S型异质结光催化剂ZnFe_(2)O_(4)/WO_(3)的构筑及光催化还原CO_(2)性能

通过在WO_(3)纳米片表面负载ZnFe_(2)O_(4)纳米颗粒,构建了一系列S型异质结光催化剂ZnFe_(2)O_(4)/WO_(3),并研究了其光催化CO_(2)还原性能。在没有助催化剂和牺牲剂的条件下,所制备的ZnFe_(2)O_(4)/WO_(3)复合材料可对CO_(2)与水蒸汽进行光催化反应。优化后的材料光照5 h后CO_(2)还原产物CO和CH_(4)的产量分别为7.87和4.88μmol·g^(-1)。相对于单相组分,CO和CH_(4)的产量明显提高。光催化活性的提高,归因于ZnFe_(2)O_(4)和WO_(3)异质结的形成以及光生载流子的S型电荷传输模式。

Co_(3)O_(4)/Fe_(2)O_(3)异质结复合材料的制备及其紫外光光电探测性能

分别采用旋涂法和水热法在FTO衬底上制备Co_(3)O_(4)种子层和Co_(3)O_(4)薄膜,再在Co_(3)O_(4)薄膜上水热生长Fe_(2)O_(3)纳米棒,获得了高质量的Co_(3)O_(4)/Fe_(2)O_(3)异质结复合材料。通过改变Fe_(2)O_(3)前驱体溶液浓度来改变异质结复合材料中Fe_(2)O_(3)组分的含量。结果表明,Fe_(2)O_(3)纳米棒覆盖在呈网状结构的Co_(3)O_(4)薄膜上,随着Fe_(2)O_(3)前驱体溶液浓度即Fe_(2)O_(3)组分含量的增加,Co_(3)O_(4)/Fe_(2)O_(3)异质结复合材料对紫外光的响应逐渐增强,当Fe_(2)O_(3)前驱体溶液浓度为0.015mol/L时,异质结复合材料有着很好的光电稳定性,并表现出较高的响应率(12.5mA/W)和探测率(4.4×10^(10)Jones)。

基于VO_(2)相变调控的Ga_(2)O_(3)/VO_(2)异质结器件建模与仿真

利用COMSOL multiphysics软件对基于Ga_(2)O_(3)/VO_(2)的异质结光电器件进行了二维物理仿真。分析并报道了基于VO2相变调控的Ga_(2)O_(3)/VO_(2)异质结光电器件的掺杂曲线、能级图、电场分布与电势分布等。探索了器件在光电探测器方面的应用,通过模拟器件在1 V偏压和10μW的光照条件下峰值响应率为0.068 A/W,抑制比(R250 nm/R450 nm)达到105量级。该模拟计算数据为进一步优化Ga_(2)O_(3)/VO_(2)光电二极管实验研究和应用有所裨益。

Ga_(2)O_(3)基新型结构光电探测器的制备与测试

由于衬底的限制,目前Ga_(2)O_(3)基垂直结构器件的研究仍然十分有限,这极大地制约了新型多样化Ga_(2)O_(3)基器件的发展。本文采用先进的湿法转移技术和激光分子束外延(laser molecular beam epitaxy,L-MBE)技术,解决无法在MoTe_(2)生长单一取向Ga_(2)O_(3)薄膜的问题,成功制备出高性能的Ga_(2)O_(3)/MoTe_(2)异质结光电探测器,并对其光电性能进行了系统测试与分析。结果显示,该探测器具有出色的整流特性,其雪崩增益、响应度及外量子效率在-51 V反向偏压下分别达到171.767、183.348 A/W和(8.966×10^(4))%,展现出在日盲光电探测领域的巨大应用潜力。本研究不仅为制备高性能光电探测器提供了新方法,也为新型光电材料和器件结构的探索提供了重要参考。

ε-Ga_(2)O_(3)/4H-SiC异质结的能带排列分析

本文利用X射线光电子能谱法(XPS)研究了ε-Ga_(2)O_(3)/4H-SiC异质结的能带排列(band alignment)。实验所用的样品均采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)制得。通过紫外-可见吸收光谱测量,得到SiC和Ga_(2)O_(3)的光学带隙分别为3.29 eV与4.80 eV。Ga_(2)O_(3)/SiC界面的价带偏移量与导带偏移量分别为0.61 eV和0.9 eV。Ga_(2)O_(3)/SiC异质结表现为Ⅰ型能带排列。

