SiS_(2)/ZnO范德华异质结光催化水分解第一性原理研究

基于第一性原理方法,研究了SiS_(2)/ZnO范德华异质结的电子结构和光催化性质.结果表明,SiS_(2)/ZnO异质结是带隙值为1.32 eV的半导体材料,表现出交错排列的能带结构.在异质结界面处,形成了从ZnO指向SiS_(2)的内置电场,该内置电场的存在使得SiS_(2)/ZnO异质结中形成了特殊的“Z-型”载流子迁移模式,有利于电子空穴对的有效分离,同时增强了载流子的氧化还原能力.异质结构具有良好的热力学稳定性,且带边位置跨越水的氧化还原电位.与单层材料相比,SiS_(2)/ZnO异质结光吸收谱出现红移现象,表现出更宽的光吸收范围(从可见光到紫外光)及更强的光吸收强度(达到10~5 cm^(-1)量级).另外,通过施加双轴应变,可以有效调控SiS_(2)/ZnO异质结的带隙值.以上结果表明SiS_(2)/ZnO异质结有潜力成为新型光催化剂用于全解水.

MoS_(2)/ZnO异质结纳米材料降解亚甲基蓝的光催化性能研究

为了提高ZnO的光转换效率,选用带隙较低的MoS_(2)形成异质结提高ZnO的光催化性能。通过水热法制备ZnO纳米棒,并进一步制备MoS_(2)/ZnO异质结构的纳米复合材料。通过扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、固体紫外可见漫反射测试仪(UV-Vis)和紫外可见分光光度计(UV-245)等分析方法对样品的形貌、结构及光学性能等进行表征。结果表明,MoS_(2)/ZnO异质结复合材料呈棒状结构,并由于内建电场存在可有效增强光生载流子的分离效率,进而提高了可见光区的吸收,提高了光催化性能。在模拟太阳光(包含紫外波段)下,60 min时MoS_(2)-15/ZnO纳米复合材料对亚甲基蓝的降解率可达99%,比纯ZnO的降解率提高了10%。

基于共溅射ZnO/SnO_(2)异质结薄膜的气体传感器研究

采用射频磁控共溅射法在叉指电极上制备了ZnO/SnO_(2)n-n异质结复合薄膜,系统测试了其气敏特性,并分析了其气敏机理。结果表明,与ZnO薄膜和SnO_(2)薄膜气体传感器相比,ZnO/SnO_(2)异质结薄膜气体传感器具有更低的工作温度、更高的灵敏度以及更快的响应和恢复速度。ZnO/SnO_(2)异质结薄膜气体传感器对乙醇具有较好的选择性,最低检测体积分数为1×10^(-6),最佳工作温度为250℃;对1×10^(-4)乙醇气体的灵敏度可达18.4,响应时间和恢复时间分别为10 s和19 s。

木质素改性ZnO/CeO_(2)异质结的紫外屏蔽性能研究

ZnO具有强紫外吸收能力,同时具有较高的光催化性能,因此限制了其在紫外屏蔽领域的应用。为探究ZnO在紫外屏蔽领域应用的可能性,使用VASP软件构建纳米ZnO/CeO_(2)异质结,并对其进行了电子性能和光学性能的模拟计算;用木质素和纳米ZnO/CeO_(2)异质结,制备了木质素改性的纳米ZnO/CeO_(2)异质结;通过FT-IR、XRD、SEM、UV-Vis-DRS等手段对样品进行表征,并以亚甲基蓝为保护对象对样品的紫外屏蔽性能进行了考察。结果表明,木质素改性的纳米ZnO/CeO_(2)异质结在280~420 nm处的光吸收性能优于同等条件下合成的改性前ZnO/CeO_(2)异质结;当紫外光照射70 min时,木质素改性的纳米ZnO/CeO_(2)异质结的亚甲基蓝保留率为77.92%,表明所合成的样品是具有高紫外屏蔽性能、低光催化活性的紫外屏蔽材料。

