具有n-n型异质结的复合材料Bi_(2)S_(3)/MIL-125(Ti)光电性能研究

以硫代硫酸钠·五水合物(Na_(2)S_(2)O_(3)·5H_(2)O)、硝酸铋·五水合物(BiN_(3)O_(9)·5H_(2)O)为硫源和铋源,尿素(CON2H4)为结构导向剂,制备了纳米棒状结构的硫化铋(Bi_(2)S_(3)),使其原位生长在MIL-125(Ti)的笼状结构表面。PEC性能测试显示,在0.5 mol·L^(-1)的硫酸钠电解液(pH=6.0)中,Bi_(2)S_(3)/MIL-125(Ti)_(0.07)(MIL-125(Ti)加入量为0.07 g)的复合材料表现出最高的光电性能。光电性能的显著增强主要取决于Bi_(2)S_(3)/MIL-125复合材料的带隙重整效应,对紫外光以及可见光的吸收能力显著提高。但由于Bi_(2)S_(3)/MIL-125光电极与电解液界面之间的电子转移缓慢,为了改善Bi_(2)S_(3)/MIL-125光电极的界面电荷转移动力学性能,利用热还原法引入Ag NPs对Bi_(2)S_(3)/MIL-125光电极进行修饰,制备出的Ag-Bi_(2)S_(3)/MIL-125光电极加快了界面间的电子转移。在-0.5~-0.8 V(versus Ag/AgCl),Bi_(2)S_(3)/MIL-125(Ti)_(0.07)的最大饱和光电流(-0.90 mA·cm^(-2))是未修饰的Bi_(2)S_(3)(-0.61 mA·cm^(-2))的1.5倍;Ag-Bi_(2)S_(3)/MIL-125(Ti)_(0.07)的最大饱和光电流(-1.87 mA·cm^(-2))是未修饰的Bi_(2)S_(3)(-0.61 mA·cm^(-2))的3.1倍。

Bi_(2)S_(3)/TiO_(2)纳米锥光阳极的制备及其光电催化降解土霉素

使用两步水热法成功制备了棒状Bi_(2)S_(3)修饰的TiO2纳米锥(TNCs)光阳极材料,通过调节硫元素的含量探索最佳负载,并用于模拟可见光下降解土霉素。对Bi_(2)S_(3)/TNCs光阳极的晶型、元素价态、表面形貌和光电、电化学性能进行了详细的表征。结果表明,Bi_(2)S_(3)/TNCs光阳极显著提高了光电催化性能,表现出更低的电荷转移电阻,光电流密度是TNCs的3倍左右。紫外-可见分光光度计在355nm处测试结果表明,Bi_(2)S_(3)/TNCs光阳极在90min内成功降解了80.3%的土霉素,5次循环后仍保持良好的稳定性。此外,还对带隙能、价带谱、莫特-肖特基曲线和自由基捕获实验进行分析,提出了一种可能的光电催化降解机理。这些结果表明,Bi_(2)S_(3)/TNCs光阳极对降解抗生素具有很大的潜力。

Bi_(2)S_(3)/BaTiO_(3)复合光催化剂的制备及其光催化性能的研究

由于BaTiO_(3)(BTO)面临着太阳能利用率低、光生载流子快速重组和稳定性差的问题,严重限制其在可见光下降解有机污染物。以BaTiO_(3)为基体采用简单的水热法在其周围制备了不同物质的量比的Bi_(2)S_(3)/BTO p-n异质结,以改善BaTiO_(3)的光催化性能。分别采用XRD、SEM、EDS、TEM、XPS、PL、UV-Vis DR、EIS、瞬态光电流响应等表征手段对样品的结构、形貌、表面价态以及光电性能进行分析。以RhB为模拟污染物,测试了复合材料的光催化活性和稳定性。结果表明,与单组分催化剂相比,Bi_(2)S_(3)/BTO复合材料的催化性能得到了显著提升。在可见光下照射150 min后,对RhB的降解率高达98.7%;经5个循环,降解率仍为86%。通过对光催化剂的机理研究表明羟基自由基、超氧自由基、光生空穴均在光催化反应中起作用,并提出了一种可能的p-n异质结光催化机理。

