1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
石墨烯作为一种新型半金属材料，具有良好的导电性、光学透明度和机械性能，自发现以来备受研究者关注。特别是石墨烯的零带隙狄拉克色散关系赋予其特殊的光电性质，如宽带光吸收和高载流子迁移率，使得石墨烯基光电探测器具有宽广谱检测和快速响应能力。然而，传统的石墨烯制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法和氧化还原法等存在产量低、设备昂贵、工艺复杂和化学污染等问题。除此之外，单层石墨烯光吸收率和载流子寿命短，严重影响了石墨烯光电探测器的响应度。为了解决上述问题，文中采用一步激光刻蚀法在三聚氰胺-聚酰亚胺复合薄膜上原位诱导生成氮掺杂的多孔石墨烯，制备了光响应增强的石墨烯宽光谱探测器。这种激光直写的制备工艺效率高、成本低、无污染，可快速制备石墨烯光电探测器。经测试，该探测器在630 nm可见光辐照下的光响应度为2.17 mA·W−1，相比未掺杂的激光诱导石墨烯光电探测器的响应度提高了一个数量级。此外，该探测器在343 nm紫外和1 550 nm红外波段都具有光响应能力，响应度分别为3.06、2.63 mA·W−1。该方法为简单、高效、低成本制备高性能石墨烯基光电器件提供了可行性方案。
激光诱导石墨烯 光电探测器 氮掺杂 宽光谱探测 laser induced graphene photodetector nitrogen doping wide spectral detection 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230140
1 1.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
2 2.武汉理工大学 纳微结构研究中心, 武汉 430070
锂硫电池(LSBs)因能量密度高、原料储量丰富、环境友好等优点引起了广泛关注。然而, 多硫化物的穿梭效应、反应过程中较大的体积膨胀以及硫较差的电子电导率等缺点极大地限制了其发展。本研究设计了一种SnS2纳米颗粒与ZIF-8衍生的花状二维多孔碳纳米片/硫复合材料(ZCN-SnS2-S), 并研究了其作为锂硫电池正极的电化学性能。其独特的二维花状多孔结构不仅有效缓解了反应过程中的体积膨胀, 而且为Li+和电子的传输提供了快速通道, 杂原子N也促进了对多硫化物的吸附作用。并且负载的极性SnS2纳米颗粒极大地增强了对多硫化物的吸附, 从而使ZCN-SnS2-S复合材料表现出优异的电化学性能。在0.2C(1C=1675 mA·g-1)电流密度下, ZCN-SnS2-S电极循环100次后仍能保持948 mAh·g-1的高可逆比容量, 容量保持率为83.7%。即使在2C的高电流密度下循环300圈, ZCN-SnS2-S电极仍具有546 mAh·g-1的可逆比容量。
锂硫电池 二维多孔氮掺杂碳纳米片 SnS2 多硫化物 穿梭效应 lithium-sulfur battery 2D porous nitrogen-doped carbon nanosheet SnS2 polysulfide shuttle effect
1 云南大学 物理与天文学院 云南省量子信息重点实验室，云南 昆明 650091
2 中国科学院合肥物质科学研究院 固体物理研究所，安徽 合肥 230031
3 深圳网联光仪科技有限公司，广东 深圳 518118
4 重庆启晶科技发展有限公司，重庆 400030
5 深圳技术大学 新材料与新能源学院，广东 深圳 515118
氮掺杂金刚石（N-D）是最重要的碳基电子材料之一，由于氮相关色心的存在，其具有许多有趣而独特的物理特征。文章中研究了等离子体化学气相沉积法生长的N-D样品的太赫兹（THz）磁光特性。应用偏振THz时域光谱（THz TDS）技术，在0~8 T磁场和80 K温度条件下，测量了N-D样品在法拉第几何结构下的THz透射光谱，得到了N-D材料的法拉第旋转角和椭偏率、复横向（或霍尔）磁光电导率以及复左、右旋介电常数随磁场的变化规律。结果表明，N-D材料具有优良的THz磁光法拉第旋光效应，可应用于THz旋光器件。
氮掺杂金刚石 磁光特性 太赫兹时域光谱 nitrogen-doped diamond magneto-optical properties THz TDS
