掺杂Fe、Cd闪锌矿电子结构的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对掺Fe和(或)Cd的闪锌矿型Zn S的电子结构进行了计算。计算结果表明,纯闪锌矿的禁带宽度为2.85 e V;掺Fe浓度为3.125%的闪锌矿禁带宽度为2.58 e V,且Fe的3d和S的3p轨道杂化在禁带中引入了两条杂质能级;随着掺Fe量的增加,杂质能级的宽度和峰高也随之增大;掺Cd闪锌矿的禁带宽度为2.68 e V,并在下价带底引入一条杂质能级;Fe/Cd共掺杂的闪锌矿禁带宽度为2.49 e V,在禁带中出现的两条施主杂质能级可提高闪锌矿的可见光响应及催化能力。计算结果为深入探讨天然闪锌矿的可见光催化机制提供了理论支持。     

可见光下天然闪锌矿光催化还原Cr(Ⅵ)

本文首次研究了天然半导体矿物——闪锌矿的光催化还原能力。经过9个小时的可见光催化实验,来自于湖南黄沙坪矿的天然闪锌矿样品在可见光下表现出较强的光催化还原能力:91.95%的Cr(Ⅵ)被还原,优于9.5小时后紫外光下70.58%的催化效果。闪锌矿的这种强的光还原能力归因于其导带中的电子具有更负的还原电势。此外,Fe替代Zn的晶格位置在禁带中引入了施主能级,而Fe~(2+)被氧化为Fe~(3+)也有效地捕获了空穴。Cd和Cu替代Zn同样引入了杂质能级,减小了禁带宽度,从而将闪锌矿对光的响应拓展到可见光的波长范围。天然闪锌矿中的这些杂质替代离子不…     

天然闪锌矿可见光催化还原甲基橙的实验研究

本文研究了可见光下天然闪锌矿的光催化还原能力,通过可见光下天然闪锌矿对甲基橙的光催化降解实验讨论了天然闪锌矿晶格中的杂质缺陷、导带能级位置、光生空穴捕获剂和溶液pH值对可见光催化降解效率的影响。结果表明,在抗坏血酸做空穴捕获剂的条件下,经2 h的可见光催化实验,甲基橙能被天然闪锌矿完全还原降解。天然闪锌矿晶格中丰富的杂质缺陷在禁带中形成杂质能级,可将闪锌矿对光的响应拓展到可见光的波长范围。与天然金红石相比,闪锌矿对甲基橙的较强光催化还原降解效果与其导带电子更负的氧化还原电势有关。此外,空穴捕获剂和pH值的选择都是影响催化效果的关键因素。天然闪锌矿在可见光催化降解污染物领域颇有应用前景。     

天然含铁闪锌矿的可见光催化还原活性研究

通过电子探针(EMPA)、X射线光电子能谱(XPS)、漫反射谱(DRS)、光致发光谱(PL)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和霍尔效应(Hall-effect)等测试手段对天然闪锌矿样品的半导体物理化学性能进行了表征分析。分析结果认为,天然闪锌矿良好的可见光响应性能主要源自其晶格内丰富的类质同像替代离子。此外,样品中的变价元素Fe能够参与价带光生空穴的捕获,提高导带光生电子的利用率,从而提高其光催化活性。样品中丰富的缺陷也有利于光催化活性的提高,大量的解理面和裂开面能够提供较完整的晶面增加反应活性点位,空位缺陷和晶格膨胀畸变等可以提高光生电子空穴对的分离效率。与其特殊的物理化学性质相符,天然闪锌矿光催化还原降解甲基橙的实验证明了其较高的可见光催化还原活性。本研究结果也预示着天然半导体矿物闪锌矿作为一种新的低成本、高效率的可见光催化材料将在环境污染治理领域具有一定的应用前景。     

掺Fe和V的金红石电子结构的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对掺杂Fe和(或)V的金红石型TiO2的电子结构进行了计算。理论模拟的结果表明,纯金红石的禁带宽度为1.98 eV;Fe掺杂金红石型TiO2的禁带宽度为2.18 eV,由Fe3d和O2p轨道杂化在禁带中间形成了两条杂质能级;V掺杂金红石型TiO2的禁带宽度减小为1.80 eV,由V3d和O2p轨道杂化形成的杂质能级位于金红石的导带底,引入了一个浅施主能级;Fe和V共掺杂的金红石禁带中存在一个较宽的杂质能带,禁带宽度减小为1.73 eV。杂质能级的出现以及禁带宽度的减小使得Fe和V掺杂的金红石具有更好的可见光响应能力。同时,Fe和V的类质同像替代使得金红石中MO6八面体具有较大的畸变程度,有助于表面缺陷的增加,从而为光催化反应提供天然活性位。为进一步深入揭示含铁、钒等杂质的天然金红石的可见光催化机制提供了理论支持。     

