Zn掺杂MoS2的构型、电子结构及电催化析氢性能的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法对二硫化钼(MoS₂)完整表面和不同掺杂浓度下过渡金属Zn原子掺杂MoS₂表面(Zn-MoS₂)的构型、电子结构及其电催化析氢性能进行了研究.研究结果表明:与MoS₂完整表面相比,Zn掺杂单层MoS₂的氢吸附吉布斯自由能(-0.09 eV)明显减小,接近理想值(约0 eV),表现出优异的析氢催化反应性能.电子结构研究结果表明:Zn掺杂MoS₂表面后,体系费米能级附近出现了Zn-3d轨道的带隙态,这表明有效调控了MoS₂催化材料的电子结构.在费米能级附近还出现了与Zn原子相邻的S原子的3p轨道的新电子态,可有效增强S-3p轨道和H-1s轨道的重叠,从而提高吸附氢的性能、优化电催化析氢性能.进一步对不同Zn掺杂浓度下Zn-MoS₂体系的研究结果表明提高Zn掺杂浓度仍能保持优异的电催化析氢反应性能.该文通过引入不同Zn掺杂浓度的方法,对MoS₂电催化剂的电子结构进行调...     

Bi2Se3/MoS2异质结的光学性质

对单层MoS₂与纳米级别厚度的Bi₂Se₃薄片进行组合构建超薄异质结,利用HR-Evolution显微共聚焦拉曼光谱系统,结合反射、拉曼和荧光光谱学测试技术,对Bi₂Se₃/MoS₂异质结中的激子发光、异质结中的界间相互作用和电荷转移等行为进行了深入而系统的研究.首先,利用干法转移技术将不同厚度的Bi₂Se₃薄片转移到CVD生长的单层MoS₂上构建Bi₂Se₃/MoS₂异质结.然后,利用反射光谱和拉曼光谱技术探测异质结的平整度和界面耦合质量,表明异质结的2种材料发生堆叠后具有良好的平整度,按照不同厚度对白光保留着良好的透光性;2种材料堆叠时没有引入附加应力,形成的异质结具有良好的界面耦合质量.最后,通过对异质结的荧光光谱研究发现下层母体材料MoS₂的A、B激子峰的发光效率大大减弱,同时它们的发光波长随着上层Bi₂Se₃薄片的厚度增加逐渐减小,半高宽随着上层Bi₂Se₃薄片的厚度增加逐渐变窄,这说明电子传递到Bi₂Se₃/MoS₂界面后发生退激发,使得MoS₂的发光发生明显猝灭,而且该结果可能还包括异质结的电子能带结构变化导致电荷发生重新分布的的更深层次原因.该研究对新型光电子器件的设计和应用具有一定的意义和指导作用.     

过渡金属掺杂硫化钼基催化剂加氢脱硫研究进展

加氢脱硫技术广泛应用于国内外清洁油品生产，目前硫化钼基催化剂是工业中最主要的加氢脱硫催化剂。Co和Ni等金属掺杂可以精细调变MoS₂活性相微观结构和反应机理，极大地提升了其催化性能，使其成为加氢脱硫领域的研究热点。本文综述了过渡金属掺杂MoS₂基催化剂的研究进展：首先概述了过渡金属掺杂MoS₂基催化剂制备方法；其次在原子水平上讨论了过渡金属的引入对MoS₂活性相微观结构的影响；并对3种噻吩类含硫化合物在MoS₂基催化剂上的加氢脱硫反应机理进行了总结；最后汇总了近期过渡金属掺杂MoS₂基加氢脱硫催化剂的研究成果。     

SnP2S6半导体层数依赖的压电效应

二维压电材料在能源、电子和光电子学方面的应用引起了越来越多的关注.从实验合成的压电晶体SnP₂S₆出发，我们系统研究了单层、双层、三层和块体SnP₂S₆的压电效应.第一性原理计算表明：层状SnP₂S₆具有良好的热力学和动力稳定性，其带隙和载流子有效质量与层数无关，而压电性质具有明显的层数依赖性；单层SnP₂S₆的压电系数(d₁₁)高达14.18 pm/V,远大于MoS₂、h-BN和InSe的压电系数，双层SnP₂S₆的面外压电系数(d₃₃)大于12 pm/V.优异的压电性能使SnP₂S₆在二维压电传感器和纳米发电机等器件中的应用成为可能.     

