量子点人工光合成制氢研究进展

 综述了本研究组近年来量子点人工光合成制氢体系的研究进展，重点从量子点与氢化酶模拟化合物、量子点与过渡金属离子、量子点敏化光阴极3个方面分析了影响制氢效率的主要因素，指出对光生电荷（电子和空穴）的有效捕获是提高人工光合成分解水制氢效率的关键，并展望了未来人工光合成发展方向。     

人工光合成太阳燃料制备途径及规模化

 从人工光合成太阳燃料的基本概念和反应过程、规模化太阳能分解水制氢的主要途径和可行性分析、人工光合成液态太阳燃料甲醇的技术路径及应用前景等方面，分析了人工光合成领域的发展现状。仿习自然光合作用基本过程，提出了通过“光反应”和“暗反应”耦合实现规模化人工光合成太阳燃料的新途径。     

人工光合成太阳燃料制备途径及规模化

 从人工光合成太阳燃料的基本概念和反应过程、规模化太阳能分解水制氢的主要途径和可行性分析、人工光合成液态太阳燃料甲醇的技术路径及应用前景等方面，分析了人工光合成领域的发展现状。仿习自然光合作用基本过程，提出了通过“光反应”和“暗反应”耦合实现规模化人工光合成太阳燃料的新途径。     

氧掺杂碳量子点的水热合成及其光催化制氢研究

碳量子点光催化剂因其良好的生物相容性和水溶性引起广泛关注，然而其较窄的可见光吸收范围限制了催化效率的提高。本文以葡萄糖为前驱体通过水热法合成了氧掺杂的碳量子点光催化剂。X射线光电子能谱表征证明碳量子点结构中氧掺杂含量为34.9%。紫外可见吸收光谱和稳态荧光光谱确定氧掺杂能诱导中间带隙的产生进而增强了碳量子点在可见光和红光区域的光吸收。Mott-Schottky曲线结合紫外可见光吸收谱确定该碳量子点的能带结构满足产氢反应的热力学需求。研究结果表明：在甲酸牺牲剂存在下，该碳量子点在可见光和红光照射下均具备良好的光催化制氢性能。此外，以棉花和蔗糖为前驱体通过水热法也合成了氧掺杂碳量子点光催化剂，且它们在可见光和红光照射下均能实现高效光催化制氢。     

基于CH_3NH_3PbI_3钙钛矿量子点的荧光集光太阳能光伏器件

荧光集光太阳能光伏器件作为分布式能源发电装置,具有集成到建筑物的潜力,并且可以在没有冷却和追踪系统的情况下实现高聚光比,从而降低光伏发电成本.胶体量子点被认为是一种优异的荧光集光太阳能光伏器件荧光材料,但自吸收问题仍然阻碍了量子点荧光集光太阳能光伏器件效率的提高.通过简单易操作的配体辅助再沉淀技术合成了CH_3NH_3PbI_3钙钛矿量子点,并由注射法制得尺寸为78 mm×78 mm×7 mm的荧光集光太阳能光伏器件.通过优化材料合成,减少了量子点材料吸收和发射光谱之间的交叠,进而抑制了光波导传输过程的自吸收损失.器件光伏性能测试结果表明,所制作的CH_3NH_3PbI_3钙钛矿量子点荧光集光太阳能光伏器件光学效率为24.5%,光电转换效率达到3.4%,在光伏建筑一体化中具有潜在的应用前景.     

硒化铅量子点/石墨烯可见光敏晶体管的研究

石墨烯晶体管以其高载流子迁移率和宽波长范围光吸收在光探测方面得到了广泛研究.然而石墨烯极低的光吸收率限制了其响应灵敏度.以溶液法用氧化铅、硒粉、TOP为反应物一步合成硒化铅量子点,与湿法转移的单层铜基底石墨烯复合,制备硒化铅量子点/石墨烯光敏晶体管,利用石墨烯的高迁移率和量子点对光的高吸收效率提高晶体管的光响应,测试表明晶体管对波长370 895 nm范围内的光均有良好响应,在波长540 nm光强0.528μW/cm~2下的响应率达到了10~6A/W.     