室温脉冲激光原位沉积技术制备Cu_(2)(Zn_(1-x)Fe_(x))SnS_(4)/Bi_(2)S_(3)异质结及其光电性能

采用具有磁性的Fe取代Cu_(2)ZnSnS_(4)(CZTS)中Zn组分,制备Cu_(2)(Zn_(1-x)Fe_(x))SnS_(4)(CZFTS)薄膜。将电子传输层Bi_(2)S_(3)与CZFTS耦合,采用室温脉冲激光沉积技术(RT-PLD)制备了CZFTS/Bi_(2)S_(3)异质结构。研究了Fe掺杂对于CZFTS薄膜形貌、结晶度和吸光度的影响。测试了单层薄膜和异质结构的光电响应特性,实验表明与单层CZFTS薄膜相比,CZFTS/Bi_(2)S_(3)异质结在可见光区域内的光电响应速度至少提高了一个数量级,响应时间缩短至几十ms。

退火工艺对Bi_(2)Te_(3)薄膜近红外光响应性能影响的研究

采用物理气相传输法(PVT)在p-Si衬底上制备了n-Bi_(2)Te_(3)薄膜。在不同温度下对薄膜样品进行退火处理,利用X射线衍射、拉曼光谱、扫描电子显微镜以及光致发光光谱对退火处理前后的薄膜形貌与微观结构进行表征。研究了退火温度对Bi_(2)Te_(3)薄膜形貌结构以及红外光响应能力的影响。结果表明在200~400℃的温度区间内,退火温度为250℃时可有效提高薄膜结晶度,细化晶粒,减少薄膜缺陷,降低缺陷能级对Bi_(2)Te_(3)薄膜红外光响应性能的影响,使得在250℃获得的高结晶质量的Bi_(2)Te_(3)薄膜的红外光响应性能均优于其他的退火温度获得Bi_(2)Te_(3)薄膜和未处理的,表明采用PVT方法制备的Bi_(2)Te_(3)薄膜的最佳退火温度是250℃。

拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜制备及其电输运性能研究

文章利用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)法,在超高真空的条件下,于蓝宝石衬底上制备超薄的高质量拓扑绝缘体(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜。利用反射高能电子衍射(reflection high-energy electron diffraction, RHEED)仪、X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)仪、显微共焦激光拉曼光谱仪(micro confocal laser Raman spectrometer)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)仪对不同Sb掺杂量的样品进行表征,并获得最佳的制备参数。研究结果表明:衬底温度为460℃时Bi和Te的流量比为1∶16左右;在Sb温度为350、360、370、380℃时,可以制得高质量的(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜。利用霍尔效应测量系统测量样品的电阻率、霍尔系数、迁移率和载流子浓度;测量结果表明,(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)薄膜的载流子浓度和主要载流子类型随x的变化而发生相应的变化,并伴随着费米能级位置的调谐,随着x的增加,在x=0.53到x=0.68的掺杂过程中,费米能级从导带下移到带隙,最终进入价带,多数载流子类型也从自由电子转变成空穴,(Bi_(1-x)Sb_(x))_(2)Te_(3)实现了从n型到p型的转化。

