基于半导体和纳米金属的高效人工光合成材料体系构建与应用

通过人工光合成技术把二氧化碳转换成碳氢化合物燃料,是人类梦寐以求的一种太阳能化学转化和利用的理想技术,近年来受到科学界和工业界越来越广泛的关注。从以下3个技术途径综述了近年来基于半导体和纳米金属的宽光谱响应高效人工光合成材料体系的构建与应用:(1)从人工光合成热力学条件出发,基于半导体能带工程设计制备新型高效人工光合成材料;(2)利用纳米贵金属表面等离子共振效应,设计和制备基于纳米金属的宽广谱响应人工光合成体系,可以有效拓展其光吸收范围至近红外区;(3)利用Ⅷ过度族金属光热效应,设计与制备基于Ⅷ族金属纳米粒子的全光谱响应人工光合成体系,可以有效拓展光吸收范围至红外区,使人工光合成体系具有全光谱响应。特别关注在上述人工光合成材料体系中非极性CO_2分子活化、表/界面现象及光化学反应微观机制,为开发高效人工光合成材料体系提供理论和实验依据。

石墨烯/电气石/二氧化钛复合材料的制备及其光催化降解异丙醇性能（英文）

光催化是一种理想的应对全球能源短缺和环境污染问题的绿色化学技术,可以实现有机物降解、水分解和二氧化碳光还原等.光催化反应效率受诸多因素影响,其中光生载流子(电子和空穴)的分离和传输具有至关重要的作用.以往研究表明,构筑多元复合光催化材料体系有利于光生电子和空穴有效分离和传递,促进催化剂表面的还原和氧化反应,从而提高其光催化效率.基于以上考虑,我们提出了一种新型的石墨烯/电气石/TiO_2三元复合光催化材料体系,其中TiO_2因其价格低廉、无毒和抗光腐蚀等优点而被广泛用作光催化材料;石墨烯(G)拥有独特的二维结构、高的电子迁移率、大的比表面积,是一种优异的催化剂载体;电气石(T)的一个重要性质是表面存在自发极化的静电场,该静电场将会影响光激发载流子的分离、传递和光催化反应过程.利用水热法合成了不同成分的石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料体系.为了对比研究石墨烯表面电荷性质的影响,其中一组的石墨烯(氧化石墨)为直接采用改良的Hummers法所制备,其表面带负电;另一组的石墨烯经聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)修饰,使其表面带正电.X射线衍射结果显示,三元复合材料中TiO_2为锐钛矿相,其结晶性没有因为与石墨烯和电气石的复合而受到影响.扫描和透射电子显微分析表明,TiO_2的平均颗粒大小为15 nm左右,并且与石墨烯和电气石均匀复合.傅里叶变换红外光谱和zeta电位表征分析证实,PDDA可以有效地对石墨烯进行功能化改性,使其表面带正电.紫外-可见分光光谱显示,石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料与TiO_2的吸收带边一致,复合材料中石墨烯和电气石并没有改变TiO_2的光吸收特征.光催化降解异丙醇实验表明,石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料优于单纯的TiO_2、石墨烯/TiO_2以及电气石/TiO_2二元复合材料,当石墨烯和电气石的质量百分比分别为0.5%和5%时,三元复合材料降解异丙醇产生丙酮的速率达到最高(223μmol/h).特别值得指出的是,由表面带负电的石墨烯组成的复合材料比由带正电荷的PDDA-石墨烯组成的复合材料具有更高的光催化性能,原因如下:在水溶液中显示正zeta电位值的TiO_2与带负电的石墨烯/电气石复合物静电吸引而均匀紧密复合,有利于TiO 2中光生电子和空穴的快速分离和传递,从而使得石墨烯/电气石/TiO_2三元复合材料具有较高的光催化性能;而带正电的PDDA-石墨烯/电气石复合物和TiO_2颗粒相互排斥而不宜复合,导致PDDA-石墨烯基复合材料的光催化活性降低.机理研究揭示,在三元复合材料光催化降解异丙醇的反应中起主要作用的是光生电子和空穴.基于以上研究结果,我们提出了三元复合材料光催化降解异丙醇的反应机理.

