硼氮双掺杂提升碳点电催化氧还原活性研究（英文）

碳点(CDs)因其较大的比表面积和较快的电子转移特性,已成为能量转换应用领域一种新兴的纳米炭材料。本文以低成本的石油焦为原料,通过简便的一步电化学刻蚀方法制备了硼氮双掺杂碳点(BN-CDs)。与单掺杂碳点B-CDs和N-CDs相比,双掺杂BN-CDs表现出更优异的四电子氧还原电催化活性,具有更正的起始电位(Eonset=0.958 V)和大的扩散极限电流密度(j D=-4.32 mA cm~(-2)),且长期稳定性和甲醇耐受性优于商用Pt/C催化剂。密度泛函理论计算(DFT)研究表明,B、N双掺杂的协同效应促进了O_2分子的吸附,有助于提高碳点的电催化活性。本研究为纳米炭材料的设计及其在能量转换领域的应用提供了新的思路。     

氮掺杂碳量子点的合成、表征及其在细胞成像中的应用

以葡萄糖和甘氨酸为混合碳源,在较低温度下经水热法一步合成了氮掺杂的荧光碳量子点(N-CQDs),然后对氮掺杂碳量子点的形貌、结构、组成、光学性质和细胞毒性进行了表征,最后将其应用于细胞成像。实验结果表明,对碳量子点进行氮掺杂能有效提高其荧光量子产率,其荧光增强是由于表面形成了大量强供电子基团,当葡萄糖和甘氨酸的质量比为2∶1时能获得最高为6.57%荧光量子产率。氮掺杂碳量子点还具有水溶性好、粒度均匀、优异的光致发光性质、低的细胞毒性、多波长成像等诸多优点,有望作为荧光探针应用于细胞成像等领域。     

绿色荧光碳量子点的细胞成像研究

以葡萄糖为碳源,采用一步超声法制备氮掺杂碳量子点,并进行海拉(Hela)细胞成像研究。所获得的氮掺杂碳量子点平均粒径3.3nm,并具有良好的水溶性、光致发光特性。氮掺杂碳量子点具有低细胞毒性,在氮掺杂碳量子点浓度为1mg/mL条件下,Hela细胞的存活率高于90%,在浓度高达5mg/mL条件下,Hela细胞的存活率仍高于60%。     

双掺杂碳纳米管电子场发射性能的密度泛函研究

采用第一性原理的密度泛函理论(DFT)研究了(5,5)碳纳米管(CNT)顶端硼(B)、氮(N)、硅(Si)等元素双掺杂体系的电子场发射性能.结果表明,在外电场下,各种双掺杂CNT帽端态密度(DOS)向价带移动.电子轨道分布变化显著,电荷分布明显局城化.根据电子态密度、差分电荷密度、最高分子占据轨道(HOMO)/最低分子非占据轨道(LUMO)分布等计算结果可预期Si双掺杂后更有利于场致电子发射.     

C-Nb掺杂TiO2的电子结构与光学特性的第一性研究

运用第一性原理计算,研究了C单掺杂TiO_2体系、C与双Nb掺杂TiO_2体系的电子结构和光学特性。构建了C、C与双Nb掺杂TiO_2体系。并比较多种C与双Nb掺杂TiO_2构型的总能,发现C与双Nb近邻补偿共掺构型最稳定。对于C原子单掺杂TiO_2,其带隙中出现主要由C-2p轨道构成的3个子带,但是存在电子部分占据带隙子带,这种半占据子带在光催化过程中会成为新的电子-空穴复合中心,降低了光生电子分离效率。对于C与双Nb补偿掺杂TiO_2体系,其带隙中出现主要由Nb-4d轨道和C-2p轨道耦合而构成的3个带隙态,此时,由于两个Nb原子提供了足够的电子用于补偿C原子的双受子行为,其带隙子带被电子完全所占据,消除了C单掺TiO_2存在的缺陷,进一步提高了光生电子的量子效率。最后,对纯TiO_2和C与双Nb掺杂TiO_2体系的光吸收谱进行了计算,其结果显示C与双Nb近邻共掺TiO_2体系的光吸收谱拓展到可见光区域。     