天然可见光催化剂闪锌矿半导体电子结构的第一性原理计算

天然半导体矿物闪锌矿在自然界中储量丰富,具有优良的可见光催化性能,它们与日光及微生物的协同催化作用已经并且正缓慢修复着地球表层被污染的环境。天然产出的闪锌矿中存在以类质同象替代Zn的Fe、Cd和Ga等,对其电子结构产生一定的影响,继而影响天然闪锌矿的     

热处理改性天然闪锌矿的可见光催化性能研究

天然闪锌矿是一种具有良好可见光催化性能的半导体光催化剂,然而其结构缺陷会成为光生电子的捕获阱,导致其光催化反应效率降低。为了进一步提高其可见光催化效率,本文在空气气氛下对天然闪锌矿进行了500～1 200℃的热处理改性实验研究,并利用X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis DRS)对热改性后样品的半导体物理化学性质进行了初步的表征分析;然后以甲基橙为目标降解物进行了热处理样品的光催化实验研究。研究结果显示,空气气氛下的热处理随着温度的逐渐升高,闪锌矿物相先转变为氧化硫酸锌,再转变为红锌矿和锌铁尖晶石,到1 100～1 200℃时样品完全转变为红锌矿-锌铁尖晶石二元复合半导体光催化剂,此时样品在可见光下对甲基橙的降解率从原样的54.2%提高到99.7%,1 100～1 200℃改性后样品的可见光催化性能最好。     

掺铁二氧化钛薄膜的自组装制备、表征与光催化性能研究

采用自组装方法于低温液相反应体系中成功制备出大尺寸二维纳米二氧化钛薄膜和掺铁二氧化钛薄膜。样品通过荧光发射光谱、拉曼光谱、高分辨透射电镜等方法进行表征,并研究了紫外光和可见光下Fe3+/TiO2纳米薄膜对甲基橙溶液(MO)的光催化降解过程,探讨了Fe3+对TiO2的光催化活性的影响。结果表明,此方法不需要高温煅烧即可得到高催化活性的金红石和锐钛矿混合型二氧化钛薄膜,以金红石为主。Fe3+掺杂明显提高了TiO2对甲基橙溶液的光催化降解效率:掺杂Fe3+浓度为0.5 mmol/L时光催化效果最优,且更利于较低浓度甲基橙溶液的降解,在紫外光和可见光下对初始浓度5 mg/L甲基橙溶液的降解率分别达到98.62%和89.24%。     

天然闪锌矿可见光催化降解CCl_4实验研究

研究了天然闪锌矿可见光催化还原降解四氯化碳(CCl4)的能力,并系统探讨了光源、闪锌矿用量、电子供体和溶解氧对N,N-二甲基甲酰胺有机体系中CCl4降解效果的影响,获得了该光催化反应体系的最佳实验条件。在可见光下,闪锌矿用量为1g/L,电子供体为甲酸0.5mol/L,溶解氧含量为空气平衡时,经8h光照反应,CCl4降解率达91.48%。通过GC-MS对降解产物进行分析,提出了天然闪锌矿在改有机体系中可见光催化还原降解CCl4的机理。     

