构筑共轭聚合物基S型异质结分子内和界面电场以实现高效光催化制氢

能源短缺与环境问题已成为阻碍社会经济发展的重要因素,并对人类生活质量产生了深远影响,成为重大的全球性挑战.传统的一次能源,如煤、石油和天然气,正面临着日益严重的短缺问题,同时,水体污染日趋严重.因此,迫切需要寻找绿色、可持续的能源解决方案.其中,利用太阳能进行光解水制氢以及降解水中污染物,被视为一种极具潜力和前景的能源利用方式.然而,目前的光催化剂普遍面临光生载流子容易复合、迁移速率缓慢等问题,这些问题限制了光生电荷的寿命,往往只有几十皮秒,从而降低了其在氧化还原反应中的有效性和光催化效率.因此,开发高效、稳定的光催化剂成为了当前研究的热点和迫切需求.本文报道了一种新型光催化剂的合成与应用.首先,将1,6-二溴芘分子作为富电子供体(D)引入到氮化碳(g-C_(3)N_(4))中,合成了以C‒N键连接的g-C_(3)N_(4)-1,6-二溴芘(CNPy)材料.随后,通过多种手段对样品进行了表征.X射线衍射图谱、傅里叶红外光谱和核磁共振图谱证明了1,6-二溴芘分子的成功引入.氮气等温吸附脱附曲线结果表明,与纯g-C_(3)N_(4)相比,芘基的引入增加了g-C_(3)N_(4)的比表面积,暴露出更多的活性位点.X射线光电子能谱和表面电荷密度测试结果证实了CNPy分子内电场的成功构建.当以铂为助催化剂时,CNPy-0.2(包含200 mg CNPy)表现出较高的光催化产氢性能,产率达到6.1mmol·g^(–1)·h^(–1).在此基础上,为了进一步提升催化性能,将CNPy与具有宽光谱响应范围和匹配能带结构的CdSe纳米颗粒进行复合,构筑了具有双电场(分子内和界面电场)的CdSe/CNPy S型异质结光催化剂.X射线衍射图谱、扫描电子显微镜及透射电子显微镜测试结果证实了CdSe与1,6-二溴芘修饰的g-C_(3)N_(4)的成功复合,且CdSe纳米颗粒(200 nm左右)均匀地分布在CNPy上.此外,通过原位X射线光电子能谱、电子顺磁共振波谱和开尔文探针力显微镜等表征手段证实了S型异质结的形成以及CdSe与CNPy之间存在内建电场.光电化学表征进一步证实了CdSe/CNPy S型异质结具有高效的载流子分离效率.能带结构分析结果表明,该CdSe/CNPy S型异质结在光激发后保留了CNPy的较强氧化能力与CdSe的较强还原能力.在无Pt作助催化剂的情况下,测试了CdSe/CNPy S型异质结的析氢与降解性能.结果显示,优化后的复合材料100%CdSe/CNPy-0.2在光催化产H2反应中,产率高达1.16 mmol·g^(–1)·h^(–1),分别是纯CNPy-0.2,CdSe和100%CdSe/CN的58倍,2.2倍和2.32倍.此外,该S型异质结材料表现出较好的光催化降解四环素性能,在全光谱照射下,降解效率高达97%.多次循环数据显示,该S型异质结材料表现出良好的稳定性.综上所述,本研究通过分子结构设计,在共轭聚合物分子内引入内建电场,并结合异质结界面工程策略,构筑了具有双电场的S型异质结光催化材料.该材料表现出高效的光催化析氢和污染物降解性能,为提升共轭半导体基光催化材料的性能提供了新思路.

电化学石英晶体微天平研究界面电场对DNA杂交的影响

采用电化学石英晶体微天平,现场监测不同界面电场下完全匹配的靶标DNA和不完全匹配的靶标DNA分别与寡聚核苷酸探针分子杂交的过程.结果表明,电极表面荷正电时DNA表观杂交效率比电极表面荷负电时高,但假阳性比较显著;而电极表面荷负电时能有效地抑制错配杂交.探讨了引入界面电场后探针分子取向和微观作用力对DNA杂交的影响.

