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2024 Volume 40 Issue 5
2024, 40(5): 230502
doi: 10.3866/PKU.WHXB202305029
Abstract:
一锅同时获得单个金属原子掺杂的纳米团簇与母体团簇富有挑战性。这样的合成可排除微量杂质的影响，使得掺杂和未掺杂纳米团簇的性质对比更加合理可靠。在此，我们首次实现了这种合成，得到了长期追寻的纳米团簇Au23(S-Adm)16和其单镉掺杂的Au22Cd1(S-Adm)16纳米团簇，并通过单晶X射线晶体学解析了其结构。令人惊讶的是，与以前的报道结果相反，Au23(S-Adm)16比Au22Cd1(S-Adm)16更稳定。另一方面，由于掺入镉原子后，内核Au―Au键长度增加，光激发电子转移阻力增加，导致Au22Cd1(S-Adm)16吸收和发射强度明显下降。因而，不仅团簇的稳定性，而且团簇的吸收和发射强度也与内核Au―Au键的长度关联。这项工作表明了两种团簇结构上的微小差异就可导致光学、热稳定性等方面的显著区别，也为研究金属纳米团簇的构效关系提供了良好的借鉴。
一锅同时获得单个金属原子掺杂的纳米团簇与母体团簇富有挑战性。这样的合成可排除微量杂质的影响，使得掺杂和未掺杂纳米团簇的性质对比更加合理可靠。在此，我们首次实现了这种合成，得到了长期追寻的纳米团簇Au23(S-Adm)16和其单镉掺杂的Au22Cd1(S-Adm)16纳米团簇，并通过单晶X射线晶体学解析了其结构。令人惊讶的是，与以前的报道结果相反，Au23(S-Adm)16比Au22Cd1(S-Adm)16更稳定。另一方面，由于掺入镉原子后，内核Au―Au键长度增加，光激发电子转移阻力增加，导致Au22Cd1(S-Adm)16吸收和发射强度明显下降。因而，不仅团簇的稳定性，而且团簇的吸收和发射强度也与内核Au―Au键的长度关联。这项工作表明了两种团簇结构上的微小差异就可导致光学、热稳定性等方面的显著区别，也为研究金属纳米团簇的构效关系提供了良好的借鉴。
2024, 40(5): 230501
doi: 10.3866/PKU.WHXB202305018
Abstract:
胆甾相液晶微球是空间结构高度对称的三维光子晶体，能够全方位地选择性反射特定波长的圆偏振光，具有无角度依赖性的光子禁带，作为一种新兴的光学材料在全向激光器、反射式显示和微传感器等领域展现出广阔的应用前景。近年来，毛细管微流控技术的蓬勃发展为连续、可控、高通量地制备结构复杂且分子规则取向的单分散胆甾相液晶微球提供了强有力的支持。本综述重点关注利用毛细管微流控技术制备胆甾相液晶微球的相关研究工作，首先分析了毛细管微流控装置在设计微球结构中的决定性作用，阐明了溶液体系的选择与液晶分子取向间的关系以及边界效应对微球尺寸的影响；随后，从胆甾相液晶微球的光学特性切入，介绍了利用温度、溶剂和光等外界刺激调控螺旋结构自组装的原理和策略以及微球之间独有的“光子交叉通讯”现象；最后，总结了现阶段胆甾相液晶微球的潜在应用方向并讨论了该材料体系未来面临的挑战。
胆甾相液晶微球是空间结构高度对称的三维光子晶体，能够全方位地选择性反射特定波长的圆偏振光，具有无角度依赖性的光子禁带，作为一种新兴的光学材料在全向激光器、反射式显示和微传感器等领域展现出广阔的应用前景。近年来，毛细管微流控技术的蓬勃发展为连续、可控、高通量地制备结构复杂且分子规则取向的单分散胆甾相液晶微球提供了强有力的支持。本综述重点关注利用毛细管微流控技术制备胆甾相液晶微球的相关研究工作，首先分析了毛细管微流控装置在设计微球结构中的决定性作用，阐明了溶液体系的选择与液晶分子取向间的关系以及边界效应对微球尺寸的影响；随后，从胆甾相液晶微球的光学特性切入，介绍了利用温度、溶剂和光等外界刺激调控螺旋结构自组装的原理和策略以及微球之间独有的“光子交叉通讯”现象；最后，总结了现阶段胆甾相液晶微球的潜在应用方向并讨论了该材料体系未来面临的挑战。
