石墨烯硫化镉杂化材料

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宫建茹-简历

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代表文章
1. Congju Li, Guorong Xu, Baohong Zhang, Jian Ru Gong* High Selectivity in Visible-Light-Driven Partial Photocatalysis over Single-Crystalline Rutile TiO2 Nanorods Appl. Catal. B-Environ. 2012, 115-116, 201-208. Congju Li, Jiaona Wang, Bin Wang, Jian Ru Gong*, Zhang Lin A novel magnetically separable TiO2/CoFe2O4 nanofiber with high photocatalytic activity under UV-vis light Mater. Res. Bull. 2012, 47, 333-337.
获奖及荣誉中国科学院卢嘉锡青年人才奖2011茅以升科学技术奖北京青年科技奖2010国家自然科学二等奖2007中国分析测试协会一等奖2006中国科学院化学研究所青年科学家奖2004biodefense期刊编委美国化学学会和英国wileyvch等国际知名学术期刊审稿人美国中国化学学会acsccs美国材料研究学会mrs中国毒理学会及中国微米纳米技术学会高级会员congjuliguorongxubaohongzhangjianrugonghighselectivityvisiblelightdrivenpartialphotocatalysisoversinglecrystallinerutiletio2nanorodsappl
2.
3. Cong-Ju Li, Jiao-Na Wang, Bin Wang, Jian Ru Gong*, Zhang Lin. Direct Formation of Reusable TiO2/CoFe2O4 Heterogeneous Photocatalytic Fibers via Two-spinneret Electrospinning J. Nanosci. Nanotechnol. 2012, 12, 1-7. 4. Jun Zhang, Jiaguo Yu, Yimin Zhang, Qin Li, Jian Ru Gong*. Visible-Light Photocatalytic H2-Production Activity of CuS/ZnS Porous Nanosheets Based on Photoinduced Interfacial Charge Transfer. Nano Lett. 2011, 11, 4774-4779. 5. Qin Li, Beidou Guo, Jiaguo Yu, Jingrun Ran, Baohong Zhang, Huijuan Yan, Jian Ru Gong* Highly Efficient Visible-light-driven Photocatalytic Hydrogen Production of CdS-clusterdecorated Graphene Nanosheets. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 10878-10884. 6. Yong-Tao Shen, Ke Deng, Xue-Mei Zhang,Wei Feng, Qing-Dao Zeng, Chen Wang, Jian Ru Gong*. Switchable Ternary Nanoporous Supramolecular Network on Photo-Regulation. Nano Lett., 2011, 11, 3245-3250. Beidou Guo, Liang Fang, Baohong Zhang, Jian Ru Gong*. Doping effect on the shift of threshold voltage of graphene-based field-effect transistors. Electron. Lett. 2011, 47(11), 663-664. Erdan Chen, Beidou Guo, Baohong Zhang, Li-Hua Gan, Jian Ru Gong*. Chiral Zinc Phenylalanine Nanofibers with Fluorescence. J. Nanosci. Nanotechnol. 2011, 11, 7682-7686.