Co_(3)O_(4)/MoS_(2)@TM异质结电极的制备及其析氧性能研究

电解水是一项有前景的大规模生产绿色氢能的技术。然而由于析氧反应(OER)的内在动力学缓慢,阻碍了这种能量转换技术的发展。这就需要高活性且稳定的电催化剂。因此本文采用简单的两步水热合成法在钛网上构筑了具有自支撑的异质结构Co_(3)O_(4)/MoS_(2)。所制备的Co_(3)O_(4)/MoS_(2)异质结催化剂在1 M KOH溶液中具有优异的OER催化性能,当电流密度达到10 mA·cm-2时,所需过电势为306 mV,相应的塔菲尔(Tafel)斜率为51 mV dec-1。催化剂表现出优异的OER催化活性源于异质结构以及Co_(3)O_(4)和MoS_(2)的协同作用。本工作为合理设计高效、低廉的复合型催化剂提供了有效的策略。

基于Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料的自供能紫外探测器的制备及性能研究

为了获得高性能的自供能紫外探测器,结合热聚法和溶液法成功制备了Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)复合材料,并对其微观形貌、晶体结构、元素组成及价态进行了表征。结果表明,Bi_(2)O_(3)呈蜂窝状结构的块体,其附着在具有层状结构的g-C_(3)N_(4)纳米片上。基于该异质结制备了无需外加偏压即能工作的紫外探测器。在紫外光照射下,Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)光电探测器能够立即产生光电流并达到最大稳定值约0.43μA,相比于Bi_(2)O_(3)纳米块紫外探测器,其光电流提升了约1.05倍。值得注意的是,Bi_(2)O_(3)/g-C_(3)N_(4)紫外探测器还展现出了快的响应速度(约181.7 ms),并且其光电流与入射光强也具有良好的线性关系,表明该器件对不同强度的紫外光均能实现快速且稳定的探测。

CaFe_(2)O_(4)/WO_(3)异质结光催化剂的制备及对亚甲基蓝的降解

通过水热合成和热处理相结合的方法制备p-n型CaFe_(2)O_(4)/WO_(3)异质结复合材料。采用XRD、SEM、TEM、EDS、BET及UV-Vis-DRS对材料结构和性能进行表征和测试,并研究了水溶性染料亚甲基蓝(Methylene blue)的光催化降解。结果表明:相对于单相WO_(3),p-n型CaFe_(2)O_(4)/WO_(3)复合材料的响应范围明显地扩展到更高波长的可见光区,能高效地实现光催化降解有机染料亚甲基蓝。CaFe_(2)O_(4)/WO_(3)质量比为5%的CaFe_(2)O_(4)/WO_(3)复合材料比表面积为19.7 m^(2)/g,孔径分布在20~150 nm之间;在模拟可见光降解50 mg/L的亚甲基蓝实验中,其在6 h内的降解率达到了90%,重复3次的光催化降解率仍有86%,降解反应速率常数k_(a)为0.180 h^(-1),显示出优异的光催化降解能力和循环稳定性。降解机理研究表明,WO_(3)和CaFe_(2)O_(4)之间的价带和导带关系满足能级匹配条件,可形成p-n型CaFe_(2)O_(4)/WO_(3)异质结,从而提高复合材料的光催化活性。

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。

Z型异质结Fe_(3)O_(4)@MoS_(2)@SDS光催化降解抗生素的研究

通过超声的方法将十二烷基硫酸钠(SDS)修饰至Fe_(3)O_(4)@MoS_(2)表面,得到Z型异质结Fe_(3)O_(4)@MoS_(2)@SDS光催化剂,考察了Fe_(3)O_(4)@MoS_(2)@SDS光催化降解四环素(TC)的降解率。结果表明,在光照2 h后,Fe_(3)O_(4)@MoS_(2)@SDS对TC的去除率达到89.7%,远高于Fe_(3)O_(4)@MoS_(2)(57.6%)、MoS_(2)(43.4%)、Fe_(3)O_(4)(26.7%);Fe_(3)O_(4)@MoS_(2)@SDS对TC的光降解过程符合一级动力学。在TC的光降解过程中h^(+)、·O_(2)^(-)、·OH活性自由基均发挥了作用,且h^(+)、·O_(2)^(-)在降解TC时起主要作用。Fe_(3)O_(4)@MoS_(2)@SDS属于Z型异质结,该结构有效加速了光生电子和h^(+)的转移和分离效率。