2024, 40(5): 230601
doi: 10.3866/PKU.WHXB202306011
Abstract:
锑(Sb)，因其具有较高的理论比容量(660 mAh·g-1)、较低储钠电位(0.5–0.8 V vs. Na/Na+)和较高的密度(6.68 g·cm-3)等特点，被认为是一种理想的钠离子电容器的阳极材料。然而，在Na+脱嵌过程中，Sb电极会发生较大的体积变化，导致其容量快速衰减以及倍率性能变差，阻碍了Sb电极的实际应用。因此，本文提出一种可用于制备锚定在具有碳涂层的二维石墨烯表面的无定型Sb纳米颗粒的电化学置换方法。所制备Sb/石墨烯复合材料具有典型的二维复合结构，可大幅增加与电解液界面接触面积，缩短离子扩散路径，促进离子迁移与电子转移。进一步利用该复合材料作为阳极，自制活性炭作为阴极，构建出一种新型钠离子电容器。研究证实，该钠离子电容器工作电压可达4.0 V，可输出140.75 Wh·kg-1的最大能量密度和12.43 kW·kg-1的最高功率密度。综上，该研究结果可为钠离子储能器件用高容量锑基阳极材料的优化设计提供可借鉴的思路。
锑(Sb)，因其具有较高的理论比容量(660 mAh·g-1)、较低储钠电位(0.5–0.8 V vs. Na/Na+)和较高的密度(6.68 g·cm-3)等特点，被认为是一种理想的钠离子电容器的阳极材料。然而，在Na+脱嵌过程中，Sb电极会发生较大的体积变化，导致其容量快速衰减以及倍率性能变差，阻碍了Sb电极的实际应用。因此，本文提出一种可用于制备锚定在具有碳涂层的二维石墨烯表面的无定型Sb纳米颗粒的电化学置换方法。所制备Sb/石墨烯复合材料具有典型的二维复合结构，可大幅增加与电解液界面接触面积，缩短离子扩散路径，促进离子迁移与电子转移。进一步利用该复合材料作为阳极，自制活性炭作为阴极，构建出一种新型钠离子电容器。研究证实，该钠离子电容器工作电压可达4.0 V，可输出140.75 Wh·kg-1的最大能量密度和12.43 kW·kg-1的最高功率密度。综上，该研究结果可为钠离子储能器件用高容量锑基阳极材料的优化设计提供可借鉴的思路。
2024, 40(5): 230503
doi: 10.3866/PKU.WHXB202305038
Abstract:
制备可以同时高效且高通量地处理纳米乳液的超浸润材料仍然具有挑战。为此，本文提出了一种通过在超分子骨架纳米片上修饰氧化石墨烯以增强亲水性的策略。通过将两种具有片状形态的材料连续抽滤于商业基质上，可制备得到氧化石墨烯辅助的超分子骨架复合膜，并用于分离具有纳米尺寸液滴的水包油乳液。骨架一方面通过均匀的纳米孔拦截乳液中分散的微小液滴，另一方面也通过带负电的表面提供静电相互作用来驱动破乳过程发生。具有良好亲水性的氧化石墨烯赋予膜材料改善的亲水能力和水合层。该复合膜具有纳米级的截留尺寸、带负电的表面和水下疏油性，并且还获得了高的水通量和耐油污染性。基于尺寸筛分和破乳效应，该复合膜可有效地去除分散在水包油乳液中由非离子、阴离子和阳离子表面活性剂稳定的纳米油滴。特别是对于离子型乳液，在分离后动态光散射未检测出残留液滴。滤液中总有机碳含量小于10 ppm，对应着大于99.9%的分离效率，优于许多国家和组织的标准。在各种乳液的分离过程中，复合膜表现出较高的分离渗透性，约为原始骨架膜的3.5倍。此外，具有防污效果的复合膜获得了较高的通量回收率，通过简单的水洗处理即可实现5次具有稳定分离性能的循环。该复合膜在重复使用过程中没有组分损失，在150 °C内具有热稳定性，并能抵抗腐蚀性化学环境。在本工作中，我们试图将具有不同结构特性和表面特性的两种组分结合，通过简单的方法制备复合膜，并在功能协同作用下实现水包油型纳米乳液的高性能分离。
