Si掺杂对Ga_(2)O_(3)/BP异质结光电性能调控的第一性原理研究

近年来,氧化镓(Ga_(2)O_(3))是新一代超宽禁带(4.9 eV)半导体,基于优越的热稳定和化学稳定性、高击穿场强和可见光透过率等优点,在日盲紫外探测器和透明光电器件领域中引起了广泛的关注.但是,Ga_(2)O_(3)基光电器件存在迁移率较低而限制其应用的现象,而构建合适的Ga_(2)O_(3)异质结是改善光电探测器的光电性能的有效手段之一.基于第一性原理构建β-Ga_(2)O_(3)/BP异质结模型,研究了氧空位(Vo)和Si掺杂对β-Ga_(2)O_(3)/BP异质结光电性质的调控以及相关机理.结果显示:β-Ga_(2)O_(3)/BP异质结结构有效降低β-Ga_(2)O_(3)功函数,提高灵敏度,Si掺杂降低结合能,增强稳定性;β-Ga_(2)O_(3)/BP异质结有效减小带隙,Si掺杂以及氧空位的存在,进一步减小带隙,增强光导电性,并且Si掺杂引起了光电导各向异性.此结果对改善Ga_(2)O_(3)基异质结光电性能提供理论参考.

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.

二维半导体异质结MoS_(2)/MoSe_(2)中一维量子阱形成机制的电子显微学研究

本文使用两步化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)成功合成了单层二维半导体MoS_(2)/MoSe_(2)面内异质结,通过扫描透射电子显微学(scanning transmission electron microscopy,STEM)对异质结中不同类型的量子阱进行了原子尺度结构和局域应力分析,探索了二维半导体材料中,不同结构特征处诱导形成一维量子阱结构的机理。主要包括:(1)晶格失配的二维半导体异质结界面处周期性位错阵列诱导形成的量子阱超晶格;(2)二维半导体晶格内非60°晶界所包含的周期性位错诱导形成周期可控的量子阱超晶格;(3)由连续4|8元环结构组成的60°晶界诱导形成的超长单一量子阱结构。

CdS/Nb_(2)O_(5)异质结材料的制备、表征及光催化降解环丙沙星研究

采用水热法制备了CdS/Nb_(2)O_(5)纳米复合材料,利用X-射线衍射光谱(XRD)、透射电镜(TEM)、红外光谱(FT-IR)、X-射线光电子能谱(XPS)和紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)对制备的材料进行表征。通过可见光下降解环丙沙星评价材料的光催化活性。结果表明,制备的CdS/Nb_(2)O_(5)纳米复合材料由CdS纳米颗粒分散于Nb_(2)O_(5)纳米笼表面,二者形成紧密的Ⅱ型异质结;CdS的引入增强了Nb_(2)O_(5)的可见光吸收性能,同时提高了光生载流子的分离效率;当CdS的含量为15%时,CdS/Nb_(2)O_(5)可在60 min实现环丙沙星的高效降解,其反应速率常数是CdS的7.5倍,Nb_(2)O_(5)的20倍,空穴是该降解反应的主要活性物种,研究结果为抗生素废水的高效治理提供了一条新思路。

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%。

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。

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。

Z型异质结Cu_(2)O/Bi_(2)MoO_(6)的构建及光催化降解性能

通过水热法制备出一系列Z型异质结Cu_(2)O/Bi_(2)MoO_(6)新型光催化剂。采用扫描电子显微镜、粉末X射线衍射、红外光谱、紫外可见吸收光谱等表征手段研究了催化剂的形貌、结构性质和光电化学性质,并以四环素(TC)为降解目标污染物,进一步探究了其催化效率。实验结果表明,Cu_(2)O的加入提高了复合催化剂的光催化性能,其中20%Cu_(2)O/Bi_(2)MoO_(6)复合催化剂(Cu_(2)O和Bi_(2)MoO_(6)的质量比为20%)降解效果最好,100 min内可降解95%的TC。Cu_(2)O与Bi_(2)MoO_(6)之间的协同作用使其可以吸收更多的可见光,所构建的Z型异质结改变了电子转移途径,提高了电子与空穴的分离效率,光催化活性显著提高。通过自由基捕获实验和能带结构,分析了Z型异质结Cu_(2)O/Bi_(2)MoO_(6)复合催化剂光催化降解TC可能的机理。