微量元素对闪锌矿半导体性质制约机理

闪锌矿是一种重要的宽禁带半导体材料,具有优良的光、电和催化性能,在光学器件和光催化等领域有着广泛的应用前景。天然产出的闪锌矿中存在以类质同像替代Zn的Fe、Cd和Ga等微量元素,对其电子结构产生一定的影响,继而影响天然闪锌矿的半导体性质。同时闪锌矿中微量元素的种类、含量与分布受多种因素的影响,除了与闪锌矿本身的地球化学与晶体化学的性质相关,还受到成矿的地质环境、成矿的物理化学条件和成矿溶液离子浓度的影响。所以通过对不同成因类型的闪锌矿半导体性质的研究,可以得到闪锌矿中微量元素的特征,进而反映闪锌矿的成矿条件。对于寻找生命早期闪锌矿,解释半导体矿物光催化为生命起源提供能量提供可靠的证据。已有理论研究通过第一性原理的计算,得出了闪锌矿存在半导体和绝缘体两种类型。微量元素中,只有铜杂质使闪锌矿由直接带隙变为间接带隙,说明含铜的闪锌矿不宜作为光催化剂,铁、镓、锗、铟、锡和锑元素导致费米能级向高能方向移动且使闪锌矿的半导体类型由p型变成n型,这将增加电子密度且有利于电子跃迁,而锰、钴、铜、镉、汞、银和铅元素没有改变闪锌矿的半导体类型。本研究闪锌矿样品来自不同省份不同成因类型的典型矿床,结合半导体材料电阻率及其导电类型的测量方法、紫外可见光吸收光谱的方法和地球科学微量元素测量方法,通过实验对不同成因类型矿床中代表性闪锌矿的电阻率、吸收光谱、共生矿物组合、组构特征、微量元素的测量,建立闪锌矿矿石电阻率、吸收光谱与微量元素影响的定量关系及理论模型。探讨了闪锌矿电阻率、光谱吸收特征和矿床类型及地质产状的关系。闪锌矿中Fe元素含量越高,电阻率越小,可以形成空穴型导电(p型),因Fe元素进入闪锌矿晶格中要消耗能量,所以其形成温度大于绝缘体闪锌矿形成温度,黑色闪锌矿形成温度高。     

Photocatalytic Reduction of Cr~Ⅳ by Natural Sphalerite Suspensions under Visible Light Irradiation

The photocatalytic reductive capability of a natural semiconducting mineral, sphalerite has been studied for the first time. The sphalerite from the Huangshaping deposit of Hunan Province performed great photoreductive capability that 91.95% of the Cr6+ was reduced under 9 h visible light irradiation, higher than the 70.58% under 9.5 h UV light irradiation. The highly reductive ability results from its super negative potential of electrons in the conduction band. Furthermore, Fe substitution for Zn introduces donor states, and the oxidation process of Fe2+ to Fe3+ makes it an effective hole-scavenger. Cd and Cu substitute for Zn also reduce the bandgap and help broaden the absorbing edge towards the visible light. These substituting metal ions in natural sphalerite make it a hyper-active photocatalyst and very attractive for solar energy utilization.     

Photocatalytic Reduction of Cr^Ⅵ by Natural Sphalerite Suspensions under Visible Light Irradiation

The photocatalytic reductive capability of a natural semiconducting mineral, sphalerite has been studied for the first time. The sphalerite from the Huangshaping deposit of Hunan Province performed great photoreductive capability that 91.95% of the Cr^6＋ was reduced under 9 h visible light irradiation, higher than the 70.58% under 9.5 h UV light irradiation. The highly reductive ability results from its super negative potential of electrons in the conduction band. Furthermore, Fe substitution for Zn introduces donor states, and the oxidation process of Fe^2＋ to Fe^3＋ makes it an effective hole-scavenger. Cd and Cu substitute for Zn also reduce the bandgap and help broaden the absorbing edge towards the visible light. These substituting metal ions in natural sphalerite make it a hyper-active photocatalyst and very attractive for solar energy utilization.     

Semiconducting Mineralogical Characteristics of Natural Sphalerite Gestating Visible-light Photocatalysis

Abstract: Natural sphalerite as a natural cost-effective photocatalyst was characterized and its visible light photocatalytic activity was investigated in terms of substituting ions, impurity phases and surface defects. The substitutions of metal ions for Zn2+ alter the band structure and result in the visible light response. The coexistence of impurity semiconductors and nanosized particles in natural sphalerite samples help to prolong the lifetime of electron-hole pairs. The cleavage planes and fracture surfaces improve the photocatalytic activity of natural sphalerite by providing more active sites than perfect faces. Both the negative charge defects from the non-isoelectronic substitutions and surface elements with variable chemical valence suppressed the recombination of electron-hole pairs by their possible role of capturing photogenerated holes.     

同步辐射软X射线吸收谱与发射谱测定天然针铁矿能带结构

天然半导体矿物由于成分、缺陷复杂,传统测试方法如紫外可见漫反射等难以准确测定其禁带宽度.本文以针铁矿为例,通过第一性原理计算得到纯针铁矿及掺Al针铁矿的电子结构.计算结果显示,纯针铁矿导带底与价带顶均由Fe3d与O2p轨道组成,而当含杂质Al时,Al2p与O2p发生杂化参与了价带组成.在此基础上,利用同步辐射X射线氧的K边吸收谱与发射谱对纯针铁矿及天然针铁矿的能带结构进行了测定.结果表明,天然含Al的针铁矿禁带宽度为2.30eV,小于纯针铁矿(2.57eV).本研究提供了一种测定天然氧化物矿物禁带宽度的新方法,为深入研究天然半导体可见光催化活性产生机制提供了理论依据.     

