热剥离g-C_(3)N_(4)纳米片的合成及光催化性能研究

以三聚氰胺为前驱体,合成块状g-C_(3)N_(4)(CN),再经简单的热剥离技术,成功制备多孔g-C_(3)N_(4)纳米片(CN-S)光催化剂。系统研究了不同热剥离时间对CN-S光催化还原Cr(VI)性能的影响。结果表明:经4 h热剥离后获得的样品CN-S(4h)比表面积和孔体积分别为191.88m^(2)·g^(-1)和1.109cm^(3)·g^(-1),而CN的比表面积和孔体积分别是7.82m^(2)·g^(-1)和0.092cm^(3)·g^(-1),说明热剥离可显著提升材料比表面积和孔体积,增加表面有效活性位点,延长可见光在其内部的多重散射,缩短光生电子-空穴对从材料内部迁移至表面的传输距离。此外,热剥离处理形成的碳空位可增强光生载流子分离效率。由此CN-S(4h)光催化还原Cr(VI)的效率达到99.0%。

介孔片层Ni_(2)FeS_(4)纳米结构修饰电极对尿酸的电催化研究

以硝酸镍、硝酸铁为金属源,硫代乙酰胺为硫源,以聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为导向剂,与致孔剂的在不同金属比下用软模板法合成了介孔Ni_(2)FeS_(4)纳米片,在玻碳电极(GCE)上成膜构成尿酸传感器,通过循环伏安法(CV)、电流时间法(I-t)和差分脉冲伏安法(DPV)检测了修饰电极对尿酸的电催化性能,并将其应用于血清中的尿酸检测。探究了Ni_(2)FeS_(4)支持电解液的pH值及扫描速率的与峰电流的关系,研究结果表明,在最优条件下合成并修饰的电极对尿酸有较高的电化学活性、良好的选择性、稳定性和重现性,其线性范围和检出限分别为3~300和0.55μmol/L,用此方法对血清中的目标物进行测定,回收率为95.2%~103.8%。

易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列制备及光催化和光电催化研究

在光催化降解领域,粉末g-C_(3)N_(4)光催化材料使用后在流体中分离和回收困难,同时也会产生二次污染。在氩气保护下,采用化学气相沉积法在三维碳纤维织物表面沉积g-C_(3)N_(4)纳米片,从而制备了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料,研究了碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列的光学、电化学和光电催化性能。结果表明,g-C_(3)N_(4)纳米片可以吸收可见光产生光生电子和空穴,而碳纤维良好的导电性提高了易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料中光生电子/空穴的分离效率。降解240 min,易回收碳纤维/g-C_(3)N_(4)纳米片阵列光催化材料的电催化、光催化和光电催化对2,4-二硝基酚的降解率分别为20.7%、33.5%和99.5%。在光电催化过程中,外加偏电压加速了光生电子向阴极迁移,进一步提高了光生电子/空穴分离效率,使电催化和光催化存在协同效应。将粉末光催化材料与柔性碳纤维织物组合,提供了一种新的光催化材料组装方式,极大降低了粉末光催化材料的分离和回收成本。