MoS_(2)/F-TiO_(2)异质结的制备及光降解罗丹明B性能研究

构建异质结型光催化剂是提高半导体光催化性能的有效方法之一,同时也是光催化处理有机废水的重要技术策略.采用沉淀胶溶法制备出F-TiO_(2),并与MoS_(2)复合构建兼具吸附-光催化性能的MoS_(2)/FTiO_(2)异质结.采用扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、紫可见吸收光谱(UV-Vis-Abs)、X射线光电子能谱仪(XPS)等技术分别对MoS_(2)/FTiO_(2)复合材料进行表征,研究了MoS_(2)/F-TiO_(2)的光催化性能.结果表明,1.0%MoS_(2)/F-TiO_(2)在降解有机污染物罗丹明B(RhB)溶液过程中表现出优异的光催化活性和稳定性.MoS_(2)和F-TiO_(2)形成异质结催化剂有效抑制光生载流子复合,提高光生电子和空穴分离率和寿命,从而产生更多羟基自由基和超氧自由基以提高光催化效率;并且1.0%MoS_(2)/F-TiO_(2)异质结具有较大的比表面积,可增加催化反应的活性位点和有机物在材料表面的吸附,使其35 min后降解率高达95.73%,显著高于纯TiO_(2)和F-TiO_(2).此外,MoS_(2)/FTiO_(2)复合材料具有良好的循环稳定性,经过5次重复降解测试,其对RhB的降解率仍保持在90%以上.

TiO_(2)/WO_(3)异质结构建及其光电性能研究

分别以钨酸钠和钛酸四异丙酯为原料,通过溶胶-凝胶法制备了纳米WO_(3)及TiO_(2)胶体,并将两种材料按照一定比例进行复配和煅烧,制备了TiO_(2)与WO_(3)的异质节型光催化材料。循环伏安测试表明制备的材料具有较好的电化学性能。光催化测试表明,TiO_(2)与WO_(3)摩尔比为1∶10的复合材料显示出最好的光催化性能,其对亚甲基蓝的降解率为73.7%,是纯WO_(3)的1.52倍。

WO_(2)/Ag_(3)VO_(4)Z型异质结的构建及其光催化性能

利用水热法和超声辅助沉淀法制备了Z型异质结WO_(2)/Ag_(3)VO_(4)复合光催化剂。采用多种表征手段对其晶体结构、形貌和性能进行了表征,并以盐酸四环素(TCH)为降解对象考察了WO_(2)/Ag_(3)VO_(4)复合催化剂的光催化活性。结果表明:简单斜方的WO_(2)负载在单斜相的Ag_(3)VO_(4)表面,形成Z型异质结结构,这种结构以及Ag_(3)VO_(4)光腐蚀产生的Ag0,能加速无效电子-空穴对的复合,促进有效光生载流子的分离,提升WO_(2)/Ag_(3)VO_(4)复合催化剂的可见光催化活性;WO_(2)/Ag_(3)VO_(4)复合催化剂对TCH的降解效果明显优于纯WO_(2)和Ag_(3)VO_(4),其中5 wt%WO_(2)/Ag_(3)VO_(4)的效果最好,可见光下3 h对TCH的降解率可达85.8%,且降解过程符合一级动力学反应模型。

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p-n异质结CuO/TiO_(2)复合物高效的载流子分离能力构建超灵敏AFP光电化学分析

将TiO_(2)纳米粒子与Cu(pta)MOFs复合,通过高温煅烧策略制得CuO/TiO_(2)复合物.在最优实验条件下,基于复合物对可见光更强的吸收利用效率,CuO/TiO_(2)修饰的ITO电极展现出显著的光电化学(PEC)响应信号,其光电流值(59.4μA)分别是单组分TiO_(2)和CuO粒子的15.5和7.4倍.线性扫描伏安法(LSV)测试结果证实CuO/TiO_(2)/ITO电极比CuO和TiO_(2)材料具有更大的LSV响应强度.这可归因于获得的薄片层状CuO粒子及其兼有的多孔隙特征促进了光的多重散射/反射效应,同时CuO/TiO_(2)复合材料具有的典型p-n异质结构(能级带隙匹配)大幅促进了光生电荷载流子(e^(-)/h^(+))的分离与转移.选用戊二醛(GA)作为交联手臂分子,通过温和的醛胺反应将壳聚糖(CS)和anti-AFP抗体组装于CuO/TiO_(2)/ITO电极表面,再用牛血清蛋白(BSA)封闭活性位点,构建出PEC传感平台(BSA/anti-AFP/GA-CS/CuO/TiO_(2)/ITO),实现了对不同浓度甲胎蛋白(AFP)的高灵敏检测(检出限达到2.63×10^(-4) ng/mL).制备的传感电极同时展示出良好的稳定性和选择性.