Bi_(2)S_(3)-BiOI异质结光催化去除水中Cr(Ⅵ)的研究

近年来,利用光催化剂还原Cr(Ⅵ)的研究受到广泛关注。利用水热法制备了Bi_(2)S_(3)-BiOI异质结光催化剂,对比分析了Bi_(2)S_(3)、BiOI及Bi_(2)S_(3)-BiOI异质结在可见光下去除Cr(Ⅵ)的效果。研究发现,Bi_(2)S_(3)和BiOI结合为异质结后,光催化还原Cr(Ⅵ)的效率得到大幅提升,在最佳条件(制备pH为8,Na_(2)S_(2)O_(3)·5H_(2)O添加量为2 mmol,污染物pH为3,催化剂投加量为0.5 g/L)下,Bi_(2)S_(3)-BiOI异质结可在12 min内实现100%的Cr(Ⅵ)去除率,光还原Cr(Ⅵ)的一级反应速率常数分别为Bi_(2)S_(3)和BiOI的40.3倍和116.6倍。通过一系列表征分析,揭示了Bi_(2)S_(3)-BiOI异质结的形成过程和光电性能,并提出了Bi_(2)S_(3)-BiOI异质结光催化还原Cr(Ⅵ)的机理。Bi_(2)S_(3)-BiOI异质结具有良好的稳定性和重复利用性,重复利用5次后仍能有效去除Cr(Ⅵ)。本研究合成的新型Bi_(2)S_(3)-BiOI异质结光催化剂为高效去除水中Cr(Ⅵ)提供了一个新思路。

Bi_(2)S_(3)对有机溶剂中碘的吸附性能研究

含铋材料相比于含银碘吸附剂具有制备成本低、碘吸附容量高,吸附速率快等优点,在含碘废物的处理领域具有潜在的应用价值。本文以二甲亚砜和水作溶剂,五水硝酸铋和硫粉为原料制备Bi_(2)S_(3)。并以它作为碘吸附剂,研究其对环己烷中I_(2)的吸附性能。吸附动力学拟合数据表明,Bi_(2)S_(3)对I_(2)的吸附服从准二级动力学方程,主要为化学吸附。Bi_(2)S_(3)对I_(2)的最大吸附容量可达2234 mg/g。由扫描电子显微镜和X-射线衍射光谱分析结果可知,I_(2)被Bi_(2)S_(3)成功吸附,所吸附的I_(2)主要以BiI_(3)和BiOI的形式存在。此工作表明含铋材料在含碘废物的处理领域具有潜在的应用价值。

无铅钙钛矿Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶的制备及光电性能研究

采用蒸发结晶法在低温常压条件下制备Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶,温度为60~90℃,保温时间为18~30 h。研究温度和保温时间对Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶晶体结构和光学性能的影响。使用机械剥离法制备基于柔性衬底的Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶薄膜,研究薄膜的电学性能。结果表明,在结晶度最优的目标下,Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶制备的优化工艺条件为温度60℃,保温时间26 h。温度和保温时间对Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶的结晶度、紫外可见光吸光度和光致发光性能的影响一致。柔性Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶薄膜具有显著的光电特性,且工作时具有良好的稳定性。Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶薄膜的弯折耐久度良好,90°弯折100次后,仍能保持原有性能的84.4%。无铅钙钛矿Cs_(3)Bi_(2)I_(9)单晶薄膜在柔性光电传感器件上具有潜在的应用前景。

TiO_(2)/Bi_(2)S_(3)纳米棒交联异质结构增效光电化学性能

利用光电化学分解水技术实现太阳能到氢能的直接转化是解决能源和环境问题最有希望的方法之一。通过自组装溶剂热法将Bi_(2)S_(3)纳米棒与TiO_(2)纳米棒复合,构建了Bi_(2)S_(3)/TiO_(2)纳米棒交联异质结构用作光电催化分解水的光阳极。研究了不同反应温度对其光电性能的影响,其中反应温度为160℃时构建的Bi_(2)S_(3)/TiO_(2)光电极的光电流密度达到0.2 mA/cm^(2),是原始TiO_(2)纳米棒光电极的20倍。

