硅钛杂化介孔球负载金纳米粒子及其催化性能调控

以能源开发(如光解水制氢)及环境保护(如有机物降解)应用为目标, 负载型贵金属催化剂在设计、制备及理论研究方面已取得了长足的发展。本工作以具有特异形貌及结构的树枝状二氧化硅纳米球载体为基础, 通过溶胶-凝胶法在其孔道引入二氧化钛纳米颗粒形成硅钛杂化结构。通过有机改性技术, 在树枝状硅钛杂化纳米球表面接枝氨基官能团。然后, 通过浸渍法和硼氢化钠还原手段, 在杂化纳米球孔道负载超细金纳米粒子。不同手段表征结果显示实验成功制备了树枝状硅钛杂化纳米球负载金纳米颗粒复合材料。在模拟太阳光下, 所得催化剂光解水产氢量及速率为69.08 μmol·g^-1和13.82 μmol·g^-1·h^-1, 约为对比样催化剂(树枝状二氧化硅纳米球负载金纳米粒子)的7倍。在无光条件下, 其降解对硝基苯酚的表观动力学常数为6.540×10^-3 s^-1, 约为对比样的17倍(0.372×10^-3 s^-1)。由此可见, 设计合成的新型催化剂展现出优越的多功能催化活性。     

超声辅助溶胶-凝胶法制备中空纤维TiO2超滤膜

TiO₂膜具有亲水性强和热化学稳定性好等优点而用于超滤分离, 但是TiO₂膜以管式膜为主, 渗透通量低且制备周期长。为了提高TiO₂膜的渗透通量, 并缩短膜的制备周期, 本工作以钛酸四丁酯为前驱体, 采用超声辅助溶胶-凝胶法制备高通量的中空纤维负载型TiO₂超滤膜。系统考察了硝酸与钛酸四丁酯的摩尔比(酸钛比)、超声时间和煅烧温度对TiO₂溶胶粒径及膜截留性能的影响。结果表明：当酸钛比为0.25时, 溶胶的平均粒径为3252 nm, 采用超声处理30 s后, 平均粒径减小至1817 nm。采用超声后的溶胶循环涂膜并在350 ℃煅烧两次后可得到完整无缺陷的中空纤维TiO₂超滤膜, 膜层平均厚度为1 μm, 膜的纯水渗透通量为145 L·m^-2·h^-1·bar^-1(1 bar=0.1 MPa), 葡聚糖截留分子量为2586 Da, 对应的平均孔径为2.5 nm。     

具有高度有序氧空位的α-Fe2O3纳米带的制备及光电催化水氧化性能研究

本研究针对α-Fe₂O₃中空穴迁移距离短(2~4 nm)和水氧化动力学缓慢的问题, 通过钯催化氧化法构筑了有序氧空位掺杂的一维α-Fe₂O₃纳米带(α-Fe₂O₃ NBs)阵列, 以提高光电催化分解水产氢性能。采用不同表征方法对光阳极进行形貌、结构分析。结果表明：一维α-Fe₂O₃ NBs表面形成了有序氧空位, 周期为1.48 nm, 对应于10倍的(11¯2)晶面间距。光电化学及产氢性能表明：α-Fe₂O₃ NBs起始电位为0.587 V (vs. RHE), 在1.6 V (vs. RHE)时光电流密度为3.3 mA·cm^-2, 产氢速率达29.46 μmol·cm^-2·h^-1。这归因于引入有序氧空位提高了载流子密度, 促进了空穴的分离传输, 并作为表面活性位点, 促使表面水氧化反应加速进行。     

炭辅助的固态粒子烧结工艺制备多孔TiO2/不锈钢膜

提出了一种炭辅助的固态粒子烧结工艺, 可在大孔烧结金属载体表面直接制得无过渡层的多孔陶瓷膜。以纳米TiO₂为成膜粒子, 以大孔不锈钢滤管为载体, 以聚乙烯醇(PVA)为粘结剂, 采用浸渍提拉法在载体表面涂覆。考察了不同烧结气氛(氮气和空气)对陶瓷膜制备的影响。通过扫描电子显微镜、X射线衍射、热重分析和孔径测试对材料进行表征。实验发现, 试样在空气中烧结后膜层发生严重剥落, 而在氮气中烧结后膜层完整。这是由于PVA在氮气中高温碳化生成炭, 所形成的TiO₂和炭的混合结构削弱了因载体表面状况差和陶瓷—金属间热膨胀系数不匹配而引起的陶瓷层烧结应力。待陶瓷颗粒烧结后, 涂层中的炭经空气热处理脱除。所制备的多孔TiO₂/不锈钢膜的膜层厚度约10 μm, 平均孔径为0.21 μm, 室温下氮气通量为1.72 m³/(m²·h·kPa)。     

