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窄带隙β-CuFeO_(2)铁电光催化剂性质及表面析氧反应特性
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作者 吕东昊 徐兰兰 刘孝娟 《应用化学》 CAS CSCD 北大核心 2024年第7期1010-1023,共14页
铜铁矿(delafossite)型CuFeO_(2)具有窄带隙、良好稳定性被广泛用于光催化领域的研究,而其中心对称的层状结构使得光生载流子容易复合,限制了其光催化效果。β-CuFeO_(2)是一种具有相稳定,窄带隙,强极化的本征铁电半导体,利用其内禀的... 铜铁矿(delafossite)型CuFeO_(2)具有窄带隙、良好稳定性被广泛用于光催化领域的研究,而其中心对称的层状结构使得光生载流子容易复合,限制了其光催化效果。β-CuFeO_(2)是一种具有相稳定,窄带隙,强极化的本征铁电半导体,利用其内禀的铁电极化性质,构建光生电子空穴生成位点交替排列的[011]表面,在铁电内建电场作用下促进电荷分离,从而提升光催化性能。基于第一性原理计算,本文首先确定β-CuFeO_(2)具有热力学稳定性,磁基态为C型反铁磁,且带隙为1.37 eV的直接带隙半导体,理论铁电极化为83.466μC/cm^(2),是良好的光催化剂载体。进一步地,以表面析氧反应(OER)为模型,通过构建非极化表面[100]、[010]和极化表面[001]、[011]研究铁电极化对OER的影响。结果表明,β-CuFeO_(2)的表面价带顶氧化还原电势大部分大于水氧化电势(1.23 eV),且极化表面更易形成。此外,在极化方向上,完全暴露Cu-O原子,Cu,Fe原子层交替排列的[011]表面最易吸附水分子且具有最优OER催化活性。对[011]表面OER决速步骤进行电子结构分析,发现在*O中间体上具有2个电子口袋,反应生成*OOH后消耗一个电子口袋,即空轨道上得到电子。这是[011]极化方向表面OER决速步骤的内在机理。本工作构建了β-CuFeO_(2)铁电半导体并通过理论模拟计算了其基本性质,构建了不同方向表面研究铁电极化对光催化OER活性的影响,将为铁电光催化剂设计提供理论依据。 展开更多
关键词 β-cufeo_(2) 第一性原理计算 密度泛函理论 光催化 析氧反应 铁电极化
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生长速率对CuFeO_(2)晶体微结构及磁性转变的影响
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作者 陈龙 熊定康 +3 位作者 芦宇辰 侯晶文 徐守磊 邓文 《功能材料》 CAS CSCD 北大核心 2021年第10期10134-10138,共5页
采用光学浮区法生长出了纯净不含杂相的CuFeO_(2)晶体,并探究了生长速率对晶体质量的影响;由于CuFeO_(2)的不一致熔融特性,低生长速率0.5 mm/h是必要的,且为了稳定融区,生长过程中灯的功率需要仔细调整。用XRD、SEM、PPMS对晶体样品进... 采用光学浮区法生长出了纯净不含杂相的CuFeO_(2)晶体,并探究了生长速率对晶体质量的影响;由于CuFeO_(2)的不一致熔融特性,低生长速率0.5 mm/h是必要的,且为了稳定融区,生长过程中灯的功率需要仔细调整。用XRD、SEM、PPMS对晶体样品进行了表征并与高温固相法所制得的样品进行了对比。XRD结果显示,由液相冷却制备得到的晶体样品为单一的铜铁矿结构,不含杂质相;SEM图像表明,晶体样品更加致密,样品无孔隙;M-T曲线显示出,相比于陶瓷样品,晶体样品反铁磁性稳定性和磁耦合相互作用被削弱。 展开更多
关键词 cufeo_(2)多铁性材料 光学浮区法 生长速率 微结构 磁性能
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可见光/CuFeO_(2)/H_(2)O_(2)体系降解氧氟沙星
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作者 张立东 霍思月 +1 位作者 李杰 高孟春 《兰州交通大学学报》 CAS 2022年第5期88-96,共9页
通过水热法制备高纯度CuFeO_(2)异相催化剂,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(HRTEM)对其结构和形貌进行了表征,通过对紫外可见漫反射光谱和X射线光电子能谱分析得出CuFeO_(2)的能带结构图.构建可见光/CuFe... 通过水热法制备高纯度CuFeO_(2)异相催化剂,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(HRTEM)对其结构和形貌进行了表征,通过对紫外可见漫反射光谱和X射线光电子能谱分析得出CuFeO_(2)的能带结构图.构建可见光/CuFeO_(2)/H_(2)O_(2)体系,研究其对10 mg·L^(-1)氧氟沙星(OFX)的降解性能.结果表明:所制CuFeO_(2)异相催化剂为R-3m相结构,粒径在1~4μm之间;在催化剂浓度为0.6 g·L、H_(2)O_(2)投加量为6 mol·L^(-1)以及pH=3.6时,可见光/CuFeO_(2)/H_(2)O_(2)体系对OFX的降解效果最佳,其120 min的降解率高达85.2%;此外,CuFeO_(2)催化剂经过5次循环降解实验其效率仅降低了7.7%,表明所制催化剂具有良好的循环稳定性;自由基、光生电子和光生空穴捕获实验以及电子自旋共振波谱测试结果表明了·OH是可见光/CuFeO_(2)/H_(2)O_(2)体系中主要的活性物质;降解机理揭示了CuFeO_(2)中的Fe和Cu双活性位点以及可见光下产生的光生电子在异相光芬顿反应中起着重要的作用. 展开更多