Ag-P共掺杂石墨相氮化碳及其可见光降解性能研究

以硝酸银为银源、次磷酸钠为磷源、双氢胺为氮化碳前驱体，制备了磷银共掺杂氮化碳(P/Ag-CN)。通过X射线衍射、扫描电镜(SEM)、紫外-可见光分光光度计、荧光光谱、BET对样品进行了结构表征，通过光催化降解亚甲基蓝对其进行了光催化性能分析。结果表明：通过元素掺杂有效地改善了直接热缩聚法所得氮化碳比表面积小、光生电子-空穴复合率高的缺陷。与纯g-C₃N₄相比，P/Ag-CN的形貌由紧密堆积的层状结构转变为类似棉花糖的疏松结构，同时展示出更高的比表面积和更优异的光催化性能。当Ag掺杂量为2.5%、P掺杂量为3.0%时，银磷共掺杂g-C₃N₄的光催化性能最优，可达90.02%,其一阶反应速率常数分别是同等掺杂量时单掺杂样品的5.6倍和3.5倍，是纯g-C₃N₄的7.62倍。     

新型氮掺杂碳点材料的合成及其光学性能

以β-环糊精为碳源,L-天冬氨酸为氮源,采用一步水热合成法制备了氮掺杂碳量子点(N-doped CDs),然后对N-doped CDs的组成、形貌、光学性质进行表征,并研究了不同氮掺杂含量和氧气对N-doped CDs光学性能的影响.研究结果表明,制备的N-doped CDs表面富含氧和氮元素,氮的掺杂能有效提高碳量子点的荧光强度,但是过多的氮掺杂会使其荧光量子产率下降.制备的N-doped CDs最大荧光量子产率为19.1％.此外,无氧环境中N-doped CDs的荧光强度大于有氧环境下的荧光强度,表明氧的存在对碳量子点材料表面荧光有猝灭作用.简便的制备方法和独特的光学特性使这些N-doped CDs材料在许多领域具有潜在的应用可能,例如白色发光二极管.     

樟子松基碳量子点的制备工艺优化

目的 将樟子松木材包装废弃物转化为荧光碳量子点,为实现废弃樟子松木材包装的高值化综合利用探索一条新途径。方法 以60目樟子松木材包装废弃物为碳量子点前驱体,分别以硫酸和乙二胺为硫和氮掺杂剂,在温度为200 ℃、时间为10 h的水热条件下合成樟子松基碳量子点。采用紫外可见光分光光度计、荧光分光光度计、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱仪和X射线光电子能谱仪等表征手段,研究原材料配比对所制备樟子松基碳量子点物理结构、化学结构和光学性质的影响,并以碳量子点的荧光量子产率为评价指标,优化樟子松基碳量子点的制备工艺。结果 所得硫氮掺杂碳量子点呈规则球形,其平均粒径及粒径分布分别为4.30 nm和2.01~6.63 nm;当原材料配比为m(樟子松木粉)∶m(硫酸)∶m(乙二胺)=1∶1∶1时,合成的掺杂碳量子点的荧光最强、荧光量子产率最高。当樟子松木粉、去离子水、硫酸和乙二胺的质量比为1.250∶50∶1.250∶1.250时,掺杂碳量子点的荧光量子产率比未掺杂碳量子点的高约80倍。结论 将樟子松木材包装废弃物转化为荧光碳量子点,是实现废弃樟子松木材包装的高值化综合利用的新途径。     

CO_2气体反应磁控溅射制备Ti-O薄膜成分和结构研究

室温下采用反应磁控溅射的方法,利用CO2作碳源和氧源制备了碳掺杂Ti-O薄膜。X射线衍射(XRD)、光射线电子能谱(XPS)和拉曼光谱用于表征薄膜的成分和结构。采用紫外-可见(UV-Vis)分光光度计测量了薄膜的吸光度并通过作图计算得到其带隙宽度。结果表明,用CO2作碳源和氧源,可得到C掺杂的Ti-O薄膜。当掺杂碳时,钛氧膜中金红石相特征峰显著减弱,且碳以取代O原子的形式掺杂在薄膜中并促使TiO相的出现。当反应气体为CO2和O2共存时,钛原子优先与氧原子结合并抑制TiO相的形成。碳的掺入能有效降低TiO2带隙宽度,使薄膜的吸收边扩展到可见光区,提高对可见光的吸收。     