本征及掺杂石墨烯对2,3,7,8-四氯二苯并呋喃吸附机理的计算模拟研究

本征及掺杂石墨烯对2,3,7,8-四氯二苯并呋喃吸附机理的计算模拟研究

Vol. 38 No. 4Aug. 2021第38卷第4期2021 年 8 月原 子 与 分 子 物 理 学 报JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS本征及掺杂石墨烯对2,3 ,7,8 -四氯 二苯并咲喃吸附机理的计算模拟研究王 群1,宋小东1,林小龙1,刘 佳1,曾巧玲1,孙玉希2,3,4(1.绵阳师范学院生命科学与技术学院,绵阳621006 ; 2.绵阳师范学院光致功能材料重点实验室,绵阳621006;3. 山东省曲阜师范大学生命有机分析重点实验室,曲阜273165;4.北京市食品风味化学重点实验室,北京100048)摘要:二噁英对人类和环境具有较高的毒性,因此,研制出有效的二噁英有机污染物的去除和检测方法尤为重要.本研究采用密度泛函理论模拟方法详细探讨了本征及Ti ,Fe 及Pt 掺杂石墨烯对2,3,7,8 -四 氯二苯并呋喃(2,3,7, 8 - tetrachlorodibenzofuran , TCDF )二噁英污染物的吸附机理.研究结果表明,本征石墨烯及掺杂石墨烯表面对TCDF 均有一定程度的吸附,而Ti 和Fe 掺杂石墨烯对TCDF 的吸附远大于本 征石墨烯对TCDF 的吸附.主要原因是TCDF 与本征石墨烯之间主要形成了 n …n , C-H …n 和C - Cl -n 非共价的相互作用,而与掺杂石墨烯之间主要形成了 metal - O 共价相互作用.研究结果有望为石墨烯材料在二噁英污染物TCDF 吸附方面的应用提供有价值的理论指导.关键词:密度泛函理论;2,3,7,8 -四氯二苯并呋喃;二噁英;石墨烯;掺杂石墨烯 中图分类号:O647. 3文献标识码:A DOI : 10.19855/j . 1000-0364.2021.041003Adsorption mechanism of the intrinsic and doped graphene on the 2,3,7, 8 -tetrachlorodibenzofuran : A computer simulation studyWANG Qun 1 , SONG Xiao-Dong 1 , LIN Xiao-Long 1 , LIU Jia 1 , Zeng Qiao-Ling 1 , SUN Yu-Xi 2'3'4(1. College of Life Science and Technology, Mianyang Teachers ' College , Mianyang 621000 , China ;2. Key Laborator^^ of Photoinduced Functional Materials , Mianyang Teachers ' College , Mianyang 621000 , China ;3. Key Laboratory of Life - Organic Analysis , Qufu Normal University , Qufu 273165 , China ;4. Beijing Key Laboratory of Flavor Chemistry, Beijing Technology and Business U Diversity (BTB U ) , Beijing 100048 , China)Abstract : Dioxins are highly toxic to humans and environment , and it is particularly important to develop effec ­tive methods for the removal and detection of organic pollutants. In this study , the adsorption mechanisms of 2,3 , 7 , 8 - tetrachlorodibenzofuran ( TCDF) dioxin pollutants on the intrinsic and Ti , Fe and Pt doped graphene surfaces were investigated in detail using the density functional theory ( DFT ) simulation method. The results in ­dicated that there is a certain degree adsorption of TCDF on the intrinsic and doped graphene surfaces , however ,the adsorptions of TCDF on Ti and Fe graphene surfaces are greater than that of TCDF on the intrinsic graphenesurface. The primary reason is that TCDF and intrinsic graphene formed n …n, C -H ・・・n and C - Cl …n non 一 covalent interactions , whereas metal - O covalent interaction is mainly formed between TCDF and doped gra ­phenes. The results are expected to provide valuable theoretical guidance for the application of graphene materi ­als in dioxin pollutant TCDF adsorption.Key words : Density Functional Theory ; 2, 3, 7, 8 - tetrachlorodibenzofuran ; Dioxin ; Graphene ; Doped graphene收稿日期: 2020-07-02基金项目:四川省教育厅基金(16ZB0313);绵阳师范学院2019年校级科研启动项目(QD2019A20);绵阳师范学院教改项目(Mnu-JY18267);绵阳师范学院2017年度校级自然科学项目(MYSY2017JC09);绵阳师范学院2020年校级“课程思政”示范课程(Mnu-JY2031)作者简介:王群(1981 — ),女,湖北荆州人,博士研究生,副教授,主要从事计算化学,计算材料学及分析化学方面的研究.E-mail : carlcili@ 163. com.