二维改性碳基材料用于高效光催化产氢

二维碳基材料,因导电性强、比表面积大、成本低廉等诸多优势,被广泛应用于光/电催化等新兴领域,尤其是光催化裂解水产氢技术,普遍被认为是解决当前能源短缺和环境污染问题的有效途径之一。虽然,近年来关于二维碳基材料在光催化产氢领域的研究层出不穷,但其固有的光生电子/空穴分离效率低、还原/氧化能力弱、界面传输速率慢等问题仍亟待解决。因此,如何显著增加二维碳基材料表面催化活性位点密度,提高其在光催化产氢过程中的电子传输速率和稳定性,具有重要的现实意义。以石墨炔(GDY)、氮化碳(C₃N₄)、共价有机框架化合物(COF)、过渡金属碳/氮化合物(MXenes)四种典型的二维碳基材料为研究对象,系统总结了掺杂/空位缺陷和异质结构建两种改性策略对二维碳基材料物理化学性质的影响关系,并深入剖析了其光催化产氢活性增强机制。最后,还对新型二维改性碳基材料的发展和挑战提出了展望,为高性能光催化产氢材料的设计、制备和应用提供理论指导。     

理论计算在GaN范德华异质结的光催化的研究进展

近年来,后石墨烯时代许多新型二维材料表现出优异的物理化学性能,同时以二维半导体材料为基础构建的二维范德华异质结复合材料为改善光催化剂性能开辟了新的研究方向。二维范德华异质结光催化剂可以增强对可见光的吸收和降低电子和空穴的复合,极大提升光催化性能。氮化镓（gallium nitride,GaN）材料具有禁带宽度大、电子漂移速度快、抗腐蚀性强和耐高温等优点,这为其作为半导体光催化剂提供了可能。介绍了光催化剂材料筛选和二维GaN基范德华异质结研究进展等,通过第一性原理密度泛函理论对二维GaN基异质结体系的光催化性质进行研究分析。     

晶圆级二维单晶材料生长的研究进展

低维材料因其原子级的物理尺寸而拥有独特的物理化学性质. 以石墨烯为代表的二维材料具有优越的光学、电学、力学及热学性能,在电子、光电、能源、催化等领域具有巨大的应用潜力. 大尺寸、高质量的单晶材料是大规模高端器件的应用基础. 为此,研究者们致力于实现晶圆级二维单晶材料的制造研究. 利用化学气相沉积法(CVD)制备二维材料具有薄膜质量高、可控性强、均匀性好等优点,因此,CVD成为制备高质量二维单晶材料的首选. 文章从二维导电石墨烯、绝缘氮化硼和半导体过渡金属硫族化合物入手,总结了近年来利用CVD技术外延制造二维单晶薄膜的研究进展,讨论了大面积二维单晶材料的制备策略与生长机理,指出了目前存在的问题,对未来高质量二维单晶薄膜的制备方法进行了展望. 该综述为进一步推动二维单晶材料的规模化应用提供借鉴.     

二维材料的角分辨光电子能谱研究

材料的电子结构是决定其电、磁、光等性质的关键因素,而能够直接观测材料电子结构的角分辨光电子能谱(Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES)技术是研究材料的基本物理和化学性质的先进技术手段之一.近年来,各种具有优异性能的二维材料被人们不断发掘出来,并有望成为未来光电、电子和自旋器件的基础材料.本文将对ARPES的构成和原理做简要的介绍,并总结了当前利用ARPES技术研究二维材料电子结构及其基本物性的前沿进展.本文所关注的二维材料体系主要包含以下四个部分:石墨烯、氮化硼、单元素二维材料、过渡金属硫族化合物.其中对石墨烯的ARPES研究成果最为丰富,对它的研究直接引领了对其他二维材料的ARPES研究.当前,对基于不同二维材料相互堆叠形成的异质结构的研究正方兴未艾,我们在文中也提及一部分关于二维堆垛异质结构的ARPES研究.     

二维材料研究现状及展望

正二维材料是一大类材料的统称,指的是在一个维度上材料尺寸减小到极限的原子层厚度,而在其他两个维度,材料尺寸相对较大。最典型也是最早实验证明的二维材料是石墨烯。2004年,K. S. Novoselov等人在Science杂志发表文章,报道了通过机械剥离的方法从高取向的裂解石墨中获得了石墨烯,且证明了其独特优异的电学性质。自此之后,以石墨烯为代表的二维材料获得了快速的发展,新的二维材料如雨后春笋般涌现。得     