Ti^(4+)掺杂制备花状SnO_(2)/Sn_(3)O_(4)异质结微米球及其光催化性能

通过水热法制备了由层状纳米片堆叠而成的花球状Sn_(3)O_(4)及x%Ti⁃SnO_(2)/Sn_(3)O_(4)(x%为Ti与Sn的物质的量之比)。采用X射线粉末衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱、红外光谱和光电流响应等物理化学方法对合成的样品进行表征分析。结果表明,由于Ti^(4+)电负性及离子半径与Sn4+相似,可以很好地进入Sn_(3)O_(4)晶格中替代Sn4+形成替代掺杂,但不引起大的晶格畸变。同时,掺入Ti^(4+)后使得一部分Sn4+直接与O结合生成纳米球状SnO2颗粒分散覆盖在Sn_(3)O_(4)表面,形成SnO_(2)/Sn_(3)O_(4)异质结。光催化活性表明,x%Ti⁃SnO_(2)/Sn_(3)O_(4)不仅具有较强的还原Cr^(6+)能力,而且拥有氧化降解有机污染物甲基橙和酸性橙Ⅱ的能力。催化活性的增强归因于x%Ti⁃SnO_(2)/Sn_(3)O_(4)具有比较大的比表面积和更强的光吸收,同时SnO_(2)/Sn_(3)O_(4)异质结的生成有效地提升了光生电子与空穴的分离效率。

超薄SnO_(2)/Ga_(2)O_(3)/SnO_(2)异质结构的原子尺度表征与热稳定性研究

本文通过化学气相沉积法制备出Ga_(2)O_(3)@SnO_(2)核壳结构纳米线,利用透射电子显微技术得到Ga_(2)O_(3)和SnO_(2)的取向关系:[001]_(SnO_(2))//[010]_(Ga_(2)O_(3)),(020)_(SnO_(2))//(202)_(Ga_(2)O_(3)),并在原子尺度解析了Ga_(2)O_(3)@SnO_(2)异质结构的相界面;在SnO_(2)壳层中发现了大量(120)_(SnO_(2))面分布的反向畴结构,进一步在畴界处发现了具有三明治结构SnO_(2)/Ga_(2)O_(3)/SnO_(2)超薄异质结,其中Ga_(2)O_(3)层的厚度为0.3 nm;此外,超薄异质结在高温下表现出优异的稳定性。研究结果为超小尺寸异质结的制备与高温下的应用提供了重要参考。

WO_(3)/CuBi_(2)O_(4)异质结的制备及其光电化学性能研究

采用一步水热法在FTO导电玻璃上制备了WO_(3)纳米薄膜,并通过电沉积法在WO_(3)纳米薄膜上生长CuBi_(2)O_(4)制备了WO_(3)/CuBi_(2)O_(4)异质结。利用SEM、XRD、XPS等对WO_(3)/CuBi_(2)O_(4)的形貌和晶体结构进行分析,并对其进行紫外-可见光谱、光电流及交流阻抗等测试。结果表明,WO_(3)/CuBi_(2)O_(4)异质结的可见光吸收范围拓宽,其光电流密度(0.56 mA/cm^(2))为纯WO_(3)(0.22 mA/cm^(2))的2.5倍,ABPE效率提升至0.22%。此外,WO_(3)/CuBi_(2)O_(4)异质结使载流子阻抗降低、迁移率提高,从而提高光电化学性能。

ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结电子输运性质研究

Ga_(2)O_(3)是一种新兴的宽带隙半导体,在电力和射频电子系统中具有潜在的应用前景。前期研究以β-Ga_(2)O_(3)为主,并且已经对β-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/Ga_(2)O_(3)异质结构中的二维电子气(2DEG)进行了理论计算,本文主要研究ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)作为势垒层对ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结电子输运性质的影响,首先介绍了ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结的结构和性质,分析计算了由于ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结的自发极化和压电极化所产生的极化面电荷密度,以及极化对2DEG浓度产生的影响,接着分析了在不同Al摩尔组分下,ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)势垒层厚度与合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射之间的关系。最后通过计算得出结论:界面粗糙度散射和极性光学声子散射对ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)/ε-Ga_(2)O_(3)异质结的电子输运性质有重要影响,合金无序散射对异质结的输运性质影响较小;2DEG浓度、合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射的电子迁移率强弱由ε-(Al_(x)Ga_(1-x))_(2)O_(3)势垒层的厚度和Al摩尔组分共同决定。

