N,S共掺杂纳米TiO2：水解-溶剂热法合成及可见光催化活性

采用简单的两相分离的水解-溶剂热法,以硫脲为非金属原料,可控地制备了N,S共掺杂的纳米TiO2。所获得的纳米TiO2平均粒径为10 nm、粒径分布集中,且分散性好。N,S共掺杂拓展了纳米TiO2对可见光的响应范围。气氛可控的表面光电压谱(SPS)的测试结果表明,N,S共掺杂引起的表面态能够捕获光生空穴,进而有利于光生电荷分离。在可见光催化氧化水产氧及降解污染物乙醛的过程中,共掺杂的纳米TiO2表现出了高的活性,甚至优越于N掺杂的。这主要归因于N,S共掺杂的纳米TiO2分散性好、可见光吸收强和光生电荷分离高。

高效CdS量子点敏化B/S共掺杂纳米TiO_2太阳能电池的制备及光电性能研究

采用水热法制备硼硫(B/S)共掺杂纳米二氧化钛(B-S-TiO_2),并配制成浆料,利用丝网印刷技术在FTO导电玻璃上制备B-S-TiO_2薄膜;用化学浴沉积(CBD)法制备了CdS量子点敏化B-S-TiO_2薄膜电极,并用X射线衍射(XRD)、电子显微镜(TEM)、元素分析能谱(EDS)和紫外–可见光谱对其进行表征分析;结果显示:B/S共掺杂不会改变TiO_2的晶型,掺杂后的TiO_2吸收边带发生明显红移,吸收强度显著增强;同样用化学浴沉积的方法制备Ni S工作电极,用改性的聚硫化物((CH3)4N)2S/((CH3)4N)2Sn)电解液,组装CdS量子点敏化硼硫(B/S)共掺杂纳米二氧化钛(B-S-TiO_2)太阳能电池,并测试电池光电性能。测试结果表明,在AM1.5G的照射下,电池的能量转化效率(η)由3.21%增大到3.69%,提高了14.9%,电池获得高达(Voc)1.218 V的开路电压和3.42 m A/cm2的短路光电流(Jsc),以及高达88.7%的填充因子(ff)。

Fe、S共掺杂纳米TiO2的制备及性能研究

采用溶胶-凝胶法,以硫脲和三氯化铁为掺杂剂,制备了Fe-TiO2、S-TiO2和S-Fe-TiO2纳米光催化剂。通过XRD、SEM等方法对掺杂纳米TiO2进行了表征,以甲基橙为模型化合物对纳米TiO2粉体的光催化活性进行了评价。结果表明:纯TiO2、掺Fe-TiO2粉体全部为锐钛矿相,S-TiO2粉体中金红石相占8.1%,S-Fe-TiO2粉体中金红石相占26.9%。S和Fe、S共掺杂引起金红石相变温度的降低。掺Fe的纳米TiO2粉体粒子团聚少,分散要均匀,掺S和Fe、S共掺的TiO2粉体颗粒团聚现象较严重。S-TiO2和Fe-TiO2光催化剂在紫外光和日光灯下光催化活性都较好,而Fe-S-TiO2光催化活性没有提高。

N、S共掺杂改性TiO_2的制备及其光催化活性

采用焙烧法制备了具有可见光催化活性的光催化剂SxTi1-xN2-yOy。光电子能谱结果表明SxTi1-xN2-yOy中S是以+6价阳离子的形式存在,其掺杂方式是置换了晶格金属离子Ti4+形成阳离子S6+的掺杂;且由于S6+阳离子的存在,导致N1s出现宽化移动现象,N在掺杂过程中形成了N—C、N—S、N—O及Ti—N键。紫外-可见漫反射及表面光电压谱研究结果表明,SxTi1-xN2-yOy吸收带边为528nm,对应的带-带跃迁能量为2.3eV,具有明显的可见光催化活性,SxTi1-xN2-yOy仍为n型半导体。模拟太阳光下的光催化降解苯甲酸试验表明,SxTi1-xN2-yOy在可见光下具有很好的光催化活性,是未改性TiO2的2.8倍。