谷胱甘肽碲化镉量子点的合成及痕量铅离子检测

利用一步法在水相中合成表面包裹谷胱甘肽的碲化镉(CdTe@GSH)量子点.所合成的CdTe@GSH量子点水溶性好,在水溶液中性质稳定.量子点具有较高的量子产率,并且可以通过控制反应条件使荧光光谱在整个可见光范围内可调.溶液中的铅离子能够造成CdTe@GSH量子点发生荧光猝灭,猝灭效率与铅离子浓度成正比.利用此现象发展出检测痕量铅离子浓度的方法,线性范围在0.5～500 nmol/L,检出限低至0.1/L,且具有较好的选择性.利用电喷雾-质谱和动态光散射研究了铅离子与CdTe@GSH量子点的相互作用,并探讨了量子点发生荧光猝灭的机理.     

Hf 卟啉金属有机框架量子点合成及其光动力学性能

TCPP是一种有机光敏剂，基于TCPP配体的MOF材料Hf-TCPP具有良好的光动力效应.采用相同的溶剂法分别合成了量子点Hf-TCPP QDs(2 nm)和纳米粒子Hf-TCPP NMOFs(70 nm).与Hf-TCPP NMOFs相比，Hf-TCPP QDs在相同的反应条件下具有更高活性氧自由基产生效率.虽然量子点容易在细胞内扩散，但是难以通过EPR效应在肿瘤组织部位富集，所以用脂质体包裹Hf-TCPP QDs,并同时包裹小分子药物DOX制得DOX@Hf-TCPP@LIPs,从而改善EPR效应并实现光动力治疗与化学治疗相结合的目的.     

量子点敏化太阳能电池ZnO光阳极的制备及性能

先用水热法合成ZnO颗粒, 再用溶胶 凝胶法将ZnO颗粒制备成量子点敏化太阳能电池光阳极, 并通过X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和光电流密度 电压曲线分析不同厚度的六方纤锌矿型ZnO光阳极对量子点敏化太阳能电池性能的影响. 结果表明, 增加量子点的吸附面积可使ZnO光阳极的UV-Vis谱吸收带边红移, 进而提升太阳能电池的光电转换效率.     

量子点敏化太阳能电池ZnO光阳极的制备及性能

先用水热法合成ZnO颗粒, 再用溶胶 凝胶法将ZnO颗粒制备成量子点敏化太阳能电池光阳极, 并通过X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和光电流密度 电压曲线分析不同厚度的六方纤锌矿型ZnO光阳极对量子点敏化太阳能电池性能的影响. 结果表明, 增加量子点的吸附面积可使ZnO光阳极的UV-Vis谱吸收带边红移, 进而提升太阳能电池的光电转换效率.     

Cu,In-ZnSeS催化剂的制备及其光解水制氢性能的研究

采用化学共沉淀法制备了掺杂CuI、n的ZnSeS半导体光催化剂,并通过X射线粉末衍射、紫外-可见漫反射光谱和比表面积与孔径分析、X射线荧光光谱、热质量损失(热失重)分析对催化剂的结构进行了表征.在自制的反应装置上评价了催化剂的光分解水产氢性能.结果表明:在Cu,In-ZnSeS中掺杂CuI、n的摩尔分数为2%时其光吸收性能最好,最大吸收边红移至700 nm;紫外光照射下该催化剂光分解水产氢的量子效率达到4.83%;催化剂具有良好的热稳定性和光学稳定性,反应100 h其产氢性能没有衰减.     

量子人工鱼群算法

融合量子计算与智能优化的新型高效优化算法层出不穷,成为现在优化算法研究的主流.为此,将量子计算引入到人工鱼群算法中,提出一种新型的量子进化算法———量子人工鱼群算法.该算法用量子计算的方法重新描述了人工鱼的行为,用量子比特对人工鱼进行编码,用量子旋转门实现人工鱼的更新操作,用量子非门进行人工鱼变异,从而实现了目标的优化求解.并分别以函数极值和TSP问题为例进行了仿真,验证了算法的有效性.     

氢能或电能驱动的人工光合作用固定CO2合成糖

基于酶工程原理,通过组合自然界存在的酶促生化反应,提出自然界不存在的人工光合作用暗反应途径,只需要使用H2或电再生NADH驱动转化CO2为糖或淀粉,避开了人工光合磷酸化再生ATP难题,而且理论效率高.这种使用能源人工合成糖的方法,也是粮食生产工业化的一种潜在方法,如果将其与太阳能光伏技术或产氢技术结合,就可以实现人工光合作用,利用太阳能将CO2转换为糖.     