ZnO/D-A共轭聚合物S型异质结高效光催化产H_(2)O_(2)及其电荷转移动力学研究

光催化技术利用清洁、无污染的太阳能合成过氧化氢(H_(2)O_(2))。本研究通过SuzukiMiiyaura反应和水热法合成了ZnO/PBDS型异质结复合材料。优化后的ZnO/PBD复合材料的光催化产H2O2效率为4.07mmol·g^(-1)·h^(-1),是单一ZnO的5.4倍。光催化性能的显著提高归功于S型异质结的形成。紫外可见吸收光谱和原位光照X射线光电子能谱证实了S型异质结的形成。稳态荧光和飞秒瞬态吸收(fs-TA)光谱确定并验证了ZnO中缺陷态的存在。这些缺陷态会捕获光生电子,不利于光催化反应。S型异质结有效地促进了电子的分离和转移,从而缓解了这一问题。通过拟合fs-TA光谱得到了光生电子在这些缺陷态中的寿命,进一步证明了S型异质结中的载流子转移机制。该工作介绍了一种利用fs-TA光谱研究有机/无机S型异质结的新方法。

ZnO/TiO_(2)核-壳纳米结构的低温制备及其光电性能研究

ZnO因其自身的高电荷复合、化学性质活泼,导致其应用受到限制,通过表面修饰进行复合可实现电子-空穴的分离并提高其化学稳定性。以二水合醋酸锌、六水合硝酸锌、六氟钛酸铵为原料,采用溶胶-凝胶、水热和液相沉积相结合的方法,在低温条件下制备出ZnO/TiO_(2)单异质结。采用XRD、SEM、EDS、TEM、PL等对样品进行表征并对其光电性能进行测试。结果表明,在沉积时间为20 min时,ZnO/TiO_(2)核-壳结构形貌最规整,其中ZnO直径约115 nm,TiO_(2)薄膜厚度约7.6 nm;TiO_(2)的负载,降低了电极中光生电荷的复合,提高了ZnO对光子的收集能力,光电流密度提升大约10倍,达到0.21μA/cm^(2),表现出优异的光电化学性能。

Ⅱ型C_(2)N/ZnO异质结水分解光催化剂的第一性原理研究

基于单层C_(2)N和ZnO,构建了一种新型2D范德华(vdW)异质结。在第一性原理下进行密度泛函理论计算,系统地研究了C_(2)N/ZnO异质结的光催化应用。结果表明,C_(2)N/ZnO异质结具有1.68 eV的直接带隙,其Ⅱ型带对准可以促使光生电子和空穴分离在不同层上。由Mulliken电荷布局分析可知,C_(2)N层有0.53个电子转移到ZnO层,在异质结界面处形成了一个较强的内建电场E int,抑制了光生电子空穴对的复合。此外,C_(2)N/ZnO异质结的带边位置跨过了pH=2~7时的水氧化还原电位,同时拉伸应变可以增大其光催化水分解pH范围。特别地,C_(2)N/ZnO异质结保留了高载流子迁移率和优异的光吸收性能,太阳能-氢能(STH)转换效率可达到24.6%。因此,C_(2)N/ZnO异质结是一种具有应用前景的水分解光催化剂。

Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池的研究进展

介绍了近年来低成本Cu_2O/ZnO氧化物异质结太阳电池方面的研究进展.应用于光伏器件的吸收层材料Cu_2O是直接带隙半导体材料,天然呈现p型;其原材料丰富,且对环境友好.Cu_2O/ZnO异质结太阳电池结构主要有平面结构和纳米线/纳米棒结构.纳米结构的Cu_2O太阳电池提高了器件的电荷收集作用;通过热氧化Cu片技术获得的具有大晶粒尺寸平面结构Cu_2O吸收层在Cu_2O/ZnO太阳电池应用中展现出了高质量特性.界面缓冲层(如i-ZnO,a-ZTO,Ga_2O_3等)和背表面电场(如p^+-Cu_2O层等)可有效地提高界面处能级匹配和增强载流子输运.10 nm厚度的Ga_2O_3提供了近理想的导带失配,减少了界面复合;Ga_2O_3非常适合作为界面层,其能够有效地提高Cu_2O基太阳电池的开路电压V_(oc)(可达到1.2 V)和光电转换效率.p^+-Cu_2O(如Cu_2O:N和Cu_2O:Na)能够减少器件中背接触电阻和形成电子反射的背表面电场(抑制电子在界面处复合).利用p型Na掺杂Cu_2O(Cu_2O:Na)作为吸收层和Zn_(1-x)Ge_x-O作为n型缓冲层,Cu_2O异质结太阳电池(器件结构:MgF_2/ZnO:Al/Zn_(0.38)Ge_(0.62)-O/Cu_2O:Na)光电转换效率达8.1%.氧化物异质结太阳电池在光伏领域展现出极大的发展潜力.

ZnO/Cu_2O异质结纳米阵列制备及光催化性能

利用湿化学法在FTO玻璃基底上制备了高度规整的ZnO纳米棒阵列(ZnO NRAs),以此为衬底,采用磁控溅射法在ZnO NRAs表面沉积Cu_2O薄膜。分别用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、扫描电镜、光致光谱、紫外可见分光光度计和电化学工作站对样品的物相、形貌、吸收光谱、光电性能进行了表征,用甲基橙(MO)模拟有机物废水研究复合材料的光催化性能。结果表明:ZnO纳米棒为六方纤锌矿结构,其直径约为80~100 nm,长约2~3μm,棒间距约100~120 nm。立方晶系的Cu_2O颗粒直径约为100~300 nm,形成致密膜层并紧密覆盖在ZnO NRAs表面上,构成ZnO/Cu_2O异质结纳米阵列(ZnO/Cu_2O HNRAs)结构。与纯ZnO NRAs和Cu_2O相比,ZnO/Cu_2O HNRAs在可见光范围内的吸收显著增强,吸收波长向可见光方向偏移。ZnO/Cu_2O HNRAs的载流子传递界面的电荷转移速度快,有效促进了光生电子和空穴的分离。在紫外-可见光照射65 min后,ZnO/Cu_2O HNRAs的降解效率为94%,分别是纯ZnO NRAs和Cu_2O的18倍和1.7倍。

La-TiO_2/ZnO异质结纳米复合材料的光催化性能

利用溶胶-凝胶法与固相混合法制备了掺La超微纳米晶TiO2负载ZnO异质结纳米复合材料La-TiO2/ZnO。采用比表面积(BET和BJH)、X-射线衍射(XRD)、紫外-可见光吸收(UV-vis)、高分辨透射电镜(HRTEM)和X-射线光电子能谱(XPS)表征催化剂的物理化学性能。La-TiO2/ZnO异质结光催化活性通过紫外光降解亚甲基蓝(MB)来评价,当nTiO2∶nLa∶nZnO=1∶0.015∶0.5时,光催化活性最佳。其主要原因是掺La超微纳米晶TiO2在ZnO表面形成多异质结,可有效抑制光生电子空穴对的复合。本文探讨了光催化活性较高的催化机理。

简单液相法合成ZnO/Cu_2O异质结光催化材料开放实验设计

构建一种简单液相法合成ZnO/Cu_2O异质结光催化材料的开放式实验教学模式.利用开放实验平台,使用简单液相法合成ZnO/Cu_2O异质结光催化材料,采用扫描电子显微镜及能谱仪对材料的形貌及成分进行表征,并在可见光条件下对其进行光催化降解罗丹明B实验.实验结果表明:ZnO/Cu_2O复合材料的光催化性能要优于纯ZnO的光催化性能.新的教学模式以学生为中心,可充分调动学生的科研兴趣,培养学生的实践能力、自主思考能力和创新能力.