富含氧空位的Bi_(4)O_(5)Br_(2)超薄纳米片用于高效压电催化生成过氧化氢

过氧化氢是一种重要的化工原料,广泛应用于工业和生活中的多个领域.然而,目前工业上主要采用蒽醌法生产过氧化氢,该过程存在高污染和高能耗等问题.为解决上述问题,研发人员一直致力于开发新的、环保的过氧化氢生产方法.近年研究发现,压电催化生产过氧化氢是一种有前途的过氧化氢生产策略,但较低的能量转换效率阻碍了其进一步应用.Bi_(4)O_(5)Br_(2)材料因具有独特的层状晶体结构,高的化学稳定性,良好的可见光吸收及合适的能带结构被认为是具有较好应用前景的光催化材料.虽然Bi_(4)O_(5)Br_(2)的非中心对称结构赋予其独特的压电性能,但该特性往往被研究者忽视,导致其压电潜力未被充分利用.特别是,关于缺陷工程如何影响Bi_(4)O_(5)Br_(2)的压电性能仍存在许多未知之处,需要深入挖掘和探明.本文通过调节水热过程中乙二醇和水溶剂的比例构建了含有不同浓度氧空位的超薄Bi_(4)O_(5)Br_(2)(≈5 nm)纳米片,并研究其在纯水体系中的压电催化生成过氧化氢性能.X射线粉末衍射和高分辨率透射电镜结果证明Bi_(4)O_(5)Br_(2)催化剂的成功合成;X射线光电子能谱和电子顺磁共振(EPR)结果证明氧空位的成功构建.不同气氛下的催化性能实验、活性物种EPR测试和捕获实验结果均表明,过氧化氢的生成主要通过氧还原反应,同时需要水氧化反应的协同作用.此外,旋转环盘电流测试和捕获实验结果进一步表明,过氧化氢的生成主要通过两步单电子的氧还原反应.同时,压电力显微镜和多物理场仿真软件有限元模拟结果表明,超薄结构和氧空位共同增强了所制样品的压电响应和压电电势,因此促进了压电诱导的电荷分离和转移,进而产生更大的压电电流响应和更小的电化学阻抗.差分电荷和Bader电荷研究结果表明,氧空位的存在增强了催化剂与氧气之间的电荷传输和相互作用.密度泛函理论计算结果表明,氧空位增强了催化剂对氧气的吸附和活化能力,并大幅降低反应过程的吉布斯自由能.具有最优氧空位浓度的Bi_(4)O_(5)Br_(2)超薄纳米片表现出很好的催化生成过氧化氢性能,在纯水体系中过氧化氢的生成速率为620μmol g^-(1)h^(-1)(是不含氧空位Bi_(4)O_(5)Br_(2)的2.54倍),在牺牲体系中的生成速率为2700μmol g^-(1)h^(-1),催化性能优于大多数已报道的压电催化剂.综上,本文揭示了Bi_(4)O_(5)Br_(2)作为新型压电催化剂在高效合成过氧化氢中的潜力,丰富了压电催化合成过氧化氢的材料体系,同时为探索缺陷工程和纳米结构协同增强材料压电催化活性提供了参考.

基于二维蛭石纳米片混合基质膜分离CO_(2)/CH_(4)性能研究

本研究以聚醚-聚酰胺嵌段共聚物(Pebax)为高分子膜基质,二维蛭石纳米片(VMT)为填充剂,制备不同填充量的混合基质膜(Pebax-VMT MMMs)。利用蛭石纳米片的结构以及其在混合基质膜内的排列方式,为CO_(2)构筑传输通道,同时提高膜对CO_(2)/CH_(4)的分离性能。通过对Pebax-VMT MMMs的表征和气体分离特性进行研究,结果表明,填充VMT后混合基质膜在CO_(2)/CH_(4)体系中的分离效果明显增强。当VMT填充量为5 wt%时,Pebax-VMT MMMs表现出了最优的CO_(2)分离性能,CO_(2)的渗透量为489.31 Barrer, CO_(2)/CH_(4)的选择性为39.96,与纯Pebax膜相比,CO_(2)渗透量增加98.3%,同时CO_(2)/CH_(4)的选择性增加84.2%。