交换场和非共振光对单层MoS2能带结构的调控

基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型,研究了外部磁近邻交换场和非共振圆偏振光对单层二硫化钼（MoS₂）电子能带结构的调控.研究结果表明,磁近邻交换场能有效调控导带和价带的自旋劈裂,单层MoS₂ K谷附近能隙随着非共振圆偏振光引起的有效能的增大而增大,K′谷附近能隙随着非共振圆偏振光引起的有效能的增大先减小后增大,实现半导体-金属-半导体转变.因而,可以利用磁近邻交换场和非共振圆偏振光将单层MoS₂调制成自旋和光电特性优异的新带隙材料.     

Ptn石墨烯体系氧还原反应的第一性原理计算

通过构建单层六方石墨烯(单空位)超晶胞结构, 用基于密度泛函理论的第一性原理研究Pt 石墨烯体系中反应前O₂的吸附(脱附)势 垒及反应过程中H₂O分子和OH的脱附势垒, 并研究Pt团簇石墨烯体系中（Pt₂石墨烯和Pt₄石墨烯）氧还原反应(ORR)的中间产物及其吸附能的变化过程, 给出ORR的最优路径.     

基于粒径及温度效应的纳米MoS2热力学性质探究

为了进一步研究粒径和温度对纳米材料表面热力学性质的影响,采用溶剂热法并调控表面活性剂用量制备5种不同粒径的纳米二硫化钼(MoS₂)。采用X射线粉末衍射仪对MoS₂的物相组成进行表征;通过电导率测定和热化学循环理论以及热力学理论结合,研究MoS₂材料表面热力学性质的粒径和温度效应及规定热力学性质的粒径效应。结果表明,所有热力学函数均与材料粒径的倒数和温度有着良好的线性关系。     

锐钛矿型TiO2(001)和(100)面能带排列的理论研究

对于半导体光催化反应，表面水的吸附状态会影响半导体的能带位置，进而影响其光催化效率.本文基于密度泛函理论，通过构建单层水吸附的锐钛矿型TiO₂(001)和(100)表面模型，计算了不同水吸附状态下的吸附能，从而来初步预测两种表面最稳定的水分子吸附构象.计算结果表明，水分子在TiO₂(001)和(100)表面上混合吸附时对应的吸附能最低.因此，两种表面热力学上最稳定的单层水吸附构型是混合态吸附.另外，水分子的吸附会导致TiO₂(001)和(100)面的能带位置发生上移，从而靠近真空能级.相比于TiO₂(001)面，(100)面能带位置上移程度更大.     

二维磁性NbSi2N4-WSi2N4-NbSi2N4异质结的光生电流效应

采用量子输运方法研究了二维(2D)磁性NbSi₂N₄-WSi₂N₄-NbSi₂N₄面内异质结的光生电流效应.该异质结具有C2v非空间反演对称性,在可见光范围内,用线偏光垂直及倾斜照射时,均能激发显著的光生电流效应,产生自旋极化且偏振敏感的光电流.光电流与偏振角(θ)和入射角(α)均为余弦依赖(cos(2θ),cos(2α))关系.两种照射方式下均能产生纯自旋流及完全自旋极化的光电流.在垂直照射时,能取得完美的自旋阀效应.这些结果表明,二维磁性NbSi₂N₄-WSi₂N₄-NbSi₂N₄异质结在低能耗自旋电子学及低维光电探测领域具有应用潜力.     

空位缺陷掺杂单层MoTe2的研究

采用基于密度泛函理论的电子结构计算软件包Atomistix Tool Kit(ATK),研究了缺陷掺杂的单层MoTe_2,计算了五种单空位缺陷的原子结构和3%～12.5%浓度范围内的形成能,分析了空位浓度对单层MoTe_2相变的影响.研究结果表明Te空位的形成能比Mo空位的低,调节Te空位的浓度能实现单层MoTe_2的1H和1T′相之间的相互转变.     