关键词 异相催化剂 cufeo_(2) 光芬顿反应 氧氟沙星
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CuFeO_(2)@PVP的制备及其基于光电芬顿降解氧氟沙星 被引量:3
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作者 张立东 付文贤 +2 位作者 霍思月 李杰 高孟春 《环境工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第2期416-430,共15页
以聚乙烯吡咯烷酮作为改性剂,利用水热法合成了表面具有丰富氧空位的CuFeO_(2)@PVP复合催化剂。通过XRD、FT-IR、SEM、TEM和EPR等方法证实了催化剂的成功合成及确定了催化剂的形貌和微观结构。采用UV-vis DRS、PL、EIS和IT等方法证实了C... 以聚乙烯吡咯烷酮作为改性剂,利用水热法合成了表面具有丰富氧空位的CuFeO_(2)@PVP复合催化剂。通过XRD、FT-IR、SEM、TEM和EPR等方法证实了催化剂的成功合成及确定了催化剂的形貌和微观结构。采用UV-vis DRS、PL、EIS和IT等方法证实了CuFeO_(2)@PVP比CuFeO_(2)具有更好的光学性能及光电性能。不同体系下的降解实验结果表明,CuFeO_(2)@PVP的光电催化活性比纯相CuFeO_(2)有明显的提升,反应速率是纯相CuFeO_(2)的1.79倍,去除率相比于单独的吸附、阳极氧化、光催化、电催化和电芬顿体系分别提高了87.9%、68.2%、67.3%、67%和9.8%,说明可见光、电场和异相催化剂间存在协同效应。进一步探究了催化剂投加量、电流密度、溶液pH、共存离子种类对异相光电芬顿体系降解氧氟沙星(OFX)的影响。结果表明,在最佳催化剂投加量为0.4 g/L、最佳电流密度为4 mA/cm^(2)的条件下,CuFeO_(2)@PVP光电Fenton体系在120 min时对10 mg·L^(-1)OFX的降解率达到94.3%。pH在5-9之间时对OFX的降解呈现抑制作用,pH在3-3.6之间时降解效果基本持平。溶液中的Cl-对OFX的降解起到轻微的促进作用,而NO_(3)^(-)、PO_(4)^(3-)和CO_(3)^(2-)会抑制体系对OFX的降解。此外,5次循环降解实验后,CuFeO_(2)@PVP的降解效率降低了13.8%,表明其具有良好的稳定性。自由基淬灭实验和电子顺磁共振结果表明·OH是最主要的活性自由基并基于上述结果推测出可能的降解机理。 展开更多
关键词 cufeo_(2)@pvp 氧空位 光电芬顿 氧氟沙星 降解机理
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负载CuFeO_(2)生物炭活化过硫酸盐降解土壤中抗生素
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作者 李祥华 唐晓丹 +4 位作者 孟凡甜 马莉 王思豫 马双龙 裴晨浩 《环境科学与技术》 CAS 2024年第7期99-111,共13页
文章采用一步水热法在生物炭(BC)上负载CuFeO_(2)纳米颗粒,制备了CuFeO_(2)/BC催化剂用于活化过硫酸盐(PS),研究了CuFeO_(2)/BC/PS体系在修复磺胺嘧啶(SDZ)污染土壤中的应用,考察了催化剂浓度、PS浓度、初始pH和不同土壤类型等关键因素... 文章采用一步水热法在生物炭(BC)上负载CuFeO_(2)纳米颗粒,制备了CuFeO_(2)/BC催化剂用于活化过硫酸盐(PS),研究了CuFeO_(2)/BC/PS体系在修复磺胺嘧啶(SDZ)污染土壤中的应用,考察了催化剂浓度、PS浓度、初始pH和不同土壤类型等关键因素对SDZ降解的影响。结果表明,与纯CuFeO_(2)相比,CuFeO_(2)/BC具有更好的催化性能和PS利用效率,在CuFeO_(2)/BC用量为8 g/kg,PS加入量为3 g/kg的条件下,120 min内可以去除土壤中91.72%的SDZ(初始浓度为20 mg/kg)。通过淬灭实验和电子顺磁共振(EPR)测试,揭示了CuFeO_(2)/BC/PS体系主要通过自由基路径降解SDZ。结果表明,活性物质(SO_(4)^(·-)、HO·、O_(2)^(·-))参与了SDZ的降解,弱EPR信号证实了^(1)O_(2)的存在但并不参与SDZ的降解。此外,通过自由基探针得到了HO·和SO_(4)^(·-)的稳态浓度,由此计算得到SO_(4)^(·-)、HO·、O_(2)^(·-)对SDZ的降解的贡献率分别为43.89%、32.87%、23.24%。X射线光电子能谱分析表明,Cu^(+)/Cu^(2+)和Fe^(2+)/Fe^(3+)氧化还原循环的协同作用可能是催化体系高效的主要原因。研究结果有助于深入理解CuFeO_(2)/BC/PS的非均相活化体系对土壤中SDZ的去除过程。 展开更多
关键词 生物炭 铁酸亚铜 过硫酸盐 高级氧化 土壤
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Triggering heteroatomic interdiffusion in one-pot-oxidation synthesized NiO/CuFeO_(2) heterojunction photocathodes for efficient solar hydrogen production from water splitting 被引量:3
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作者 Fei Han Wei Xu +4 位作者 Chun-Xu Jia Xiang-Tao Chen Ying-Peng Xie Chao Zhen Gang Liu 《Rare Metals》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第3期853-861,共9页