第38卷原子与分子物理学报第4期1引言二噁英是一类剧毒有机污染物,它是多氯代二苯并-对-二噁英(PCDDs)和多氯代二苯并咲喃(PCDFs)的统称.二噁英物质可以使人致癌,引发严重的发育问题,损害免疫系统,并干扰荷尔蒙系统,严重威胁着人类的健康[1,2].在二噁英家族中,2,3,7,8-四氯二苯并咲喃(2,3, 7,8-TCDF)是最常见的有毒物质之一,由两个苯环和一个咲喃氧原子组成,苯环周围有四个氯原子.在生活垃圾,工业垃圾及医疗废弃物的焚烧过程中均可形成TCDF二噁英污染物[3,4].由于二噁英对人体和环境具有很高的毒性,因此开发一种简单有效的方法来检测和去除二噁英是相当有必要的.近年来,对二噁英类有毒物质处理的方法主要有吸附法[5],光降解法[6],生物分解法⑺及化学分解法⑻等.其中吸附法以效率高,工艺简单,操作方便,成本低等优点受到了广大研究者的关注.目前吸附材料主要有新型的碳纳米材料,比如:碳纳米管[9],石墨烯[10]等.石墨烯是sp2杂化的一种二维碳纳米材料,由于其良好的电学,光学,磁学特性及巨大的比表面积,在气体传感器,电子器件,药物运输等领域均有广泛的应用前景[11].大量研究表明石墨烯可被用于多种分子的高灵敏传感器[12,13].然而,文献表明,吸附剂与石墨烯基底及其表面主要是非共价相互作用,作用力较弱,因而限制了它在传感器中的应用[14].要解决此问题,研究者们多采用对石墨烯掺杂改性的方法提高其反应活性. Hong等人[2]研究了石墨烯和碳纳米管对2,3, 7,8-四氯二苯并-对-二噁英(TCDD)的吸附,发现Ca掺杂石墨烯可以增加TCDD在石墨烯和碳纳米管之间的相互作用,这是因为它们之间形成了n-Ca-n相互作用.Zhang等人[13]采用密度泛函理论理论探讨了Ti,N和Ag原子掺杂石墨烯对2,3,7,8-TCDD的吸附,发现Ti掺杂的石墨烯有最强的吸附能力.Zhou等人[15]研究了Mn 和Fe掺杂石墨烯对2,3,7,8-TCDF的吸附,发现掺杂大大提高了对剧毒有机分子的吸附.就我们所知,2,3,7,8-TCDF这种二噁英污染物在掺杂石墨烯表面的吸附情况如何详细的反应机理如何这些问题目前还鲜有报道.而且由于二噁英类物质的剧毒性,限制了它们在实验方面的研究,因此采用计算模拟的方法不失为一种有效的方法.在本项研究中,我们探索了本征石墨烯与Ti,Fe及Pt原子掺杂石墨烯对有毒气体2,3,7,8-TCDF的吸附,从吸附能,电荷转移,态密度及差分电荷密度等方面探讨了本征及掺杂石墨烯对2,3,7,8-TCDF二噁英吸附的可能性,希冀为有害气体二噁英的检测及去除提供有效的参考.2模拟细节2.1模型的建立2,3,7,8-TCDF模型:分子式为“比OCl4,含有两个苯环,一个咲喃基的氧原子,四个氯原子,结构优化之后如图1所示.原子:红色;氢原子:灰色;氯原子:绿色).Fig.1Three-dimensional structures of2,3,7,8-TCDF after geometric structureoptimization.(Carbon:black;Oxy­gen:red;Hydrogen:gray;Chlorine:green).本征石墨烯,金属原子掺杂石墨烯模型:本征石墨烯模型是通过石墨切面获得,首先构建一个石墨烯晶胞,赋予石墨烯周期性,并于其上方加上厚度为30A的真空层,优化之后的C-C键长大约为1.420A[16],如图2a所示.Ti,Fe及Pt 金属原子掺杂石墨烯是在本征石墨烯中将一个碳原子替换成一个金属原子而获得,结构优化之后如图2b-2d所示.TCDF-G相互作用模型:根据文献,发现TCDF平躺于各种石墨烯表面有最大相互作用的可能性[15],因此,我们建立了TCDF平躺于四种石墨烯表面的模型,结构优化之前如图3所示,优化之后如图4所示.2.2模型参数本论文所有的计算均使用Materials Studio (Accelrys,San Diego,CA)中基于第一性原理DFT第38卷王群,等:本征及掺杂石墨烯对2,3,7,8-四氯二苯并呋喃吸附机理的计算模拟研究第4期图2结构优化之后的三维结构.(a)本征石墨烯;(b)Ti掺杂石墨烯;(c)Fe掺杂石墨烯;(d)Pt掺杂石墨烯•(钛原子:蓝色;铁原子:浅灰色;铂原子:粉色).键长单位为A.Fig.2Three-dimensional structures of(a)intrinsic graphene;(b)Ti-doped graphene;(c)Fe-doped graphene;(d)Pt-doped grapheneafter geometric structure optimization.(Titani­um(Ti):blue;Iron(Fe):light gray;Plati­num(Pt):pink).Bond lengths are in A.图3结构优化之前,TCDF与(a)本征石墨烯;(b)Ti掺杂石墨烯;(c)Fe掺杂石墨烯;(d)Pt掺杂石墨烯相互作用.Fig.3Before the optimization,TCDF interacted withthe(a)intrinsic graphene;(b)Ti-dopedgraphene;(c)Fe-doped graphene;(d)Pt一doped graphene.的Dmol3软件进行研究.