CdS-Ti_2C复合材料的制备及其光催化还原Cr(Ⅵ)研究

以Ti_2AlC为原料,通过HF选择性刻蚀合成Ti_2C二维层状材料,再通过湿化学法制备CdS-Ti_2C复合材料.对材料进行表征发现,HF会对Ti_2AlC中Al进行刻蚀,得到过渡金属二维材料;CdS与Ti_2C复合时,CdS以粒子形式与Ti_2C复合.以光催化还原Cr(Ⅵ)为模型反应,研究CdS-Ti_2C复合材料的光催化性能.研究发现,与CdS相比,CdS-Ti_2C复合材料光催化还原Cr(Ⅵ)的活性显著提高.与此同时,对CdS-Ti_2C进行煅烧处理,发现300℃煅烧处理的CdS-Ti_2C相比于150℃煅烧处理的CdS-Ti_2C光催化还原速率下降更加明显,说明Ti_2C载体和不同的煅烧温度对光催化活性有一定影响.     

二维材料的非线性光学性质

二维材料由于其独特的结构与物理性质具有广阔的应用潜力,在光子学、光电子学、电子学等许多方面已经取得了很大的进展.最近,大数据、光网络、微型光开关等方面的应用需求直接或间接促进了二维材料非线性光学性质方面的研究工作.本文综述了二维材料(包括单层、少层和悬浮液等)的非线性光学性质研究进展:首先简单介绍了几种常见的二维材料(石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷等)和非线性光学的基本理论,然后主要介绍了二维材料在不同非线性效应(参量过程包括二次谐波、三次谐波和四波混频等,非参量过程包括饱和吸收、双/多光子吸收和非线性折射等)中的发展现状,并在相应部分对这些微纳材料在非线性光学领域的应用前景和未来可能的研究方向进行了展望.     

MXenes基光催化剂应用的研究进展

新型二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物(MXenes)是一种二维层状结构材料,它的稳定性、机械性能、电导率、吸附量、比表面积等性能在各个方面都有一定的优势,还有着新奇的层状结构,已经被广泛应用于光电催化、能量存储、电磁干扰屏蔽等其他方面.主要综述了近年来MXenes材料在光催化应用领域中的最新理论和实验工作,包括光催...     

基于新型二维材料的可见光至中红外短脉冲光纤激光器的研究

新型二维材料如石墨烯、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物和黑磷等不仅具有良好的可饱和吸收特性,而且拥有宽带运转、制备简单、成本低廉和兼容性好等优势,是光调制器件的完美选择之一,被广泛应用于脉冲光纤激光器领域,成为激光研究领域的前沿热点之一.以厦门大学光电子技术研究所近几年的相关研究成果为主要对象,结合国内外研究进展,介绍了二维材料的制备/表征、非线性可饱和吸收特性的测量,并重点阐述了基于二维材料的可见光、近红外至中红外宽波段的调Q/锁模光纤激光器的研究动态.     

二维电子体系的关联和波函数

在新材料的探索中已制成一些具有二维特性的材料:半导体表面的反型层、积累层以及异质结界面,层状化合物,石墨夹层,液氦表面上吸附的电子单层,各种表面上的吸附层等等.这些二维结构的材料除了具有应用的前景外,人们还观察到一些新的现象:电子的Wigner晶格和dimple,二维晶格熔化过程中的Hexatic相,K-T相变,量子Hall效应等.因此近年来二维体系引起了人们的重视.但是,某些现象的物理原因现在还未弄清,分数的量子Hall效应是其中的一个,普遍认为这是外磁场中二维电子气相互作用的结果.Laughlin首先给出了外磁场中二维电子气的基     

锂电池负极材料石墨片的简单制备及其性能

以石墨铅笔的笔芯为原料,通过简单涂抹的方法成功制备类似石墨烯纳米片的薄片结构.对该石墨片材料在0.1 C（1 C=372 mA/g）电流密度下进行电化学性能测试,并与铅笔芯直接碾磨制备的石墨材料进行比较,结果发现,石墨纳米片的充放电曲线显著不同,首次可逆比容量为402 mA·h/g,高于石墨材料的比容量和碳的理论比容量.经过20圈循环后,可逆比容量下降为367 mA·h/g,为首次比容量的91.3%.石墨片材料具有较好的循环稳定性和较高的比容量,主要是因为石墨片具有二维片状纳米结构,比表面积很大,锂离子可同时储存在纳米片的正反两面和侧面.     

静电自组装制备坡缕石负载纳米TiO2光催化材料

为了实现纳米TiO2的固定化负载,提高材料的光催化性能,选用1维孔结构的坡缕石矿物为载体,以TiCl4为钛源,采用静电自组装方法制备了坡缕石负载纳米TiO2光催化材料.采用XRD(X射线衍射分析)、FT-IR(傅立叶变换红外谱仪)和SEM(扫描电镜)对材料进行分析和表征,采用甲基橙染料评价材料的光催化性能.重点考察了焙烧温度和硅烷偶联剂用量等对材料结构和性能的影响.研究表明:坡缕石负载纳米TiO2复合材料对甲基橙染料具有吸附与光催化的协同作用,采用静电自组装方法可有效提高材料的光催化性能和循环利用性能.     

