Sn基钙钛矿材料因其无毒、较宽带隙和热稳定性成为太阳能电池研究领域的热点。本文利用SCAPS-1D软件构建了结构为FTO/TiO2/CH3NH3SnI3/Spiro-OMeTAD/Ag钙钛矿太阳能电池并对其相关性能进行了数值计算。研究了钙钛矿光吸收层厚度、空穴传输层厚度、空穴传输层和钙钛矿光吸收层间面缺陷,以及工作温度对器件性能的影响, 然后对器件性能进行优化。经优化后, 钙钛矿太阳能电池的光电转换效率为30.955%。通过理论分析进一步为提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率提供了新的思路。

本文设计了一种非对称金属十字单元结构, 该结构由沉积于石英基底上的两个相互垂直共面金条构成。传统的金属十字结构中常用的LC谐振和偶极子谐振的辐射损耗较大, 限制了超表面传感器实现高品质因子和高透射率, 故通过打破传统金属十字结构的对称性, 引入类Fano共振效应, 从而使得透射峰灵敏度达到了218 GHz/RIU, 传感器的品质因子达到了78.3。通过分析该超表面的电场和表面电流分布, 探究了Fano共振效应的物理机制, 并进一步研究太赫兹传感器的结构参数对透过谱的影响, 通过调整结构参数优化该传感器的传感性能。最后, 设计了具有不同共振频率的非对称金属十字太赫兹传感器以便后续用于不同种类的微量氨基酸溶液的检测。

本文采用热聚合法和水热法成功制备了ZnO/g-C3N4系列复合光催化剂, 并对所制备样品的结构、形貌和光吸收性能等进行了表征和测试, 通过在可见光照射下降解亚甲基蓝(MB)和光解水产氢评估了样品的光催化性能。实验结果表明, 制备的ZnO/g-C3N4系列复合光催化剂性能均优于ZnO和g-C3N4样品。此外, 当ZnO和g-C3N4的摩尔比为1∶1时, 所制备ZnO/g-C3N4复合样品的光催化性能最好。一方面, 此样品仅在30 min后便达到了94.36%的降解率, 其降解速率分别是ZnO和g-C3N4的5.6和6.7倍; 另一方面, 此样品6 h光解水产氢量为11.75 mmol, 产氢速率是g-C3N4的7倍。研究表明, 所制备的ZnO/g-C3N4系列复合光催化剂在降解污染物和光解水产氢方面均展现出了优异的性能。同时, 本文还对ZnO/g-C3N4系列复合光催化剂的光催化降解和产氢机理进行了研究。

采用溶胶-凝胶法制备出掺杂不同Dy3+浓度的系列Gd2MgTiO6(GMT)白色荧光粉。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光光谱仪对GMT∶xDy3+(x=0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.11)样品进行表征。研究结果表明: 所制备的系列荧光粉的结构均为单斜晶系, Dy3+成功掺入GMT基质的同时不影响原晶体结构; 样品晶粒尺寸在微米量级。在351 nm的近紫外光激发下, 样品在483和578 nm处分别显示了极强的蓝光和黄光, 其中蓝光归因于Dy3+的4F9/2→6H15/2的能级跃迁, 黄光归因于Dy3+的4F9/2→6H13/2能级跃迁; 随着Dy3+浓度的不断增加, 出现明显的浓度猝灭现象, 其机理归因于电偶极子-电偶极子相互作用。当x=0.05时, 此时CIE坐标为(0.324 71, 0.359 74), 与标准白光的CIE坐标(0.33, 0.33)较为接近, 表明GMT∶Dy3+是一种具有潜在应用价值的单一基质白色荧光粉。

采用溶剂热合成方法, 合成了一例金属-有机框架{［Zn2(OH)(TZI)·2H2O］·6DMF}n (1)(TZI为5-四氮唑间苯二甲酸), 并利用单晶X射线衍射、元素分析、红外光谱、热重分析、粉末X射线衍射等手段对化合物进行了结构表征。单晶X射线衍射结果显示配合物1呈现出三维孔道结构, 并且孔道中存在未配位的羧基和配位的水分子。随后通过后合成法将Eu(Ⅲ)离子引入到框架中得到具有红光发射特征的Eu(Ⅲ)@1。在275 nm的激发光下, Eu(Ⅲ)@1存在两组荧光发射, 第一组在418 nm处的宽峰为配合物1的荧光发射, 荧光源于有机配体的吸收和发射; 第二组五个发射峰为Eu(Ⅲ)离子的红色特征发射峰, 其主峰为619 nm。尿液中其他成分抗干扰性实验结果表明, Eu(Ⅲ)@1荧光探针对于生物标记物1-萘酚非常敏感, 能够导致红色荧光猝灭(619 nm), 并伴有青色荧光增强(465 nm), 对1-萘酚具有高选择性。荧光滴定实验结果显示Eu(Ⅲ)@1基于465和619 nm处荧光发射峰对1-萘酚的检测限分别为6.95 μmol/L和1.75 mmol/L。

