯清除实验,研究其光催化和乙烯清除能力。结果制备得到的α-Fe_(2)O_(3)粒子具有稳定的棒状结构,粒径长度为100~200 nm,宽度为50~100 nm;TiO_(2)粒子为分散均匀的锐钛型空心球,直径为100~200 nm;合成的α-Fe_(2)O_(3)@TiO_(2)纳米核壳球的禁带宽度降低到1.91 eV;DMPO-·O_(2)^(-)和DMPO-·OH的电子信号强度增大;具有优异的乙烯清除能力。结论本实验制备得到的α-Fe_(2)O_(3)@TiO_(2)纳米核壳球具有良好的光催化效果和乙烯清除能力,有望将其应用在果蔬保鲜中,实现杀菌、氧化分解有机物以及去除异味等功效,以达到延长货架期的目的。

Al掺杂对β-Ga_(2)O_(3)薄膜光学性质的影响研究

近年来,半导体器件向着高散热性、高击穿场强和低能耗的方向发展,因此超宽禁带半导体材料β-Ga_(2)O_(3)具有广阔的应用前景,而有效掺杂是实现β-Ga_(2)O_(3)器件的基础。实验采用磁控溅射法制备Ga_(2)O_(3)/Al/Ga_(2)O_(3)/Al/Ga_(2)O_(3)复合结构,经高温退火使Al原子热扩散进入薄膜中,形成Al掺杂的β-Ga_(2)O_(3)薄膜。采用激光区熔法使薄膜区域熔化再结晶,进一步提升掺杂质量。对Al掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜的晶体性质、杂质含量及光学性质进行了测试表征。结果表明:Al掺杂不改变β-Ga_(2)O_(3)薄膜的晶体结构;随着Al层溅射时间延长,掺杂含量逐渐增加;当Al溅射时间为5和10 s时,薄膜紫外吸收率分别为40%和50%;随着Al溅射时间的增加,Al掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜紫外区域光吸收率逐渐增强,Al溅射时间为300 s时,β-Ga_(2)O_(3)薄膜的光吸收率接近90%;低浓度的Al掺杂会导致β-Ga_(2)O_(3)薄膜的禁带宽度变窄。

基于第一性原理GGA+U方法研究Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)电子结构和光电性质

采用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了本征和Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)的形成能、能带结构、态密度、差分电荷密度和光电性质.结果表明,Si取代四面体Ga(1)更容易实验合成,得到的β-Ga_(2)O_(3)带隙和Ga-3d态峰值与实验结果吻合较好,且贫氧条件下更倾向于获得有效掺杂.Si掺杂后,总能带向低能端移动,费米能级进入导带,呈现n型导电性;Si-3s轨道电子占据导带底,电子公有化程度加强,电导率明显改善.随着Si掺杂浓度的增加,介电函数ε_(2)(ω)的结果表明,激发导电电子的能力先增强后减弱,与电导率的量化分析结果一致.光学带隙增大,吸收带边上升速度减慢;吸收光谱结果显示Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)具有较强的深紫外光电探测能力.计算结果将为下一步Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)实验研究和器件设计的创新及优化提供理论参考.

V、Nb和Mn掺杂α-Bi_(2)O_(3)的光电性质研究

氧化铋(Bi_(2)O_(3))作为光催化剂,在废水处理方面拥有良好的发展前景。基于密度泛函理论的第一性原理计算,分析了钒(V)、铌(Nb)以及锰(Mn)掺杂Bi_(2)O_(3)的电子结构和光学性质。根据计算结果,半导体在离子掺杂后其禁带宽度明显缩小,此外在费米能级附近产生新的杂质能级,电子跃迁所需能量减少,导电性增加;光学性质表明掺杂体系吸收边发生红移,增强了可见光的吸收范围,为Bi_(2)O_(3)在光催化领域的应用提供了理论基础。

Fe_(3)O_(4)掺杂改性电极电化学去除Pb^(2+)的效能研究

为了实现水体中Pb^(2+)的高效电化学去除,采用涂覆法将Fe_(3)O_(4)、粉末活性炭、乙炔黑和聚乙烯醇混合后负载于石墨纸上,制备得到了Fe_(3)O_(4)掺杂改性电极。采用差分柱批式反应器模式进行电化学去除Pb^(2+)实验,考察了电压、温度、运行时间、Pb^(2+)质量浓度对去除Pb^(2+)的影响并评估了电极的重复利用性和稳定性。结果表明,所制备的电极表面孔隙丰富,孔径均匀。电压为1.4 V时,运行150 min后电化学体系对Pb^(2+)的去除率达到了98.73%,延长运行时间可以显著强化Pb^(2+)的去除率。在10~35℃的温度范围内,温度升高有利于Pb^(2+)的电化学去除,电化学体系在不同的Pb^(2+)浓度下均有较好的适用性和适应性,随着Pb^(2+)初始浓度的升高,处理单位体积含Pb^(2+)废水的能耗逐渐增加,但去除单位质量Pb^(2+)的能耗反而降低,拟合结果表明Pb^(2+)的去除过程符合准一级动力学。经过8次循环后,电化学体系仍保持原有的Pb^(2+)去除效果。