Bi_(2)Te_(3)/PLA复合薄膜的制备与性能研究

采用熔体法制备了高质量的拓扑绝缘体Bi_(2)Te_(3)单晶,将研磨后的微米量级的Bi_(2)Te_(3)单晶粉末与聚乳酸(PLA)溶融共混制成Bi_(2)Te_(3)/PLA复合薄膜。为探究Bi_(2)Te_(3)单晶粉末含量差异对复合薄膜性能的影响,分别对复合薄膜的力学性能和气体透过性进行测试。结果表明,随Bi_(2)Te_(3)含量的增加Bi_(2)Te_(3)/PLA复合薄膜的拉伸强度先减小后增大,当Bi_(2)Te_(3)的含量在0.5%时,复合薄膜的拉伸强度最大达到75.00 MPa;随Bi_(2)Te_(3)含量的增加复合薄膜的气体透过系数先增大后减小,当Bi_(2)Te_(3)的含量为7.5%时,N_(2)、O_(2)和CO_(2)的气体透过系数均最大,三者的最大透过系数分别为1.017×10^(-7)、8.626×10^(-8)和1.139×10^(-7)cm^(3)·cm/cm^(2)·s·cm Hg,远超纯PLA薄膜气体透过性。研究结果为拓扑绝缘体共混改性可生物降解PLA基复合薄膜材料的研究提供思路。

g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合材料宽光谱光电探测器制备及其性能研究

通过热聚法制备了g-C_(3)N_(4)和Bi_(2)S_(3)纳米材料,在室温下进一步利用溶液法得到了g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构。采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对样品的表面形貌和晶体结构进行了表征,结果表明复合Bi_(2)S_(3)后并没有破坏g-C_(3)N_(4)本身的片层结构,且g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构仍然具有较好的结晶质量。基于g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构制备了紫外可见光探测器,并对其性能进行了研究。光电探测结果表明g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构探测器对紫外光的探测性能显著提高,其最大光电流约为g-C_(3)N_(4)纳米片探测器的12倍。此外,g-C_(3)N_(4)/Bi_(2)S_(3)复合结构探测器在可见光区也表现出了较好的光响应特性和稳定性,具有宽光谱响应特性。

Bi_(2)O_(3)/Bi_(2)S_(3)二元异质结光催化剂的合成与制备

半导体光催化技术是解决能源危机和环境污染的有效手段。本文采用水热法制备了Bi_(2)O_(3)、Bi_(2)S_(3)及Bi_(2)O_(3)/Bi_(2)S_(3)复合物。以SEM、XRD等表征方法对样品进行分析,以染料为目标污染物考察了催化剂的光催化性能,并以染料的pH值和催化剂的用量以及催化剂的配比三个因素进行光催化实验,通过实验可知在催化剂对染料MB降解时,染料溶液pH值为3、催化剂为10 mg时为最优的降解效果,最大降解率可以达到96%,并提出了复合催化剂在光催化反应中的可能机理。

WO_(3)/Bi_(2)WO_(6)复合薄膜的制备及其光电化学性能

以导电玻璃为基底采用水热法制备了WO_(3)纳米片薄膜,再通过溶剂热法改变不同溶剂热反应时间(6、8和10 h)在WO_(3)纳米片薄膜上生长Bi_(2)WO_(6)制备了WO_(3)/Bi_(2)WO_(6)复合薄膜。利用XRD、SEM、UV-Vis、光电流、光电催化和交流阻抗对WO_(3)/Bi_(2)WO_(6)复合薄膜的结构和光电性能进行表征与测定。结果表明,WO_(3)纳米片薄膜的光电流密度为0.74 mA/cm^(2),对质量浓度为6.0 mg/L亚甲基蓝的光电催化效率为47.9%。不同WO_(3)/Bi_(2)WO_(6)复合薄膜的光电化学性能均优于单一WO_(3)纳米薄膜,且溶剂热反应时间为8 h的WO_(3)/Bi_(2)WO_(6)复合薄膜具有最高的光电流密度(1.22 mA/cm^(2))和最优的光电催化效率(58.6%)。WO_(3)/Bi_(2)WO_(6)复合薄膜有效降低了复合薄膜内部电子阻抗,增加了有效光电化学反应位点,显著提升了光电化学性能。