Fe/S共掺杂TiO_(2)空心球膜的制备及光催化降解甲醛研究

甲醛是一种常见的室内污染物,对人体健康有极大的危害。以钛酸四丁酯为前驱体,Fe(NO_(3))_(3)和硫脲分别为Fe、S掺杂源,纳米碳球为模板,制备Fe、S共掺杂TiO_(2)空心球(Fe/S-THs)。采用丝网印刷法在牛皮纸载体上制备TiO_(2)空心球(THs)膜,并测试空心球膜对甲醛的光催化降解活性。借助X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱分析仪、比表面积分析仪、紫外-可见漫反射光谱仪对复合膜的结构和形貌进行表征。结果表明,所制备空心球的直径均为200~300 nm,Fe/S-THs具有良好的可见光吸收性能;0.50 Fe/S-THs膜与THs膜相比具有更佳的紫外光、可见光催化降解活性,在可见光照射下经5次循环使用后催化降解率仅下降6%。

甲苯胺蓝自组装的N,P,S共掺杂多孔碳电催化氧化NADH

氧化还原介质甲苯胺蓝(TBO)自组装到N,P,S共掺杂多孔碳(N,P,S@PC)表面,制备了一种新的电化学复合物(N,P,S@PC-TBO)。N,P,S@PC和N,P,S@PC-TBO复合物通过扫描电镜进行表征,两者表面形貌有明显的不同。N,P,S@PC-TBO复合物用来修饰玻碳(GC)电极,具有很高的导电性能。通过循环伏安和安培实验表征N,P,S@PC-TBO/GC电极的电催化行为。实验结果表明,N,P,S@PC-TBO/GC电极具有N,P,S@PC和TBO两者电催化氧化NADH的协同效应。N,P,S@PC-TBO/GC电极检测NADH的线性范围为1×10^(-6)-2×10^(-3)mol/L,检测限为3×10^(-7)mol/L (信/噪=3),响应时间为2 s。因此,制备的N,P,S@PC-TBO/GC电极为NADH的检测提供了较好平台。

第一性原理计算Zr/S共掺杂锐钛矿相TiO_2的电子结构

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法对Zr/S共掺杂锐钛矿相TiO2的晶格参数、电荷布居、能带结构、电子分态密度和吸收光谱进行了计算.计算结果表明:Zr/S共掺杂导致锐钛矿相TiO2的晶格畸变使其体积变大,共掺杂时Zr和S的电荷布居数与单掺杂前的布居数略有不同;Zr/S共掺杂还导致锐钛矿相TiO2的禁带宽度变大0.1eV,达到2.30eV,但是由于Zr/S共掺杂在TiO2禁带之内引入了杂质能级,这些杂质能级可以作为电子跃迁的"台阶"而降低电子从价带跃迁到导带所需的激发光子能量,这有可能是实验上制备的Zr/S共掺杂TiO2具有较高光催化活性的内在原因.

B,N,S共掺杂石墨烯量子点的制备及对Fe3+和H2PO4-的荧光检测

利用水热法制备了一种可在纯水体系中连续"OFF-ON-OFF"荧光识别Fe^3+和H2PO4^-的B,N,S共掺杂的石墨烯量子点探针材料(BNS-GQDs),并对其形貌和结构进行了表征,结果表明,BNS-GQDs粒径分布均匀,平均粒径为4nm,具有类似石墨烯的结构,且成功掺杂了B,N,S原子.光谱表征结果表明,其在纯水体系中可以实现对Fe^3+的荧光猝灭识别;同时,BNS-GQDs+Fe^3+体系能够专一性地荧光增强识别H2PO4^-.识别机理研究表明,BNS-GQDs可与Fe^3+通过静电作用形成配合物并向Fe^3+转移电子,从而引起荧光猝灭;H2PO4^-可从上述配合物中置换出Fe^3+,引起体系荧光恢复.BNS-GQDs识别Fe3+和H2PO4-具有较好的可逆性,可应用于Hela细胞和实际水样中Fe^3+和H2PO4^-的检测.

