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物理化学学报
Acta Physico-Chimica Sinica
主管 : 中国科学技术协会
刊期 : 月刊主编 : 刘忠范
语种 : 中文主办 : 中国化学会 北京大学
ISSN : 1000-6818 CN : 11-1892/O6展开 >《物理化学学报》是基础学科类学术刊物，由中国科学技术协会主管、中国化学会和北京大学共同主办、北京大学化学学院物理化学学报编辑部编辑出版。月刊。主要刊载化学学科物理化学领域具有原创性实验和基础理论研究类文章。《物理化学学报》的办刊宗旨是坚持正确的办刊方针，以促进学术交流及本学科发展为已任，为发现和培养科技人才服务，提供一个总结、交流、宣传科技成果的园地。《物理化学学报》面向的读者群主要是化学及相关专业高年级大学生、研究生、教师和科研人员以及企业的研发人员。
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2024, 40(12): 240300
doi: 10.3866/PKU.WHXB202403005
摘要:
近年来随着工业化的深入发展，全球环境污染日益加重，尤其是水体中的抗生素污染, 亟需重点关注并采取科学、有效方法予以解决。光催化技术是一种非常有前景的水体治理技术，为解决水体抗生素污染提供了重要途径。该技术实现大规模应用的关键在于开发出高效且稳定的光催化材料。现有的光催化材料的性能主要受制于其弱的太阳能利用率，快速复合的光生载流子以及氧化还原能力弱等问题。研究发现科学设计和构筑碳量子调控S型异质结材料可以有效克服以上问题。相比于单一的S型异质结，该新型异质结体系整合了两者的优势，具有巨大的应用前景。因此, 开发新型碳量子调控S型异质结材料, 有望实现对抗生素污染水体的快速治理, 进一步促进光催化水体修复技术的发展。在本文研究中，我们成功开发了一种新型的碳量子点调控的S型carbon quantum dots/CdS/Ta3N5异质结纤维用于高效去除左氧氟沙星。其对左氧氟沙星去除速率常数为0.0404 min-1，比Ta3N5，CdS/Ta3N5和CdS分别提高了39.4、2.1和7.2倍。这主要得益于独特1D/0D/0D核壳结构，该异质结构有效促进了碳量子点和S型异质结的协同增效机制。本研究为开发高效Ta3N5基催化体系用于环境治理开辟了一种新的思路。
近年来随着工业化的深入发展，全球环境污染日益加重，尤其是水体中的抗生素污染, 亟需重点关注并采取科学、有效方法予以解决。光催化技术是一种非常有前景的水体治理技术，为解决水体抗生素污染提供了重要途径。该技术实现大规模应用的关键在于开发出高效且稳定的光催化材料。现有的光催化材料的性能主要受制于其弱的太阳能利用率，快速复合的光生载流子以及氧化还原能力弱等问题。研究发现科学设计和构筑碳量子调控S型异质结材料可以有效克服以上问题。相比于单一的S型异质结，该新型异质结体系整合了两者的优势，具有巨大的应用前景。因此, 开发新型碳量子调控S型异质结材料, 有望实现对抗生素污染水体的快速治理, 进一步促进光催化水体修复技术的发展。在本文研究中，我们成功开发了一种新型的碳量子点调控的S型carbon quantum dots/CdS/Ta3N5异质结纤维用于高效去除左氧氟沙星。其对左氧氟沙星去除速率常数为0.0404 min-1，比Ta3N5，CdS/Ta3N5和CdS分别提高了39.4、2.1和7.2倍。这主要得益于独特1D/0D/0D核壳结构，该异质结构有效促进了碳量子点和S型异质结的协同增效机制。本研究为开发高效Ta3N5基催化体系用于环境治理开辟了一种新的思路。
2024, 40(12): 240500
doi: 10.3866/PKU.WHXB202405005
摘要:
光催化水分解(PWS)为可持续生产绿色氢气提供了最佳方法。NH2修饰的共价三嗪框架(CTF-NH2)由于其强大的光吸收能力、最佳的电荷分离能力和相当大的氧化还原电位，在PWS中具有潜力。然而，由于中间产物的转化困难，高表面反应势垒阻碍了PWS的效率。调节CTF上NH2的路易斯碱性为解决这一挑战提供了一条可行的途径。本工作在胺基的对位引入给电子乙基(C2H5)和吸电子5氟乙基(C2F5)，生成C2H5-CTF-NH2和C2F5-CTF-NH2，以调节路易斯碱性CTF-NH2。通过DFT计算，模拟了CTF-NH2、C2H5-CTF-NH2和C2F5-CTF-NH2的光学性质、激发态、电子结构、偶极矩和表面反应过程。 结果表明，吸电子C2F5基团可以降低NH2上的电子密度和路易斯碱性，从而降低析氢析氧反应的能垒，有效提高CTF-NH2的PWS效率。这项工作揭示了一种用于PWS应用的供体-受体调控CTF的创新方法。
光催化水分解(PWS)为可持续生产绿色氢气提供了最佳方法。NH2修饰的共价三嗪框架(CTF-NH2)由于其强大的光吸收能力、最佳的电荷分离能力和相当大的氧化还原电位，在PWS中具有潜力。然而，由于中间产物的转化困难，高表面反应势垒阻碍了PWS的效率。调节CTF上NH2的路易斯碱性为解决这一挑战提供了一条可行的途径。本工作在胺基的对位引入给电子乙基(C2H5)和吸电子5氟乙基(C2F5)，生成C2H5-CTF-NH2和C2F5-CTF-NH2，以调节路易斯碱性CTF-NH2。通过DFT计算，模拟了CTF-NH2、C2H5-CTF-NH2和C2F5-CTF-NH2的光学性质、激发态、电子结构、偶极矩和表面反应过程。 结果表明，吸电子C2F5基团可以降低NH2上的电子密度和路易斯碱性，从而降低析氢析氧反应的能垒，有效提高CTF-NH2的PWS效率。这项工作揭示了一种用于PWS应用的供体-受体调控CTF的创新方法。
2024, 40(12): 240702
doi: 10.3866/PKU.WHXB202407020
摘要:
开发用于制氢的高效光催化剂在可持续能源研究中至关重要。本研究设计并制备了一种具有S型异质结结构的共价三嗪框架(CTF)-Cu2O@NC复合材料，旨在提高光催化制氢的效率。由于氮掺杂碳(NC)层和S型异质结的协同效应，复合物的光吸收能力、电子-空穴分离效率和产氢活性显著增强。该系统的结构和光电化学表征表明，S型异质结不仅提高了光生载流子的分离效率，而且还保持了很强的氧化还原能力，从而进一步促进了光催化反应。此外，NC层可以同时减少Cu2O的光腐蚀并促进电子转移。实验结果表明，CTF-7% Cu2O@NC复合材料在可见光照射下表现出优异的制氢性能，达到15645 μmol∙g-1∙h-1，大大超过了纯CTF的光催化活性(2673 μmol∙g-1∙h-1)。这项研究为开发高效、创新的光催化材料提供了一种新方法，有力地支持了可持续氢能源的发展。
开发用于制氢的高效光催化剂在可持续能源研究中至关重要。本研究设计并制备了一种具有S型异质结结构的共价三嗪框架(CTF)-Cu2O@NC复合材料，旨在提高光催化制氢的效率。由于氮掺杂碳(NC)层和S型异质结的协同效应，复合物的光吸收能力、电子-空穴分离效率和产氢活性显著增强。该系统的结构和光电化学表征表明，S型异质结不仅提高了光生载流子的分离效率，而且还保持了很强的氧化还原能力，从而进一步促进了光催化反应。此外，NC层可以同时减少Cu2O的光腐蚀并促进电子转移。实验结果表明，CTF-7% Cu2O@NC复合材料在可见光照射下表现出优异的制氢性能，达到15645 μmol∙g-1∙h-1，大大超过了纯CTF的光催化活性(2673 μmol∙g-1∙h-1)。这项研究为开发高效、创新的光催化材料提供了一种新方法，有力地支持了可持续氢能源的发展。
2024, 40(12): 240702
doi: 10.3866/PKU.WHXB202407021
摘要:
S型异质结可以实现光生载流子有效空间分离，保持较强的氧化还原能力。因此，深入了解S型异质结构的光致电荷转移动力学对提高其光催化性能至关重要。本文采用原位水热法制备了紧密接触的SnO2/BiOBr S型异质结。优化后的SnO2/BiOBr具有优异的光催化CO2还原性能，CO和CH4的产率分别为345.7和6.7 μmol·g-1·h-1，分别是纯BiOBr的5.6和3.7倍。利用原位XPS和飞秒瞬态吸收光谱(fs-TA)表征了SnO2/BiOBr S型异质结的光致电荷转移机制和动力学。发现光生载流子出现了新的拟合寿命，这可归因于S型异质结的界面电子转移，进一步证明了光电子从SnO2导带到BiOBr价带的超快转移通道。因此，BiOBr导带中的还原电子和SnO2价带中的氧化空穴得以保留。本研究对S型异质结的光致电荷传输机理提供了更深刻的理解。
S型异质结可以实现光生载流子有效空间分离，保持较强的氧化还原能力。因此，深入了解S型异质结构的光致电荷转移动力学对提高其光催化性能至关重要。本文采用原位水热法制备了紧密接触的SnO2/BiOBr S型异质结。优化后的SnO2/BiOBr具有优异的光催化CO2还原性能，CO和CH4的产率分别为345.7和6.7 μmol·g-1·h-1，分别是纯BiOBr的5.6和3.7倍。利用原位XPS和飞秒瞬态吸收光谱(fs-TA)表征了SnO2/BiOBr S型异质结的光致电荷转移机制和动力学。发现光生载流子出现了新的拟合寿命，这可归因于S型异质结的界面电子转移，进一步证明了光电子从SnO2导带到BiOBr价带的超快转移通道。因此，BiOBr导带中的还原电子和SnO2价带中的氧化空穴得以保留。本研究对S型异质结的光致电荷传输机理提供了更深刻的理解。
2024, 40(12): 240702
doi: 10.3866/PKU.WHXB202407023
摘要:
钠离子电池被广泛研究用于储能应用，但实现同时具有高能量密度、稳定性和快速充放电性能的正极材料仍然是一个关键的挑战。本研究合成了一系列NASICON型Na3.5-xMn0.5V1.5-xZrx(PO4)3/C材料，并掺入Mn、V和Zr元素探讨其对电化学性能的影响。通过在Mn和V的基础上引入Zr，提出一种激活V4+/V5+氧化还原反应新的策略，从而提升能量密度。此外，Zr掺入通过拓宽离子通道并产生额外的钠离子空位，显著促进钠离子迁移，增强电极反应动力学和整体性能。结果表明，Na3.4Mn0.5V1.4Zr0.1(PO4)3/C材料表现出优异的循环稳定性，在800次循环后保持90%的容量，并具备高倍率性能(20C时，放电比容量为84 mAh∙g-1)，显著优于原始的Na3.5Mn0.5V1.5(PO4)3/C材料。该研究为开发高效且可持续钠离子电池提供了有效途径。
钠离子电池被广泛研究用于储能应用，但实现同时具有高能量密度、稳定性和快速充放电性能的正极材料仍然是一个关键的挑战。本研究合成了一系列NASICON型Na3.5-xMn0.5V1.5-xZrx(PO4)3/C材料，并掺入Mn、V和Zr元素探讨其对电化学性能的影响。通过在Mn和V的基础上引入Zr，提出一种激活V4+/V5+氧化还原反应新的策略，从而提升能量密度。此外，Zr掺入通过拓宽离子通道并产生额外的钠离子空位，显著促进钠离子迁移，增强电极反应动力学和整体性能。结果表明，Na3.4Mn0.5V1.4Zr0.1(PO4)3/C材料表现出优异的循环稳定性，在800次循环后保持90%的容量，并具备高倍率性能(20C时，放电比容量为84 mAh∙g-1)，显著优于原始的Na3.5Mn0.5V1.5(PO4)3/C材料。该研究为开发高效且可持续钠离子电池提供了有效途径。
2024, 40(12): 240800
doi: 10.3866/PKU.WHXB202408002
摘要:
通过半导体光催化将CO2转化为可储存的太阳能燃料是解决温室效应和资源短缺问题的有效策略。然而，光生载流子的快速复合严重限制了单组分催化剂的CO2还原能力。合成具有缺陷的S型异质结可以有效地分离光生电子和空穴，增强对非极性分子的吸附和活化。本文采用原位合成的方法构建了具有缺陷的S型ZnWO4/g-C3N4异质结。结果表明，CO2还原产生CO的速率高达232.4 μmol∙g-1∙h-1，选择性接近100%，分别是原始ZnWO4和g-C3N4的11.6倍和8.5倍。原位XPS和功函数分析证明了S型电荷转移路径。S型异质结实现了电子-空穴的有效空间分离，促进了CO2的还原。原位ESR表明CO2分子被氮空位吸附，氮空位是光催化反应中的电子受体，有利于电子捕获和分离。S型电荷转移模式和氮空位共同促进了CO2高效还原。这项工作为了解S型电荷转移机理和缺陷在调节CO2还原活性方面的协同作用提供了重要见解。