我们采用Perdew-Burke -Ernzerhof(PBE)广义梯度近似(GGA)计算交换关联能[17].Quijano-Briones等人[18]报道了PBE 函数中色散力校正(dispersion-corrected density functional theory,DFT-D)被认为是最适用于苯环类分子与石墨烯相互作用的理论研究.因此,此研究中所有结果都是使用DFT-D校正得到.我们采用等同于Gaussian中6-31G**基组的DNP双重数值基组(DNP double numerical basis set)进行计(c)(d)图4结构优化之后,TCDF与(a)本征石墨烯;(b)Ti掺杂石墨烯;(c)Fe掺杂石墨烯;(d)Pt掺杂石墨烯相互作用•键长单位为A.Fig.4After the optimization,TCDF interacted withthe(a)intrinsic graphene;(b)Ti-dopedgraphene;(c)Fe-doped graphene;(d)Pt-doped graphene.Bond lengths are in A.算,此基组不仅计算成本低,而且计算结果准确度高[19,20].我们采用DFT半核贋势(semicore pseud­opotentials)处理内层电子.对于布里渊区域(Brillouin zone)内的K点采样,我们的Monkhorst -Pack方案中网格设置为6x6X1[21],费米拖尾效应(Fermi smearing)值设置为0.005Ha(1Ha二27.2114eV),全局轨道截断(global orbital cutoff)值设置为5.0A.所有的原子是被允许放松的.体系的几何构型优化和能量计算收敛条件为:(a)自洽循环数量级W1.0x10-6Ha/atom;(b)能量值数量级W1.0X10-5Ha/atom;(c)最大应力W 0.002Ha/A;(d)最大位移W0.005A.我们根据公式(1)分析了TCDF吸附在石墨烯表面的吸附能E ads:E ads-E TCDF+surface~(E TCDF+E surface)(1)此时E TCDF+surface代表TCDF与各种石墨烯表面的吸附能,E tcd F代表单个TCDF的吸附能,E surface代表单个石墨烯表面的吸附能.本研究中吸附能的值如表1所示,吸附能越负,则表示吸附体系越稳定[22,23].3结果与讨论3.1金属原子掺杂石墨烯结构的稳定性分析结构优化之后,金属原子掺杂的石墨烯如图2b-2d所示.掺杂的金属原子没有突出石墨烯平面,C原子与金属原子之间的距离均有所增加.其中,Ti与邻近的三个C原子之间距离分别为1.778, 1.778和1.780A,Fe与邻近的三个C原子之间距离分别为1.675, 1.675和1.677A,Pt 与邻近的三个C原子之间距离分别为1.975, 1.976第38卷原子与分子物理学报第4期表1 Table1AdsorptionTCDF在本征及金属掺杂石墨烯表面的吸附能.energies of TCDF on intrinsic and metal-doped graphene surfaces.Models E t CDF+surface(Ha)E surface(Ha)E tcdf(Ha)E ads(Ha)DFT-DE ads(eV)DFT-DG-TCDF-7859.076-5484.393895-2374.626-0.055419-0.98 Ti-G-TCDF-7892.148-5517.443343-2374.625-0.079486-2.16 Fe-G-TCDF-7964.193-5589.475805-2374.623-0.094731-2.58 Pt-G-TCDF-8016.236-5641.568263-2374.626-0.041962-0.85及1.977A,这些键长与文献值完美吻合[24-26].此外,键长结果也表明金属原子与C原子之间的键未被破坏,因此,本研究中金属原子掺杂的石墨烯模型都是稳定的.3.2吸附能分析各种体系的吸附能值如表1所示,吸附能值越负表示这些吸附体系热力学上越稳定[22].当TCDF吸附于本征石墨烯表面时(图4a),吸附能为-0.98eV,表明TCDF可以稳定吸附其表面,但是它们之间的相互作用较弱.TCDF中苯环与石墨烯苯环的最短距离为3.681A,TCDF中H原子离石墨烯平面的最短距离为3.468A,四个氯原子离石墨烯平面的最短距离分别为3.404, 3.448, 3.567和3.632A,如图4a所示.这些距离值和吸附能值均表明TCDF和本征石墨烯之间形成了n …n,C-H…n和C-Cl…n非共价相互作用,这也是和以前的报道一致的.Zhou等人[15]表明TC­DF与本征石墨烯之间形成非共价相互作用,最短的吸附距离为3.800A,且它们之间的吸附能为-0.103eV.Zhang等人[13]报道二噁英TCDD与本征石墨烯之间也是非共价相互作用,最大的吸附能为-0.40eV.TCDF和Ti,Fe及Pt掺杂石墨烯表面相互作用如图4b-4d所示,我们发现三种掺杂金属原子都突出于石墨烯表面,从而破坏了石墨烯六方结构,掺杂位点的活性发生了改变[16]-Ti及Fe掺杂石墨烯与TCDF之间的吸附能分别为-2.16和-2.58eV,表明Ti和Fe掺杂可以增加它们之间的相互作用,此结论也是与文献一致的.Zhou等人[15]表明缺陷石墨烯掺杂Fe原子可以增加TCDF 的吸附,Zhang等人[13]发现Ti掺杂石墨烯可以大大增加与TCDD的相互作用.同时,通过图4b和4c发现,在相互作用之后,Ti-C和Fe-C之间的距离有所增加,分别为1.793-1.806A(未相互作用之前为1.778-1.780A)及1.938-1.981A(未相互作用之前为1.675-1.677A).Ti原子和Fe原子朝着TCDF方向移动,与TCDF的咲喃氧原子之间形成Ti-O和Fe-O相互作用,它们之间的相互作用距离分别为2.783和2.255A,说明它们之间形成了典型的“metal-0”共价相互作用.