高性能Bi_(2)Te_(3-x)Se_(x)热电薄膜的可控生长

碲化铋基材料一直被认为是室温下性能最优异的热电材料之一,也是商用热电器件首选的块体材料.然而面对柔性或高密度设备等应用需求时,薄膜热电材料比块体材料更具优势.因此,提升薄膜材料热电性能及可控制备技术至关重要.与碲化铋基块体材料和P型碲化铋基薄膜相比,N型碲化铋基薄膜的性能相对偏低.本工作利用磁控溅射法制备了一系列N型碲化铋薄膜,研究衬底温度和工作压强对薄膜生长模式的影响规律,从而通过溅射参数精确调控薄膜的形貌、结构和生长取向,在合适的衬底温度和工作压强的共同作用下,制备出(00l)方向层状生长的高质量致密薄膜.由于层状结构薄膜具有超高的面内载流子迁移率,该薄膜实现了大于10^(5) S/m的超高电导率.由于兼具高电导率与高Seebeck系数,该层状薄膜试样在室温下的功率因子高达42.5μW/(cm·K^(2)),克服了N型碲化铋基薄膜材料难以匹配P型碲化铋基薄膜材料的困难.

ZnO纳米棒/Bi_(2)S_(3)量子点异质结的制备及光电探测性能研究

为了获得具有多波段响应的ZnO基宽光谱光电探测器,将ZnO与其它窄带隙半导体耦合构建异质结,并基于此制备了光电探测器。本文采用水热法结合连续离子层吸附反应法在FTO衬底上成功制备了ZnO纳米棒/Bi_(2)S_(3)量子点异质结材料。通过扫描电子显微镜和能谱仪表征了ZnO纳米棒/Bi_(2)S_(3)量子点异质结的表面形貌和元素组成。结果表明,Bi_(2)S_(3)量子点均匀且致密地附着在整个ZnO纳米棒上。此外,基于该ZnO纳米棒/Bi_(2)S_(3)量子点异质结制备的探测器能够在无外加偏压条件下工作,即具有自供能特性。与ZnO纳米棒探测器相比,ZnO纳米棒/Bi_(2)S_(3)量子点探测器在紫外光照射下的光电流增大了0.065 mA,这主要是因为两者形成的异质结能够有效抑制光生载流子的复合。此外,ZnO纳米棒/Bi_(2)S_(3)量子点探测器对可见光也具有优异的探测能力,其对波长为470 nm的蓝光和530 nm的绿光的探测均表现出良好的循环稳定性。

“电子集流体”Bi_(19)S_(27)Br_(3)/BiOBr复合材料的制备及其增强光催化CO_(2)还原性能

日益严峻的能源危机与全球变暖问题严重影响着人类的生存环境,因此急需开发一种绿色环保的新型能源来缓解这一现状.将CO_(2)气体转化为燃料或高附加值碳基化学品被认为是一种可以同时缓解能源危机和CO_(2)排放的绿色途径.受自然界光合作用的启发,光催化CO_(2)还原途径因其以太阳光为能量来源、反应过程无二次污染,被认为是一种环境友好的CO_(2)转化途径.然而,受制于光催化剂电荷转移效率较低以及CO_(2)分子活化能力不理想等因素,人工光合过程实现高效CO_(2)还原仍然具有很大挑战.前期研究表明,通过材料的调控可有效提升其光催化CO_(2)还原能力.其中,通过在材料表面引入电子集流体的方法可以有效收集并聚集产生的光生电荷,提升材料的电荷传输效率,实现材料光催化CO_(2)还原能力的提升.受此启发,本文以BiOBr(BOB)材料为主体,在其表面引入“电子集流体”型Bi_(19)S_(27)Br_(3)(BSB)纳米棒材料,成功制备BSB/BOB复合材料.通过X射线衍射、扫描电镜和高分辨透射电镜表征证明了BSB棒状结构已成功复合在BOB材料表面.同时,对所制BSB/BOB材料进行了光催化CO_(2)还原活性结果表明,BSB/BOB材料相比于单体BSB和BOB均展现出更强的CO_(2)还原制备CO的能力.其中,BSB/BOB-5材料CO产出速率为19.83μmol g^(‒1)h^(‒1),其活性分别约为单体BSB和BOB材料的8.74倍和2.40倍.紫外-可见漫反射光谱和电化学测试结果表明,BSB的引入有效提升材料的光响应能力和光生载流子的分离传输效率.结合莫特-肖特基测试和能带理论计算结果给出了光生电子可以从BOB材料导带传递并聚集在BSB材料导带的过程.理论计算结果进一步显示,在BSB/BOB材料中,BSB作为电子集流体,可以有效收集并聚集BOB表面的电子.此外,由于BSB具备较强的CO_(2)吸附能力,其在BSB/BOB材料中可以作为CO_(2)的吸附-活化位点,进而有效提升材料的光催化活性.结合原位红外漫反射光谱分析BSB/BOB材料表面光催化CO_(2)还原过程中生成的中间产物,进而提出了可能的光催化CO_(2)还原机理.综上,本研究为高性能光催化CO_(2)还原催化剂的设计与制备提供了新思路.