S-scheme ZnO/MoS2异质结构筑与对盐酸四环素降解性能

抗生素药物使用范围广且用量大,导致大量抗生素废水进入水体或者残留在土壤环境中,对人类健康造成威胁,然而传统工艺对其去除效果并不理想.以ZnO为基底,通过掺杂MoS₂,制备了S-scheme ZnO/MoS₂异质结复合材料,研究了该材料对抗生素废水的净化性能.通过调节复合材料中ZnO含量、光照条件、盐酸四环素浓度等,探讨了ZnO/MoS₂复合材料对不同浓度盐酸四环素(tetracycline hydrochloride,TC)废水的净化效果.结果表明:在光照条件下,催化剂复合比为1∶1的ZnO/MoS₂复合材料对60 mg·L^－1四环素废水的降解效率可达88%(pH=7,105 min);电子传递与污染物降解机理研究表明,电子由ZnO导带迁移至MoS₂价带,形成S-scheme异质结,从而有效提高了催化效率与污染物降解性能.     

金红石TiO2(011)表面的理论研究进展

基于密度泛函理论 (DFT) 的第一性原理 (First-principles) 计算方法，就金红石TiO₂(011)表面在理论方面的研究进展做了介绍.首先，通过阐述研究金红石TiO₂(011)表面的必要性和实验在其结构方面的研究进展，介绍了金红石TiO₂(011)表面的电子结构和光学性质，指出并验证了该表面对可见光有较强的响应能力.随后，介绍了金红石TiO₂(011)表面的缺陷和杂质，指出吸附H原子和形成O缺陷后还能显著增强其在红外区的红外吸收.在此基础上，不仅从理论上提供了一些传统实验所无法提及的数据资料，还弥补了相关实验在微观领域研究中的不足.最后，就目前金红石TiO₂(011)表面研究中存在的问题做了展望，指出金红石TiO₂(011)表面各种表面现象的微观本质是未来研究的重点内容.     

纳米MoS2含量对纳米微量润滑磨削CFRPs的影响

为了研究磨削碳纤维复合材料(CFRPs)时,纳米二硫化钼(MoS₂)含量对纳米微量润滑效果的影响,制备了不同质量分数(0%,3%,6%,9%,12%)的纳米MoS₂和棕榈油混合液,作为纳米微量润滑油液,对碳纤维复合材料进行磨削加工.使用光学显微镜,观测分析碳纤维复合材料的表面粗糙度、表面形貌.使用测力仪对磨削力进行测量,并通过磨削力计算出磨削力比.最后对纳米(MoS₂)在纳米微量润滑磨削过程中的作用机理进行了阐述.结果表明,当纳米(MoS₂)质量分数为9%时磨削力比最低,为0.0632,表面粗糙度R_○a值最小,为1.86μm,且表面碳纤维损伤最小.     

表面等离激元波导中表面等离激元二次谐波的产生机制

在表面等离激元波导的二次谐波产生过程中, 波导较大的色散导致的相位失配阻碍了其实际应用, 能够消除相位失配的波导尚未见实验报道。通过将单层二硫化钼与平面表面等离激元波导相结合, 在波导中实现从基频表面等离激元到倍频表面等离激元的转化, 并研究单层二硫化钼-银结构的二次谐波产生特性, 为表面等离激元波导中二次谐波产生的实际应用打下基础。     

SnO2(110)表面In掺杂对NO2气敏吸附性能提升的理论研究

为了阐明In的掺杂能提高SnO₂(110)表面气敏性能的反应机制,采用密度泛函理论研究了NO₂分子在In掺杂SnO₂(110)表面的吸附行为. 计算结果表明:In的掺杂可以提高材料表面的导电性,形成具有氧空位的缺陷表面,有利于发生活性氧在表面的预吸附过程. 掺杂的In_5c/SnO₂(110)表面对NO₂表现出良好的吸附性,对NO₂气体的选择性和灵敏度提高的主要原因是In掺杂后氧空位缺陷表面的形成. 此外,活性氧物种的预吸附对材料表面气敏性能的影响取决于NO₂在材料表面的具体吸附位点,其中Sn_5c位点的吸附促使电荷从表面转移到气体分子,导致表面电阻的增大以及氧空位的产生,从而表现出优异的气敏吸附性能.     