高性能超级电容器用N/S共掺杂多孔炭纳米片电极材料

如何采用无酸工艺合成高性能超级电容器(SCs)用多孔炭纳米片电极材料是一个大的挑战。本文报道了一种简便且无酸的由煤焦油沥青(CTP)构建N/S共掺杂相互连接的多孔炭纳米片(NS-IPCNs)的新方法。制备的NS-IPCN_(800)具有相互连接的三维结构,这些三维结构由含有大量分级孔的二维炭纳米片组成。其中,丰富的微孔增加了离子吸附所需的活性位点,而短的中孔为离子传输提供了通道。此外,相互连接的三维结构为电子的快速传递提供了通道;掺杂的杂原子为NS-IPCNs电极提供了额外的赝电容。受益于这些优点,NS-IPCN_(800)电极在6 mol L^(−1) KOH电解液中,在0.05 A g^(−1)电流密度下的比电容达302 F g^(−1)。另外,NS-IPCN_(800)电容器在功率密度为25.98 W kg^(−1)下其能量密度达9.71 Wh kg^(−1)。更重要的是,NS-IPCN_(800)电容器在10000次循环充放电后电容保持率为94.2%,表现出优异的循环稳定性。这项工作为由CTP构建高性能储能装置用NS-IPCNs开辟了一种危害较小的策略。

N、S共掺杂TiO_2的制备及光催化性能

采用两步水热法制备N、S共掺杂的介孔二氧化钛粉末,并对所制备的样品采用比表面积(BET)、X射线(XRD)、扫描电镜(SEM)、UV紫外可见光谱等测试对晶型、形貌及光催化性能进行了表征,结果表明:通过水热法制备的二氧化钛粉末颗粒比较均匀,掺杂后的二氧化钛粉末降解率达到了98%以上。

微波绿色合成N,S共掺杂碳点及其在Fe^(3+)检测和温度传感方面的应用

以韭菜为前驱体,采用微波法一步绿色合成N,S共掺杂的粒径均匀、分散性好的碳点。所合成的碳点近似球状,粒径2.0-5.0 nm。在365 nm的紫外灯照射下发明亮的蓝色荧光,发射峰具有激发波长依赖性。Fe^(3+)对所制备的碳点有明显选择性荧光猝灭现象。在5-300μmol/L的范围内,荧光猝灭程度(F/F_(0))与Fe^(3+)浓度呈现良好的线性关系(R=0.9930),检测限为4.0μmol/L。同时探测温度对制备碳点的影响,在20-55℃范围内,碳点荧光强度与温度具有较好的线性响应。由于生理温度范围在此温度范围内,所制备的碳点可用于细胞温度传感。

Cr/S共掺杂锐钛矿相TiO_2的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对Cr/S共掺杂锐钛矿相Ti O2的晶格参数、能带结构、电子态密度、电荷密度以及吸收光谱进行了计算。计算结果表明:Cr/S共掺杂使锐钛矿相Ti O2的晶胞体积变大;相比于未掺杂锐钛矿相Ti O2,Cr/S共掺杂锐钛矿相Ti O2的禁带宽度增大0.20e V,达到2.40e V,但Cr/S共掺杂并未造成锐钛矿相Ti O2吸收边的蓝移,反而是存在于锐钛矿相Ti O2禁带之内的掺杂能级导致其吸收边的红移。本文为实验上Cr/S共掺杂提高Ti O2的光催化活性提供了一定的理论基础。

室温固相反应助力制备氮硫共掺杂碳限域的FeCoS_(2)复合物用于高性能钠离子电池负极

利用室温固相自组装反应制备Co和Fe双席夫碱配合物,随后在硫粉存在下中温热处理,使该配合物同时发生热解碳化和固相硫化反应,从而获得N、S共掺杂碳限域的FeCoS_(2)纳米复合物(记为FeCoS_(2)■NSC)。通过粉末X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱和热重分析技术分别对纳米复合物的物相、形貌结构、组分和含量等进行物理表征,并通过循环伏安、恒电流充放电技术测试其电化学储钠性能。研究结果表明,最优化条件下制备的复合物(FeCoS_(2)■NSC-7001)中FeCoS_(2)粒子的平均尺寸约为3.4 nm,且被均匀限域在N、S共掺杂的碳基体中;该复合物作为钠离子电池负极时,在0.1 A·g^(-1)的电流密度下经过300次充放电循环,其可逆充电比容量仍高达310.4 mAh·g^(-1);即使在5 A·g^(-1)的大电流密度下,其充电比容量也高达146.0 mAh·g^(-1),呈现优异的电化学储钠性能。