界面电场对血红蛋白在多孔金电极上的吸附和生物活性的影响(英文)

蛋白质的界面吸附及其生物活性因它在构建生物传感、生物电子器件和生物燃料电池等方面具有重要的作用而倍受关注.对此,界面电场是吸附的一个重要影响因素,它能明显地影响蛋白质分子在材料界面的吸附量、分子构象以及分子定向.本文应用电化学方法和红外光谱技术研究了血红蛋白在三维多孔金膜电极上的吸附动力学及其生物活性随界面电场的变化关系.结果表明,由界面电场产生的过量表面电荷可借助与蛋白质分子之间的静电作用加速蛋白质分子在电极表面的吸附,提高其吸附量;但是,过高的界面电场将破坏吸附蛋白质的构象以及降低它还原过氧化氢的催化活性;只有在零电荷电位下,吸附在电极表面的血红蛋白才能保持其天然的构象和生物催化活性.本研究将为生物传感器、生物电子器件和生物燃料电池的构建提供理论依据,加深对荷电生物界面上生物分子界面行为的认识.

基于表层梯度电导调控的直流三支柱绝缘子界面电场优化方法

气-固界面和嵌件-环氧界面的电场强度集中效应被认为是导致直流三支柱绝缘子发生沿面闪络和支腿炸裂的重要原因,传统的结构优化难以同时有效调控两个界面的电场分布,迫切需要更合理的调控手段。通过电-热-流多物理场仿真,研究直流三支柱绝缘子界面电场分布特性,指出电荷积聚是造成界面处场强集中的主要原因。据此提出基于“类U型”梯度电导的绝缘子双界面电场联合调控策略,通过嵌件-环氧界面高电导涂层和气-固界面非线性电导涂层的协同使用,使得三支柱绝缘子体电导和表面电导呈“类U型”梯度分布,可降低绝缘子内部及表面电荷积聚程度,从而优化界面电场分布。进一步研究双界面涂层对直流三支柱绝缘子界面电场的调控作用,并针对电场调节与损耗控制目标,实现对涂层电导参数的优化。研究结果表明:当嵌件-环氧界面涂覆材料电导率不小于10^(-12)S/m、气-固界面非线性电导材料参数处于“临界饱和线”上时,支柱绝缘子嵌件-环氧界面最大电场强度可从4.48kV/mm降至0.04kV/mm,气-固界面最大切向电场强度从2.47kV/mm降至1.73kV/mm。参数优化后的双界面梯度电导涂层,可使界面电场集中效应得到有效抑制,同时将绝缘子最大电场与功率损耗控制在允许范围内,为高压直流三支柱绝缘子的优化设计提供了基础依据。

碱性介质中界面电场对铁原子吸附修饰Pt(111)表面HER性能的影响

鉴于析氢反应(HER)与制氢技术直接相关,而氢气是氢经济中的能量载体,因此,深入理解析氢反应(HER)速率的控制参数非常重要.前期关于碱性介质中Ni(OH)_(2)修饰的Pt(111)上激光诱导温度跃迁(LITJ)实验结果已经揭示了界面电场对HER速率有较大影响.推测认为,少量的Ni(OH)_(2)会使电极的零自由电荷电势向析氢开始的方向负移,从而导致电场减弱.为进一步验证这一推测,本文将研究对象扩展到Fe(OH)_(2)修饰的Pt(111)表面,对其伏安特性进行分析.伏安图在析氢区域显示出一个峰,表明修饰层发生Fe(Ⅱ)到Fe(0)的转变.与库仑分析结果一致,OH吸附区的伏安特征与Fe物种被氧化至+3价有关.LITJ结果显示,亲氧的Fe物质与水分子之间存在强烈的相互作用,其使熵最大处的电势远离HER的开始电势.因此,最具催化性的表面应该是Fe覆盖度最低的表面.

电场条件下高盐溶液蒸发的分子动力学模拟

已有研究表明,外加电场能显著改变纯水蒸发过程和蒸发速率。为了探究外加电场对高盐溶液微观结构和蒸发性质的影响,采用分子动力学模拟方法对纯水和LiCl、KCl和CaCl23种盐溶液在平行液面(x方向)和垂直液面方向(z方向)上布置外加电场来观察其蒸发过程。模拟计算分析了电场对蒸发速率、水分子取向、氢键以及水合离子的影响,并且观察比较了电场下不同离子在溶液中的运动。结果显示,与纯水相反,平行液面的电场能显著提高盐溶液中自由水分子的占比,当平行液面电场强度从0变为0.3 v·nm-1时,LiCl、KCl和CaCl2溶液中用于评价蒸发的自由水分子占比分别增加了48%,38%和56%,高盐溶液蒸发速率得到有效提高。