制备可以同时高效且高通量地处理纳米乳液的超浸润材料仍然具有挑战。为此，本文提出了一种通过在超分子骨架纳米片上修饰氧化石墨烯以增强亲水性的策略。通过将两种具有片状形态的材料连续抽滤于商业基质上，可制备得到氧化石墨烯辅助的超分子骨架复合膜，并用于分离具有纳米尺寸液滴的水包油乳液。骨架一方面通过均匀的纳米孔拦截乳液中分散的微小液滴，另一方面也通过带负电的表面提供静电相互作用来驱动破乳过程发生。具有良好亲水性的氧化石墨烯赋予膜材料改善的亲水能力和水合层。该复合膜具有纳米级的截留尺寸、带负电的表面和水下疏油性，并且还获得了高的水通量和耐油污染性。基于尺寸筛分和破乳效应，该复合膜可有效地去除分散在水包油乳液中由非离子、阴离子和阳离子表面活性剂稳定的纳米油滴。特别是对于离子型乳液，在分离后动态光散射未检测出残留液滴。滤液中总有机碳含量小于10 ppm，对应着大于99.9%的分离效率，优于许多国家和组织的标准。在各种乳液的分离过程中，复合膜表现出较高的分离渗透性，约为原始骨架膜的3.5倍。此外，具有防污效果的复合膜获得了较高的通量回收率，通过简单的水洗处理即可实现5次具有稳定分离性能的循环。该复合膜在重复使用过程中没有组分损失，在150 °C内具有热稳定性，并能抵抗腐蚀性化学环境。在本工作中，我们试图将具有不同结构特性和表面特性的两种组分结合，通过简单的方法制备复合膜，并在功能协同作用下实现水包油型纳米乳液的高性能分离。
2024, 40(5): 230305
doi: 10.3866/PKU.WHXB202303050
Abstract:
氢气因其高能量密度、可持续性和燃烧后无污染等优点，被认为是取代传统化石燃料的最具前途的新兴能源载体之一。其中，电解水制氢技术因为其高效和绿色的特性而备受关注。然而电解水制氢过程通常受到阳极析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)的限制，因此这种方法的大规模应用面临重大挑战。克服这一难题的一个有前途的解决方法是在阳极上使用电催化甘油氧化反应(Glycerol Oxidation Reaction，GOR)代替OER，这种替代反应可以实现节能降耗的同时提高电解水制氢的效率，进一步推动氢气作为清洁能源的发展。然而，这一目标的实现需要高效、低成本且高选择性的GOR电催化剂。在这篇文章中，我们报告了一种新型的酸碱双电解质流电解器(AADEF-electrolyzer)，用于在碱性阳极GOR耦合酸性阴极析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)。我们通过一种简单的水热煅烧方法制备了一种在镍泡沫(NF)上原位生长的自支撑的NiCo2O4纳米针电极材料(NiCo2O4/NF)。该电极在GOR中表现出优异的电催化性能，在低电位下实现了高的电解电流密度，对甲酸盐的生产表现出优异的选择性，法拉第效率超过85%。密度泛函理论计算表明，NiCo2O4对GOR具有较低的反应能垒，Ni的存在有利于降低Co的电子态密度，从而实现NiCo2O4与中间体的高效解离，促进甲酸的生成。基于NiCo2O4/NF出色的GOR性能和电化学中和能(ENE)理论，我们构建了一个新型的AADEF-electrolyzer，利用NiCo2O4/NF作为GOR的阳极，配合酸性阴极进行析氢反应(HER)。实验结果表明，AADEF-electrolyzer对GOR具有低过电位和高选择性产甲酸的优异性能，仅需0.36 V的电压即可实现10 mA·cm-2的电流密度，平均产甲酸的法拉第效率为85%。同时该电解槽表现出良好的长期稳定性和辅助产氢性能，阴极产氢的法拉第效率接近100%。这种低成本、易于制备的自支撑电极材料和新型酸碱双电解质流动电解器为促进化学品的增值转化和开发新型混合电解系统或其他相关电化学反应的混合电解装置提供了创新策略。