通过半导体光催化将CO2转化为可储存的太阳能燃料是解决温室效应和资源短缺问题的有效策略。然而，光生载流子的快速复合严重限制了单组分催化剂的CO2还原能力。合成具有缺陷的S型异质结可以有效地分离光生电子和空穴，增强对非极性分子的吸附和活化。本文采用原位合成的方法构建了具有缺陷的S型ZnWO4/g-C3N4异质结。结果表明，CO2还原产生CO的速率高达232.4 μmol∙g-1∙h-1，选择性接近100%，分别是原始ZnWO4和g-C3N4的11.6倍和8.5倍。原位XPS和功函数分析证明了S型电荷转移路径。S型异质结实现了电子-空穴的有效空间分离，促进了CO2的还原。原位ESR表明CO2分子被氮空位吸附，氮空位是光催化反应中的电子受体，有利于电子捕获和分离。S型电荷转移模式和氮空位共同促进了CO2高效还原。这项工作为了解S型电荷转移机理和缺陷在调节CO2还原活性方面的协同作用提供了重要见解。
2024, 40(12): 240801
doi: 10.3866/PKU.WHXB202408012
摘要:
近年来，开发用于水氧化反应的聚合物薄膜光阳极引起了学术界的关注，其中碳化氮类半导体材料因其卓越的性能而尤为瞩目。本研究聚焦高结晶度的聚七嗪亚胺薄膜光阳极的制备与调控，发展了二元熔盐体系用于开展聚七嗪亚胺薄膜光阳极的制备及其水氧化性能研究。优化后的电极能够在相对于可逆氢电极的1.23 V的电压偏置下，模拟可见光照射下，实现了365 μA·cm-2的最佳光电流密度，约为无定形PCN光阳极的18倍。在这一过程中，NH4SCN促进了SnS2种子层的生长，而K2CO3增强了薄膜的结晶性。原位电化学分析表明，这种盐的组合提高了光激发电荷转移效率，并将SnS2层的厚度限制在一定范围内，使电极电阻尽量小。这项研究阐明了盐在合成聚七嗪亚胺光阳极中的作用，并为设计基于高结晶碳化氮的功能薄膜提供了研究基础。
近年来，开发用于水氧化反应的聚合物薄膜光阳极引起了学术界的关注，其中碳化氮类半导体材料因其卓越的性能而尤为瞩目。本研究聚焦高结晶度的聚七嗪亚胺薄膜光阳极的制备与调控，发展了二元熔盐体系用于开展聚七嗪亚胺薄膜光阳极的制备及其水氧化性能研究。优化后的电极能够在相对于可逆氢电极的1.23 V的电压偏置下，模拟可见光照射下，实现了365 μA·cm-2的最佳光电流密度，约为无定形PCN光阳极的18倍。在这一过程中，NH4SCN促进了SnS2种子层的生长，而K2CO3增强了薄膜的结晶性。原位电化学分析表明，这种盐的组合提高了光激发电荷转移效率，并将SnS2层的厚度限制在一定范围内，使电极电阻尽量小。这项研究阐明了盐在合成聚七嗪亚胺光阳极中的作用，并为设计基于高结晶碳化氮的功能薄膜提供了研究基础。
2024, 40(12): 240501
doi: 10.3866/PKU.WHXB202405016
摘要:
作为一种清洁的太阳能转换技术，半导体光催化为应对世界能源危机和环境污染治理提供了重要技术途径。而在不同类型的光催化剂中，铋基材料凭借其特有的晶体结构、可调的能带宽度、多样的化学组成，以及在光催化领域所具有的广泛前景而备受关注。尽管如此，当前关于铋基光催化剂的开发还不够完善，仍需要大量研究和讨论。为了提高铋基材料的催化性能，并克服目前低光利用效率、选择性差和成本高的挑战，对其结构、合成和结构调控方法的全面理解必不可少。因此本文系统论述了在太阳能应用领域，铋基光催化剂的合理设计与最新进展。这篇文章首先概述了多种铋基光催化剂的近期科研动态，包括层状铋化合物、铋元素、BiVO4、Bi2S2和Bi2O3等材料。其次，归纳了铋基光催化剂的主要合成方案，并介绍了提高催化活性的结构调控方法。接着，强调了铋基材料在CO2还原、光解水、N2固定、NOX去除、H2O2生产以及选择性有机反应等多种领域潜力巨大。此外，文章还深入探讨了用于铋基光催化剂的先进原位分析手段。最后，本综述明确了现存的发展障碍，并预测了铋基光催化剂的未来发展前景。本综述有望为深入理解和合理设计高性能铋基材料提供全面指导，推动环境与能源领域的创新应用，助力实现双碳目标和可持续发展。
作为一种清洁的太阳能转换技术，半导体光催化为应对世界能源危机和环境污染治理提供了重要技术途径。而在不同类型的光催化剂中，铋基材料凭借其特有的晶体结构、可调的能带宽度、多样的化学组成，以及在光催化领域所具有的广泛前景而备受关注。尽管如此，当前关于铋基光催化剂的开发还不够完善，仍需要大量研究和讨论。为了提高铋基材料的催化性能，并克服目前低光利用效率、选择性差和成本高的挑战，对其结构、合成和结构调控方法的全面理解必不可少。因此本文系统论述了在太阳能应用领域，铋基光催化剂的合理设计与最新进展。这篇文章首先概述了多种铋基光催化剂的近期科研动态，包括层状铋化合物、铋元素、BiVO4、Bi2S2和Bi2O3等材料。其次，归纳了铋基光催化剂的主要合成方案，并介绍了提高催化活性的结构调控方法。接着，强调了铋基材料在CO2还原、光解水、N2固定、NOX去除、H2O2生产以及选择性有机反应等多种领域潜力巨大。此外，文章还深入探讨了用于铋基光催化剂的先进原位分析手段。最后，本综述明确了现存的发展障碍，并预测了铋基光催化剂的未来发展前景。本综述有望为深入理解和合理设计高性能铋基材料提供全面指导，推动环境与能源领域的创新应用，助力实现双碳目标和可持续发展。
2024, 40(12): 240602
doi: 10.3866/PKU.WHXB202406029
摘要:
光催化利用太阳光这一可再生能源，通过将二氧化碳转化为CO、CH4、CH3OH和C2H5OH等有用的太阳能燃料,为解决全球变暖和能源短缺问题提供了一种潜在的解决方案。在已研究过的各种方案中，铜基光催化剂因其成本效益高且比贵金属催化剂更为丰富，在二氧化碳转化方面尤其具有吸引力。本文献综述全面总结了用于二氧化碳还原反应的铜基光催化剂的最新发展，包括金属铜、氧化铜和氧化亚铜光催化剂。综述还对二氧化碳还原产物进行了分类总结，并对每种铜基催化剂的调制和改性方法进行了详细分类讨论。最后，本综述强调了铜基光催化剂在二氧化碳还原方面的现有挑战，并提出了未来的研究方向，重点是提高能量利用率和产品形成率。