二维材料MXene的制备及其在光催化产氢领域的研究进展

MXene是一种类石墨烯结构的新型二维材料,由MAX材料刻蚀掉A层后得到手风琴状MXene,然后经过插层步骤可以得到少层或单层的MXene薄片.MXene具有良好的物理化学性质,如高导电性、高比表面积、活性位点多和独特的形貌及结构,使其在储能、电池、超级电容器和光催化方面具有良好的发展前景.本文中列举新型二维材料MXene的几种主要制备方法,阐述MXene在光催化产氢领域展现出来的优异性能,并对其发展前景做出一定的展望.     

含偶氮染料工业废水处理的实验

对南墅石墨矿尾矿进行回收,得到天然金红石精矿。通过粉碎、分级等手段制备了天然金红石光催化材料。用制备的天然金红石光催化材料处理含偶氮染料工业废水。结果表明:在紫外光照射条件下处理4 h后,其对偶氮染料工业废水的脱色率达到88.37%。对比实验表明其对偶氮染料的作用既有吸附,也有降解,说明该天然金红石光催化材料有一定的光催化活性。     

含偶氮染料工业废水处理的实验

对南墅石墨矿尾矿进行回收，得到天然岔红石精矿。通过粉碎、分级等手段制备了天然金红石光催化材料。用制备的天然金红石光催化材料处理含偶氮染料工业废水。结果表明：在紫外光照射条件下处理4h后，其对偶氮染料工业废水的脱色率达到88．37％。对比实验表明其对偶氮染料的作用既有吸附，也有降解，说明该天然金红石光催化材料有一定的光催化活性。     

少层黑磷中的高迁移率各向异性电导和光线性二色性

<正>确定材料和器件的结构是未来电子功能器件发展的关键,而材料的发展决定了未来器件构筑的方向。目前行业普遍认为下一代电子功能器件的特征尺寸将先到达10纳米左右,进而发展到构建几纳米尺度的电子器件和能源转换、存储器件。二维材料是一种新兴的纵向尺寸只有单个或几个原子厚度的纳米薄片状材料。自2004年二维石墨烯从石墨中成功剥离以来,原子厚度的材料不     

二维锑烯电子结构与光学性质的第一性原理研究

二维锑烯具有石墨烯、BP、MoS2等典型二维材料相似的优越物理化学性质,在纳米光电子、生物医学等诸多领域展现了良好的应用前景,吸引了科学界的广泛关注.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对少层锑烯的晶体结构、电子结构以及光学性能进行了系统研究.计算结果表明:随着层数增加,二维锑烯由半导体向导体过渡,材料的极化能力越来越强,静介电常数也越来越大,介电函数的虚部曲线随能量的变化,发生红移,峰值越来越大,锑烯的反射系数也越来越大.吸收曲线与介电函数虚部曲线相对应,随着层数的增加,也出现红移现象,对于长波段的光,层数越少,吸收越差,但对于紫外区域,均具有较好的吸收.这有助于我们全面地了解二维锑烯纳米片的物理性能,为其在光电材料和器件中的应用研究提供更多的理论依据.     

曹文斌：隔离期里的科研灵感

曹文斌,工学博士、教授、博士生导师,现任北京科技大学无机非金属材料系副主任,主要从事纳米光催化材料、光子晶体和陶瓷材料的新型合成与制备技术等方面的研究工作。2003年入选北京市科技新星,2007年入选教育部新世纪优秀人才资助计划。     

PBT材料三维激光表面改性系统分析

传统加工方法很难在非金属材料表面实现指定区域的三维金属化,而利用激光三维立体照射聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)材料表面,可使得指定区域内的材料特性发生改变,而没有经过激光照射的区域仍然保持原有的特性,从而实现选择性化学镀.实验采用ND∶ YAG激光器,经声光调制后,通过动态聚焦系统和二维振镜实现三维扫描,并利用f-θ透...     

石墨烯物理性质的研究进展

从2004年曼彻斯特大学的安德烈．K．海姆（Andre K-Geim）首次制造出石墨烯以来,它的独特性质就吸引了众多领域的科学家的注意。理想的石墨烯就像一张由碳原子组成的正六边形的网,被公认为是人类已知的最薄的材料,它打破了自由态的二维晶体结构热力学稳定性差、不能在普通环境中存在的说法,并且充实了碳材料家族,形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。