内电场增强管状Z型In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)异质结的可控合成及光催化性能

构建具有特殊形貌和增强内电场的异质结材料可以有效提高光催化剂的光生电子-空穴对的分离效率,从而提升光催化活性。采用两步溶剂热+热解可控合成了金属有机骨架(MOFs)衍生的Z型In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)异质结,利用表征分析、光催化降解实验对构建的异质结物相、形貌、光学特性和活性进行了系统研究。结果表明,管状形貌的In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)具有强的光吸收响应,在In_(2)O_(3)和In_(2)S_(3)界面处形成的强内电场抑制了光生电子-空穴对的复合。在可见光照射下,质量比1∶1的In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)表现出最优异的光催化活性,在60 min内对盐酸四环素(TCH)的降解率达到68.44%,反应动力学常数分别比In_(2)O_(3)和In_(2)S_(3)提高了29.8和3.2倍,经3次循环表现出良好的稳定性。电化学测试和自由基捕获试验表明,In_(2)O_(3)/In_(2)S_(3)异质结内电场强度相比In_(2)O_(3)和In_(2)S_(3)分别提高了3.89和2.42倍,超氧自由基(·O_(2)^(-))和空穴(h^(+))是光催化过程中主要活性物质。该研究为强内电场异质结的高效光催化剂可控合成提供了一种有效策略。

Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S S型异质结的构筑及其光解水产氢性能研究

采用超声辅助研磨煅烧法制备了Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S S型异质结光催化剂,通过X射线粉末衍射仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、固体紫外漫反射等测试技术表征了样品的物相、形貌、化学元素组成以及光吸收能力等物理化学性质。在可见光加近红外光照射下进行了光催化析氢性能测试,结果表明,Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S复合材料的光解水产氢性能均优于纯相的Mn_(0.3)Cd_(0.7)S和Cu_(3)Mo_(2)O_(9),其中Cu 3Mo 2O 9的质量分数为1%的Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S显示出最佳的产氢速率(1.554 mmol·h^(-1)·g^(-1)),是Mn 0.3 Cd_(0.7)S的5.5倍。且经过四次循环实验后仍保持较好的光催化活性。此外,根据电化学测试以及红外热成像结果提出了合理的机理,Cu 3Mo 2O 9的光热效应与S型异质结的协同作用是Cu_(3)Mo_(2)O_(9)/Mn_(0.3)Cd_(0.7)S光催化活性提高的关键。

高性能PtS_(2)/MoTe_(2)异质结红外光电探测器

由于光电探测器的工作性能直接关系到系统数据采集质量,为此,对高性能PtS_(2)/MoTe_(2)异质结红外光电探测器进行了研究。通过选取材料、试剂和设备制作了PtS_(2)/MoTe_(2)异质结红外光电探测器。搭建探测器性能测试环境,并利用光响应度、探测率、响应时间和光电导增益4个指标,分析探测器性能。结果表明,随着测试时间的推移,PtS_(2)/MoTe_(2)异质结红外光电探测器的光响应度数值始终处于5 A/W限值以上;无论对采集何种材质反射的红外光,探测器探测率均大于10 cm·Hz1/2 W^(-1);无论光生电流是处于上升还是下降时间,其响应时间始终在限值150μs以下;光电导增益值保持在80%以上。

NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结构筑及高效光催化产氢

有机框架化合物因分子水平结构可控、大的比表面积、高孔隙率、分散的化学活性位点以及良好稳定性等优点,在光催化解水制氢方面具有较大的应用潜力。采用溶剂热法,在共价有机框架PyPD-COF的合成过程中引入金属有机框架NH_(2)-UiO-66,原位形成NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结。通过TEM、EDS、XPS、FTIR、UV-Vis和光电流测试分析,光催化性能测试等手段对样品进行表征,构筑的NH_(2)-UiO-66/PyPD-COF异质结不仅可以保留原始MOF及COF组分的优良特性,还可在异质界面形成键连,利于促进界面间电荷迁移,降低电子-空穴复合率,提升光催化产氢效率至20.68 mmol·h^(-1)·g^(-1),分别为原始NH_(2)-UiO-66和PyPD-COF的86倍和3倍。同时,界面处的共价键键连使得复合样品具有良好的制氢稳定性,这为构筑高效光催化分解水产氢异质结光催化剂提供了一种新的策略。