这种相互作用在提高掺杂石墨烯和有机分子相互作用的吸附中也会经常被报道.Wang等人[16]报道多巴胺和Fe,Ca掺杂石墨烯因存在着这种“metal-0”共价相互作用而使得多巴胺和掺杂石墨烯相互作用大大增强,他们发现丝氨酸与Fe,Cr,Al,Mn和Ti原子掺杂石墨烯之间也出现了这种相互作用[26]-TCDF和Pt掺杂石墨烯之间的吸附能为-0.85eV,小于TCDF与本征石墨烯之间的相互作用.图4d表明Pt原子掺杂的石墨烯表面向TCDF 相反的方向被排斥到了平面之外.Pt-0之间的相互作用距离增大为5.854A,因此它们之间的相互作用较弱.这种现象也在文献中曾被发现.王等人[27]发现Hg/Pd掺杂的石墨烯表面向苄硫醇相反的方向被排斥到了平面之外,导致它们之间相互作用较小.3.2态密度的分析基于能带理论的态密度(Density of states, DOS)表示某个能量状态下电子态的数目.如果相邻原子的局域态密度在同一个能量上同时出现了尖峰,则将其称之为杂化峰(hybridized peak),我们可以较直观地判断相邻原子之间的作用强弱[27].在接下来的分析中,主要分析了掺杂金属原子和咲喃氧原子之间相互作用情况,如图5所示.在TCDF-Ti-G模型中(图5a),Ti和0原子在-10到-2eV之间有重叠杂化峰,表明它们在此能量区域有相互作用的可能性.在TCDF-Fe-G模型中(图5b),Fe和0原子在-10到+2eV之间有重叠杂化峰,表明它们在此能量区域有相互作用的可能性.而在TCDF-Pt-G模型中(图5c),在第38卷王群,等:本征及掺杂石墨烯对2,3,7,8-四氯二苯并呋喃吸附机理的计算模拟研究第4期-10到+2eV之间Pt和O原子重叠杂化峰较少,说明它们之间存在相互作用的可能性较少.同时,我们发现在TCDF-Fe-G模型中(图5b),Fe和O原子杂化峰尖锐度变小,表明它们的电子离域性变强,Fe原子与咲喃O原子相互作用可能性也更大[28].态密度的结果与吸附能的结果相一致.⑶>心>呂話5)salet;右AlFuwa-10o5子;(c)在TCDF-Pt-G模型中Pt和O原子.Fig.5Partial densities of states(PDOS)for(a)the Ti and O atoms in the TCDF-Ti-G model;(b)the Fe and O atoms in the TCDF-Fe-G model;(c)the Pt and O atoms in the TCDF-Pt-G model.3・3差分电荷密度分析电荷密度的结果进一步展示了TCDF和石墨烯之间的相互作用,图6表明了TCDF与石墨烯表面差分电荷密度的结果.差分电荷密度表明了电荷密度在吸附过程中的变化,是由整个吸附体系的总电荷密度(P TCDF+surface)减掉TCDF分子( PTCDF)和石墨烯表面(P s urface)的电荷密度之和,如公式(2)所示:Pads~P TCDF+surface—(P TCDF+P s urface)(2)红色区域代表电荷聚集的区域,蓝色区域代表电荷减少的区域[16].TCDF吸附于本征及掺杂石墨烯表面的差分电荷密度如图6所示.图6a表明TCDF与本征石墨烯作用时,电荷减少主要发生在与TCDF中Cl原子相互作用的石墨烯表面,说明石墨烯表面电子转移到了TCDF中Cl原子中;电荷增加主要在TCDF中-CH2周围的石墨烯表面,说明TCDF中-CH电子转移到了石墨烯表面,因此TCDF和本征石墨烯表面应该发生了电荷转移,它们之间形成了C-Cl・・・n和C-H・・・n 相互作用.Kumar[29]研究了X-H—n相互作用,结果表明电荷从-CH流向苯环,使苯环电子密度增加,从而证明了C-H・・・n非共价相互作用的存在.Sangeetha等人[30]表明2,4-二胺-6-苯-1,3,5-三嗪环/4-氯苯甲酸能够稳定存在,是因为它们之间存在着弱的C-Cl・・・n非共价相互作用.Ti和Fe掺杂的石墨烯表面(图6b和图6c),金属原子Ti和Fe周围是蓝色,表明它们失去了电子,而TCDF中O原子周围为红色,表明O原子得到了电子,因此,它们之间形成了Ti-O和Fe -O共价相互作用.在Pt掺杂石墨烯表面,它们之间没有明显的颜色变化,因此电荷转移量也较少(图6d),相互作用也较弱.第38卷原子与分子物理学报第4期(a)Isosur&cel (b)IsosurfacelA-8.070e-4 L2.802e-4I--2.465e-4L-7.733e-4—1.300e-3-1.500e-3 -7.250e-3 L-1.300e-2 A-1.000e-2 -4,250e-3Isosudacel■-3.000«-2但)Isosurfacel♦1.457e-3-5326e-4-3.914e-4-L315e-3-2.239e-3图6等值面为0.20e A-3的电子差分密度的三维图.TCDF吸附在(a)本征石墨烯;(b)Ti掺杂石墨烯;(c)Fe掺杂石墨烯;(d)Pt掺杂石墨烯表面.Fig.6Three一dimensional plots of the electron density difference with an isovalue of0.20e A-3:TCDF ad­sorptions on the(a)intrinsic graphene;(b)Ti-doped G;(c)Fe-doped G;(d)Pt-doped G surfaces.4结论了解剧毒物质二噁英TCDF在材料表面的吸附机理对于开发各种环境中有毒物质去除和检测的新方法起着非常重要的作用.本研究利用密度泛函理论方法探索了用本征石墨烯,Ti,Fe和Pt 掺杂石墨烯作为二噁英污染物TCDF分子的潜在高效传感器的可能性.结果表明,四种石墨烯均能有效去除TCDF分子,其中,Ti和Fe掺杂原子的存在进一步增加了石墨烯基底对TCDF分子的敏感性.此研究结果有望为检测和去除剧毒物质二噁英污染物提供理论指导和帮助.参考文献:[1]Schecter A,Birnbaum L,Ryan J J,et al.Dioxins:anoverview[J].Environ.Res.,2006,101:419. 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二硫化钼—石墨烯异质结的制备与研究