氢气因其高能量密度、可持续性和燃烧后无污染等优点，被认为是取代传统化石燃料的最具前途的新兴能源载体之一。其中，电解水制氢技术因为其高效和绿色的特性而备受关注。然而电解水制氢过程通常受到阳极析氧反应(Oxygen Evolution Reaction，OER)的限制，因此这种方法的大规模应用面临重大挑战。克服这一难题的一个有前途的解决方法是在阳极上使用电催化甘油氧化反应(Glycerol Oxidation Reaction，GOR)代替OER，这种替代反应可以实现节能降耗的同时提高电解水制氢的效率，进一步推动氢气作为清洁能源的发展。然而，这一目标的实现需要高效、低成本且高选择性的GOR电催化剂。在这篇文章中，我们报告了一种新型的酸碱双电解质流电解器(AADEF-electrolyzer)，用于在碱性阳极GOR耦合酸性阴极析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction，HER)。我们通过一种简单的水热煅烧方法制备了一种在镍泡沫(NF)上原位生长的自支撑的NiCo2O4纳米针电极材料(NiCo2O4/NF)。该电极在GOR中表现出优异的电催化性能，在低电位下实现了高的电解电流密度，对甲酸盐的生产表现出优异的选择性，法拉第效率超过85%。密度泛函理论计算表明，NiCo2O4对GOR具有较低的反应能垒，Ni的存在有利于降低Co的电子态密度，从而实现NiCo2O4与中间体的高效解离，促进甲酸的生成。基于NiCo2O4/NF出色的GOR性能和电化学中和能(ENE)理论，我们构建了一个新型的AADEF-electrolyzer，利用NiCo2O4/NF作为GOR的阳极，配合酸性阴极进行析氢反应(HER)。实验结果表明，AADEF-electrolyzer对GOR具有低过电位和高选择性产甲酸的优异性能，仅需0.36 V的电压即可实现10 mA·cm-2的电流密度，平均产甲酸的法拉第效率为85%。同时该电解槽表现出良好的长期稳定性和辅助产氢性能，阴极产氢的法拉第效率接近100%。这种低成本、易于制备的自支撑电极材料和新型酸碱双电解质流动电解器为促进化学品的增值转化和开发新型混合电解系统或其他相关电化学反应的混合电解装置提供了创新策略。
2024, 40(5): 230502
doi: 10.3866/PKU.WHXB202305028
Abstract:
传统电化学CO2还原(CO2RR)系统中阳极发生的水氧化半反应(WOR)具有动力学缓慢、过电位大、能耗高等缺点，限制了CO2RR系统的经济效益和应用。因此，本研究引入MnO2阳极进行甲醛氧化半反应(FOR)以代替WOR，构建了一种新型CO2RR/FOR耦合系统。与传统的CO2RR/WOR系统相比，在相同的施加电势下，CO2RR/FOR耦合系统的CO2RR电流密度和CO2RR产物的生成速率通常更具有优势。此外，在CO2RR/FOR耦合系统中，在合适的施加电势下，HCHO可以选择性地转化为HCOOH。具体来说，两电极CO2RR/FOR耦合系统中，在3.5 V的槽电压下，近90%的HCHO可以被去除，且HCHO会选择性转化为HCOOH，其转化率约为48%。更重要的是，在不同的工作电流下，FOR所需的电势比WOR所需的电势要小。在-10 mA·cm-2时，CO2RR/FOR耦合系统能降低约210 mV的槽电压，并且其能耗比单独的CO2RR系统和FOR系统的能耗之和降低45.13%。值得注意的是，当使用商业多晶硅太阳能电池作为电源时，在CO2RR/FOR耦合系统中的CO2RR电流密度、CO2RR产物的生成速率和HCHO到HCOOH的选择性仍然可以实现相当的改善。目前的工作将进一步推动研究开发新型的CO2RR耦合系统，以经济有效地将CO2和有机污染物同时转化为有价值的化学品。