脉冲激光喷涂一步合成黑色二氧化钛复合涂层

为实现黑色纳米TiO₂有效负载, 提高实际应用能力, 本研究提出了脉冲激光溅射喷涂的方法。在石英玻璃基底上一步制备了非晶分子筛和金红石型TiO₂纳米晶的黑色复合涂层, 表征了复合涂层表面形貌, 测定了复合涂层粉末的光谱吸收性能、物相结构、化学价态以及光催化性能。研究结果表明: 涂层为2~5 μm球体堆积成的多孔结构, 在整个可见光区具有较强的吸收能力。脉冲激光溅射喷涂过程中, 分子筛高温熔融急冷转变为非晶态结构, TiO₂则由锐钛矿型转变为金红石型; 其中Ti⁴⁺离子部分被还原为Ti³⁺离子, 缩小了禁带宽度。脉冲激光溅射喷涂技术实现了黑色纳米TiO₂快速负载, 且在全光谱和可见光条件下仍表现出良好的光催化能力。     

Ge掺杂MnTe材料的热电输运性能

MnTe作为一种新型的无铅p型热电材料, 在中温区热电领域具有广阔的应用前景, 但其本身的热电性能不足以与高性能n型热电材料相匹配。本研究通过真空熔炼-淬火和放电等离子烧结的方法制备不同Ge掺杂量的致密且均匀的Mn_1.06-xGe_xTe(x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04)多晶块体样品。过量的Mn可以有效抑制MnTe₂相, 提高基体相的热电性能。通过掺杂4%Ge粉末, 材料的载流子浓度提高到7.328×10¹⁸ cm^-3, 电导率在873 K增大到7×10³ S∙cm^-1, 功率因子提升至620 μW∙m^-1∙K^-2。同时, 通过点缺陷增强声子散射使材料的热导率降低到0.62 W∙m^-1∙K^-1, 实现了对材料电声输运性能的有效调控。Mn_1.02Ge_0.04Te在873 K获得了0.86的热电优值ZT, 较纯MnTe材料提高了43%。     

TiO2/Co3O4复合纳米颗粒的制备及其光催化制氢性能

通过碳辅助法和溶胶-凝胶法制备了具有可见光下光催化制氢性能的TiO₂/Co₃O₄复合纳米颗粒。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM), 以及紫外可见分光光度计表征了复合纳米颗粒的晶体结构、微观形貌和紫外-可见光谱吸收能力。结果表明, 制备的复合纳米颗粒具有良好的晶型、结构以及紫外可见光吸收能力。实验测试了TiO₂/Co₃O₄复合纳米颗粒在模拟太阳光下的光催化制氢性能, 并研究了其光催化制氢的可重复利用性。结果表明, 在模拟太阳光照射下, 该复合纳米颗粒催化纯水产生氢气的速率约为8.25 μmol/(g·h), 且该复合纳米颗粒具有良好的可重复利用性。     

Pd纳米颗粒协同氧空位增强TiO2光催化CO2还原性能

针对TiO₂表面活性位点不足、反应动力学缓慢、CO₂还原产物中碳氢化合物的产率低以及选择性差等问题,研究通过Pd催化氧还原法在缺氧环境中构筑了具有表面氧空位的一维单晶TiO₂纳米带阵列(Pd-Ov-TNB)。通过形貌结构、载流子行为及光催化性能分析,探究了表面氧空位和Pd的氢溢流效应对光生载流子分离传输及还原产物选择性的影响。结果表明,Pd-Ov-TNB的CO₂还原活性强,产物中CH₄、C₂H₆和C₂H₄的产率分别为40.8、32.09和3.09μmol·g^-1·h^-1,碳氢化合物的选择性高达84.52%,在C-C偶联方面展现出巨大的潜力。其一维单晶纳米带结构提高了材料的活性比表面积和结晶度,为CO₂还原反应提供了更多的活性位点,并加速载流子的分离传输。同时,氧空位增强了光生电荷的表面积累,为CO₂还原提...     