Allowed and forbidden transitions in artificial hydrogen and helium atoms

The strength of radiative transitions in atoms is governed by selection rules that depend on the occupation of atomic orbitals with electrons. Experiments have shown similar electron occupation of the quantized energy levels in semiconductor quantum dots--often described as artificial atoms. But unlike real atoms, the confinement potential of quantum dots is anisotropic, and the electrons can easily couple with phonons of the material. Here we report electrical pump-and-probe experiments that probe the allowed and 'forbidden' transitions between energy levels under phonon emission in quantum dots with one or two electrons (artificial hydrogen and helium atoms). The forbidden transitions are in fact allowed by higher-order processes where electrons flip their spin. We find that the relaxation time is about 200 micro s for forbidden transitions, 4 to 5 orders of magnitude longer than for allowed transitions. This indicates that the spin degree of freedom is well separated from the orbital degree of freedom, and that the total spin in the quantum dots is an excellent quantum number. This is an encouraging result for potential applications of quantum dots as basic entities for spin-based quantum information storage.     

Colloidal nanocrystal heterostructures with linear and branched topology

The development of colloidal quantum dots has led to practical applications of quantum confinement, such as in solution-processed solar cells, lasers and as biological labels. Further scientific and technological advances should be achievable if these colloidal quantum systems could be electronically coupled in a general way. For example, this was the case when it became possible to couple solid-state embedded quantum dots into quantum dot molecules. Similarly, the preparation of nanowires with linear alternating compositions--another form of coupled quantum dots--has led to the rapid development of single-nanowire light-emitting diodes and single-electron transistors. Current strategies to connect colloidal quantum dots use organic coupling agents, which suffer from limited control over coupling parameters and over the geometry and complexity of assemblies. Here we demonstrate a general approach for fabricating inorganically coupled colloidal quantum dots and rods, connected epitaxially at branched and linear junctions within single nanocrystals. We achieve control over branching and composition throughout the growth of nanocrystal heterostructures to independently tune the properties of each component and the nature of their interactions. Distinct dots and rods are coupled through potential barriers of tuneable height and width, and arranged in three-dimensional space at well-defined angles and distances. Such control allows investigation of potential applications ranging from quantum information processing to artificial photosynthesis.     

化合物半导体Cu2ZnSnS4太阳电池与人工光合作用制氢

太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,将成为未来新能源的重要组成部分.目前人们除了利用太阳能光伏发电以外,还有利用仿生光合作用将太阳能转化为化学能、利用半导体光电极分解水制氢等方式.而在半导体材料中,低成本环保型的化合物半导体光伏材料(如Cu₂ZnSnS₄等)具有优良的光伏发电性能,同时也非常适合作为太阳光分解水制氢的材料.文章综述了近年来在Cu₂ZnSnS₄光伏电池及其太阳光分解水制氢领域的研究进展.     

复合光催化膜MoS2/Ag/TiO2同步降解有机物及产氢的研究

以玻璃纤维膜为基底制备了具有三元结构的新型MoS2/Ag/TiO2光催化膜. 该复合催化剂膜具有多层结构,能够在模拟太阳光和紫外光下进行产氢反应. 该光催化膜可以用于新型的双室光催化反应器中进行同步产氢与有机物降解. 在光催化过程中,氢气在反应器的阴极室产生,而有机物在阳极室进行降解. 当Ag负载量为1wt%, TiO2负载量为160wt%时,MoS2/Ag/TiO2复合催化膜的比产氢速率达到了最大值,在模拟太阳光下为产氢速率为85 mmol·h-1·m-2（产二氧化碳速率为88 mmol·h-1·m-2）,能量转化较率最高可达0.85%,是纯TiO2 的2.3倍;在紫外光下产氢速率为68 mmol·h-1·m-2,是纯TiO2的1.2倍. 在光照下TiO2 和 MoS2同时受光的激发产生光生电子与空穴,由于Ag功函数比TiO2 的功函数低,电子从TiO2导带上转移至Ag再转移到MoS2价带上形成TiO2→Ag→MoS2 的电子传递模式.因此,能更有效的实现电子与空穴的分离,提高产氢的效率.