传统电化学CO2还原(CO2RR)系统中阳极发生的水氧化半反应(WOR)具有动力学缓慢、过电位大、能耗高等缺点，限制了CO2RR系统的经济效益和应用。因此，本研究引入MnO2阳极进行甲醛氧化半反应(FOR)以代替WOR，构建了一种新型CO2RR/FOR耦合系统。与传统的CO2RR/WOR系统相比，在相同的施加电势下，CO2RR/FOR耦合系统的CO2RR电流密度和CO2RR产物的生成速率通常更具有优势。此外，在CO2RR/FOR耦合系统中，在合适的施加电势下，HCHO可以选择性地转化为HCOOH。具体来说，两电极CO2RR/FOR耦合系统中，在3.5 V的槽电压下，近90%的HCHO可以被去除，且HCHO会选择性转化为HCOOH，其转化率约为48%。更重要的是，在不同的工作电流下，FOR所需的电势比WOR所需的电势要小。在-10 mA·cm-2时，CO2RR/FOR耦合系统能降低约210 mV的槽电压，并且其能耗比单独的CO2RR系统和FOR系统的能耗之和降低45.13%。值得注意的是，当使用商业多晶硅太阳能电池作为电源时，在CO2RR/FOR耦合系统中的CO2RR电流密度、CO2RR产物的生成速率和HCHO到HCOOH的选择性仍然可以实现相当的改善。目前的工作将进一步推动研究开发新型的CO2RR耦合系统，以经济有效地将CO2和有机污染物同时转化为有价值的化学品。
2024, 40(5): 230504
doi: 10.3866/PKU.WHXB202305047
Abstract:
利用取之不尽的太阳能资源进行光催化水裂解制氢是缓解全球能源危机、实现碳中和战略的一项有前景的技术。石墨相氮化碳(g-C3N4)因成本低且稳定性高在光催化产氢领域备受关注。然而，纯g-C3N4存在表面积小、电子转移慢、光生载流子复合快等缺陷，产氢性能通常不佳。本研究通过直接热解硫酸铵和三聚氰胺混合物，成功实现硫物种对g-C3N4氮位点的原位取代，开发出一种高效的硫掺杂g-C3N4 (S-g-CN)光催化剂。系列结构和光谱表征证实硫的成功掺杂。密度泛函理论的第一性原理计算表明S活性位对氢的吸附吉布斯自由能近乎为零(~0.26 eV)，揭示S掺杂在优化H活性中间体吸附和解吸过程中起着重要作用。透射电子显微镜和原子力显微镜测试结果表明，S-g-CN具有超薄的纳米片状结构，其片层厚度约为2.5 nm。随后的氮气吸脱附等温线和光电化学性质测试结果表明，S掺杂不仅可显著增大g-C3N4比表面积，而且还能有效提高其光生电子-空穴对的转移、分离和氧化还原能力。得益于材料良好的结构特性，S-g-CN的光催化产氢速率高达4923 μmol·g-1·h-1，是原始g-C3N4的28倍，超越诸多最近报道的其它S掺杂g-C3N4光催化剂。而且，S-g-CN的表观量子效率高达3.64%。本研究除了开发一种高效的光催化剂，还将为高性能g-C3N4基催化剂的设计提供有益借鉴。
利用取之不尽的太阳能资源进行光催化水裂解制氢是缓解全球能源危机、实现碳中和战略的一项有前景的技术。石墨相氮化碳(g-C3N4)因成本低且稳定性高在光催化产氢领域备受关注。然而，纯g-C3N4存在表面积小、电子转移慢、光生载流子复合快等缺陷，产氢性能通常不佳。本研究通过直接热解硫酸铵和三聚氰胺混合物，成功实现硫物种对g-C3N4氮位点的原位取代，开发出一种高效的硫掺杂g-C3N4 (S-g-CN)光催化剂。系列结构和光谱表征证实硫的成功掺杂。密度泛函理论的第一性原理计算表明S活性位对氢的吸附吉布斯自由能近乎为零(~0.26 eV)，揭示S掺杂在优化H活性中间体吸附和解吸过程中起着重要作用。透射电子显微镜和原子力显微镜测试结果表明，S-g-CN具有超薄的纳米片状结构，其片层厚度约为2.5 nm。随后的氮气吸脱附等温线和光电化学性质测试结果表明，S掺杂不仅可显著增大g-C3N4比表面积，而且还能有效提高其光生电子-空穴对的转移、分离和氧化还原能力。得益于材料良好的结构特性，S-g-CN的光催化产氢速率高达4923 μmol·g-1·h-1，是原始g-C3N4的28倍，超越诸多最近报道的其它S掺杂g-C3N4光催化剂。而且，S-g-CN的表观量子效率高达3.64%。本研究除了开发一种高效的光催化剂，还将为高性能g-C3N4基催化剂的设计提供有益借鉴。