低温下应力管界面对车载电缆终端局部放电的影响

针对高寒地区车载电缆终端故障问题,开展了低温下应力管界面对车载电缆终端局部放电(PD)的影响研究。分别取样2种典型的热缩应力管及其电缆,建立了能模拟最低温度-50℃的高压局部放电试验系统,对比分析了不同型号电缆终端在低温下的局部放电特征量以及局部放电相位(PRPD)谱图的分布规律,结合试验数据分析了低温下不同应力管与绝缘材料的界面特性对局部放电产生影响的机理。研究结果表明:低温下放电起始电压与熄灭电压均随着温度的降低而降低,在低温(-40℃)下,应力管加入树脂基复合材料能显著提高电缆终端局部放电的起始电压与熄灭电压,同时能降低电缆终端的局部放电量,局部放电的相位区间也会大幅减小。低温下应力管加入树脂基复合材料填充了应力管/绝缘材料界面空间,改善了界面电场分布,有效抑制了柔性电缆终端的局部放电。

CuS/TiO2纳米管异质结阵列的制备及光电性能

利用水热反应制备了CuS/TiO2纳米管异质结阵列,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射谱(XRD)等手段表征了异质结阵列的表面形貌和晶体结构.电流-电压曲线结果表明,CuS/TiO2纳米管异质结阵列具有明显的整流效应.根据表面光电压谱和相位谱,在376～600 nm之间,CuS/TiO2纳米管异质结阵列表现为p型半导体特征,电子在表面聚集;在300～376 nm之间表现为n型半导体特征,空穴在表面聚集;在376 nm处异质结阵列的表面光伏响应为零.CuS/TiO2和CuS/ITO之间界面电场的不同导致异质结在不同波长范围内表面电荷聚集的差异.光电化学性能测试发现,以CuS/TiO2纳米管异质结阵列为光阳极组成的光化学太阳电池,在大气质量AM 1.5G,100 mW/cm2标准光强作用下具有0.4%的光电转换能力.

胶束增溶光度法反应机理讨论(三)

三、阴离子表面活性剂的作用机理 现在看来,Sf胶束和被增溶物质之间,可能有三种相互作用的方式:静电作用、疏水作用、亲核作用。这三种作用力有时同时发生,有时只有一种或两种起作用。静电作用是指胶束界面电场与配合物所带电荷之间的相互作用,这种作用力只有在离子型Sf的情况下才存在。疏水作用在本文第一节已经提及,是指分子的非极性部分彼此间的相互作用力,属于远程作用力。

高效的CdS/Ti-Fe_(2)O_(3)异质结光阳极:研究Z型电荷迁移机制增强光电化学水氧化活性

近年来以Z型机制为转移的光催化体系成微光电化学分解水领域的研究热点.相比较传统的异质结,Z型异质结能够保留具有高氧化能力与高还原能力的位点,从而提高光电化学效率.其中,证明电荷的Z型迁移机制成为研究人员努力的方向,比较有效的证明方法包括自由基捕获、XPS分析和检测还原位点等.对于Z型异质结,界面电场处电荷的迁移行为是至关重要的,但目前常用的证明手段对界面电场处电荷的迁移行为研究还比较少.因此,本文精心设计了CdS/Ti-Fe_(2)O_(3)异质结光阳极来探索光电化学分解水中的电荷转移行为.采用开尔文探针测试、表面光电压谱测试和瞬态光电压谱测试等光物理测试手段监测CdS/Ti-Fe_(2)O_(3)Z型异质结光阳极界面电场中光生电荷的迁移行为.其中,开尔文探针和表面光电压测量表明,CdS/Ti-Fe_(2)O_(3)界面驱动力有利于激发电子快速迁移至CdS;由于Z型异质结是一个双光子的过程,因此在瞬态光电压的过程中采取了双光束策略,即用不同波长的光分别从两个半导体侧进行照光,以充分发挥内层CdS的电子传输层的作用.结果表明,在双光束照射下界面电场增强,使得更多Ti-Fe_(2)O_(3)电子与CdS空穴结合,使得更多Ti-Fe_(2)O_(3)电子与CdS空穴结合,更多的空穴迁移到Ti-Fe_(2)O_(3)的表面去参与反应,充分证明了CdS/Ti-Fe_(2)O_(3)光阳极的Z型迁移机制.基于界面电场有效的电荷迁移与分离的分析,对Z型异质结光阳极进行了光电化学的测试,与单纯Ti-Fe_(2)O_(3)光阳极相比,CdS/Ti-Fe_(2)O_(3)光阳极表现出优异的光电化学性能.其中,25CdS/Ti-Fe_(2)O_(3)光阳极的光电流密度在1.23V(相对于标准氢电极)达到1.94 mA/cm^(2),比单纯Ti-Fe_(2)O_(3)光电流高出两倍.阻抗测试结果表明,CdS/Ti-Fe_(2)O_(3)光阳极能够减小电荷传输阻力,从而加快电荷分离效率,这也间接证明了Z型光阳极的成功构筑,因此,本文提供了一个有效且新颖的手段来证明光电化学分解水中光催化系统的Z型电荷转移机制.