ZnFe_2O_4/ZnO/Ag异质结的制备及光催化性能研究

首先通过水热法制备ZnFe_2O_4纳米粒子,然后包覆ZnO,最后沉积贵金属Ag,成功制备了ZnFe_2O_4/ZnO/Ag异质结。利用X-射线衍射仪(XRD)、振动磁强计(VSM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)、N_2吸附-脱附仪分别表征了ZnFe_2O_4/ZnO/Ag异质结的晶型、比饱和磁化强度、形貌和孔结构,并研究了其对RhB模拟废液的脱色效果。结果表明,ZnFe_2O_4/ZnO/Ag异质结的比饱和磁化强度为40.0emu·g^(-1),为介孔结构,孔径为17nm,BET比表面积高达97.541 4m^2·g^(-1)。光催化RhB模拟废液脱色实验表明,可见光下照射初始浓度为20 mg·L^(-1)的RhB模拟废液90min,ZnFe_2O_4/ZnO/Ag异质结对RhB的脱色率达到95%。ZnFe_2O_4/ZnO/Ag异质结是一种性能优异的光催化剂。

水热法制备In_(2)O_(3)/ZnO异质结及其高的光催化性能

采用简单的两步水热法合成了不同In_(2)O_(3)质量比的In_(2)O_(3)/ZnO异质结复合材料.通过X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见分光光度计(UV-vis)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的结构、形貌和性能进行了表征.同时还使用UV-vis分光光度计测试了异质结降解罗丹明B(RhB)的光催化活性.实验结果表明,与纯ZnO和In_(2)O_(3)相比,In_(2)O_(3)的引入将ZnO的吸收光谱扩展到可见光区域,从而提高了其光生电子和空穴的分离.此外,In_(2)O_(3)/ZnO异质结在可见光照射对RhB具有较高的光催化活性.5 wt%-In_(2)O_(3)/ZnO异质结对RhB的降解率为84.3%,且具有良好的光催化稳定性.In_(2)O_(3)/ZnO异质结复合材料在有机染料废水的降解中有更广阔的应用前景.

S-scheme ZnO/MoS_(2)异质结构筑与对盐酸四环素降解性能

抗生素药物使用范围广且用量大,导致大量抗生素废水进入水体或者残留在土壤环境中,对人类健康造成威胁,然而传统工艺对其去除效果并不理想.以ZnO为基底,通过掺杂MoS_(2),制备了S-scheme ZnO/MoS_(2)异质结复合材料,研究了该材料对抗生素废水的净化性能.通过调节复合材料中ZnO含量、光照条件、盐酸四环素浓度等,探讨了ZnO/MoS_(2)复合材料对不同浓度盐酸四环素(tetracycline hydrochloride,TC)废水的净化效果.结果表明:在光照条件下,催化剂复合比为1∶1的ZnO/MoS_(2)复合材料对60 mg·L^(-1)四环素废水的降解效率可达88%(pH=7,105 min);电子传递与污染物降解机理研究表明,电子由ZnO导带迁移至MoS_(2)价带,形成S-scheme异质结,从而有效提高了催化效率与污染物降解性能.

ZnO/Cu_2O异质结的制备及其光电性能研究

通过两步法制备了由ZnO纳米棒阵列和Cu2O薄膜组成的异质结。首先利用低温湿化学法在掺氟的SnO2导电玻璃(比较FTO)上生长ZnO纳米棒阵列,然后在ZnO纳米棒阵列上通过水热法继续生长Cu2O薄膜,形成ZnO/Cu2O异质结。通过扫描电子显微镜和X射线衍射仪的表征结果得知,ZnO纳米棒阵列具有很好的c轴取向性,其长度为1μm;而Cu2O薄膜的厚度为1.5μm,其(111)面优先沿ZnO的(002)面外延生长。与ZnO纳米棒阵列相比,ZnO/Cu2O异质结在可见光范围内吸收强度明显增强。在模拟太阳光照射下(AM 1.5,100mW/cm2),由ZnO/Cu2O异质结构成的太阳能电池器件的开路电压为0.36V,短路电流密度为7.8mA/cm2,对应的填充因子为31%,光电转换效率为0.86%。