二硫化钼—石墨烯异质结的制备与研究

二硫化钼—石墨烯异质结的制备与探究专业品质权威编制人:______________审核人:______________审批人:______________编制单位:____________编制时间:____________序言下载提示:该文档是本团队精心编制而成,期望大家下载或复制使用后,能够解决实际问题。

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硫化铜及其氧化石墨烯纳米复合材料的制备与性能的研究

硫化铜及其氧化石墨烯纳米复合材料的制备与性能的研究

硫化铜及其氧化石墨烯纳米复合材料的制备与性能的研究摘要:本文主要研究了硫化铜及其氧化石墨烯纳米复合材料的制备方法和性能。

以硫化铜为基础,加入不同比例的氧化石墨烯,经过多道工序制备出复合材料,并对其进行了形貌、结构以及电化学性能的表征。

结果表明,与纯硫化铜相比,该氧化石墨烯纳米复合材料具有更高的电化学活性和更好的循环稳定性。

关键词:硫化铜,氧化石墨烯,纳米复合材料,电化学性能1.引言硫化铜是一种重要的功能材料,具有广泛的应用前景。

它具有高导电性、良好的机械性能和化学稳定性,因此被广泛用于传感器、催化剂等领域。

然而,由于其电化学活性和循环稳定性较低,限制了其在电化学储能和转化等方面的应用。

因此,研究硫化铜与其他材料的复合效应,提高其电化学活性和稳定性,具有重要意义。

氧化石墨烯是一种具有优异电学、热学、机械和化学性能的纳米材料。

它由于其大比表面积、高导电性和导热性等制备纳米复合材料。

目前,研究表明,氧化石墨烯与硫化铜的复合材料能够有效提高硫化铜电化学性能。

因此,本文将以硫化铜为基础,加入不同比例的氧化石墨烯,制备出硫化铜及其氧化石墨烯纳米复合材料,并研究其电化学性能。

2.实验部分2.1材料制备硫化铜及其氧化石墨烯纳米复合材料的制备涉及到多到工序,具体步骤如下:(1)物质准备:硫化铜粉末、还原石墨烯oxide 纳米粉末、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、无水氢氟酸。

(2)硫化铜制备:取硫化铜粉末2g加入50ml二甲基亚砜,超声分散;加入旋转摇床中,100rpm振荡反应7h,用离心机将粉末分离、脱液,烘干5h后,将其置于800℃的反应炉中反应4h,即可得到硫化铜。

(3)氧化石墨烯纳米制备:将还原石墨烯oxide纳米粉末1g加入20ml的NMP(N-甲基吡咯烷酮)中,用控制温度加热至100℃,产生深褐色的混悬液;加入1.5ml无水氢氟酸,保持反应1h后加水稀释,并用离心机分离、洗涤,烘干5h后得到产品。

2.2复合材料的制备以上述硫化铜和氧化石墨烯纳米粉末为基础,分别按照不同比例混合,为50:1、10:1、5:1、2:1、1:1的比例,经过物理混合和超声混合,得到硫化铜及其氧化石墨烯复合材料。

光催化,电催化,光电催化应用实例

光催化,电催化,光电催化应用实例

光催化,电催化,光电催化应用实例光催化、电催化和光电催化是当前研究的热点领域,有着广泛的应用。

以下是几个典型应用实例的介绍。

一、光催化1. 水资源处理有研究表明,光催化反应可用于水资源处理领域,如污水净化、水中化学浓度的降解等。

光照下的催化剂可使污染物分解为水和二氧化碳等有机物,实现水资源的净化。

2. 空气净化重金属、有机物和二氧化氮等空气污染物是近年来城市空气质量的主要问题,采用光催化可以将这些污染物转化为无害物质。

光催化空气净化器已经在日本、美国等发达国家得到广泛应用。

3. 有机合成光催化在有机合成中也有广泛应用。

研究表明,光催化的反应速度较快,且能够实现多组分体系中分子的选择性反应。

光催化反应在合成高附加值有机物中具有较大的应用潜力,如生物碱、有机合成材料等。

二、电催化1. 燃料电池燃料电池是将化学能转化为电能的高效技术,可用于汽车、无人机等领域。

燃料电池中的阳极通常使用贵金属如铂等作为催化剂,然而贵金属的价格昂贵,影响到燃料电池的商业应用。

通过研究新的电催化材料,如非贵金属催化剂或纳米催化剂,可大幅降低燃料电池的成本。

2. CO2还原利用电化学方法将CO2还原成有价值的有机化合物是神经科学领域的热点研究方向。

电催化提供了一种高效、清洁和环保的CO2还原方法,其中特殊合成的电催化剂可有效催化CO2还原反应,生成有机化合物和其他有用物质。

3. 水电光催化污水处理水电光催化污水处理是一项新型技术,采用电化学电解和光化学反应的联合技术,既可消除污水中的有机物和卫生菌,又可消除水体中的重金属,具有环保、高效等特点。

近年来该技术已有应用实例。

三、光电催化1. 光电池光电池是一种将光能直接转化为电能的设备,其通过光电效应将太阳能转化为电能。

光电催化与电催化的不同之处在于光催化反应需要光激发,从而实现电荷分离。

光电催化应用于太阳能电池、人们日常生活中使用的摄像头、充电器等领域。

2. 水分解光电催化水分解是将水分解为氢和氧的过程,可直接使用太阳能作为能源,具有环保和节能的特点。

光子芯片材料

光子芯片材料

光子芯片材料
光子芯片材料是指在光子芯片技术领域中所使用的材料,这些材料具有特殊的
光学和电子性质,能够在光子芯片中实现光的传输、处理和控制。

光子芯片技术是一种新型的集成光电子技术,通过利用光子芯片材料的特殊性能,实现光信号的处理和传输,从而可以在通信、计算、传感等领域实现更高效、更快速的光学器件和系统。