理论和实验相结合研究NiCo_(2)O_(4)纳米片用于甘油电氧化反应机制

甘油是生物质精炼的主要副产物(约占10%),年过剩量与低利用率导致其市场价格(0.24-0.6 US kg^(-1))较低.甘油是具有三个活性羟基的多元醇,被认为是生产高价值产品的理想原料.甲酸作为甘油转化最重要的产品之一,广泛应用于农药、皮革、染料和医药行业,将甘油电氧化(EGOR)为甲酸(FA)不仅能有效避免资源过剩造成浪费,而且能满足未来对甲酸燃料电池的需求.然而甘油电催化氧化途径较为复杂,涉及反应中间产物的脱氢、吸附/解吸和C-C键裂解.本文将密度泛函理论(DFT)与实验相结合,研究了在精细构建的NiCo_(2)O_(4)纳米片上通过EGOR生产FA的反应机制.DFT计算结果表明,活性羟基(OH^(*))物种可以改变EGOR生产FA过程的决速步骤(RDS),通过调节吸附中间体的吸附能可获得理想的FA产率.其中,高度羟基化的NiCo_(2)O_(4)纳米片(311)-OH^(*)晶面上具有最低的吉布斯自由能,能显著提升反应过程动力学.在理论分析的基础上,通过简易的电沉积方法精准制备了超薄NiCo_(2)O_(4)纳米片(~1.7 nm),并采用X射线吸收精细结构谱和高分辨透射电镜对催化剂进行了结构分析.结果表明,NiCo_(2)O_(4)纳米片中四面体(A_(Td))和八面体(B_(Oh))配位具有内角共享的A_(Td)-O-B_(Oh)和边共享的B_(Oh)-O-B_(Oh)构型,金属间的协同作用有效改善了材料的电子效应,有利于提供更多的吸附位点并促进EGOR过程中的电荷转移.NiCo_(2)O_(4)纳米片在EGOR中的电荷转移电阻仅为0.94Ω,电化学活性表面积高达10.25 cm^(2).相比较电催化析氧反应,NiCo_(2)O_(4)纳米片表现出了较好的EGOR性能,在10 mA cm^(-2)的电流密度下阳极功耗降低了320 mV,在100 mA cm^(-2)的电流密度时的阳极电势仅为1.46 VRHE.此外,在120 h的稳定性测试中,甘油的转化率和FA的选择性可分别保持在89%和70%.多电位步骤实验、原位电化学阻抗谱和电子顺磁共振谱结果表明,NiCo_(2)O_(4)纳米片上原位产生的OH^(*)物种是EGOR过程中的直接活性中心,有利于将RDS从甘油酸脱氢裂解转化为甘油醛的脱氢步骤,并进一步促进C-C键的裂解.进一步结合理论预测,证实了OH^(*)物种是EGOR过程中的直接活性中心.综上,采用绿色高效的电催化手段促进甘油生产高附加值化学品是生物质链升级的重要举措,有效避免了传统的高温高压,以水为介质,原位利用OH^(*).本文为新型催化剂的未来设计和理解生物质基原料电氧化升级反应机制提供了新思路.

超薄氧掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片的制备及其光催化性能

以H_(2)SO_(4)与KMn O_(4)为氧化剂,通过对热聚合法合成的原始石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))超声辅助氧化剥离,制备了超薄氧掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片。基于HRTEM、XRD、AFM、XPS表征,考察了超声辅助氧化剥离对原始g-C_(3)N_(4)形貌、结构的影响;通过可见光催化降解刚果红分析了超薄氧掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片的光催化性能;通过UV-Vis-DRS、EIS、PL探究了超薄氧掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片光催化性能的增强机制。结果表明,对原始g-C_(3)N_(4)超声辅助氧化剥离6 h,可获得比表面积为58.45 cm^(2)/g、厚度为1.08 nm的超薄氧掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片,此超薄氧掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片(质量浓度为200 mg/L)对刚果红水溶液(质量浓度为20 mg/L)在120 min时可实现83.1%的降解率,具有良好的光催化性能,其原因在于超薄氧掺杂g-C_(3)N_(4)纳米片比原始g-C_(3)N_(4)更有利于催化活性位点的暴露与光生载流子的分离传输。