CuO/CeO_(2) p−n异质结光催化降解亚甲基蓝的性能及机理

采用简单微波回流法和均相沉淀技术合成CuO/CeO_(2) p−n异质结复合材料,并对其光催化降解亚甲基蓝溶液的性能进行研究。CuO/CeO_(2)异质结复合材料的降解效率明显强于CeO_(2)。结果表明,以Cu/Ce摩尔比为1/3制备的复合材料(1/3 Cu/Ce)的光催化活性最高,在180 min内降解效率达到96.2%。CuO和CeO_(2)之间形成的p−n异质结促进了光生载流子的分离和传输,从而提高了其光催化活性。计算了CuO/CeO_(2)异质结的能带位置偏移,其价带偏移(∆EVBO)为1.58 eV,导带偏移(∆ECBO)为−0.48 eV。计算结果进一步证明CuO与CeO_(2)之间形成了p−n异质结。

异质结Bi_2WO_6/ZnO复合光催化剂的制备及其光催化降解含酚废水的研究

采用水热法制备了一系列Bi2WO6/Zn O异质结光催化剂,并对其进行X射线衍射(XRD)、紫外-可见光谱(UV-Vis DRS)、扫描电镜(SEM)、光电子能谱(EDS)等手段对其结构性质进行了表征。在含酚废水的液相反应体系中,研究了异质结Bi2WO6/Zn O复合光催化剂光催化降解苯酚的性能。结果表明,Bi2WO6/Zn O异质结的形成可以有效的抑制光生电子和空穴对的结合,使其光催化活性明显优于纯的Zn O和Bi2WO6;另外,异质结型Bi2WO6/Zn O复合光催化剂的表面OH·自由基更有利于光催化活性的提高。当Bi2WO6复合量为4wt%时,异质结Bi2WO6/Zn O复合光催化剂光催化降解苯酚的效果最佳。

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.

Cu_2O-ZnO异质结太阳能电池的制备及光电性能研究(英文)

电化学沉积是一种绿色高效的材料制备方法。本实验使用电化学沉积法分别制备了单晶的氧化锌(ZnO)纳米棒阵列和p型的氧化亚铜(Cu2O)薄膜,并对样品进行了扫描电镜、X光衍射、外量子效率和光电性能测试等一系列的表征和测试。试验结果表明,通过改变反应溶液中的ZnCl2浓度可以来调控ZnO纳米棒的直径。光电性能测量显示在Cu2O/ZnO间形成了p-n异质结。量子效率的测试证明该异质结可有效地促进载流子的分离和传送,从而提高太阳能电池的转化效率。

高催化活性2D/2D Ti_(3)C_(2)/Bi_(4)O_(5)Br_(2)纳米片异质结的构建及其可见光催化去除NO

本研究采用水热法构建出2D/2D Ti_(3)C_(2)/Bi_(4)O_(5)Br_(2)纳米异质结,在可见光下研究了该复合材料对NO的光催化去除能力。实验表明,15%Ti_(3)C_(2)/Bi_(4)O_(5)Br_(2)对NO的光催化去除效率相比纯Bi_(4)O_(5)Br_(2)显著提高:其降解效率达到57.6%,比Bi_(4)O_(5)Br_(2)高27.1%。同时,15%Ti_(3)C_(2)/Bi_(4)O_(5)Br_(2)具有很好的稳定性,经过5次循环催化,其催化率依然接近50.0%。研究发现,反应过程中主要的反应活性物质是e^(−)和·O_(2)^(−),光氧化产物主要为NO_(2)^(−)和NO_(3)^(−)。分析复合材料的光催化机制,发现光催化活性的提高主要得益于2D/2D Ti_(3)C_(2)/Bi_(4)O_(5)Br_(2)异质结提高了电子与空穴的分离率,从而提高了光催化效率。这项工作提供了一个制备2D/2D纳米复合材料用于光催化降解环境污染物的有效方法,在缓解能源紧张与环境污染方面有巨大应用潜力。