2024, 40(5): 230504
doi: 10.3866/PKU.WHXB202305043
Abstract:
探索高效水分解光催化剂具有获得氢能源的巨大潜力。调控异质结界面可以有效地促进电荷载流子的分离和太阳能的利用，从而提高光催化活性。本工作使用了一种机械混合辅助自组装方法来构建NiPS3(NPS)纳米片(NSs)/C3N5 (CN) NSs (NPS/CN)异质结，即在二维(2D) CN NSs表面紧密沉积2D NPS NSs以形成2D/2D异质结构。在可见光下，通过在去离子水和海水中分解水生成氢气来评价样品的光催化性能。与CN NSs和NPS NSs相比，NPS/CN复合材料显示出较高的光催化产氢(PHE)活性，这是由于光捕获能力增加和异质结形成的协同作用所致。然而，过量的NPS NSs沉积在CN NSs表面会降低NPS/CN中CN NSs组分的光吸收，从而降低NPS/CN复合材料的PHE活性。这表明，NPS/CN复合材料要获得良好的光催化活性，需要两个组分之间适当的质量比。优化后的光催化剂(3-NPS/CN)具有良好的结构稳定性，在可见光下PHE效率最高，为47.71 μmol·h-1，是CN NSs的2385.50倍。此外，3-NPS/CN在海水中也表现出良好的PHE活性，反应速率为8.99 μmol·h-1。采用光电化学、稳态光致发光(PL)、时间分辨光致发光(TR-PL)、稳态表面光电压(SPV)和时间分辨表面光电压(TPV)技术研究了不同光催化剂上的电荷分离和迁移。根据表征结果提出了一种可能的PHE机理。在NPS/CN光催化剂中，由于CN NSs和NPS NSs之间的电位差和强的界面电子耦合，光生电子从CN NSs的导带迅速迁移到NPS NSs的导带。然后，聚积在NPS NSs组份导带上的光生电子可以有效地还原质子生成氢气分子。同时，在三乙醇胺(TEOA)分子存在下，CN NSs和NPS NSs的价带上的光生空穴被消耗。本研究提供了一种简单的2D/2D异质结构光催化剂制备方法，该方法对于构建高效二维异质结光催化剂在能源领域中的应用具有重要价值。
探索高效水分解光催化剂具有获得氢能源的巨大潜力。调控异质结界面可以有效地促进电荷载流子的分离和太阳能的利用，从而提高光催化活性。本工作使用了一种机械混合辅助自组装方法来构建NiPS3(NPS)纳米片(NSs)/C3N5 (CN) NSs (NPS/CN)异质结，即在二维(2D) CN NSs表面紧密沉积2D NPS NSs以形成2D/2D异质结构。在可见光下，通过在去离子水和海水中分解水生成氢气来评价样品的光催化性能。与CN NSs和NPS NSs相比，NPS/CN复合材料显示出较高的光催化产氢(PHE)活性，这是由于光捕获能力增加和异质结形成的协同作用所致。然而，过量的NPS NSs沉积在CN NSs表面会降低NPS/CN中CN NSs组分的光吸收，从而降低NPS/CN复合材料的PHE活性。这表明，NPS/CN复合材料要获得良好的光催化活性，需要两个组分之间适当的质量比。优化后的光催化剂(3-NPS/CN)具有良好的结构稳定性，在可见光下PHE效率最高，为47.71 μmol·h-1，是CN NSs的2385.50倍。此外，3-NPS/CN在海水中也表现出良好的PHE活性，反应速率为8.99 μmol·h-1。采用光电化学、稳态光致发光(PL)、时间分辨光致发光(TR-PL)、稳态表面光电压(SPV)和时间分辨表面光电压(TPV)技术研究了不同光催化剂上的电荷分离和迁移。根据表征结果提出了一种可能的PHE机理。在NPS/CN光催化剂中，由于CN NSs和NPS NSs之间的电位差和强的界面电子耦合，光生电子从CN NSs的导带迅速迁移到NPS NSs的导带。然后，聚积在NPS NSs组份导带上的光生电子可以有效地还原质子生成氢气分子。同时，在三乙醇胺(TEOA)分子存在下，CN NSs和NPS NSs的价带上的光生空穴被消耗。本研究提供了一种简单的2D/2D异质结构光催化剂制备方法，该方法对于构建高效二维异质结光催化剂在能源领域中的应用具有重要价值。