ZnO/Cu2O异质结中深能级表面光伏特性

采用恒电压沉积法在导电玻璃(FTO)上制备了具有三棱柱金字塔状的ZnO/Cu2O异质结薄膜.利用场发射扫描电镜(FESEM)与X射线衍射仪(XRD)对薄膜的微观形貌和晶体结构进行了表征.利用表面光电压谱(SPS)、场诱导表面光电压谱(FISPS)和相位谱(PS)研究了单一Cu2O与ZnO/Cu2O异质结薄膜的表面光伏性质.结果表明,与单一Cu2O薄膜相比,ZnO/Cu2O异质结薄膜的光伏响应范围拓展到了600～800nm.根据SPS,FISPS和PS的作用原理,拓展部分的光伏响应归因于ZnO/Cu2O异质结中Cu2O层的深能级跃迁,该跃迁在ZnO-Cu2O界面电场(方向由ZnO指向Cu2O)的作用下得到加强,同时深能级跃迁产生的电子-空穴对在ZnO-Cu2O界面电场的作用下得到了有效分离和传输.

超导体界面层的电场电荷分布及起源

从相对论性超导场方程出发,探讨了弱磁场条件下超导体界面层的结构及形成机理.得出在超导体界面层电场、电势差、Hall效应及电荷密度“三明治”式层叠结构的存在,是源于满足相对论协变性要求的势场可观测效应.并提出了一个实验思路,以期验证该观点的正确性.

二维GaTe/Bi2Se3异质结:一类有潜力的Z型光解水催化剂

本文基于第一性原理方法,计算了二维GaTe/Bi2Se3异质结的电子结构、界面电荷转移、静电势分布、吸收光谱及光催化性质.计算结果表明异质结是一个小能隙的准直接半导体,能有效捕获太阳光.由于相对较强的界面内建极化电场和带边轻微弯曲,导致异质结中的光生电子和空穴分别有效分离在GaTe单层和Bi2Se3薄片上,可用于析氢和产氧.这些理论计算结果意味着二维GaTe/Bi2Se3异质结是一类有潜力的Z型太阳能全解水催化剂.

500 kV直流电缆接头增强绝缘设计关键参数及其控制研究

500 kV直流电缆接头设计的核心内容是增强绝缘的材料性能和几何结构。本文计算和仿真了直流电缆接头内电缆主绝缘与增强绝缘双层介质的电场分布特征,分析了直流电缆接头由界面放电引起的击穿故障的发展机理,测试了直流电缆接头中的交联聚乙烯(XLPE)与硅橡胶(SR)介质界面的击穿特性。结果表明:增强绝缘与电缆接头主绝缘的电导率和界面切向电场强度是增强绝缘设计的关键参数;增强绝缘材料的电导率在温度和电场容许范围内应始终小于XLPE;主绝缘与增强绝缘界面的切向电场强度是影响直流电缆接头运行可靠性的关键控制参数,在最不利的条件下其阈值为2.5 kV/mm。研究结果为解决直流电缆接头尤其是增强绝缘的设计问题提供了新方法。

电荷转移金属[60]富勒烯盐的光电性质

用物理喷束淀积技术制备了过渡金属 [6 0 ]富勒烯盐C60 Ni薄膜 ,研究了Al C60 Ni ITO光电池的光伏效应和正反向电学特性并与Al C60 ITO膜进行了比较。用界面偶极电场解释了Al C60 Ni界面光伏效应和整流效应的增强 ,表明在该样品中发生的从Ni原子到C60 的电子转移使Al C60 Ni界面偶极电场增强。

氟化温度对双向拉伸聚丙烯薄膜直流击穿性能的影响

为提升双向拉伸聚丙烯(bi-axially oriented polypropylene,BOPP)膜的介电性能,在25℃、45℃和60℃下对BOPP膜进行60 min的直接氟化处理。通过直流击穿实验研究试样的直流击穿性能,采用红外光谱、X射线光电子能谱和扫描电镜表征试样的表面物化特征。直流击穿实验表明:25℃、45℃和60℃氟化使BOPP膜的直流击穿场强相对氟化前分别提高了18.35%、22.75%和14.48%。表面物化特征分析表明:直接氟化改变了BOPP膜表层的化学组成和结构,形成了随着氟化温度升高而增厚的氟化层。另外,60℃较高温度氟化使试样表面出现了明显的微裂纹。击穿性能的提升主要是由于氟化引起的界面电场或电极电荷注入的降低及氟化层对电荷进入体内的阻挡,较高温度下氟化产生的试样表面微裂纹对氟化层的电荷阻挡效应有负面影响。