在光子芯片材料中,最常用的材料包括硅、硅基材料、III-V族化合物半导体等。

硅是一种广泛应用于光子芯片的材料,具有优异的光学特性和电子性能,可以实现光子器件的高度集成和微纳加工。

硅基材料是一种硅与其他材料复合制备而成的材料,如氮化硅、氧化硅等,可以在硅基片上实现光子器件的集成。

III-V族化
合物半导体是一种光电材料,具有优异的光电性能,可以实现高速光子器件的制备。

除了以上常用的光子芯片材料外,还有一些新型材料被广泛研究和应用于光子
芯片技术中,如铁电材料、石墨烯、硫化镉等。

这些材料具有特殊的光学和电子性质,可以实现光子芯片的更高性能和更广应用。

在光子芯片材料的研究和开发中,材料的选择和性能的优化是至关重要的。


研人员通过改变材料的成分、结构和工艺,可以实现光子芯片的性能优化和器件的集成。

光子芯片材料的研究不仅推动了光子芯片技术的发展,也为光电子器件的制备和应用提供了新的思路和方法。

总的来说,光子芯片材料是光子芯片技术的基础和关键,不同的材料具有不同
的光学和电子性质,可以实现光子器件的不同功能和性能。

随着光子芯片技术的不断发展和完善,光子芯片材料的研究和开发也将不断深化和拓展,为光子芯片的应用和推广提供更多的可能性和机遇。

溶液反应合成制备硫化镉—碳纳米管纳米复合材料

溶液反应合成制备硫化镉—碳纳米管纳米复合材料
曲茗汉;潘美琳;田开舜;李辰砂
【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》
【年(卷),期】2022(13)2
【摘要】利用溶液中原位反应过程制备以碳纳米管为载体的硫化镉—碳纳米管纳米复合材料。

通过水溶液中的氯化镉与硫代乙酰胺进行反应在碳纳米管载体上生成沉积硫化镉粒子。

研究结果表明:调整反应温度条件可以控制生成硫化镉粒子的晶型,常温下有利于合成碳纳米管承载的四方相硫化镉纳米复合材料体系,加热条件下有利于合成碳纳米管承载的六方相硫化镉纳米复合材料体系。

研究结果对基于纳米硫化镉的纳米复合材料的物性调控技术具有重要指导意义。

【总页数】6页(P42-47)
【作者】曲茗汉;潘美琳;田开舜;李辰砂
【作者单位】黑龙江大学化学化工与材料学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM543
【相关文献】
1.碳纳米管分散技术及其与聚合物、硫化镉复合材料研究进展
2.反应挤出制备硫化镉/尼龙6纳米复合材料
3.动态硫化法制备多壁碳纳米管/热塑性硫化胶复合材料的热电性能
4.动态硫化制备多壁碳纳米管/热塑性硫化胶复合材料的相态结构及热电效应
5.硫化镉和硫化银与多壁碳纳米管复合材料合成的研究
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硫掺杂三维多孔石墨烯无定形碳复合材料的制备及其析氧性能研究

第50卷第5期2021年5月应用化工Appeoed ChemocaeLndusteyVoe.50No.5May2021硫掺杂三维多孔石墨烯/无定形碳复合材料的制备及其析氧性能研究任壮,王佳斌,张育萌,侯莹,刘培植,章海霞(太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室,山西太原030024)摘要:以氧化石墨烯(GO)、硫服、蔗糖作为原料,通过水热反应和高温退火制备了S掺杂三维多孔石墨烯和无定形碳交替的类三明治结构材料(SGC)'通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线粉末衍射仪(XRD)等对样品形貌和结构等进行分析表征,使用Cffl760E电化学工作站对样品进行电催化析氧性能(OER)测试。

结果表明,当添加的蔗糖含量达到300my时,样品(SGC300)中的活性位点最多,性能达到最高。

SGC300样品在电流密度为10mA/cm2时,所需的过电位仅为470mV,其塔菲尔斜率也比较小,而且该催化剂在循环2000次后,电位损失为17mV,显示了较好的催化活性和稳定性。

关键词:氧化石墨烯;掺杂;碳材料;无金属催化剂;析氧反应中图分类号:TQ151.1文献标识码:A文章编号:1671-3206(2021)05-1218-04Preearation of stlfur-doped3D porousgraphene/amorrhous carbon composite and its electrocatalyticoxygee evolution performanceREN Zhuang,WANG Jia-bin,ZHANG Yu-meng,HOU Ying,LIU Pei-zhi,ZHANG Hai-xia (KeyLaboeatoeyofLnteefaceScoenceand Engoneeeongon Adaanced MateeoaesofMonosteyofEducatoon,Taoyuan UnoaeesotyofTechnoeogy,Taoyuan030024,Chona)Abstract:A sandwich like stmcturo mateOal(SGC)wys prepared from GO,thiourea and sucrose by hy-dothermal reaction and high-temperatuo rnering.The.0/1010X1rd structuo of the sampks were characteOzed by SEM,TEM and XRD.The electochemicol workstation of CHI760E was used ta test the electrocatalytic oxyyen evolution(OER)peObmianca of the samples.The results showed that when the added sucrose content revchvs300mg,the activa sites in the sample(SGC300)are the most and the per­formance is the highest.When the cuirent density is10mA/cm2,the required000x06200is470mV,and the Tafel slope is also relatively small.Moreover,the potential loss of the catalyst is only17mV after 2000cycles,showing a good catalytic activity and stability.Key words:GO;doping;carbon mate/als;metal-free catalyst;oxyyen evolution reaction电解水技术作为一种重要的制氢方式,在能源领域受到了广泛的关注(1O),但是其动力学缓慢,尤其是在阳极发生的析氧反应(0ER),需要引入催化剂来加速反应的速率(5O)'贵金属钉基等催化剂虽活性较高,但受限于价格、储量等因素制约了其广泛应用。