贵金属沉积对Ga_(2)O_(3)光催化降解有机染料的影响

采用沉积沉淀法成功将Au、Ag、Pd、Rh和Ru 5种贵金属元素负载在棒状Ga_(2)O_(3)材料上,表征了负载前后催化剂的形貌结构和物化性质,并考察了其在不同光源下降解有机染料的性能。在300 W氙灯的照射下,Ag负载Ga_(2)O_(3)表现出最佳的光催化活性,反应12 min后降解83%的有机染料(IC,50 mg/L),速率常数为0.14 min^(-1);在10 W可见光照射下的速率常数可达0.084 min^(-1)。此外,Ga_(2)O_(3)-Ag催化剂对其他有机染料(MO、MB、MV和RhB,10 mg/L)也表现出良好的光降解活性。紫外可见漫反射光谱、光电流瞬态响应和光致荧光发光光谱等测试结果表明,Ag负载增强了Ga_(2)O_(3)催化剂对可见光的吸收能力,提高了光生载流子的分离效率,进而显著提升了光催化性能。

SiC衬底上β-Ga_(2)O_(3)薄膜生长及p-SiC/n-β-Ga_(2)O_(3)异质结光伏特性

本文采用脉冲激光沉积(PLD)技术在p型4H-SiC衬底上,制备出沿(403)择优生长的β-Ga_(2)O_(3)薄膜。结果表明,衬底生长温度对β-Ga_(2)O_(3)薄膜的形貌、结构、组分,以及生长机理都有重要影响。当生长温度由300℃升高至500℃时,薄膜结晶质量随生长温度升高而提高,当温度进一步升高到600℃时,薄膜结晶质量变差,这是由于在相对低温(500℃以下)阶段,生长温度越高,沉积在衬底上原子的动能越大,越容易迁移,使得β-Ga_(2)O_(3)薄膜主要按照二维生长模式进行生长,薄膜结晶质量提高,表现为随着生长温度升高,粗糙度降低。但当温度上升到600℃时,由于4H-SiC衬底和β-Ga_(2)O_(3)薄膜之间的热膨胀系数存在差异,导致薄膜生长由主要以二维生长模式向三维岛状演变。基于p-4H-SiC/n-β-Ga_(2)O_(3)构筑的异质结太阳电池,其标准测试条件下光电转换效率达到3.43%。

基于Fe_(3)O_(4)/Ti_(3)C_(2)肖特基异质结的构筑及其光催化性能

Fe_(3)O_(4)具有良好的稳定性、窄的带隙以及对太阳光较高的利用率等特点。但是由于其带隙窄、光生电子与空穴的复合速率快等缺点,不利于光催化反应的进行,并且限制了其在光催化领域的发展。通过一步溶剂热法制备Fe_(3)O_(4)/Ti_(3)C_(2)肖特基异质结的复合材料,避免了复杂的制备过程,有效地抑制了Ti_(3)C_(2)的自氧化。通过构筑肖特基异质结,有效地抑制了光生电子与空穴的复合,显著增强其光催化性能。当Fe_(3)O_(4)与Ti_(3)C_(2)摩尔比为0.5∶1时(FT-0.5),对罗丹明B的降解效率可达81%,其反应速率是单一Fe_(3)O_(4)的3.115倍;光电流密度可达2.52μA/cm^(2),是其单一Fe_(3)O_(4)的2.5倍;禁带宽度为1.90 eV,比单一Fe_(3)O_(4)的禁带宽度拓宽0.24 eV。实验结果验证了Fe_(3)O_(4)与Ti_(3)C_(2)形成的肖特基异质结可以显著地提升其光催化性能,这表明优化的光催化材料有着广泛的应用前景。

Sb_(2)O_(3)/BiVO_(4)/WO_(3)异质结构建及光电催化合成过氧化氢

采用溶剂热法-旋涂法构建了Sb_(2)O_(3)/BiVO_(4)/WO_(3)半导体异质结,并采用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱等手段表征了其物化性质。在1.23 V(vs RHE)电位下,BiVO_(4)/WO_(3)的光电流密度相对于BiVO_(4)提高了2倍。进一步复合Sb_(2)O_(3)之后,虽然Sb_(2)O_(3)/BiVO_(4)/WO_(3)薄膜的光电流密度有所下降,但其光电催化产H_(2)O_(2)的法拉第效率和产生速率得到明显提升。在1.89 V(vs RHE)电位下,3c-Sb_(2)O_(3)/BiVO_(4)/WO_(3)薄膜产H_(2)O_(2)的法拉第效率提高到约19%;1c-Sb_(2)O_(3)/BiVO_(4)/WO_(3)薄膜H_(2)O_(2)产生速率从约2.1μmol·h-1·cm^(-2)提高到约3.6μmol·h-1·cm^(-2)。此外,Sb_(2)O_(3)的复合显著提高了BiVO_(4)/WO_(3)电极材料的光电催化稳定性。