1 河南工业大学化学化工学院, 郑州 450001
2 郑州大学材料科学与工程学院, 郑州 450001
3 中原工学院建筑工程学院, 郑州 450007
4 佛光发电设备股份有限公司, 郑州 450000
电催化剂作为铝空气电池阴极的核心部分, 其催化性能的优劣直接影响铝空气电池的产业化进程。本文采用尿素高温处理法将商业的Vulcan-72XC碳材料进行掺氮改性处理制备了N/VC2。在此基础上, 进一步负载不同的锰氧化物得到三种Mn3O4@N/VC2、MnO@N/VC2和MnO2@N/VC2复合材料。其中, MnO2@N/VC2具有最优的氧还原反应(ORR)催化性能, 起始电位高达0872 V。作为铝空气电池阴极催化剂, 在大电流密度下放电功率密度可达到136 mW·cm-2。本文通过对比分析不同氧化锰基复合材料的电催化性能, 研究了碳载体和锰氧化物之间的交互作用。结果表明, 多孔结构和丰富缺陷位点的协同作用是提高材料催化活性的主要原因。该工作为锰基氧化物催化剂的研发提供理论依据。
氮掺杂碳材料 锰氧化物 复合材料 铝空气电池 功率密度 氧还原催化剂 nitrogen-doped carbon material manganese oxide composite aluminum air battery power density oxygen reduction catalyst
1 沈阳理工大学理学院, 沈阳 110159
2 中国科学院金属研究所, 沈阳 110016
为探索氧化铟基半导体薄膜择优取向的控制生长策略, 并探究晶面取向对光电性能的影响, 采用磁控溅射技术在石英(SiO2)衬底上分别制备了具有(222)和(440)晶面择优取向的氮掺杂氧化铟(In2O3:N)薄膜, 利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、紫外-可见分光光度计对In2O3:N薄膜的晶体结构、表面形貌、元素组成、光学带隙进行了表征, 并研究了不同择优取向薄膜的光电特性。结果表明: 不同择优取向In2O3:N薄膜的氮掺杂均以替位式为主, 氮掺杂会导致氧化铟的禁带宽度减小至2.89 eV。相比(222)晶面择优取向, (440)晶面择优取向的In2O3:N薄膜的光响应时间更短。
氮掺杂氧化铟 磁控溅射 择优取向 光电探测 nitrogen-doped indium oxide magnetron sputtering preferred orientation photoelectric detection
武汉理工大学化学化工与生命科学学院, 武汉 430070
随着工业化进程的加快, 如何减少氮氧化物的排放受到了人们的强烈关注。目前, 由于络合吸收法对一氧化氮(NO)具有良好的吸收性能, 被视为未来脱硝技术的重要发展方向, 但络合液的再生仍然是一个难题。本文针对络合脱硝中Fe(II)EDTA-NO络合液再生困难且无法连续运行问题进行了探究。以氮掺杂多孔碳为载体,钯纳米微团为活性组分制备出颗粒状Pd/NPCs催化剂, 通过X射线衍射、透射电子显微镜、X射线光电子能谱对Pd/NPCs进行表征。结果表明, 钯纳米微团成功负载到载体上, 其平均粒径为2.36 nm, Pd0含量为68%(质量分数), 对还原Fe(II)EDTA-NO有着良好的催化活性。进一步探究了溶液pH、反应温度、氧含量及液气比等因素对催化剂催化还原Fe(II)EDTA-NO的影响, 搭建了一套可持续运转的流化床试验装置, 其评价试验结果表明在气流量为200 L/h, NO含量为0.07%(体积分数)条件下, 可以维持脱硝率80%以上3 h。
流化床 氮掺杂多孔炭 脱硝 催化剂 工业化 fluidized bed nitrogen doped porous carbon Fe(II)EDTA-NO Fe(II)EDTA-NO denitration catalyst industrialization
1 1. 东华大学 材料科学与工程学院 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
2 2. 华东理工大学 化工学院 化学工程联合国家重点实验室, 上海 200237