基于废弃火炬松木包装的碳量子点制备与性能

目的 为了改善废弃火炬松木材包装综合利用率低和功能化利用严重不足的现状,以其包装废弃物制备荧光碳量子点,实现高附加值利用。方法 首先,以废弃火炬松木材包装为碳源,以尿素和磷酸分别为氮、磷掺杂剂,采用水热法(温度为200 ℃、时间为12 h),制备氮磷掺杂碳量子点。接着,采用紫外可见光分光光度计、荧光分光光度计、透射电子显微镜、傅里叶红外光谱和X射线光电子能谱表征CQDs的物理结构、化学结构和光学性质,筛选出荧光强度高、荧光量子产率大的制备工艺。结果 所制备的氮磷掺杂火炬松荧光碳量子点呈规则的球形,其平均粒径为2.25 nm、粒径分布范围为1.3~3.4 nm,且在水溶液中分布均匀,无明显聚集;碳量子点表面具有丰富的醚键、碳碳双键以及含磷和含氮官能团;当火炬松木粉、去离子水、尿素、磷酸的质量比为1∶60∶0.5∶0.5时,所得荧光碳量子点的荧光最强、荧光量子产率最高,所得荧光量子产率比未掺杂碳量子点的提高了5.54倍。结论 以废弃火炬松木材包装为碳源制备荧光碳量子点的策略是可行的,可为火炬松木材包装废弃物的高值化和功能化利用提供了一条新的途径。     

掺氮荧光碳量子点的制备及性能研究

以柠檬酸为碳源、对氨基苯甲酸为氮源，通过一步水热法制备了氮掺杂荧光碳量子点(N-CQDs),采用透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、稳态瞬态荧光磷光光谱仪对其形貌、结构和光谱进行表征，研究了反应温度、反应时间、酸碱度对N-CQDs荧光性能的影响。结果表明：N-CQDs呈球形，具有良好的分散性；N-CQDs的荧光强度较碳量子点增强约17倍，N-CQDs最佳激发波长为404nm,最佳发射波长为480nm,说明氮的掺杂有助于碳量子点荧光强度的增强；反应温度为180℃、反应时间为6h,酸碱度为中性时，N-CQDs荧光强度最强。     

大气开放式MOCVD法制备碳掺杂氧化钛可见光光催化剂

设计研制了大气开放式金属有机化合物气相沉积(AP-MOCVD)装置,该装置操作简便,制备条件易控制,可制备不同碳掺杂氧化钛和纯氧化钛薄膜.以XRD、AES、XPS和UV-vis对碳掺杂氧化钛薄膜表征表明,以大气开放式MOCVD法在玻璃基片上制备的碳掺杂氧化钛薄膜,碳均匀掺杂到氧化钛晶格中,氧化钛晶格中碳占据了氧的位置并形成Ti-C键.其紫外可见吸收光谱(UV-vis)吸收曲线相对于纯氧化钛薄膜明显红移,并提高可见光的利用率.以AP-MOCVD法制备的碳掺杂氧化钛薄膜具有显著的可见光催化活性,在可见光下能使空气中的甲醛明显的光催化降解.     

钴掺杂氧化铈纳米粒子电催化性能研究

氧化铈的电子导电性较低、氧空位数量少, 难以单独用作为电催化剂。但是掺杂过渡金属或非金属元素可以提高氧化铈的CO催化能力, 同时在氧化物中掺杂钴可有效提高材料的电催化能力, 因此本工作开展了对钴掺杂的氧化铈电催化性能的研究。采用均相沉淀法制备了钴掺杂的氧化铈纳米粒子, 电化学测试发现当钴掺杂比例为20mol%时, 氧化铈纳米粒子对氧气还原反应(ORR)和氧气析出反应(OER)的综合催化能力最强。经过10 h的长时间催化作用, ORR、OER过程中的电流密度分别下降了20%、5%左右, 远优于贵金属和未掺杂氧化铈纳米粒子催化剂, 显示出良好的催化稳定性。拉曼光谱、阻抗图及XPS谱图等的测试分析表明钴掺杂后材料的电荷转移阻抗降低(电子导电性的提高)、氧活性物种和氧空位增加是氧化铈催化性能提高的主要原因。本工作通过钴掺杂大幅度提高了氧化铈的电催化性能, 同时为其它离子导体作为双功能电催化剂的使用提供了借鉴。     

氮掺杂碳包覆高性能磷酸铁锂材料的制备

以三聚氰胺为氮源,通过固相法成功合成了掺氮碳包覆的磷酸铁锂10%-NC-LFP。通过扫描电子显微镜和激光颗粒粒度分析来检测材料的微观形貌和宏观颗粒。颗粒表面氮掺杂的碳层可以提高LiFePO_4的电子电导率,与未掺杂的碳(C-LFP)相比,容量更高,倍率性能更好。实验表明,10%-NC-LFP的放电比容量在0.2C时为166mAh/g,在10C时为134mAh/g;C-LFP在0.2C时为164mAh/g,10C时为120mAh/g。本研究方法在提高LiFePO_4导电性方面非常有效,可应用于其他正极材料的合成。     