三维g-C_(3)N_(4)泡沫负载Cu(OH)2纳米片的制备及其光催化还原CO_(2)性能

为了改善g-C_(3)N_(4)光催化还原CO_(2)过程中的气体传质、吸附和光生电荷分离效率,分别从泡沫孔结构构筑和构建异质结两方面进行光催化材料设计。采用表面活性剂发泡法制备g-C_(3)N_(4)泡沫(g-C_(3)N_(4)Foam),以此为基体通过化学镀铜和氢氧化处理制备g-C_(3)N_(4)泡沫负载Cu(OH)2纳米片(Cu(OH)_(2)/CNF)复合材料,对其结构和光催化性能进行分析。结果表明:g-C_(3)N_(4)Foam和Cu(OH)_(2)/CNF均展现出发达的三维微米孔网络结构,这种结构可从动力学层面优化CO_(2)在气-固催化反应中的传质和吸附,使CO_(2)吸附容量分别达到3.97 cm^(3)/g和3.59 cm^(3)/g,为g-C_(3)N_(4)粉末的2.96倍和2.68倍;同时,Cu(OH)_(2)/CNF样品中还形成大量二维Cu(OH)_(2)纳米片结构,不仅可以拓宽复合材料的光利用范围,还可通过g-C_(3)N_(4)/Cu(OH)_(2)异质结的构建促进光生电子向Cu(OH)_(2)表面转移,提升光生电荷分离效率;制备的Cu(OH)_(2)/CNF复合样品CO产率达到11.041μmol·g^(-1)·h^(-1),为g-C_(3)N_(4)Foam和g-C_(3)N_(4)粉末样品的2.76倍和6.83倍。

荧光g-C_(3)N_(4)纳米片的制备及对半胱氨酸的检测

半胱氨酸是人体内一种重要的含巯基氨基酸,对其快速定量检测可以为某些疾病的诊断提供依据.该研究利用简单的超声剥离及静电自组装方法制备了C_(3)N_(4)/Ag荧光传感器.该荧光传感器对含巯基的半胱氨酸具有超灵敏的响应,对其检测极限可以低至2.5×10-5 mol/L.该研究为新型超灵敏荧光传感器的构建提供了一条新的途径,具有非常重要的理论价值和实践意义.

亚甲基蓝嵌入的供体受体型g-C_(3)N_(4)纳米片光催化剂用于产H_(2)

石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))是一种优异的产H_(2)光催化剂,但是其存在载流子分离效率低、光吸收能力较差和比表面积小的问题。本研究通过对二氰二胺和亚甲基蓝(MB)进行热共聚合,结合后续热剥离策略,成功合成了一种新型分子内供体-受体(D-A)结构g-C_(3)N_(4)纳米片光催化剂。实验结果和密度泛函理论(DFT)计算表明,将亚甲基蓝掺入g-C_(3)N_(4)框架中扩大了光吸收范围,促进了载流子的分离。此外,热剥离增加了催化剂的比表面积且进一步促进了载流子的分离。因此,D-A结构g-C_(3)N_(4)纳米片显示出大幅提升的光催化产氢活性(2275.6μmol·h^(-1)·g^(-1)),分别是块状g-C_(3)N_(4)、D-A结构g-C_(3)N_(4)、g-C_(3)N_(4)纳米片的5.30,2.60和1.30倍。这项工作为设计用于太阳能转换的D-A改性光催化材料提供了一个有价值的思路。

g-C_(3)N_(4)纳米片的改性及光催化降解应用

石墨相氮化碳纳米片(2D g-C_(3)N_(4))属于非金属聚合物半导体,具有成本低、无毒、对环境友好、能吸收可见光等优点,但也存在一定的缺陷。介绍了2D g-C_(3)N_(4)的基本结构和光催化机理,重点分析了2D g-C_(3)N_(4)的改性方法,包括金属掺杂、非金属掺杂、TypeⅡ型异质结、Z型异质结、S型异质结,以及助催化剂修饰等,并分析了它们在光催化降解方面的应用,展望了2D g-C_(3)N_(4)的发展方向。