高效稳定的光催化剂或助催化剂研究一直是光催化领域的重要课题之一。本研究以氧化石墨烯、氯化钴和2-甲基咪唑为前驱体, 结合液相法和氨气氮化法制备了负载Co5.47N的氮掺杂还原氧化石墨烯(Co5.47N/N-rGO), 其中Co5.47N高度分散、晶粒尺寸为10~20 nm。Co5.47N/N-rGO可以作为助催化剂有效地改善商业二氧化钛(P25)的光催化分解水制氢性能, 当其质量分数为25%时, 催化剂的制氢性能可以达到11.71 mmol·h -1·g -1, 相比于纯P25提升了90倍, 与负载贵金属Pt的性能相当(11.88 mmol·h -1·g -1), 并且具有良好的稳定性。本研究为高效非贵金属助催化剂的研制提供了新思路。
Co5.47N 氮掺杂石墨烯 TiO2 光催化制氢 助催化剂 Co5.47N nitrogen-doped graphene TiO2 photocatalytic hydrogen evolution co-catalyst
武汉理工大学材料科学与工程学院, 武汉 430070
本文采用四丁基氢氧化铵催化碱法制备富勒醇, 并以富勒醇为原料, 采用溶胶凝胶法制备富勒醇修饰氮掺杂二氧化钛光催化材料, 对该复合材料的成分、结构等进行表征与分析, 并研究复合材料的光催化还原CO2的性能。结果表明, 复合材料在可见光区的光吸收性能增强, 表现出良好的室温可见光催化还原CO2活性, 其中CO平均生成速率达5.560 μmol·g-1·h-1, CH4平均生成速率为0.789 μmol·g-1·h-1。分析认为, 富勒醇复合与N掺杂有效提高了TiO2的可见光催化活性。
光催化还原CO2 富勒醇 氮掺杂 二氧化钛 溶胶凝胶法 室温 可见光 photocatalytic reduction of CO2 polyhydroxylated fullerenes nitrogen doping titanium dioxide sol-gel method room temperature visible light
四川农业大学 食品学院, 四川 雅安 625014
以猪骨和乙二胺为碳源和氮源, 通过一步水热法合成了氮掺杂碳量子点(N-CQDs), 并优化其制备条件。通过透射电子显微镜(TEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线衍射图(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和X射线光电子能谱(XPS)技术, 研究了N-CQDs的结构和光学性质及元素组成。所制备的N-CQDs具有较高的量子产率(26.4%), 平均粒径为2.34 nm, 在365 nm紫外光照射下呈现出明亮的蓝色荧光。研究发现Co2+对N-CQDs有良好的猝灭作用, 从而建立了一种快速检测Co2+的新方法。N-CQDs荧光猝灭强度与Co2+浓度在0～15 μg/mL和30～80 μg/mL呈良好的线性关系, 检出限为20 μg/L, 加标回收率为97.26%～109.14%, RSD＜3.24%, 能够应用于实际水样中Co2+含量的测定。
氮掺杂碳量子点 猪骨 荧光检测 nitrogen-doped carbon quantum dots pig bone fluorescence detection Co2+ Co2+
大连理工大学 化工学院, 化学系, 大连 116024
单原子催化剂(SACs)以近100%的原子利用率以及优秀的催化活性等, 在促进多相催化方面受到了广泛关注。然而, 由于金属原子在高温下易烧结, SACs的合成仍然具有挑战性。本研究利用熔融盐(MS)提供的强极性环境, 制备了以氮掺杂碳为载体的铁基单原子催化剂(Fe SA-NC)。结果表明, Fe SA-NC显示出蜂窝状的多孔形貌, 比表面积高达2072 m2·g-1, 其中Fe元素的重量百分比含量为0.57%。通过球差电镜直接观察到了孤立存在的Fe单原子, 并通过X射线吸收精细结构(XAFS)分析确定Fe单原子以Fe-N4配位体形式分散在碳基材料上。Fe SA-NC催化剂在0.1 mol/L KOH 溶液中半波电位为0.85 V, 极限电流密度为5.79 mA·cm-2, 优于商业Pt/C催化剂。Fe SA-NC催化剂不仅对ORR四电子途径显示出高选择性(H2O2产率<2%, 转移电子数为3.9), 同时表现出优秀的抗甲醇性能。
单原子催化剂 多孔 氮掺杂碳 氧还原反应 single atom catalyst porous nitrogen-doped carbons oxygen reduction reaction