TiO2纳米环/纳米管分层结构的生长机理及其吸光特性

由于电解液成分、氧化条件和所制备纳米管尺寸等因素的影响, TiO₂纳米管阵列在阳极氧化过程中容易形成纳米草结构, 而利用两步阳极氧化法可制备出表面整洁的TiO₂纳米环/纳米管分层结构。实验通过控制氧化时间得到了不同生长阶段的TiO₂纳米环/纳米管分层结构, 并对其生长机理及吸光特性展开研究。结果表明, 在第二步阳极氧化过程中, 钛箔表面的周期性六边形纳米洞结构可以使纳米管的生长过程局限于每个纳米洞内部, 从而形成TiO₂纳米环/纳米管分层结构。同时, 存在的纳米环可以为其内部的纳米管提供支撑作用, 防止纳米草结构的形成。TiO₂纳米环/纳米管分层结构的吸收光谱在可见光区域呈现震荡形态, 这是纳米环顶部反射的光与钛基底反射的光相互干涉导致的。根据震荡峰形状与样品厚度的关系, 可以估算出入射光在TiO₂纳米环/纳米管分层结构中的最大穿透深度为2 μm左右。     

TiO2含量对压电纤维复合材料抗拉及驱动应变性能的影响

采用粘稠塑性加工方法制备了锆钛酸铅方形压电纤维复合材料, 研究了环氧树脂中不同TiO₂含量对压电纤维复合材料的电学阻抗、抗拉及驱动应变性能的影响。结果表明: 环氧树脂中TiO₂含量不同, 压电纤维复合材料的谐振频率不同。压电纤维复合材料的抗拉强度及纵向自由应变值均随着环氧树脂中TiO₂含量增大先增加后减小。环氧树脂中TiO₂含量为3wt%的压电纤维复合材料的抗拉强度达到了77.50 MPa, 且在驱动电压为-500 V~+1500 V时, 其纵向自由应变值达到了1783.7 με。当环氧树脂中TiO₂含量从3wt%增大至5wt%时, 压电纤维复合材料的抗拉性能和驱动应变性能均有所降低。在不同的外加驱动频率下, 压电纤维复合材料表现出不同的驱动应变能力。随着频率的增大, 压电纤维复合材料的纵向自由应变幅度表现出明显降低, 当频率超过5 Hz后, 其纵向自由应变值略有减小。     

N、Fe共掺杂纳米TiO2的制备和性能

以钛酸丁酯为钛源,用醇热法制备了N、Fe单掺杂及共掺杂纳米TiO₂。对样品的晶型结构、表面形貌、比表面积、紫外可见吸收、光致发光和分解水制氢催化性能分别进行了表征。结果表明,在500℃退火的N、Fe共掺杂TiO₂样品均为锐钛矿相棱形纳米颗粒,分散性较好,平均粒径约20 nm;N、Fe共掺杂的摩尔分数分别为5.0%和2.0%时,样品具有良好的可见光吸收活性,对光的吸收从387 nm（未掺杂锐钛矿相TiO₂）红移至510 nm处。主要原因可能是,N和Fe共掺杂在其禁带中产生杂质能级,导致其禁带宽度减小;N、Fe单掺杂及共掺杂改性,有效抑制了电子-空穴的复合,提高了光生载流子的分离效率;在可见光下（λ>400 nm）N、Fe共掺杂TiO₂具有较高的光催化分解水制氢活性,氢气生成速率为299.2μmol·g^-1·h^-1。     