大吉山稀有金属花岗岩中富镉闪锌矿的矿物学特征

电子探针研究表明江西大吉山矿床二云母花岗岩和白云母花岗岩中副矿物闪锌矿为富镉闪锌矿(Cd,4.34—19.89％,wt％,下同),铁含量低(Fe,1.03—4.24),尤以具W、Be、Ta、Nb矿化的白云母花岗岩中闪锌矿镉含量为高,并随岩体由下到上(标高的增大)而增高。矿物中Cd+Fe与Zn之间存在良好的线性负相关关系,指示了主要类质同象替代发生在Cd、Fe与Zn之间。矿物中可能存在不等位替代现象和四面体空位。富镉闪锌矿晶胞参数为0.54250—0.54440nm,随矿物中Cd含量的增加而增大。对照表明,当矿物中镉含量特别高时,Skinner(1961)晶胞参数计算公式估计值偏大,需作重新修正。最后,文章对富镉闪锌矿的成因意义进行了讨论。     

闽中丁家山铅锌多金属矿区闪锌矿中Fe、Cd、Mn元素赋存特征及其地质意义

闪锌矿内Fe、Cd、Mn等元素含量不但影响闪锌矿的晶胞参数,而且蕴藏着丰富的矿床成因信息。闽中梅仙矿田丁家山铅锌矿区存在磁铁矿型和磁黄铁矿型两类矿石。本文通过X射线原位衍射和电子探针分析分别对两类矿石中闪锌矿的晶胞参数和Zn、Fe、Cd、Mn元素含量进行了测试,结果表明,闪锌矿晶胞参数具有磁黄铁矿型矿石磁铁矿型矿石理论值的特征,引起晶胞参数差异的主要原因是闪锌矿内Fe、Mn元素的含量。此外,两类矿石闪锌矿内Fe元素含量差距悬殊,Zn、Fe、Cd元素之间的替代关系和替代强度差异明显,结合研究区地质特征,认为这两类矿石可能是两次不同成矿作用的产物。     

天然黑钨矿可见光催化活性的实验研究

天然半导体矿物具有优良的日光催化特性。本研究选取天然钨酸盐作为研究对象,对武鸣、栗木、崇义3个不同矿区的天然黑钨矿进行了矿物学及光催化实验探究。利用X射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、电子探针微区分析对天然样品的结构与成分进行分析,鉴定其主要矿物相为黑钨矿(Fe,Mn)[WO4],从武鸣、栗木到崇义矿区,Fe/Mn摩尔分数比从7.1、0.9到0.3依次降低。利用紫外可见漫反射测得武鸣、栗木、崇义地区样品禁带宽度分别为1.5、1.6和1.7eV,说明其具有良好的可见光响应。在pH为7的条件下用质量浓度为1g/L的样品对5mg/L的有机染料亚甲基蓝(MB)进行光催化实验(含0.01mol/L H2O2 ),结果表明武鸣地区黑钨矿实验组降解MB的效果最佳,3h后其效率分别是栗木、崇义地区样品的1.1倍和1.6倍。电子顺磁共振谱检测结果显示,反应过程中均产生氧化性羟自由基(·OH),其中效果最好的武鸣黑钨矿产生的·OH信号更强;不同自由基捕获实验证明·OH在光催化反应过程中起主要作用。进一步选取武鸣黑钨矿开展光催化降解机制研究,实验结果显示:光照下黑钨矿与H2O2共存的实验组对MB的脱色降解率可达99%(3h),只有黑钨矿的对照组降解7%的MB,只有H2O2 的对照组降解31%的MB;黑暗条件下,同时添加黑钨矿与H2O2的对照组对MB的去除率为34%。不同H2O2 浓度条件下黑钨矿降解MB符合准一级动力学方程,说明降解过程与催化剂含量无关,H2O2 更多的是充当电子受体。分析认为,不同产地黑钨矿日光催化效率与矿物铁含量呈正相关,与禁带宽度呈负相关,推测其反应机理是光催化与芬顿反应协同产生的·OH将MB氧化降解。本研究为开发利用天然矿物治理环境污染提出了新方法。