圆盘状的介孔Bi_(2)WO_(6)/Bi_(2)S_(3)对邻苯二甲酸二丁酯的光催化研究

近年来环境水体中的以邻苯二甲酸二丁酯(DBP)为代表的内分泌干扰物通过生物富集作用在生物体内积累,引起生物体内分泌失调,从而影响了生物体健康。然而,常规的处理方法很难将其完全去除,利用光催化剂来降解内分泌干扰物成为解决此类问题的一种可行途径。以硝酸铋、钨酸钠以及硫化钠为前驱体,采用水热法合成具有介孔结构的圆盘状Bi_(2)WO_(6)/Bi_(2)S_(3)材料。利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱(PL)等手段对复合材料的结构和性能进行了表征。考察了Bi_(2)WO_(6)/Bi_(2)S_(3)复合材料对DBP的处理性能,并探讨了复合催化剂光催化活性增强的机理。结果表明:当铋硫比为4时,Bi_(2)WO_(6)/Bi_(2)S_(3)光催化效率最高。

Bi_(2)S_(3)/CdSe共修饰TiO_(2)纳米管膜的构建及其光电化学阴极保护效应

为获得良好光电化学性能的TiO_(2)半导体复合膜,采用Bi_(2)S_(3)和CdSe对TiO_(2)纳米管膜进行共修饰。以阳极氧化法在Ti表面先制备TiO_(2)纳米管膜,再通过恒电流电沉积和连续离子层吸附反应在纳米管表面依次沉积CdSe和Bi_(2)S_(3),构建了具有级联能带结构的Bi_(2)S_(3)/CdSe共修饰的TiO_(2)纳米管复合膜。结果表明,Bi_(2)S_(3)/CdSe/TiO_(2)纳米管复合膜对可见光吸收显著增强,光电化学性能大幅度提高。白光照射下,复合膜的光电流密度为670μA·cm^(-2),达到了纯TiO_(2)纳米管膜的17.6倍。Bi_(2)S_(3)/CdSe/TiO_(2)复合膜作为光阳极可使0.5 mol·L^(-1) NaCl溶液中的403不锈钢的电位相对于腐蚀电位下降690 mV,显示出良好的光电化学阴极保护效应。

MoS_2/Ni_3Bi_2S_2低温刺激下热催化降解亚甲基蓝的研究

利用水热法合成一种新型热敏剂MoS_2/Ni_3Bi_2S_2,并将其用于低温热催化降解亚甲基蓝。通过X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见分光光度测定法(UV-Vis)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和热重分析(TG)对样品粉末进行分析。结果表明,MoS_2/Ni_3Bi_2S_2具有优良的热催化性能并使得亚甲基蓝快速被降解。当质量浓度为20 mg/L,40℃下反应2.5 h后溶液去除率高达98.59%。此外,热敏剂还表现出良好的重复使用性能,循环5次后去除率仍高达89.7%。