S,N共掺杂TiO_(2)纳米管作为钠离子电池负极的储钠性能

合理的结构设计和单原子掺杂可以明显提高二氧化钛(TiO_(2))作为钠离子电池负极的储钠性能。然而单原子掺杂在TiO_(2)中较低的掺杂质量分数与单一的功能作用阻碍了TiO_(2)作为钠离子电池负极电化学性能的进一步增强,因此研究了高质量分数掺杂和双原子掺杂对TiO_(2)储钠性能的影响。通过砂纸打磨对钛箔表面进行预处理除去氧化层,在含有0.56 g的NH_(4)F、5 mL的H_(2)O和95 mL的乙二醇(EG)溶液中,在20 min内通过施加阳极氧化电压60 V,在室温环境下对钛箔进行阳极氧化,在其表面生长出TiO_(2)纳米管阵列;以CH4N2S作为N源和S源,使用退火的方式对TiO_(2)纳米管阵列进行掺杂,得到S,N共掺杂的TiO_(2)纳米管阵列。实验结果表明,S,N共掺杂TiO_(2)的质量分数分别为1.53%和4.76%时,显著提高了TiO_(2)的电导率,加快了钠离子转移动力学。另外,TiO_(2)作为钠离子电池负极表现出强大的倍率性能和长循环性能,在0.1C(1C=335 mA·g^(-1))的电流密度下,S,N共掺杂TiO_(2)电极保持296.6 mA·h·g^(-1)的可逆电荷比容量,在25.0C的电流密度下保持158.1 mA·h·g^(-1)的可逆电荷比容量,并在约3500圈循环后的可逆电荷比容量保持率高达94.8%。相较于单掺杂,双掺杂使掺杂质量分数更高并产生协同效应,该策略为制备出优异性能的电极材料提供了参考。

Ce/S共掺杂锐钛矿型TiO_2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了Ce,S单掺杂及Ce/S共掺杂锐钛矿型二氧化钛(TiO_2)的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:掺杂后晶格常数均变大,禁带宽度均减小,其中Ce/S共掺杂后由于S-3p电子轨道和Ce-4f电子轨道的共同作用引入了杂质能级,使得禁带宽度最小,吸收光谱发生红移;此外,Ce具有Ce^(4+)和Ce^(3+)两种可变价态,具有良好的电子迁移性质,阻止了电子和空穴之间的复合,预测了Ce/S共掺杂可提高TiO_2的光催化性能。

离子液体辅助N,S,F共掺杂纳米TiO_2的制备与表征

以TiCl4、硫脲和离子液体([C6mim]+[BF4]-)为原料,采用微波催化水解法合成掺杂的纳米TiO2前驱体,在NH3/N2气氛中经程序升温煅烧处理制得N,S,F共掺杂TiO2光催化剂(N—S—F—TiO2)。采用X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis/DRS)等对该光催化剂的结构和性能进行表征。结果表明,该光催化剂为锐钛矿晶型,具有较高的纯度和结晶度,掺杂在TiO2晶体中形成Ti—O—N键,Ti—O—S键,Ti—S键,而F以TiOF2形态掺杂。在可见光区400～550nm具有强吸收,且在600～800nm出现一个较强的吸收带。实验表明,使用[C6mim]+[BF4]-与H2O的体积比为5/95所制得的光催化剂对甲基橙降解的催化活性最高,可见光照射200min降解率达95%。多掺杂的协同效应使得N—S—F—TiO2具有对可见光的强烈吸收和较高的可见光催化活性。