激光诱导Ag纳米线负载超薄CoNi-LDH纳米片异质结构上4-Mpy分子吸附方式转变的SERS光谱研究

层状双氢氧化物(LDHs)作为一种无机纳米材料,具有催化活性高、组成可调、制备简单、成本低等特点,在光电催化中应用广泛。该研究制备了Ag纳米线(NWs)核上生长超薄CoNi-LDH纳米片壳层(Ag@CoNi-LDH)的异质结构,Ag NWs的高SPR性能赋予了材料优异的SERS性能。SERS光谱发现激光可以诱导4-巯基吡啶(4-Mpy)分子在Ag@CoNi-LDH异质结构上发生吸附方式的改变,有利于揭示Ag@CoNi-LDH作为催化剂的活性位点。

多孔NiMoO_(4)纳米片薄膜的直接水热生长及其电致变色性能

钼酸镍(NiMoO_(4))是一种在储能和催化领域具有优异性能的材料,但在电致变色领域还缺乏深入探索研究。本研究未使用晶种层,采用水热法在透明导电玻璃基底上生长了多孔NiMoO_(4)薄膜。采用掠入射X射线衍射仪(GIXRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)对NiMoO_(4)纳米片薄膜样品的晶相和微观形貌进行了表征,并研究了NiMoO_(4)薄膜的电化学性能和电致变色性能。结果表明:NiMoO_(4)电致变色薄膜具有多孔结构,能够为离子迁移提供充足的通道和反应活性位点。因此,NiMoO_(4)薄膜表现出优异的电致变色性能,其光调制幅度达到79.6%,着色效率为86.2 cm^(2)·C^(-1),着色和褪色时间分别为9.5和12.7 s(在褪色过程存在一个快速和一个慢速步骤),经过100次着色和褪色循环后光调制幅度仍可以保持最大光调制幅度的99.7%。此外,该薄膜在0.3 mA·cm^(-2)的电流密度下的面积比电容高达49.59 mF·cm^(-2)。上述优异的性能使NiMoO_(4)纳米片薄膜有望在高性能电致变色器件中得到重要应用。在器件的组装过程中,探索合适的电解质以及与NiMoO_(4)薄膜相匹配的对电极将是下一步研究工作的重点。

超薄的硫铟锌纳米片合成及其光催化水分解制氢

通过胶体化学法制备硫铟锌(ZnIn_(2)S_(4))纳米片,用原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等对纳米片进行了表征。将纳米片配体交换后用于可见光催化制氢反应,用气相色谱仪(GC)进行产氢量测试,评价催化剂性能。结果表明,合成了超薄的ZnIn_(2)S_(4)纳米片,厚度仅为1.8nm;其产氢速率为600μmol/(h·g),并具有良好的循环稳定性,表现出了较好的光催化水分解制氢性能。该实验对设计光催化制氢催化剂有一定的启发。

氧空位调控BiVO_(4)纳米片的制备及光解水制氧性能

采用水热和烧结方法制备了氧空位调控的BiVO_(4)纳米片。通过X射线衍射仪、电子自旋共振谱仪、透射电子显微镜、紫外-可见分光光度计、荧光光谱仪和光解水制氧系统研究了不同氧空位含量(OV)BiVO_(4)纳米片的结构和光解水制氧性能。通过对氧空位含量的调控,实现了对BiVO_(4)纳米片的光吸收和光电性能的优化,极大提高了BiVO_(4)纳米片的光解水制氧效率。结果表明:引入氧空位后,BiVO_(4)纳米片在可见光区的光吸收明显增强,并且随着氧空位含量的增加,样品的吸收边发生明显红移。适量氧空穴的引入显著提高了光生电子和空穴的分离,从而提高光生电子的利用率。BiVO_(4)-O_(V2)纳米片的光催化产氧速率约433μmol/(h·g),约为BiVO_(4)纳米片的10倍。

Co_3O_4纳米片的制备及其电化学电容性能

以配位超分子化合物为前驱物,通过液相氧化分解得到了六方形CoOOH纳米片,进而在空气中热处理制得了Co3O4纳米片。利用XRD、TEM、FESEM对CoOOH和Co3O4纳米片的结构和形貌进行了表征。电化学测试表明,Co3O4纳米片电极在6mol·L-1KOH溶液中表现出良好的电化学电容特性,在电流密度为1A·g-1其单电极比容量可达到227F·g-1。