Ⅱ/Z型Bi_(2)MoO_(6)/Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)异质结可见光催化降解四环素

构建异质结能够有效抑制光催化剂中光生电子和空穴的快速复合。本研究采用水热法、煅烧法以及溶剂热法合成了Ⅱ/Z型Bi_(2)MoO_(6)/Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)异质结光催化剂,利用不同研究手段分析材料的组成、形貌以及光电化学性能。结果发现,复合材料的最佳组成为25%ABOBM(Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)和Bi_(2)MoO_(6)的质量比为1:4)。在可见光照射下25%ABOBM对四环素(TC)的降解效率可达85.6%,明显高于Ag_(2)O/Bi_(2)O_(3)和Bi_(2)MoO_(6),而且三次循环实验后仍具有良好的稳定性。25%ABOBM光催化性能的提高可归因于Ag_(2)O、Bi_(2)O_(3)以及Bi_(2)MoO_(6)之间异质结的构建和特殊形貌的形成。自由基捕获实验和电子顺磁共振谱(EPR)结果表明,h+和·O2-在TC的降解过程中发挥着主要作用,而·OH和1O2发挥着次要作用。实验还探索了相关光催化机理,并利用液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)对TC可能的降解路径进行了分析。本研究为双异质结光催化剂的制备及其在有机污染物降解应用方面提供了新的思路。

ZnCoP/CdLa_(2)S_(4)肖特基异质结的构建促进光催化产氢

采用异质结光催化剂来光催化产氢被认为是一种解决环境和能源危机的有效方法。本文采用水浴加热辅助的物理混合法制备了ZnCoP/CdLa_(2)S_(4)肖特基异质结,以提高光催化产氢的效率。由于ZnCoP具有较高的功函数和金属导电性,光生电子可以通过ZnCoP/CdLa_(2)S_(4)界面从CdLa_(2)S_(4)转移到ZnCoP上,从而抑制了光生电子与空穴的复合。此外,在ZnCoP与CdLa_(2)S_(4)的界面处形成的肖特基异质结抑制了电子从ZnCoP回流到CdLa_(2)S_(4),进一步促进了电子-空穴对的分离。同时,与CdLa_(2)S_(4)相比,ZnCoP/CdLa_(2)S_(4)异质结具有更强的可见光吸收性能。此外,ZnCoP可作为电子受体和产氢的活性位点。紧密的ZnCoP/CdLa_(2)S_(4)界面、ZnCoP较高的功函数和金属电导率与肖特基结之间的协同作用显著增强了CdLa_(2)S_(4)光催化产氢的性能。当ZnCoP的质量分数为30%时,30ZCP/CLS复合材料具有最佳的光催化性能,在可见光照射下,以Na2S和Na2SO3为牺牲剂时,光催化产氢的速率达到10.26 mmol·g^(-1)·h^(-1),是CdLa_(2)S_(4)的7.7倍。结合活性数据和表征结果,提出了ZnCoP/CdLa_(2)S_(4)肖特基异质结光催化产氢可能的反应机理。

Mo-Zn_(0.5)Cd_(0.5)S@NiCo_(2)S_(4)掺杂-异质结体系的制备及其双功能光催化性能研究

采用溶剂热与水热法制备了Mo-Zn_(0.5)Cd_(0.5)S@NiCo_(2)S_(4)掺杂-异质结光催化剂,系统表征了光催化剂的晶体结构、元素组成、微观形貌和光电性能,通过差分电荷密度的计算并阐释了电子转移方向。结果表明,Mo的掺杂改变了Zn_(0.5)Cd_(0.5)S的晶格和能带结构,异质结的构筑增加了光催化活性位点,加快了电子转移速率。在可见光照射下,通过降解四环素(TC)溶液同时产氢来考察双功能光催化剂的活性。60 min内,TC的降解率可达75%,氢气产量达1146.72μmol/g/h。