类石墨碳修饰提高ZnO纳米棒阵列光催化活性和光稳定性的研究（英文）

半导体光催化是一种理想的太阳能化学转化绿色技术,可以实现水分解制氢和CO_2光还原制备碳氢化合物燃料.氧化锌(ZnO)作为一种直接带隙半导体材料,一方面具有性能优异、价格低廉、易制备等优点;另一方面因光腐蚀而不稳定,大大限制了该材料的实际应用.本文提出了一种简单易行的类石墨碳修饰方法,可以有效提高ZnO用于CO2光还原的光催化活性和稳定性.首先采用水热法在金属锌片基底上生长ZnO纳米棒阵列(ZnO-NRA),然后通过葡萄糖水热法进行不同含量的类石墨碳(C-x)修饰,形成ZnO-NRA/C-x纳米复合结构,同步实现碳包覆和碳掺杂.X射线衍射结果表明,ZnO纳米棒及ZnO-NRA/C-x纳米复合结构都具有良好的纤锌矿型(Wurtzite)结构;而拉曼散射则清楚地证实了类石墨碳的存在.扫描电子显微观察显示,生长的ZnO纳米棒长度大约2-5mm,直径为400-700 nm,沿方向[0001]生长,端部由六个规则的(103)晶面组成,进一步直观佐证了ZnO的典型纤锌矿型结构特征.透射电子显微分析结果表明,ZnO-NRA/C-x纳米复合结构中类石墨碳包覆层厚度大约为8 nm.ZnO-NRA/C-x纳米复合结构的X射线光电子谱分析结果验证了C-C,C-O和C=O键的存在与碳的包覆层相对应;而C-O-Zn键的出现则是由于碳在ZnO中掺杂所引起.从紫外-可见吸收谱上可观察到ZnO的典型吸收带边位置约为385 nm,而碳的包覆和掺杂导致ZnO-NRA/C-x纳米复合结构的吸收带边发生红移,并且吸收背底明显提高.电化学阻抗谱测试结果清楚地显示,ZnO-NRA/C-x纳米复合结构比单纯ZnO-NRA的电化学阻抗明显降低,说明类石墨碳包覆层大幅度提高了电导性能,从而有利于光生载流子的分离和传输.荧光分析结果也表明,与单纯的ZnO-NRA相比,ZnO-NRA/C-x纳米复合结构的荧光强度大幅度下降,进一步证实了ZnO-NRA/C-x纳米复合结构比单纯的ZnO-NRA更有利于光生载流子的分离和传输.光电化学测试结果表明,ZnO-NRA/C-x纳米复合结构的瞬态光电流4倍于单纯的ZnO-NRA,而CO_2光还原性能测试也得到一致的结果.长时间多循环CO_2光还原实验证实,ZnO-NRA/C-x纳米复合结构具有稳定的光催化活性和极好的光稳定性.综上,我们利用一种简单易行的水热法进行类石墨碳修饰,成功开发了ZnO-NRA/C-x纳米复合结构,该结构因其优异的光生电子和空穴的分离和迁移性能,从而具有显著提升的CO_2光还原活性和光稳定性.本工作证明,类石墨碳修饰是一种可以广泛借鉴的有效提升半导体材料光催化活性和光稳定性的可行方法.

氧化物晶体与薄膜最新研究进展(英文)

在工业发展的进程中,氧化物材料在电子学领域中应用最为广泛。到目前为止,即使是对于氧化物晶体材料,从纳米科技角度来说,研究的趋势是降低尺寸直到很小的尺度。近年来,氧化物的研究目标也发生了显著的变化。本文介绍了作者课题组的与氧化物晶体及薄膜有关的三个研究方向。

拓扑超导Majorana束缚态的探索

Majorana束缚态具有非阿贝尔量子统计特性,是极具潜力的拓扑量子计算方案的核心.近期有多项实验研究提供了Majorana束缚态在某些超导体系中的存在证据,使其成为近期凝聚态物理以及量子计算领域的前沿焦点之一.本文介绍拓扑超导的机理、Majorana束缚态的新奇物理特性、实验观测和操作的方法以及相关量子器件的设计,最后展望该研究方向的发展前景.

Effect of high magnetic field on phase transformation temperature and microstructure of Fe-based Alloys

The effect of a high magnetic field up to 30T on phase transformation temperature and microstructure of Fe-based alloys has been reviewed. A high magnetic field accelerates ferrite transformation, changes the morphology of the transformed microstructures and increases the A3 and A1 temperature. In a magnetic field of 30T, the A1 temperature increases by about 37.1℃ for Fe-0.8C, the A3 temperature for pure Fe increases by about 33.1℃. The measured transformation temperature data are not consistent with calculation results using Weiss molecular field theory. Ferrite grains are elongated and aligned along the direction of magnetic field in Fe-0.4C and Fe-0.6C alloys by ferrite transformation, but elongated and aligned structure was not found in pure Fe, Fe-0.05C alloy and Fe-1.5Mn-0.11C-0.1V alloy.