2024, 40(5): 230701
doi: 10.3866/PKU.WHXB202307016
Abstract:
开发新型纳米材料实现光催化产氢耦合有机物转化、提高太阳能到化学能的转换效率，在解决能源和环境危机方面具有巨大潜力。三元金属硫化物具有可调控的带隙和优异的可见光响应，在光催化分解水产氢方面引起了广泛关注。其中，Zn0.5Cd0.5S是一种带隙较窄、导带位置较高、耐光腐蚀的还原型光催化剂；然而，单一Zn0.5Cd0.5S中光生电子和空穴的复合率较高，只有少部分光生载流子参与光催化反应，导致量子效率较低而无法达到实际需求。WO3是一种典型的氧化型光催化剂，具有较低的价带位置和较强的氧化能力，是与Zn0.5Cd0.5S耦合构建S型异质结的理想半导体。基于此，本文通过静电纺丝和水热方法将Zn0.5Cd0.5S纳米片垂直生长在WO3纳米纤维上，制备了具有核壳结构的WO3/Zn0.5Cd0.5S异质结。功函数的差异驱动Zn0.5Cd0.5S的电子转移到WO3上，在界面处形成内建电场并使能带弯曲。通过原位光照X射线光电子能谱、电子顺磁共振和时间分辨荧光光谱分析，发现在内建电场、弯曲能带和库仑吸引力的作用下，WO3导带上的光生电子迁移到Zn0.5Cd0.5S价带上并与其光生空穴复合，表明WO3和Zn0.5Cd0.5S之间形成了S型异质结，实现了具有强氧化还原能力的载流子的高效分离。得益于独特的S型光催化机制以及反应物在催化剂表面的有效吸附与活化，没有贵金属助催化剂的情况下，WO3/Zn0.5Cd0.5S异质结在产氢(715 μmol·g-1·h-1)和乳酸转化为丙酮酸方面表现出增强的光催化活性，实现了光生电子和空穴的高效利用。原位漫反射傅里叶变换红外光谱和密度泛函理论计算揭示了光催化产氢和有机物转化的反应机理。本工作为设计和研究新型S型异质结光催化剂、实现高效产氢耦合有机物转化提供了新的见解。
开发新型纳米材料实现光催化产氢耦合有机物转化、提高太阳能到化学能的转换效率，在解决能源和环境危机方面具有巨大潜力。三元金属硫化物具有可调控的带隙和优异的可见光响应，在光催化分解水产氢方面引起了广泛关注。其中，Zn0.5Cd0.5S是一种带隙较窄、导带位置较高、耐光腐蚀的还原型光催化剂；然而，单一Zn0.5Cd0.5S中光生电子和空穴的复合率较高，只有少部分光生载流子参与光催化反应，导致量子效率较低而无法达到实际需求。WO3是一种典型的氧化型光催化剂，具有较低的价带位置和较强的氧化能力，是与Zn0.5Cd0.5S耦合构建S型异质结的理想半导体。基于此，本文通过静电纺丝和水热方法将Zn0.5Cd0.5S纳米片垂直生长在WO3纳米纤维上，制备了具有核壳结构的WO3/Zn0.5Cd0.5S异质结。功函数的差异驱动Zn0.5Cd0.5S的电子转移到WO3上，在界面处形成内建电场并使能带弯曲。通过原位光照X射线光电子能谱、电子顺磁共振和时间分辨荧光光谱分析，发现在内建电场、弯曲能带和库仑吸引力的作用下，WO3导带上的光生电子迁移到Zn0.5Cd0.5S价带上并与其光生空穴复合，表明WO3和Zn0.5Cd0.5S之间形成了S型异质结，实现了具有强氧化还原能力的载流子的高效分离。得益于独特的S型光催化机制以及反应物在催化剂表面的有效吸附与活化，没有贵金属助催化剂的情况下，WO3/Zn0.5Cd0.5S异质结在产氢(715 μmol·g-1·h-1)和乳酸转化为丙酮酸方面表现出增强的光催化活性，实现了光生电子和空穴的高效利用。原位漫反射傅里叶变换红外光谱和密度泛函理论计算揭示了光催化产氢和有机物转化的反应机理。本工作为设计和研究新型S型异质结光催化剂、实现高效产氢耦合有机物转化提供了新的见解。
2024, 40(5): 230402
doi: 10.3866/PKU.WHXB202304027