光催化利用太阳光这一可再生能源，通过将二氧化碳转化为CO、CH4、CH3OH和C2H5OH等有用的太阳能燃料,为解决全球变暖和能源短缺问题提供了一种潜在的解决方案。在已研究过的各种方案中，铜基光催化剂因其成本效益高且比贵金属催化剂更为丰富，在二氧化碳转化方面尤其具有吸引力。本文献综述全面总结了用于二氧化碳还原反应的铜基光催化剂的最新发展，包括金属铜、氧化铜和氧化亚铜光催化剂。综述还对二氧化碳还原产物进行了分类总结，并对每种铜基催化剂的调制和改性方法进行了详细分类讨论。最后，本综述强调了铜基光催化剂在二氧化碳还原方面的现有挑战，并提出了未来的研究方向，重点是提高能量利用率和产品形成率。
2024, 40(12): 240700
doi: 10.3866/PKU.WHXB202407005
摘要:
利用两电子路径的电化学氧还原反应来合成过氧化氢已成为一种极具潜力和低碳新型化工技术。过去的研究和成果主要致力于开发新型的碳基电催化剂。然而，碳基催化材料的合成过程复杂、高电位选择性不稳定且活性位点不明确等问题一直被广泛诟病。基于此，催化稳定性较高且材料微结构调控性较好的过渡金属氧化物和硫属化合物在两电子氧还原上的应用开始加速涌现。因此，本综述对此类材料用于氧气-过氧化氢电化学转换的金属氧化物和硫属化合物发展进行前瞻性讨论。首先，针对其多样性和催化活性，从实验合成和理论模拟的角度进行综述。同时，根据其形貌、相组成、掺杂和缺陷调控，对氧化物和硫属化合物的拓扑结构和化学特性与两电子选择性的潜在关系进行剖析。进而，对金属氧化物和硫属化合物的活性位点和反应机理等相关研究进展进行了讨论和总结。最后，对过渡金属氧化物和硫属化合物在两电子氧还原制取过氧化氢上的应用挑战和前景进行了分析，并提出了相关的建议。本综述提供了金属氧化物/硫属化合物在两电子氧还原上的基础研究及分析，以推动其在能源相关产业上的实际应用。
利用两电子路径的电化学氧还原反应来合成过氧化氢已成为一种极具潜力和低碳新型化工技术。过去的研究和成果主要致力于开发新型的碳基电催化剂。然而，碳基催化材料的合成过程复杂、高电位选择性不稳定且活性位点不明确等问题一直被广泛诟病。基于此，催化稳定性较高且材料微结构调控性较好的过渡金属氧化物和硫属化合物在两电子氧还原上的应用开始加速涌现。因此，本综述对此类材料用于氧气-过氧化氢电化学转换的金属氧化物和硫属化合物发展进行前瞻性讨论。首先，针对其多样性和催化活性，从实验合成和理论模拟的角度进行综述。同时，根据其形貌、相组成、掺杂和缺陷调控，对氧化物和硫属化合物的拓扑结构和化学特性与两电子选择性的潜在关系进行剖析。进而，对金属氧化物和硫属化合物的活性位点和反应机理等相关研究进展进行了讨论和总结。最后，对过渡金属氧化物和硫属化合物在两电子氧还原制取过氧化氢上的应用挑战和前景进行了分析，并提出了相关的建议。本综述提供了金属氧化物/硫属化合物在两电子氧还原上的基础研究及分析，以推动其在能源相关产业上的实际应用。
2024, 40(12): 240800
doi: 10.3866/PKU.WHXB202408005
摘要:
化石燃料的消耗导致CO2排放量大幅增加，对环境构成严重威胁。本文探讨了石墨相氮化碳(g-C3N4)在光催化CO2还原中的潜在应用，以此来应对全球变暖的影响。然而，g-C3N4在这一过程中的有效性受到几个因素的限制，例如光生载流子的快速重组、可见光吸收能力差以及缺乏活性位点等。为了解决这些问题，人们采用了各种改性策略，包括调整g-C3N4的形貌(如量子点、纳米棒、纳米管、纳米片、空心球等形貌)，掺杂各种原子，以及与其他半导体形成异质结。本综述重点讨论S型异质结在提高g-C3N4光催化性能方面的作用。总之，尽管g-C3N4已显示出作为光催化剂用于还原CO2的潜力，但仍需进一步研究和创新，以克服其当前的局限性。
化石燃料的消耗导致CO2排放量大幅增加，对环境构成严重威胁。本文探讨了石墨相氮化碳(g-C3N4)在光催化CO2还原中的潜在应用，以此来应对全球变暖的影响。然而，g-C3N4在这一过程中的有效性受到几个因素的限制，例如光生载流子的快速重组、可见光吸收能力差以及缺乏活性位点等。为了解决这些问题，人们采用了各种改性策略，包括调整g-C3N4的形貌(如量子点、纳米棒、纳米管、纳米片、空心球等形貌)，掺杂各种原子，以及与其他半导体形成异质结。本综述重点讨论S型异质结在提高g-C3N4光催化性能方面的作用。总之，尽管g-C3N4已显示出作为光催化剂用于还原CO2的潜力，但仍需进一步研究和创新，以克服其当前的局限性。
2025, 41(1): 230901
doi: 10.3866/PKU.WHXB202309019
摘要:
硫化物固体电解质具有接近甚至超过液态有机电解质的高室温离子电导率和较好的机械延展性，是一种极具应用潜力的固体电解质。其制备方式主要分为固相烧结法、高能球磨法和液相法三类。其中，固相烧结法和高能球磨法耗时长，能耗高，且合成的电解质颗粒尺寸较大。相比之下，液相法以有机溶剂为介质，可以合成颗粒较小的硫化物固体电解质，工艺简单省时，更适用于规模化生产。有鉴于此，本文总结了近年来液相法制备硫化物固体电解质的研究进展，基于原料在溶剂中的溶解状态，分析了悬浮型、溶液型和混合型三种反应类型的反应机理，并进一步探讨了溶剂对电解质纯度、形貌及结晶性的影响。同时，概述了液相法制备的硫化物固体电解质在全固态锂电池中的应用。最后，对硫化物固体电解质液相法合成的优势与局限性进行了全面的分析，以期为该领域的研究提供方向。
硫化物固体电解质具有接近甚至超过液态有机电解质的高室温离子电导率和较好的机械延展性，是一种极具应用潜力的固体电解质。其制备方式主要分为固相烧结法、高能球磨法和液相法三类。其中，固相烧结法和高能球磨法耗时长，能耗高，且合成的电解质颗粒尺寸较大。相比之下，液相法以有机溶剂为介质，可以合成颗粒较小的硫化物固体电解质，工艺简单省时，更适用于规模化生产。有鉴于此，本文总结了近年来液相法制备硫化物固体电解质的研究进展，基于原料在溶剂中的溶解状态，分析了悬浮型、溶液型和混合型三种反应类型的反应机理，并进一步探讨了溶剂对电解质纯度、形貌及结晶性的影响。同时，概述了液相法制备的硫化物固体电解质在全固态锂电池中的应用。最后，对硫化物固体电解质液相法合成的优势与局限性进行了全面的分析，以期为该领域的研究提供方向。
2025, 41(1): 240404
doi: 10.3866/PKU.WHXB202404042
摘要:
三元正极材料具有较高的放电比容量、倍率性能和工作电压，成为锂离子电池正极材料代表之一。三元正极材料由前驱体经过嵌锂烧结拓扑转变而来，因此，前驱体材料直接决定了三元正极材料的电池性能。针对前驱体可控均匀沉淀需求和对共沉淀过程参数变化极度敏感特性，本综述首先阐述络合调控实现Ni、Co、Mn元素均匀共沉淀，及沉淀物过饱和度诱导溶液体系不同形核状态基本原理，其次从晶面择优生长结合溶解-再结晶模型讨论了前驱体一次颗粒和二次颗粒生长模式，最后从实际生产角度，基本涵盖共沉淀过程所有可调参数，并深入讨论了各种参数由低到高变化对共沉淀反应形核及前驱体材料理化性能的影响。本综述阐释的相关理论及规律可进一步延伸至富锂锰基前驱体、单晶用前驱体以及径向排列织构前驱体等高端产品研发。
三元正极材料具有较高的放电比容量、倍率性能和工作电压，成为锂离子电池正极材料代表之一。三元正极材料由前驱体经过嵌锂烧结拓扑转变而来，因此，前驱体材料直接决定了三元正极材料的电池性能。针对前驱体可控均匀沉淀需求和对共沉淀过程参数变化极度敏感特性，本综述首先阐述络合调控实现Ni、Co、Mn元素均匀共沉淀，及沉淀物过饱和度诱导溶液体系不同形核状态基本原理，其次从晶面择优生长结合溶解-再结晶模型讨论了前驱体一次颗粒和二次颗粒生长模式，最后从实际生产角度，基本涵盖共沉淀过程所有可调参数，并深入讨论了各种参数由低到高变化对共沉淀反应形核及前驱体材料理化性能的影响。本综述阐释的相关理论及规律可进一步延伸至富锂锰基前驱体、单晶用前驱体以及径向排列织构前驱体等高端产品研发。
2025, 41(1): 230904
doi: 10.3866/PKU.WHXB202309042
摘要:
自首例多重共振热激活延迟荧光(Multiple resonance thermal activation delayed fluorescence，MR-TADF)分子报道至今，其表现出的窄带发射、高发光量子效率等特性在有机电子学，尤其是有机发光二极管(Organic light-emitting diode，OLED)等领域引发了持续的研究热度，迅速成为重点研究对象，并涌现出了众多性能出色的分子和高性能器件。以MR-TADF分子为发光层的器件不断刷新人们对OLED的认知，其中一些采用了超荧光技术所制备的器件性能代表了当今某些光色领域OLED性能的最高值。随着人们对超高分辨率显示器需求的与日俱增，国际电信联盟(ITU)宣布了下一代色域标准，即BT.2020。此标准建立了最宽的显示色域标准，要求单色的原色波长为467、532和630 nm，这个色域非常宽。同时，在如此之宽的色域上实现高分辨率的显示，对器件基元色纯度的要求达到了可谓史无前例的严格。因此，它为显示技术树立了一个具有极大挑战难度的色纯度目标。鉴于以往传统荧光材料难以担当此攻关重任，故而BT.2020的出现给予了MR-TADF分子新的发展机遇，并在很大程度上使得该领域愈发火热起来。近年来，随着大量的研究与实践，MR-TADF分子家族得到了飞速的发展，然而大家讨论和归纳的重点基本都集中在领域整体的发展方面，专门针对分子设计策略所展开的讨论和总结依旧较少，不足以为刚涉足该领域的科研人员提供足够的参考。因此，本文从X-π-X原则，快反向系间窜越过程，窄带发射与高振子强度等方面，阐述了近三年来所报道的MR-TADF分子的设计思路，并对未来可能的设计方向进行了展望，例如将一些不同于传统MR-TADF分子的结构引入这一领域。最后，对今后MR-TADF领域的发展和产业化提出建议。
自首例多重共振热激活延迟荧光(Multiple resonance thermal activation delayed fluorescence，MR-TADF)分子报道至今，其表现出的窄带发射、高发光量子效率等特性在有机电子学，尤其是有机发光二极管(Organic light-emitting diode，OLED)等领域引发了持续的研究热度，迅速成为重点研究对象，并涌现出了众多性能出色的分子和高性能器件。以MR-TADF分子为发光层的器件不断刷新人们对OLED的认知，其中一些采用了超荧光技术所制备的器件性能代表了当今某些光色领域OLED性能的最高值。随着人们对超高分辨率显示器需求的与日俱增，国际电信联盟(ITU)宣布了下一代色域标准，即BT.2020。此标准建立了最宽的显示色域标准，要求单色的原色波长为467、532和630 nm，这个色域非常宽。同时，在如此之宽的色域上实现高分辨率的显示，对器件基元色纯度的要求达到了可谓史无前例的严格。因此，它为显示技术树立了一个具有极大挑战难度的色纯度目标。鉴于以往传统荧光材料难以担当此攻关重任，故而BT.2020的出现给予了MR-TADF分子新的发展机遇，并在很大程度上使得该领域愈发火热起来。近年来，随着大量的研究与实践，MR-TADF分子家族得到了飞速的发展，然而大家讨论和归纳的重点基本都集中在领域整体的发展方面，专门针对分子设计策略所展开的讨论和总结依旧较少，不足以为刚涉足该领域的科研人员提供足够的参考。因此，本文从X-π-X原则，快反向系间窜越过程，窄带发射与高振子强度等方面，阐述了近三年来所报道的MR-TADF分子的设计思路，并对未来可能的设计方向进行了展望，例如将一些不同于传统MR-TADF分子的结构引入这一领域。最后，对今后MR-TADF领域的发展和产业化提出建议。
2025, 41(1): 230803
doi: 10.3866/PKU.WHXB202308032
摘要:
本文研究了杂多酸对储氢材料的催化效应，通过机械球磨法制备MgH2-xH3PW12O40 (x = 7%、10%、13%，质量分数)复合物样品，与纯的球磨MgH2对比，展示了杂多酸H3PW12O40对MgH2储氢动力学的提升作用。其中，MgH2-10H3PW12O40的放氢活化能比纯MgH2降低了46.23 kJ·mol-1，可在250 ℃、1 min内吸收6.25%的氢，在300 ℃、15 min内释放6.54%的氢气，而同等温度下MgH2在30 min内仅释放1.2%氢。即使是在较低的温度100 ℃，MgH2-10H3PW12O40也可在1 h内吸收5%的氢，而MgH2只能吸收0.9%的氢。结构表征结果表明H3PW12O40分子在球磨和储氢过程中被转变为WO3和W簇，其作用一方面是催化Mg―H键、H―H键的断裂，另一方面是促进MgH2颗粒在球磨过程中细化并抑制其团聚长大。该研究开创了多酸分子在储氢领域的催化应用。