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Nano Res. 2010, 3(11): 794–799 794 One-Step, Solvothermal Synthesis of Graphene–CdS and Graphene–ZnS Quantum Dot Nanocomposites and Their Interesting Photovoltaic Properties

Ping Wang1, Tengfei Jiang2, Chengzhou Zhu1, Yueming Zhai1, Dejun Wang2, and Shaojun Dong1 (󰀍) 1 State Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences,

Changchun 130022, China 2 College of Chemistry, Jilin University, Changchun 130012, China

Received: 26 August 2010 / Revised: 14 September 2010 / Accepted: 14 September 2010 © The Author(s) 2010. This article is published with open access at Springerlink.com

ABSTRACT The synthesis of graphene–semiconductor nanocomposites has attracted increasing attention due to their interesting optoelectronic properties. However the synthesis of such nanocomposites, with decorated particles well dispersed on graphene, is still a great challenge. This work reports a facile, one-step, solvothermal method for the synthesis of graphene–CdS and graphene–ZnS quantum dot nanocomposites directly from graphene oxide, with CdS and ZnS very well dispersed on the graphene nanosheets. Photoluminescence measurements showed that the integration of CdS and ZnS with graphene significantly decreases their photoluminescence. Transient photovoltage studies revealed that the graphene–CdS nanocomposite exhibits a very unexpected strong positive photovoltaic response, while separate samples of graphene and CdS quantum dots (QDs) of a similar size do not show any photovoltaic response.

KEYWORDS Graphene, CdS, ZnS, quantum dots, charge transfer, photovoltaic

1. Introduction Graphene nanosheets (GNs), as a new class of one- atom-thick, two-dimensional carbon material, have been intensively investigated in recent years due to their outstanding electronic, optical and mechanical properties [1, 2]. The unique sp2 hybrid carbon

nanostructure of GNs opens up new applications in nanoelectronics [3], biosensors [4, 5], supercapacitors [6], and transistors [7]. Owing to their remarkable high electron mobility (15,000 cm2/V·s) [8], extremely

large surface area (~2600 m2/g) [9], and low fabrication

cost, GNs are considered as an ideal support for developing next-generation photovoltaic devices [10]. Li et al. reported that on forming layered GNs–CdS quantum dots (QDs), the electrode exhibited a significant improvement in photo-response compared with that of single-walled carbon nanotube–CdS QD nanocomposites [11]. Before the emergence of GNs, some research had already been carried out on the integration of semiconductor QDs (such as CdS and ZnS) and carbon nanotubes, because of the promising electronic and optoelectronic properties of the resulting materials

Nano Res. 2010, 3(11): 794–799 ISSN 1998-0124DOI 10.1007/s12274-010-0046-0 CN 11-5974/O4Research Article

Address correspondence to dongsj@ciac.jl.cn Nano Res. 2010, 3(11): 794–799 795

[12, 13]. However, to date there have been few demonstrations of the synthesis of GNs–semiconductor QD nanocomposites with a high degree of dispersion [14, 15]. The main hurdle in the synthesis of semiconductor QDs on the surface of GNs is that introducing the metal ions into an aqueous solution of GNs causes their immediate aggregation. Thus, one cannot obtain well dispersed semiconductor QDs on GNs. Herein, we report a facile one-step, solvothermal method for the synthesis of nanocomposites of GNs with metal sulfides such as CdS and ZnS, with a high degree of dispersion and high coverage, directly from graphene oxide (GO). The photoluminescence (PL) and photovoltaic properties of the as-synthesized GNs–CdS quantum dot nanocomposites were also studied. The synthesis of GNs–metal sulfide (GNs–MS) nanocomposites is shown in Scheme 1. As illustrated, ethylene glycol (EG), metal acetate salts M(Ac)2 (M =

Cd, Zn), and thiourea (TU) serve as the solvent, and the source of the metal and sulfur, respectively. Several benefits motivated us to use EG as the solvent: a) the as-prepared GO could be well dispersed in EG by sonication and remained stable for a long time [16], b) the metal ions can be homogeneously dissolved into EG without inducing the aggregation of GO (Fig. S-1, in the Electronic Supplementary Material (ESM)), which is very important to ensure the homo- geneous growth of metal sulfide QDs on the surface of GNs, and c) EG has a strong ability to reduce GO into GNs at high temperatures [17]. It is now known that semiconductor nanoparticles interact with GO through its carboxylic acid functional groups [18]. However, the carboxylic acid functional groups are mainly located at the edge of GO [19] and may not be

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