Ag_3PO_4/MoS_2纳米片复合催化剂制备及可见光催化性能

采用机械球磨法成功制备Ag_3PO_4/MoS_2纳米片复合催化剂。运用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)和荧光发射光谱(PL)对复合催化剂的结构和形貌进行了表征。结果表明,Ag_3PO_4纳米粒子均匀地附着在MoS_2纳米片层结构上,两者形成紧密结合。以亚甲基蓝为模拟污染物,研究复合催化剂在可见光照射下的光催化特性;通过循环实验考察复合催化剂的稳定性。结果显示,含有1%的MoS_2纳米片与Ag_3PO_4形成的复合催化剂在30 min内对亚甲基蓝的降解率为95%,其降解动力学常数是纯相Ag_3PO_4的2倍。经过5次循环实验后复合催化剂对于亚甲基蓝的降解率为84%,而纯Ag_3PO_4对于亚甲基蓝的降解率仅为35%。Ag_3PO_4/MoS_2纳米片复合催化剂具有优良的光催化活性和高稳定性,主要归因于二硫化钼纳米片与磷酸银形成异质结,磷酸银激发的电子和二硫化钼纳米片产生的空穴直接复合,从而促使光生电子从磷酸银晶体表面快速分离,减轻了磷酸银的光电子腐蚀,同时也提高了复合物的光催化活性。

用于超级电容器的层状Co3O4/Ti纳米片柔性电极及其低电荷转移电阻（英文）

采用水热合成法,在Ti网上原位生长多孔层状Co3O4纳米片,并优化了电荷转移电阻。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对产物的结构、形貌进行表征,及对电极的电化学性能进行测试。结果表明,材料是由排列良好的微米矩形二维薄片组成,且具有均匀的孔隙分布。这种独特的微纳米结构的超级电容器电极材料降低了电极的电荷转移电阻,增强了活性物质的结构稳定性,从而提高了电极的电化学性能,在电流密度为100 mA·g^-1时,电极循环1 000次后,电容保持率为91.8%,电荷转移电阻(Rct)为0.29 Ω。这些显著的超电容性能归因于合理的二维层状结构在柔性基底钛网上的生长及柔性Co3O4/Ti电极活性材料的高利用率。

g-C_3N_4纳米片的制备及光催化抗菌性能研究

采用液相超声法成功地将体相g-C_3N_4剥离为g-C_3N_4纳米片。通过XRD、FT-IR、TEM、BET和瞬态光电流对样品的性质进行表征,并研究g-C_3N_4纳米片光催化杀灭大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的活性。结果表明,将体相g-C_3N_4剥离为g-C_3N_4纳米片并没有改变分子结构,但g-C_3N_4纳米片光催化杀灭E.coli和S.aureus的活性均优于体相gC_3N_4。g-C_3N_4纳米片的超薄二维结构具有大的比表面积,是体相g-C_3N_4的6.97倍,同时有效地促进了光生电子和空穴的分离,两方面的协同作用下,g-C_3N_4纳米片表现出优异的光催化抗菌活性。

g-C_3N_4纳米片的合成及可见光催化降解亚甲基蓝

以柠檬酸钠和尿素为前驱体,采用低温固相合成技术,制备了石墨氮化碳(g-C_3N_4)光催化剂.利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见光吸收光谱(UV-vis)、光致发光光谱(PL)、光电流响应及电化学阻抗谱(EIS)等对光催化剂的结构和性能进行了表征.结果表明:制备的g-C_3N_4呈片状形貌,尺寸小于50nm,具有较高的光生电子空穴分离效率.在H2O2助催化剂辅助下,可见光照射120min,g-C_3N_4纳米片催化剂对10mg·L-1亚甲基蓝(MB)溶液的降解率达到95.4%.荧光光谱法表征结果表明降解过程中有羟基自由基生成.