基于电子自旋极化的光解水产氢机理研究
发布时间：2021-12-29 16:49
人类社会面临的能源问题日益严峻,对清洁高效可再生能源的开发利用愈来愈受关注,其中光解水产氢技术以其全面充分的优越性尤其具有发展潜力。然而效率的掣肘严重制约了相关产业的发展,这使得工艺优化和产能提高具有重要的现实意义。既有的光解水研究成果表明,提高电子空穴分离效率和优化氧化反应路径是提高产出效率的两个重要方面。本论文以手性构象作为关键工具紧密围绕二者展开设计,首先合成和表征了花瓣状钴基助催化剂,以促进光解水反应中电子空穴更加高效的分离,将催化活性提高了约24倍;随后对此助催化剂表面进行内缘性的手性修饰以期控制等效阳极氧化反应发生的路径,通过催化效率的对比验证了被引入电子转移路径的手性结构可发挥自旋筛的作用并影响反应产率;最后基于对反应产率具有决定作用的助催化剂的基本特征,探索了手性诱导的电子自旋选择（CISS）理论对二维MOF材料的普适性,初步明确了相关介质的导电性质对外磁场具有响应。旨在通过开发导电性能良好的助催化剂以及控制等效电解池阳极反应路径,将光解水技术的产业化与电子自旋极化理论的发展结合起来,提出一种兼具实践参考价值的研究设计思路。
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
RonNaaman等发现手性结构对电子自旋选择的实验设计[31]
上海交通大学硕士学位论文4内禀性质，手性介质在无强自旋轨道耦合甚至低电导率的情况下依然具备对电子自旋的选择[18]。然而学界对于Gutierrez理论推演的适应性——以及手性构象对自旋选择的独立作用——在2013年才达成肯定的共识，促成这一进展的是Mishra等人以非金基底吸附非双链DNA手性结构作为电流通路得到的实验观察[32]。Mishra等人将除具有确定手性外各种性质均与双链DNA迥异的细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin,bR）以物理吸附的方式附着于几不存在自旋轨道耦合的铝或镍基底表面，利用外磁场归拢经过此结构参与导电的电子自旋，以受到紫外光源照射时光电子形成电流的强度表征结构对电子自旋的选择；实验设计及结果数据见图1-2所示。实验中由莫特偏振计确定的自旋极化率约为15%，外磁场方向翻转时结构由CV曲线反映的电阻亦存在显著差异。图1-2由附着于铝/镍基底的细菌视紫红质确定的手性对电子自旋的选择作用[31]a)实验设计原理图；b)紫外光偏振方向对光电子自旋极化的影响；c)实验涉及的氧化还原反应路径；d)以纯镍/附着了细菌视紫红质的镍基底作为工作电极取得的电流-电压曲线Fig.1-2IdentificationoftheRoleChiralityPlaysinSpinSelectivitya)SchematicoftheBacteriorhodopsin-basedDesignforExclusionofSuspiciousFactors;b)SpinPolarizationobtainedwithdifferent-orientatedPolarizedUVLaserApplied;c)MechanismoftheRedoxOccurringintheExperiments;d)CVCurveswitheitherBareNickelorbacteriorhodopsin-adsorbedNickelFilmastheWE
上海交通大学硕士学位论文51.3研究CISS效应的常用方法除以上介绍的发现CISS效应与确定手性在自旋选择中的作用的实验设计外，时至今日亦有许多结合了各种技术手段的对电子自旋极化的表征方法见诸报导，其中微电子机械系统、导电原子力显微镜、电化学指针、荧光反应等的应用最为常见及典型。1.3.1微电子机械系统2013年，K.SenthilKumar等人设计并制作了一套监测通过手性寡肽的电子自旋极化情况的高灵敏微电子机械装置，以施加不同方向磁场时电路中一特定段落的电压（差别）为指针[39]。其装置设计如图1-3所示，结构由染料分子附着在自组装于银薄膜的手性DNA分子的自由端形成。此银薄膜是经蒸镀沉积在连接了镍基底的氧化铝薄层上的，基底电位确定的情况下银薄膜与基底间的电压反映了银薄膜及与其相接的DNA端电位。图1-3应用微电子机械系统表征DNA链对电子自旋的选择作用[31]a)原理图；b)连接部分的SEM图像；c)磁场翻转时的电压变化与电流密度的关系；d)DNA链长对自旋极化率的影响Fig.1-3ApplicationofMEMSfortheCharacterizationofSpinSelectivityofDNAOligomera)Schematic;b)SEMImageoftheJointPart;c)DifferenceofVoltagewithOpposite-orientedMagneticFieldAppliedvsDensityofCurrent;d)SpinPolarizationbyDNAOligomersofVaryingLengths