In_(2)O_(3)/ZnIn_(2)S_(4)异质结的制备及其降解有机染料性能研究

为了降低光生载流子的复合、提高光催化性能,采用水热晶化法制备了纳米薄片状In_(2)O_(3)与花球状ZnIn_(2)S_(4)异质结催化剂,并应用于光催化降解有机染料罗丹明B。结果表明,相比于纯In_(2)O_(3)和ZnIn_(2)S_(4)催化剂,In_(2)O_(3)/ZnIn_(2)S_(4)催化剂的活性有较大程度的提升;In_(2)O_(3)和ZnIn_(2)S_(4)质量比为1∶1的催化剂具有最好的光催化降解效果,光催化降解135 min时罗丹明B的降解率达到90.0%;其光催化反应的速率常数是纯ZnIn_(2)S_(4)的1.9倍,且符合拟一级动力学。In_(2)O_(3)/ZnIn_(2)S_(4)优异的光催化活性归因于In_(2)O_(3)和ZnIn_(2)S_(4)之间形成了异质结,加速了光生载流子迁移与分离。

全有机S型异质结PDI-Ala/S-C_(3)N_(4)光催化剂增强光催化性能

有机光催化剂以其适宜的氧化还原能带、低成本、高化学稳定性、分子结构和电子结构的可调控性而备受关注。PDI-Ala(N,N’-二(丙酸)-苝-3,4,9,10-四羧酸二亚胺)是一种新型的有机光催化剂,具有较强的可见光响应、低价带位置、强氧化能力等特点。然而,低的光生电荷转移速率和高的载流子复合率限制了它的应用。由于g-C_(3)N_(4)存在芳香杂环结构且PDI-Ala的刚性平面结构存在着离域大π键,g-C_(3)N_(4)和PDI-Ala可以通过π–π相互作用和N―C键紧密结合。通过硫掺杂g-C_(3)N_(4)合成了S-C_(3)N_(4),其能带结构相比于g-C_(3)N_(4)更能与PDI-Ala相匹配。电子离域效应、内建电场和新形成的界面化学键共同促进了PDI-Ala与S-C_(3)N_(4)之间光生载流子的分离与迁移。因此,采用原位自组装的方法制备了一种由有机半导体PDI-Ala和S-C_(3)N_(4)组成的S型(阶梯型)异质结光催化剂。在制备过程中,PDI-Ala通过横向氢键和纵向π–π堆积自组装成超分子。采用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、能谱仪(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UVVis-DRS)、电化学阻抗谱(EIS)、Mott-Schottky曲线(MS)等多种表征方法,对PDI-Ala/S-C_(3)N_(4)光催化剂的晶体结构、形貌、价态、光学性能、稳定性和能带结构进行了系统的分析和研究;利用密度泛函理论(DFT)计算了材料的功函数和界面耦合特性。研究了合成的光催化剂在H2O2生产中的光催化活性以及在可见光照射下对四环素(TC)和对硝基苯酚(PNP)的降解作用。该S型异质结具有能带匹配和紧密的界面结合,加速了分子间的电子转移,拓宽了异质结的可见光响应范围。此外,在PDI-Ala/S-C_(3)N_(4)光催化降解反应过程中,产生并积累了多种活性物种(h^(+)、·O^(-)_(2)和H_(2)O_(2))。因此,PDI-Ala/SC_(3)N_(4)异质结在降解TC、PNP和H_(2)O_(2)生产方面表现出更强的光催化性能。在可见光照射下,30%PDI-Ala/S-C_(3)N_(4)样品在90 min内去除了90%的TC,H_(2)O_(2)的产率为28.3μmol·h^(-1)·g^(-1),分别是PDI-Ala的2.9倍和S-C_(3)N_(4)的1.6倍。结果表明,由苝二酰亚胺(PDIs)基超分子和S-C_(3)N_(4)组成的全有机光催化剂可有效地用于降解有机污染物和生产H_(2)O_(2)。本研究不仅为全有机S型异质结的设计提供了一种新的策略,而且为理解具有有效界面键合的异质结构催化剂的构效关系提供了新的见解和参考。