基底材料对MoS2的应变场影响

利用有限元法分析对生长在Au、Cu、Al₂O₃、SiO₂、Ni这5种不同基底上的层状MoS₂的应变分布进行模拟仿真.研究结果表明:基底材料的泊松比不同会使得基底和MoS₂的y方向形变都不相同; 基底的杨氏模量不同会使得不同基底底部与二硫化钼(MoS₂)顶部的应变差别不同.在膨胀过程中,y方向底端的拉伸应变大于中间的拉伸应变,这会导致基底与顶端应变高于中间的应变.因此,基底材料的杨氏模量和泊松比与MoS₂的应变分布密切相关.根据仿真结果可得,由于MoS₂在Au和SiO₂基底上所受到的应变较小,导致MoS₂的顶端和基底底部应变差较大,因此容易造成剥离脱落; 而在Al₂O₃基底上,由于基底材料具有较高的杨氏模量,且与MoS₂比较接近,所以MoS₂顶端和基底底部呈现的应变差接近.由此可见,在这些材料当中,Al₂O₃更适合作为MoS₂的基底材料.通过研究基底材料的应变场分布,能更好地对纳米材料进行调控,从而改善器件的相关性能.     

二硫化钼-硅异质结太阳电池的原位制备及器件模拟

 二维材料与晶体硅形成的异质结太阳电池是当前太阳电池研究热点之一,大多数研究都集中在石墨烯和硅形成的肖特基结太阳电池。为改善器件的能带结构,本研究采用具有一定禁带宽度的n-MoS₂二维半导体材料与p-Si 形成异质结太阳电池。通过实验研究了退火时间对MoS₂材料合成的影响,并对MoS₂-Si异质结的暗电流和光电流曲线进行测量和分析。通过异质结模拟软件wx-AMPS对MoS₂-Si异质结结构进行效率计算和能带分析,探讨了薄膜厚度和载流子浓度对器件开路电压的影响。     

蒙脱石负载硫掺杂赤铁矿复合材料的光芬顿催化性能及其增强机理研究

采用水热联合煅烧法合成了一种蒙脱石负载S掺杂赤铁矿的高效新型非均相芬顿催化剂(S-α-Fe2 O3/Mnt).采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、电子顺磁共振(EPR)以及捕获测试方法对催化剂进行表征,并深入研究了催化性能及其增强机理.结果表明:S-α-Fe2 O3/Mnt的可见光芬顿催化性能良好,且...     

WO3/碳点/TiO2复合纳米材料的制备及其光致阴极保护作用研究

采用两步阳极氧化法制备了TiO₂纳米阵列(TNAs),然后分别采用浸泡法和电沉积法在TNAs表面负载碳点层和WO₃层,得到WO₃/碳点/TNAs复合纳米光阳极(TCW),并通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)对其进行了表征。采用紫外可见漫反射光谱法(UV-Vis DRS)和电化学方法测定了TCW光阳极的光吸收和电化学性能,并评价了在模拟海水溶液中TCW对Q235碳钢的光致阴极保护作用。结果显示：与TNAs相比,TCW的吸收边从紫外光区(384 nm)扩展至可见光区(426 nm),带隙宽度(E_g)从3.23 eV降低到2.91 eV,对光的吸收能力显著提升;可见光响应电流密度提高了6.85倍,达到157μA/cm²。将TCW光阳极与Q235碳钢阴极耦合后,阴极表面的稳态光响应电流密度达到101μA/cm²;与耦合前相比,其自腐蚀电位降低了0.41 V(vs. Ag/AgCl),电化学电流噪声(ECN)振幅增大,...