本文研究了杂多酸对储氢材料的催化效应，通过机械球磨法制备MgH2-xH3PW12O40 (x = 7%、10%、13%，质量分数)复合物样品，与纯的球磨MgH2对比，展示了杂多酸H3PW12O40对MgH2储氢动力学的提升作用。其中，MgH2-10H3PW12O40的放氢活化能比纯MgH2降低了46.23 kJ·mol-1，可在250 ℃、1 min内吸收6.25%的氢，在300 ℃、15 min内释放6.54%的氢气，而同等温度下MgH2在30 min内仅释放1.2%氢。即使是在较低的温度100 ℃，MgH2-10H3PW12O40也可在1 h内吸收5%的氢，而MgH2只能吸收0.9%的氢。结构表征结果表明H3PW12O40分子在球磨和储氢过程中被转变为WO3和W簇，其作用一方面是催化Mg―H键、H―H键的断裂，另一方面是促进MgH2颗粒在球磨过程中细化并抑制其团聚长大。该研究开创了多酸分子在储氢领域的催化应用。
2025, 41(1): 230900
doi: 10.3866/PKU.WHXB202309002
摘要:
太阳能驱动的二氧化碳(CO2)甲烷化反应不仅有助于减少多余的碳排放，而且是生产燃料的重要途径。层状金属双氢氧化物(layered double hydroxides，LDH)可以在高温还原气(H2/Ar)氛围中还原，转化为金属负载于氧化物(MO)的催化剂。这些催化剂在CO2加氢反应中作为优秀的光热催化剂被广泛应用。然而，有关LDH的层间阴离子类型如何影响CO2甲烷化活性的研究还相对有限。本文研究了包含不同层间阴离子的镍(Ni)铝(Al) LDH前驱体，通过在H2/Ar气氛中还原处理，制备了一系列Ni负载在氧化铝(Al2O3)上的MO催化剂，这些催化剂被命名为NiAl-x-MO (其中x代表CO3、NO3、Cl和SO4，分别代表碳酸根、硝酸根、氯离子和硫酸根等阴离子)。其中，NiAl-CO3-MO催化剂表现出50.1%的CO2转化率，99.9%的甲烷(CH4)选择性以及94.4 mmol·g-1·h-1的CH4产出速率。与之相比，NiAl-Cl-MO和NiAl-SO4-MO催化剂的CO2甲烷化活性极低。H2程序升温脱附(temperature programmed desorption with H2，H2-TPD)实验和密度泛函理论计算(density functional theory，DFT)结果表明，低CO2转化率是由于残留的氯(Cl)或硫(S)与金属Ni形成的强配位键阻碍了H2的吸附和活化。因此，在设计LDH衍生的催化剂，特别是用于氢化反应的Ni基催化剂时，应优先考虑层间阴离子在LDH中的重要作用。
太阳能驱动的二氧化碳(CO2)甲烷化反应不仅有助于减少多余的碳排放，而且是生产燃料的重要途径。层状金属双氢氧化物(layered double hydroxides，LDH)可以在高温还原气(H2/Ar)氛围中还原，转化为金属负载于氧化物(MO)的催化剂。这些催化剂在CO2加氢反应中作为优秀的光热催化剂被广泛应用。然而，有关LDH的层间阴离子类型如何影响CO2甲烷化活性的研究还相对有限。本文研究了包含不同层间阴离子的镍(Ni)铝(Al) LDH前驱体，通过在H2/Ar气氛中还原处理，制备了一系列Ni负载在氧化铝(Al2O3)上的MO催化剂，这些催化剂被命名为NiAl-x-MO (其中x代表CO3、NO3、Cl和SO4，分别代表碳酸根、硝酸根、氯离子和硫酸根等阴离子)。其中，NiAl-CO3-MO催化剂表现出50.1%的CO2转化率，99.9%的甲烷(CH4)选择性以及94.4 mmol·g-1·h-1的CH4产出速率。与之相比，NiAl-Cl-MO和NiAl-SO4-MO催化剂的CO2甲烷化活性极低。H2程序升温脱附(temperature programmed desorption with H2，H2-TPD)实验和密度泛函理论计算(density functional theory，DFT)结果表明，低CO2转化率是由于残留的氯(Cl)或硫(S)与金属Ni形成的强配位键阻碍了H2的吸附和活化。因此，在设计LDH衍生的催化剂，特别是用于氢化反应的Ni基催化剂时，应优先考虑层间阴离子在LDH中的重要作用。
2025, 41(1): 230900
doi: 10.3866/PKU.WHXB202309003
摘要:
水系锌离子电池以其安全可靠、成本低、容量大、环境友好等优点被认为是最有前途的储能体系之一。然而，锌金属负极在水系电解液中通常面临严重的副反应和枝晶生长问题。在锌负极表面构建具有高离子迁移动力学的保护层是构筑高稳定、长寿命锌负极的有效策略。本文中，我们在锌负极表面制备了ZnQ分子筛(BPH拓扑)取向保护层，实现了高离子迁移动力学的稳定锌负极(ZnQ@Zn)的构筑。具有三维有序孔道的ZnQ分子筛在锌箔表面定向排列，为锌离子提供了良好的传导通路，分子筛孔道中的水分子有助于调控锌离子的配位环境，从而提高锌离子的迁移动力学。因此，ZnQ@Zn对称电池在1 mA·cm-2的电流密度下展现出27 mV的超低过电势以及超过1100 h的循环寿命。此外，ZnQ@Zn//NaV3O8·1.5H2O全电池在8 A·g-1的电流密度下循环1800次后，容量保持率高达96%，展现出优异的循环性能。本研究为构筑高迁移动力学锌负极保护层提供了新思路，并拓展了分子筛材料在储能领域中的应用。
水系锌离子电池以其安全可靠、成本低、容量大、环境友好等优点被认为是最有前途的储能体系之一。然而，锌金属负极在水系电解液中通常面临严重的副反应和枝晶生长问题。在锌负极表面构建具有高离子迁移动力学的保护层是构筑高稳定、长寿命锌负极的有效策略。本文中，我们在锌负极表面制备了ZnQ分子筛(BPH拓扑)取向保护层，实现了高离子迁移动力学的稳定锌负极(ZnQ@Zn)的构筑。具有三维有序孔道的ZnQ分子筛在锌箔表面定向排列，为锌离子提供了良好的传导通路，分子筛孔道中的水分子有助于调控锌离子的配位环境，从而提高锌离子的迁移动力学。因此，ZnQ@Zn对称电池在1 mA·cm-2的电流密度下展现出27 mV的超低过电势以及超过1100 h的循环寿命。此外，ZnQ@Zn//NaV3O8·1.5H2O全电池在8 A·g-1的电流密度下循环1800次后，容量保持率高达96%，展现出优异的循环性能。本研究为构筑高迁移动力学锌负极保护层提供了新思路，并拓展了分子筛材料在储能领域中的应用。