TiO2/C复合材料用于钠离子电池负极的性能研究

近年来,TiO₂作为钠离子电池(NIB)负极材料,因其低成本和高稳定性等优势受到广泛关注。但受TiO₂本征电子导电性的固有限制,使得TiO₂作为NIB负极材料导电性较差,导致其容量和倍率等性能不理想。利用海藻酸钠与金属离子自主交联反应的特性,将反应产物在最佳温度下进行简单碳化,制备了具有分级多孔结构的TiO₂/C复合材料,其中TiO₂纳米颗粒均匀地分布在多孔互连的碳基体中,该结构提升了复合材料导电性的同时扩展了钠离子反应的附着位点。将TiO₂/C复合材料用于NIB负极材料,在100 mA·g^-1的电流密度下循环300圈后,电池可逆比容量维持在180.4 mAh·g^-1;进一步,在更高的1000 mA·g^-1电流密度下经过1000次循环后,电池可逆比容量维持在102.3 mAh·g^-1,充分显示出TiO₂/C复合材料作为NIB负极材料的应用潜能。     

非晶LiSiON薄膜电解质的全固态薄膜锂电池性能

全固态薄膜锂电池(TFLB)是理想的微电子系统电源.目前报道的固态非晶电解质存在离子电导率偏低的问题,限制了TFLB性能的提升.本工作采用磁控溅射法制备了一种新型非晶锂硅氧氮(LiSiON)薄膜用作TFLB的固态电解质.结果表明,优化制备条件后的LiSiON薄膜具有6.3×10–6 S·cm–1的高离子电导率以及超过5...     

一步水热合成Sm3+-SrTiO3/TiO2复合纳米纤维及可见光催化性能

以电纺TiO₂纳米纤维为基体和反应物,通过一步水热法,将SrTiO₃原位构筑在TiO₂纳米纤维表面的同时将稀土Sm³⁺掺入SrTiO₃中,合成了Sm³⁺-SrTiO₃/TiO₂复合纳米纤维光催化材料.利用XRD、XPS、FESEM和HRTEM等测试手段对样品进行了表征.以罗丹明B和对氯苯酚模拟有机污染物进行光催化降解.结果表明：稀土Sm³⁺掺杂进入SrTiO₃晶格取代Sr²⁺,在SrTiO₃禁带内形成杂质能级,拓宽了光谱响应范围;同时在SrTiO₃晶格内引入了缺陷位,成为电子的捕获中心,降低了载流子的复合几率;而SrTiO₃与TiO₂复合形成异质结,进一步提高了光生电子-空穴的分离程度,Sm³⁺-SrTiO₃/TiO₂复合纳米纤维表现出良好的可见光催化活性。     

简易合成Bi/Bi2MoO6/TiO2复合纳米纤维及其增强的可见光催化性能

以电纺TiO₂ 纳米纤维为基质, 葡萄糖为还原剂, 采用简单一步溶剂热法制备了等离子体Bi/Bi₂MoO₆/TiO₂复合纳米纤维。利用X射线衍射、场发射扫描电镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱和光致发光谱等对样品进行表征。以RhB和4-CP为模拟有机污染物, 评价材料的光催化性能。结果表明: 部分Bi ³⁺被葡萄糖还原成金属Bi纳米粒子, 原位沉积在Bi₂MoO₆纳米片上, 同时构筑在TiO₂纳米纤维表面。金属Bi的等离子体共振效应, 有效提高了样品的光催化活性。可见光照50 min, 样品对RhB的降解率为95.8%, 五次循环后仍保持在92%以上; 可见光照180 min, 样品对4-CP的降解率达68.8%。证实该材料具有良好的可见光催化活性和稳定性。     

钠离子电池TiO_2/还原氧化石墨烯负极材料的制备及储钠性能

由于钠离子半径比锂离子半径大70%,使得钠离子在石墨电极材料中脱嵌较困难,需要对石墨负极材料进行改性。以天然石墨为原料,采用Hummers法制备氧化石墨烯;在此基础上以钛酸丁酯为原料,采用溶胶-凝胶法制备了TiO_2前驱体/氧化石墨烯(TiO_2/GO)复合材料,通过热处理获得锐钛矿型TiO_2/还原氧化石墨烯(TiO_2/RGO)复合材料。电化学测试结果表明:TiO_2含量为15wt%的TiO_2/RGO复合材料在电流密度为20mA·g~(-1)下的首次放电比容量为74.08mAh·g~(-1),随着循环次数的增加,放电比容量逐渐增大,循环50次后达109.10mAh·g~(-1);充放电效率也呈现出逐渐增大的趋势,循环50次后达65.59%。而纯还原氧化石墨烯首次放电比容量为41.43mAh·g~(-1),循环50次后仅为20.47mAh·g~(-1)。