片花状碳掺杂ZnO光催化剂的制备及其对环丙沙星的降解

采用低温回流法,以葡萄糖为碳源,硝酸锌和氢氧化钠为原料制备碳掺杂ZnO光催化剂.通过比表面积分析仪、光电流等测试手段对光催化剂的结构和性能进行了表征.探讨碳掺杂量对ZnO光催化性能的影响,并进一步研究其对环丙沙星的降解活性.研究结果表明,碳加入量为0.6 wt％时,碳掺杂ZnO光催化剂(CZ-0.6)光催化有效性能最佳...     

磁控溅射制备染料敏化太阳能电池氮掺杂碳膜对电极

采用双极脉冲磁控溅射法制备氮掺杂碳膜并作为对电极应用在染料敏化太阳能电池(DSSC)中。研究了氮掺杂对碳膜的结构与性能的影响。用X射线光电子能谱(XPS)对氮掺杂碳膜进行薄膜表面元素分析,用四探针测试仪对氮掺杂碳膜的方块电阻进行测试,用扫描电镜对氮掺杂碳膜表面形貌进行分析。组装电池,用太阳光模拟器测试电池的光电转化率。研究结果表明,经过氮掺杂的碳膜,表面形貌致密,当N2的体积分数为30%时,薄膜中N元素含量为15.21%,薄膜的方块电阻为9.4Ω/□,电池的光电转化率为1.16%。     

载银TiO2/SiO2可见光催化降解偶氮染料的研究

用不同的方式制备了一系列载银TiO2/SiO2催化剂,并将其应用于可见光降解偶氮染料AO7,并对催化剂进行了XRD谱、SEM和BET表征.结果表明,Ag 的掺杂对催化剂的活性没有影响,而A0的掺杂能明显促进催化剂的活性,Ag0的最佳浓度为1%.在TiO2/可见光体系中,Ag0对催化剂活性的提高是因为A0加速了电子向溶解氧的转移,从而减少了染料正碳自由基和电子的复合.     

磁控溅射制备染料敏化太阳能电池氮掺杂碳膜对电极

采用双极脉冲磁控溅射法制备氮掺杂碳膜并作为对电极应用在染料敏化太阳能电池(DSSC)中。研究了氮掺杂对碳膜的结构与性能的影响。用X射线光电子能谱(XPS)对氮掺杂碳膜进行薄膜表面元素分析,用四探针测试仪对氮掺杂碳膜的方块电阻进行测试,用扫描电镜对氮掺杂碳膜表面形貌进行分析。组装电池,用太阳光模拟器测试电池的光电转化率。研究结果表明,经过氮掺杂的碳膜,表面形貌致密,当N2的体积分数为30%时,薄膜中N元素含量为15.21%,薄膜的方块电阻为9.4Ω/□,电池的光电转化率为1.16%。     

基于从头算法的TM金属共掺杂的ZnO基稀磁半导体的磁性研究(英文)

本文采用从头计算的方法研究了基于过渡性金属共掺杂Ⅱ-Ⅵ族稀释半导体的磁性和电子结构.并系统的研究了氧化锌基的稀释半导体铁磁态的稳定性和对其材料设计.在所有的共掺杂体系中,发现(Mn,Co),(Co,Ni)和(Mn,Ni)共掺杂体系是铁磁态的,而(Fe,Ni)共掺杂体系是自旋玻璃态.另一方面,Fe-,Co-和Ni掺杂ZnO基系统的稳态是铁磁态.同时,本文研究了ZnO基稀释半导体的载流子传导铁磁性,计算分析了电子态密度,铁磁态的稳定性.结合双交换和超交换理论解释共掺杂稀释半导体的磁性机理.     

氮氯共掺杂石墨烯量子点的合成及其对汞离子检测

以果糖、乙二胺、盐酸为原料，采用水热法将N、Cl原子掺杂在石墨烯量子点上，制备出氮氯共掺杂石墨烯量子点(N,Cl-GQDs),利用透射电镜、X射线光电子能谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等手段对其结构和性能进行了表征。结果表明：合成的N,Cl-GQDs为分散效果良好的球形，与单独氮掺杂及未掺杂的石墨烯量子点相比，双元素掺杂石墨烯量子点具有更好的光学性能。同时利用电化学发光淬灭原理构建了传感器，实现了对汞离子的检测，计算得出检测限为0.03ng/mL。