2025, 41(1): 230903
doi: 10.3866/PKU.WHXB202309037
摘要:
Ni-YSZ (镍-氧化钇稳定的氧化锆)氢电极支撑固体氧化物电池(SOC)在可逆运行模式下(R-SOC)普遍存在电化学不对称性现象。本文通过实验研究发现，氢电极扩散阻抗及电解质欧姆阻抗同时是R-SOC性能及不对称性的显著影响因素。研究结果显示，采用大孔氢电极和薄膜隔离层显著提升了R-SOC性能并减小了不对称性，在750 ℃、50% H2O和0.3 V偏压工况下，单电池的发电及电解电流密度分别达到了0.752和0.635 A·cm-2，电流密度不对称度△j仅为0.117 A·cm-2。研究结果对于高性能氢电极支撑SOC单电池的结构设计、制备和可逆运行具有重要的参考价值。
Ni-YSZ (镍-氧化钇稳定的氧化锆)氢电极支撑固体氧化物电池(SOC)在可逆运行模式下(R-SOC)普遍存在电化学不对称性现象。本文通过实验研究发现，氢电极扩散阻抗及电解质欧姆阻抗同时是R-SOC性能及不对称性的显著影响因素。研究结果显示，采用大孔氢电极和薄膜隔离层显著提升了R-SOC性能并减小了不对称性，在750 ℃、50% H2O和0.3 V偏压工况下，单电池的发电及电解电流密度分别达到了0.752和0.635 A·cm-2，电流密度不对称度△j仅为0.117 A·cm-2。研究结果对于高性能氢电极支撑SOC单电池的结构设计、制备和可逆运行具有重要的参考价值。
2025, 41(1): 240300
doi: 10.3866/PKU.WHXB202403008
摘要:
电化学硝酸根还原反应(eNO3-RR)合成氨是一种可持续的将环境污染物转化为高附加值产品的方法。钯基双金属纳米催化剂作为高效催化剂已显示出巨大的前景，但调控其组成和构型以提高催化性能并实现深入的机理理解仍然很有挑战。通过使用不同供/吸电子官能团的两个配体，我们成功地制备了两个原子精确的(AgPd)27双金属团簇，即Ag18Pd9(C8H4F)24(简称Ag18Pd9)和Ag22Pd5(C9H10O2)26 (简称Ag22Pd5)。两个团簇的金属核具有明显不同组成和构型，其中Ag18Pd9为中间层是9个Pd原子的“三明治”型金属核结构，Ag22Pd5为M13构型组成的棒状金属核结构，而5个钯原子位于M13构型的顶点和中心位置。出乎意料的是，Ag22Pd5表现出明显优于Ag18Pd9的eNO-3RR性能。具体表现来说，Ag22Pd5在-0.6 V时NH3的法拉第效率和产生速率达到最高，分别为94.42%和1.41 mmol·h-1·mg-1，但Ag18Pd9的NH3的最高法拉第效率和产生速率只有在-0.5 V时的43.86%和0.41 mmol·h-1·mg-1。原位衰减全反射表面增强红外光谱(ATR-SEIRAS)测试提供了反应中间体的实验证据，从而揭示了反应途径，也表明Ag22Pd5比Ag18Pd9具有更强的NO3-吸附和NH3脱附能力。理论计算表明，配体脱落的团簇可以暴露AgPd双金属位点，Ag-Pd位点为协同催化活性位点，不同构型的AgPd活性位点有显著差异，其中Ag22Pd5中的活性位点更有利于NO-3吸附和NH3脱附，从而加速催化过程。
电化学硝酸根还原反应(eNO3-RR)合成氨是一种可持续的将环境污染物转化为高附加值产品的方法。钯基双金属纳米催化剂作为高效催化剂已显示出巨大的前景，但调控其组成和构型以提高催化性能并实现深入的机理理解仍然很有挑战。通过使用不同供/吸电子官能团的两个配体，我们成功地制备了两个原子精确的(AgPd)27双金属团簇，即Ag18Pd9(C8H4F)24(简称Ag18Pd9)和Ag22Pd5(C9H10O2)26 (简称Ag22Pd5)。两个团簇的金属核具有明显不同组成和构型，其中Ag18Pd9为中间层是9个Pd原子的“三明治”型金属核结构，Ag22Pd5为M13构型组成的棒状金属核结构，而5个钯原子位于M13构型的顶点和中心位置。出乎意料的是，Ag22Pd5表现出明显优于Ag18Pd9的eNO-3RR性能。具体表现来说，Ag22Pd5在-0.6 V时NH3的法拉第效率和产生速率达到最高，分别为94.42%和1.41 mmol·h-1·mg-1，但Ag18Pd9的NH3的最高法拉第效率和产生速率只有在-0.5 V时的43.86%和0.41 mmol·h-1·mg-1。原位衰减全反射表面增强红外光谱(ATR-SEIRAS)测试提供了反应中间体的实验证据，从而揭示了反应途径，也表明Ag22Pd5比Ag18Pd9具有更强的NO3-吸附和NH3脱附能力。理论计算表明，配体脱落的团簇可以暴露AgPd双金属位点，Ag-Pd位点为协同催化活性位点，不同构型的AgPd活性位点有显著差异，其中Ag22Pd5中的活性位点更有利于NO-3吸附和NH3脱附，从而加速催化过程。
2025, 41(1): 231102
doi: 10.3866/PKU.WHXB202311021
摘要:
我们以宽带隙聚合物聚(3-己基噻吩) (P3HT)为给体，窄带隙聚合物聚{2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-双(2-癸基十四烷基)-6-(2-乙基己基)-4,8-二甲基-6,8,12,13-四氢-4氢-苯并[1,2,3]三唑并噻吩[2'',3'':4',5']并吡咯[2',3':4,5]并吡咯[3,2-g]并噻吩[2',3':4,5]并吡咯[3,2-b]并[4,5-e]吲哚-2,10-二基)双(甲烷亚甲基))双(5,5’-3-氧-2,3-二氢-1氢-2,1-二亚基茚))二丙二腈-连-2,5-二噻吩} (PTz-PT)为受体，研制了基于氧化铟锡(ITO)/聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS)/有源层/Al结构的倍增型全聚合物光电探测器(PM-APDs)。我们制备了P3HT : PTz-PT质量比为100 : 1、100 : 4、100 : 7和100 : 10的四种不同比例的二元PM-APDs。在黑暗条件下，由于Al的功函数和P3HT的最高已占据分子轨道(HOMO)之间存在0.8 eV的能级差距，空穴难以从铝电极注入到有源层中。