以钼酸钠、硝酸铁、磷酸和三亚乙基四胺为原料, 采用水热合成法成功制备了一种还原型磷钼酸盐与FeⅡ构筑的超分子化合物, 其化学式为［C8H24N4］1.5［C6H22N4］1.5{Fe［Mo6O12(OH)3(PO4)3(HPO4)］2}·5H2O (1), 并通过单晶X射线衍射、粉末X射线衍射(PXRD)和红外光谱(FT-IR)对其结构进行了表征。结果表明, 该化合物是由{Fe［P4MoV6O31］2}22- (记为{Fe(P4Mo6)2})、质子化的三亚乙基四胺和质子化的N, N′-二(氨乙基)-哌嗪通过氢键相互作用连接形成的三维超分子结构。电催化性能的研究表明, 化合物1对铬离子(CrⅥ)、铁离子(FeⅢ)、溴酸钾(KBrO3)和抗坏血酸(AA)具有良好的电化学传感性能和低检测限(LOD)。

分别以吡嗪和4,4’-联吡啶为共配体, Cd2+、Zn2+与4,4’-偶氮苯二甲酸(H2(4,4’-azo))配位反应得到了两个金属-有机框架(MOFs)。X射线单晶衍射研究结果表明, 其结构中均不含共配体, 与之前报道的 ［Cd(4,4’-azo)(H2O)］n(1)和［Zn(4,4’-azo)(H2O)2］n(2)的晶体结构一致。将共配体变为几何尺寸更长的1,3-二(四吡啶基)丙烷(bpp), 金属离子变为Co2+, 合成了一个共晶［H2(4,4’-azo)(bpp)］n(3), 其为单斜晶系, C2/c空间群, 晶胞参数: a=3.216 8(19) nm, b=0.475 5(3) nm, c=1.873 2(14) nm。用热重分析仪和荧光分光光度计分别研究了三个化合物的热稳定性和两个MOFs的发光性质。1和2都具有优异的热稳定性, 尤其是2的初始失重温度高达247 ℃。由于1是由4,4’-azo双齿配位两个Cd2+形成双核3D网络结构, 而2是4,4’-azo单齿配位Zn2+形成的1D “zig-zag”链, 两者的紫外光谱和荧光光谱不同。2除具有配体固有的荧光发射(359 nm)外, 由于Zn2+与4,4’-azo配位后产生的配体到金属的电荷跃迁(LMCT), 还在420 nm处新增一个增强的荧光发射峰。

具有高储氢容量和可逆储氢性能的新材料的开发对氢能的大规模利用至关重要。基于第一性原理计算, 研究了Li原子和Ca原子单独修饰和共修饰VO2单层体系的H2分子存储性能。结果表明Li原子和Ca原子均能稳定结合在VO2单层表面而不产生金属团簇。单个Li原子和Ca原子分别最多可稳定吸附3个和6个H2分子, 且H2分子平均吸附能均大于0.20 eV/H2。吸附体系差分电荷和态密度分析结果表明, 氢分子的极化机制以及氢分子与金属原子间的轨道杂化作用是H2分子在金属原子周围稳定吸附的主要原因。Li原子修饰体系的储氢质量密度随着Li原子覆盖度的增加而逐渐增加, 而Ca原子修饰体系的储氢质量密度在低金属覆盖度时较高; Li/Ca共修饰体系的储氢质量密度有所增加, 其储氢质量密度为5.00%(质量分数)。此外, 考虑了不同温度和压强条件下储氢体系的稳定性。

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了不同层数MoS2和VS2堆垛形成的范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性能。通过从头算分子动力学验证了两种异质结在室温下的稳定性。此外, 两种异质结均显示p型肖特基接触, 但相较于单层MoS2构成的异质结, 在双层MoS2和VS2堆垛形成的异质结中, 势垒高度从0.36 eV显著降低到0.08 eV, 有效地形成了低接触电阻, 有助于降低载流子输运损失的能量。光吸收光谱的计算表明, 双层MoS2构成的异质结具有更高的吸收峰值。研究成果对基于MoS2的异质结设计以及在高性能光电器件方面的应用提供了理论依据。

本文构建了Co 质量分数分别为6%、8%、10%和12%的WC-Co/SiC/Diamond金刚石涂层硬质合金界面模型, 利用分子动力学方法模拟了不同沉积温度对其界面结合强度的影响, 从黏附功及键长分布两个方面进行具体分析。黏附功分析结果表明, 与其他三种Co含量界面模型相比, WC-6%Co/SiC/Diamond界面模型在七个沉积温度下所包含的两种界面的黏附功值均为最高值, 并且在不同沉积温度下, WC-6%Co/SiC/Diamond界面模型所包含的WC-6%Co/SiC界面、SiC/Diamond界面的黏附功分别在1 123、1 173 K时最大, 为2.468、5.394 J/m2。键长分布概率分析结果表明, 与其他三种Co含量界面模型相比, 在任一沉积温度下, WC-6%Co/SiC/Diamond界面模型各界面处键长分布范围的最大值较小, 且在1 123 K时在WC-6%Co基体上沉积SiC中间层, 在1 173 K时在SiC中间层上沉积Diamond涂层后, 该界面模型界面处的键长最短, 键能最大, 界面结合性能最好。