Abstract:
二维层状材料(石墨烯、二维过渡金属硫族化合物等)因具有独特的物理性质，引起了研究学者们的广泛关注，极大促进了化学、材料科学和凝聚态物理学的发展。开发能够探究层状材料中层数依赖的光学、电学、力学和热学特性的新技术一直是二维材料领域最活跃的研究方向之一。光热显微镜利用光激发后非辐射跃迁产生的热效应，可实现在单个颗粒或单分子水平上成像与检测，并实时捕捉微观尺度热弛豫和热传输过程。本文对比研究了石墨烯薄片在不同光热介质(空气、甘油)中随厚度变化的光热特性，发现了在两种介质中光热信号强度与样品厚度之间均存在非线性依赖关系。相比于空气介质，甘油介质中光热信号强度具有更高的对比度，且随着厚度增加表现出非单调变化。该研究提供了不同介质环境中不同层数石墨烯光吸收和热弛豫特征的细节信息，相关研究结论将为层状材料及其异质结的热学性质研究提供依据。
二维层状材料(石墨烯、二维过渡金属硫族化合物等)因具有独特的物理性质，引起了研究学者们的广泛关注，极大促进了化学、材料科学和凝聚态物理学的发展。开发能够探究层状材料中层数依赖的光学、电学、力学和热学特性的新技术一直是二维材料领域最活跃的研究方向之一。光热显微镜利用光激发后非辐射跃迁产生的热效应，可实现在单个颗粒或单分子水平上成像与检测，并实时捕捉微观尺度热弛豫和热传输过程。本文对比研究了石墨烯薄片在不同光热介质(空气、甘油)中随厚度变化的光热特性，发现了在两种介质中光热信号强度与样品厚度之间均存在非线性依赖关系。相比于空气介质，甘油介质中光热信号强度具有更高的对比度，且随着厚度增加表现出非单调变化。该研究提供了不同介质环境中不同层数石墨烯光吸收和热弛豫特征的细节信息，相关研究结论将为层状材料及其异质结的热学性质研究提供依据。
2024, 40(5): 230404
doi: 10.3866/PKU.WHXB202304043
Abstract:
金纳米棒在光学、电学、信息学和生物医学等领域具有广泛的应用。然而，一些具有特殊要求的金纳米棒还不能通过常规的方法制备。在本研究中，我们创新地将十二醇(LA)分子引入到传统种子生长方法中，成功实现了具有固定宽度的不同长径比(AR)金纳米棒(FW-Au NR)的按需制备。此外，通过合理地选择相应的反应条件(如氯金酸和硝酸银的浓度)，可以在130–38.4，109–26.4和16–46 nm范围之间分别调节FW23-Au NRs，FW14-Au NRs和FW6.5-Au NRs (右上角的标注数字表示金纳米棒的宽度)的长度。即，可在一个较大的长度范围内调节具有固定宽度的金纳米棒的长径比。并且，在合适浓度的十二醇，0.24–0.30 mmol·L-1范围内调节硝酸银浓度，可以使这些金纳米棒的宽度固定在6.5–23 nm之间。另外，实现FW-Au NRs制备的关键是银离子和十二醇分子对分布在金种子晶面上的CTA-Br-Ag+化合物的密度的协同影响。
金纳米棒在光学、电学、信息学和生物医学等领域具有广泛的应用。然而，一些具有特殊要求的金纳米棒还不能通过常规的方法制备。在本研究中，我们创新地将十二醇(LA)分子引入到传统种子生长方法中，成功实现了具有固定宽度的不同长径比(AR)金纳米棒(FW-Au NR)的按需制备。此外，通过合理地选择相应的反应条件(如氯金酸和硝酸银的浓度)，可以在130–38.4，109–26.4和16–46 nm范围之间分别调节FW23-Au NRs，FW14-Au NRs和FW6.5-Au NRs (右上角的标注数字表示金纳米棒的宽度)的长度。即，可在一个较大的长度范围内调节具有固定宽度的金纳米棒的长径比。并且，在合适浓度的十二醇，0.24–0.30 mmol·L-1范围内调节硝酸银浓度，可以使这些金纳米棒的宽度固定在6.5–23 nm之间。另外，实现FW-Au NRs制备的关键是银离子和十二醇分子对分布在金种子晶面上的CTA-Br-Ag+化合物的密度的协同影响。