Al_(2)O_(3)掺杂CaO吸附剂长周期CO_(2)捕集性能研究

CaO是一种高效廉价的CO_(2)吸附剂,但其在循环使用过程中易烧结,导致其捕集CO_(2)的能力大幅衰减,无法长周期循环应用。以半惰性Al_(2)O_(3)掺杂CaO制备钙铝复合吸附剂,采用热重吸/脱附的方法研究了复合吸附剂的捕集性能及循环稳定性,并采用室温空气再生方法深入研究了钙铝复合吸附剂的再生性能,建立了再生性能与循环次数的关系。结果表明,因惰性骨架物相Ca3Al2O6的建立与微观纳米结构的形成,Al_(2)O_(3)的掺杂使钙铝复合吸附剂的捕集性能、循环稳定性和再生性能均大大优于纯CaO吸附剂。经100次循环后,钙铝复合吸附剂的CO_(2)吸附容量和碳酸化转化率在n(Ca):n(Al)=10:1时分别可达0.23 g/g和34.0%,在n(Ca):n(Al)=10:2时分别保持在0.19 g/g和32.8%,但n(Ca):n(Al)不宜超过10:2。进一步通过吸附剂的失活数学模型验证发现CaO吸附剂的烧结是不可逆的,Al_(2)O_(3)的掺杂可抑制CaO吸附剂的烧结,同时保持钙铝复合吸附剂的再生活性。经两次空气再生的钙铝复合吸附剂(n(Ca):n(Al)=10:2)的碳酸化转化率基本保持不变,100次循环后仍为32.7%。

低成本Nb掺杂Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质的性能与应用研究

固态电池因其在能量密度、循环寿命和安全性等方面的优异性能受到关注。其核心组件为固态电解质材料。具有石榴石结构的Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)氧化物固态电解质由于具备宽电化学窗口、良好的离子传导性、稳定的化学性能及简单的制备工艺等特点而得到广泛研究。本研究采用Nb元素对LLZO进行掺杂,成功制备得到Li_(6.75)La_(3)Zr_(1.75)Nb_(0.25)O_(12)(LLZNO)氧化物固态电解质,其离子电导率达到了7.79×10^(-4)S/cm,且制备成本与未掺杂的LLZO相比无明显增加。将其涂覆在聚乙烯(PP)隔膜表面形成PP-LLZNO隔膜,表现出良好的热稳定性和离子电导率。与Al_(2)O_(3)涂覆隔膜或固态电解质Li_(6.75)La_(3)Zr_(1.75)Ta_(0.25)O_(12)(LLZTO)涂覆隔膜组装的电池相比,组装了PP-LLZNO涂覆隔膜的扣式电池和软包电池的容量保持率分别达到了84.99%(50圈)和57.40%(100圈),展现出更优异的性能。因此,高离子电导率和低成本LLZNO的制备对固态电解质的大规模生产及在固态电池中的广泛应用具有一定的参考意义。

具有交换各向异性的Fe_(3)O_(4)/α-Fe_(2)O_(3)核壳结构诱导的偏置现象

采用Fe_(3)O_(4)颗粒的固相氧化反应制备出Fe_(3)O_(4)/α-Fe_(2)O_(3)核壳结构颗粒,并在低于反铁磁奈尔温度(955 K)高磁场(1 T)下进行场冷却,对亚铁磁/反铁磁Fe_(3)O_(4)/α-Fe_(2)O_(3)核壳结构的晶体结构、微观形貌以及磁学性能进行了测试和分析。实验发现,随着亚铁磁Fe_(3)O_(4)表面反铁磁层α-Fe_(2)O_(3)厚度的增加,颗粒矫顽力从约57 Oe增大到4525 Oe,磁滞回线呈现出蜂腰状。当反铁磁层厚度约为533 nm时,核壳结构磁滞回线出现增强的交换偏置场~601 Oe。理论计算表明,由于亚铁磁性的Fe_(3)O_(4)和反铁磁性的α-Fe_(2)O_(3)界面处存在相互交换作用,当反铁磁厚度大于510 nm时,核壳结构各向异性能和塞曼能都高于界面交换能时,亚铁磁/反铁磁核壳体系会出现交换偏置的增强现象。