Delafossite CuFeO_(2) is a promising photocathode material for cost-efficiently photoelectrochemical(PEC)water splitting,but the unfavorable conductivity and fast recombination dynamics of photogenerated carriers limi... Delafossite CuFeO_(2) is a promising photocathode material for cost-efficiently photoelectrochemical(PEC)water splitting,but the unfavorable conductivity and fast recombination dynamics of photogenerated carriers limit its PEC activity for water reduction.Here,we developed a heterostructure photocathode consisting of the Cu-doped NiO(Cu:NiO)hole selective layer(HSL)and Ni-doped CuFeO_(2)(Ni:CuFeO_(2))active layer by simply annealing a homogeneous Cu-Fe oxalate layer grown on the Ni film deposited on the fluorine doped tin oxide(FTO)substrate.The obtained heterostructure of Cu:NiO/Ni:CuFeO_(2) with enhanced charge carrier transportability and high-quality interface greatly promotes the separation of photogenerated carriers.Accordingly,the Cu:NiO/Ni:CuFeO_(2) photocathode exhibits a high photocurrent density of~0.9 mA·cm^(-2 )at 0.2 V(vs.reversible hydrogen electrode,RHE),outperforming most of the reported bare CuFeO_(2) photocathodes in the literature.And the photocurrent density can be further improved to 1.2 mA·cm^(-2) after decorating NiSx cocatalyst. 展开更多
关键词 Photoelectrochemical(PEC)water splitting NiO/cufeo_(2)hybrid photocathode Heteroatomic interdiffusion
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异相类Fenton催化剂CuFeO_(2)的制备及其对水中氧氟沙星的降解性能
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作者 张立东 霍思月 +1 位作者 李杰 高孟春 《环境工程学报》 CAS CSCD 北大核心 2022年第7期2144-2155,共12页
以三水合硝酸铜、九水合硝酸铁分别作为铜源和铁源,通过简单的一步水热法合成纯3R相结构CuFeO_(2)催化剂。通过X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜和高分辨透射电镜对其晶格结构和形貌进行了表征,构建了CuFeO_(2)/H_(2)O_(2)体系对目标污... 以三水合硝酸铜、九水合硝酸铁分别作为铜源和铁源,通过简单的一步水热法合成纯3R相结构CuFeO_(2)催化剂。通过X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜和高分辨透射电镜对其晶格结构和形貌进行了表征,构建了CuFeO_(2)/H_(2)O_(2)体系对目标污染物氧氟沙星(OFX)进行降解,考察了不同催化剂投加量、H_(2)O_(2)浓度、溶液pH等参数对OFX降解效果的影响。结果表明,在催化剂投加量为1.1 g·L^(-1)、H_(2)O_(2)浓度为15 moL·L^(-1)以及pH=3.65的条件下,反应300 min后,CuFeO_(2)/H_(2)O_(2)体系对10 mg·L^(-1)OFX的降解率高达93.8%;此外,CuFeO_(2)催化剂在活化H_(2)O_(2)降解OFX过程中具有良好的稳定性,经5次降解后的降解率仅降低了8.1%;自由基捕获实验和电子自旋共振波谱测试结果表明CuFeO_(2)/H_(2)O_(2)体系中·OH是主要的活性自由基;降解反应前后CuFeO_(2)的X射线光电子能谱表征结果表明,Cu^(+)和Fe^(3+)的相对含量均有不同程度的降低,表明CuFeO_(2)中的Fe和Cu双活性位点在异相类Fenton反应中均起着重要的作用。最后,通过质谱鉴定了OFX的降解产物,并在此基础上提出了可能的降解路径。 展开更多
关键词 异相催化剂 cufeo_(2) 类FENTON反应 氧氟沙星 降解性能
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