有源层中的PTz-PT含量较低，缺乏连续的电子传输通道，导致有源层的电子传输能力较差。在光照条件下，由于有源层中PTz-PT含量较低，并且P3HT和PTz-PT的最低未占据分子轨道(LUMO)相差0.84 eV，光生电子会被孤立的PTz-PT捕获。Al电极附近的受陷电子会引起界面能带弯曲，实现空穴隧穿注入，从而导致外量子效率(EQE)值大于100%。在-8 V偏压下，基于P3HT : PTz-PT (100:4 wt/wt)的最优二元PM-APDs在300-1100 nm的光谱范围内具有超过100%的EQE。PM-APDs的EQE光谱形状取决于铝电极附近的受陷电子分布。通过引入聚合物聚(2-(4,8-双(4-(2-乙基己基)环戊二烯并-1,3-啶-1-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-2-基)-5,5-二氟-10-(5-(2-己基癸基)噻吩-2-基)-3,7-二甲基-5H-4λ4,5λ4-二吡咯[1,2-c:2',1'-f][1,3,2]二氮杂硼嗪) (PMBBDT)作为第三组分，PM-APDs的EQE光谱形状变得更平坦。我们制备了P3HT : PMBBDT : PTz-PT质量比分别为90 : 10 : 4和80 : 20 : 4的三元PM-APDs。三元PM-APDs的EQE值在420-600 nm的范围内提高，而在630-870 nm的范围内降低。三元PM-APDs具有更平坦的EQE光谱是由于其在Al电极附近的受陷电子分布更均匀。此外，在连续光照和外加偏压的条件下，三元PM-APDs的稳定性高于最优二元PM-APDs。在-12 V偏压下，最优三元PM-APDs的EQE值在350 nm处为3500%，在550 nm处为1250%，在900 nm处为1500%。在-10 V偏压下，最优三元PM-APDs的比探测度(D*shot)值在520 nm处为3.7 × 1012 Jones，在850 nm处为1.9 × 1013 Jones。最优三元PM-APDs在-10 V偏压下被白光连续照射170 min后，光电流为初始值的87%。我们利用最优三元PM-APDs搭建了光电容积描记(PPG)传感器并成功地测量了人体心率(HR)，测得的HR与人体正常心率相符。
我们以宽带隙聚合物聚(3-己基噻吩) (P3HT)为给体，窄带隙聚合物聚{2,2'-((2Z,2'Z)-((12,13-双(2-癸基十四烷基)-6-(2-乙基己基)-4,8-二甲基-6,8,12,13-四氢-4氢-苯并[1,2,3]三唑并噻吩[2'',3'':4',5']并吡咯[2',3':4,5]并吡咯[3,2-g]并噻吩[2',3':4,5]并吡咯[3,2-b]并[4,5-e]吲哚-2,10-二基)双(甲烷亚甲基))双(5,5’-3-氧-2,3-二氢-1氢-2,1-二亚基茚))二丙二腈-连-2,5-二噻吩} (PTz-PT)为受体，研制了基于氧化铟锡(ITO)/聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸) (PEDOT:PSS)/有源层/Al结构的倍增型全聚合物光电探测器(PM-APDs)。我们制备了P3HT : PTz-PT质量比为100 : 1、100 : 4、100 : 7和100 : 10的四种不同比例的二元PM-APDs。在黑暗条件下，由于Al的功函数和P3HT的最高已占据分子轨道(HOMO)之间存在0.8 eV的能级差距，空穴难以从铝电极注入到有源层中。有源层中的PTz-PT含量较低，缺乏连续的电子传输通道，导致有源层的电子传输能力较差。在光照条件下，由于有源层中PTz-PT含量较低，并且P3HT和PTz-PT的最低未占据分子轨道(LUMO)相差0.84 eV，光生电子会被孤立的PTz-PT捕获。Al电极附近的受陷电子会引起界面能带弯曲，实现空穴隧穿注入，从而导致外量子效率(EQE)值大于100%。在-8 V偏压下，基于P3HT : PTz-PT (100:4 wt/wt)的最优二元PM-APDs在300-1100 nm的光谱范围内具有超过100%的EQE。PM-APDs的EQE光谱形状取决于铝电极附近的受陷电子分布。通过引入聚合物聚(2-(4,8-双(4-(2-乙基己基)环戊二烯并-1,3-啶-1-基)苯并[1,2-b:4,5-b']二噻吩-2-基)-5,5-二氟-10-(5-(2-己基癸基)噻吩-2-基)-3,7-二甲基-5H-4λ4,5λ4-二吡咯[1,2-c:2',1'-f][1,3,2]二氮杂硼嗪) (PMBBDT)作为第三组分，PM-APDs的EQE光谱形状变得更平坦。我们制备了P3HT : PMBBDT : PTz-PT质量比分别为90 : 10 : 4和80 : 20 : 4的三元PM-APDs。三元PM-APDs的EQE值在420-600 nm的范围内提高，而在630-870 nm的范围内降低。三元PM-APDs具有更平坦的EQE光谱是由于其在Al电极附近的受陷电子分布更均匀。此外，在连续光照和外加偏压的条件下，三元PM-APDs的稳定性高于最优二元PM-APDs。在-12 V偏压下，最优三元PM-APDs的EQE值在350 nm处为3500%，在550 nm处为1250%，在900 nm处为1500%。在-10 V偏压下，最优三元PM-APDs的比探测度(D*shot)值在520 nm处为3.7 × 1012 Jones，在850 nm处为1.9 × 1013 Jones。最优三元PM-APDs在-10 V偏压下被白光连续照射170 min后，光电流为初始值的87%。我们利用最优三元PM-APDs搭建了光电容积描记(PPG)传感器并成功地测量了人体心率(HR)，测得的HR与人体正常心率相符。
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《物理化学学报》第4届编委会
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发布时间: 2018-05-02
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发布日期：2009-06-24 浏览：