纳米碳片负载Mott-Schottky型Co/Co_(9)S_(8)异质结的原位合成及电催化性能研究

以K_(3)[Co(CN)_(6)]为Co源,硫脲为S源,富含-OH和-NH_(2)的天然亲水性高分子壳聚糖为碳源,通过形成CS-K_(3)[Co(CN)_(6)]水凝胶将Co前驱体和S源均匀分布于C前驱体中。水凝胶形成的主要驱动力来自金属Co离子与壳聚糖中-NH_2的配位交联以及Co离子之间通过-CN的桥接作用。得益于均匀分散的前驱体和后续热解处理初期形成的Co的催化作用,通过简单地调控Co与S的原子比,原位构建出均匀镶嵌有Co/Co_(9)S_(8)异质结的N,S共掺杂富含微孔的碳纳米片(Co/Co_(9)S_(8)@N,S-CNSs)。采用SEM、TEM、BET、XRD、Raman、XPS和电化学工作站等方法对所制备催化剂的形貌、组成和结构以及电催化性能进行了表征。结果表明,形成的Mott-Schottky型Co/Co_(9)S_(8)异质界面有效地调控了活性中心的电子结构和电荷传输特性;二维掺杂多孔碳纳米片的负载使活性位点更加均匀分散,同时提供了高速的电子和传质通道,也避免了活性位点在催化过程中的迁移聚集。两者的协同作用使合成的Co/Co_(9)S_(8)@N,S-CNSs复合催化剂具有了更优的催化性能,在10 mA·cm^(-2)的电流密度下,其催化碱性析氧反应/OER的过电位仅为304 mV,优于商业化的RuO_(2)催化剂。该研究为发展具有优异电催化性能的廉价过渡金属催化剂提供帮助。

S、Mn共掺杂锐钛矿相TiO_2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO2,S、Mn分别单掺杂及共掺杂TiO2的晶体结构、杂质形成能、电子结构、光学性质和带边位置。计算结果表明,掺杂后TiO2的晶格发生畸变,原子间的键长、原子的电荷量以及晶体体积都发生变化,导致晶体中八面体偶极矩增大,从而有利于光生电子-空穴对的分离;S掺杂在TiO2的价带顶部形成杂质能级,Mn掺杂在TiO2的导带下方和费米能级附近形成杂质能级,共掺杂后TiO2禁带宽度变窄,光学吸收带边发生红移,TiO2在可见光区有明显的吸收;同时S、Mn共掺杂后TiO2的带边位置发生了明显变化,氧化还原能力增强。

S,Fe共掺杂纳米TiO_2的制备及其光催化性能

以水热法制得了S,Fe共掺杂的纳米TiO2光催化剂(TiO2-S-Fe),XRD分析表明,其为锐钛矿晶型,S,Fe掺杂能抑制TiO2粒径的生长;UV-vis漫反射表明,TiO2-S-Fe对可见光吸收增强,吸收带边明显红移;XPS显示S,Fe共掺杂,使得TiO2表面羟基氧含量提高,从而提高催化剂活性;可见光降解甲基橙溶液结果表明,共掺杂样品光催化效果优于单掺样品,S和Fe共掺杂对提高TiO2可见光活性具有协同效应。当Fe3+∶S∶Ti(摩尔比)=0.005∶1∶1,180℃下水热反应3 h时,制得的TiO2-S-Fe可见光催化活性比纯TiO2的活性提高了约10倍。

S—N共掺杂纳米TiO2可见光光催化剂的制备及其性能研究

以锐钛矿型TiO2为原料，硫脲为掺杂源，采用机械化学法经过600rpm×2h高能球磨后，以焙烧处理，合成了S—N共掺杂纳米TiO2粉末。所制备的粉末为锐钛矿、金红石和板钛矿的混合相，对波长大于400nm的可见光具有良好的吸收性能，其吸收边红移至570nm；在λ〉400nm的可见光照射下，硫脲加入量为10％的样品对甲基蓝的降解率比原料粉末提高了6．11倍。