本文编号：3556502
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
RonNaaman等发现手性结构对电子自旋选择的实验设计[31]
上海交通大学硕士学位论文4内禀性质，手性介质在无强自旋轨道耦合甚至低电导率的情况下依然具备对电子自旋的选择[18]。然而学界对于Gutierrez理论推演的适应性——以及手性构象对自旋选择的独立作用——在2013年才达成肯定的共识，促成这一进展的是Mishra等人以非金基底吸附非双链DNA手性结构作为电流通路得到的实验观察[32]。Mishra等人将除具有确定手性外各种性质均与双链DNA迥异的细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin,bR）以物理吸附的方式附着于几不存在自旋轨道耦合的铝或镍基底表面，利用外磁场归拢经过此结构参与导电的电子自旋，以受到紫外光源照射时光电子形成电流的强度表征结构对电子自旋的选择；实验设计及结果数据见图1-2所示。实验中由莫特偏振计确定的自旋极化率约为15%，外磁场方向翻转时结构由CV曲线反映的电阻亦存在显著差异。图1-2由附着于铝/镍基底的细菌视紫红质确定的手性对电子自旋的选择作用[31]a)实验设计原理图；b)紫外光偏振方向对光电子自旋极化的影响；c)实验涉及的氧化还原反应路径；d)以纯镍/附着了细菌视紫红质的镍基底作为工作电极取得的电流-电压曲线Fig.1-2IdentificationoftheRoleChiralityPlaysinSpinSelectivitya)SchematicoftheBacteriorhodopsin-basedDesignforExclusionofSuspiciousFactors;b)SpinPolarizationobtainedwithdifferent-orientatedPolarizedUVLaserApplied;c)MechanismoftheRedoxOccurringintheExperiments;d)CVCurveswitheitherBareNickelorbacteriorhodopsin-adsorbedNickelFilmastheWE
上海交通大学硕士学位论文51.3研究CISS效应的常用方法除以上介绍的发现CISS效应与确定手性在自旋选择中的作用的实验设计外，时至今日亦有许多结合了各种技术手段的对电子自旋极化的表征方法见诸报导，其中微电子机械系统、导电原子力显微镜、电化学指针、荧光反应等的应用最为常见及典型。1.3.1微电子机械系统2013年，K.SenthilKumar等人设计并制作了一套监测通过手性寡肽的电子自旋极化情况的高灵敏微电子机械装置，以施加不同方向磁场时电路中一特定段落的电压（差别）为指针[39]。其装置设计如图1-3所示，结构由染料分子附着在自组装于银薄膜的手性DNA分子的自由端形成。此银薄膜是经蒸镀沉积在连接了镍基底的氧化铝薄层上的，基底电位确定的情况下银薄膜与基底间的电压反映了银薄膜及与其相接的DNA端电位。图1-3应用微电子机械系统表征DNA链对电子自旋的选择作用[31]a)原理图；b)连接部分的SEM图像；c)磁场翻转时的电压变化与电流密度的关系；d)DNA链长对自旋极化率的影响Fig.1-3ApplicationofMEMSfortheCharacterizationofSpinSelectivityofDNAOligomera)Schematic;b)SEMImageoftheJointPart;c)DifferenceofVoltagewithOpposite-orientedMagneticFieldAppliedvsDensityofCurrent;d)SpinPolarizationbyDNAOligomersofVaryingLengths
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