Ti3C2Tx MXene制备及在超级电容器中的应用研究进展

二维材料(2D)MXenes因其具有高比表面积、高导电率、可溶液加工等特性,作为超级电容器电极材料受到广泛关注。本文中总结了基于HF和氟化盐的刻蚀、基于碱的刻蚀、电化学刻蚀、路易斯酸熔融盐刻蚀等几种Ti₃C₂T_x MXene的制备方法,综述了真空辅助过滤、阳离子自组装、逐层组装工艺、印刷工艺、组装MXene气凝胶和水凝胶等Ti₃C₂T_xMXene基电极材料的组装策略及其在超级电容器的应用。研究表明,不同制备方法和电极组装策略将会影响电极材料的结构和电化学性能。对Ti₃C₂T_x MXene的制备方法和电极组装策略进行了对比总结,指出了研究中存在的问题,并展望了MXene今后的研究方向。     

花状NiCo-LDH/CB复合材料的制备及其电化学性能研究

以乙醇为溶剂,采用溶剂热法制备了三维花状层状双氢氧化物(Layered Double Hydroxides, LDH)与炭黑(Carbon Black, CB)复合的复合材料。采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)对样品的结构和形貌进行表征,并通过循环伏安、交流阻抗和恒流充放电研究了材料的电化学性能。结果表明,作为超级电容器电极材料,所制备的NiCo-LDH/CB和NiCo-LDH/CB-D电极在1 A·g^-1电流密度下的比电容分别为1 520 F·g^-1和2 127 F·g^-1,即使在7 A·g^-1高电流密度下,其比电容仍可达1 438 F·g^-1和2 011 F·g^-1,容量保持率为94.6%和94.5%。与单纯的花状NiCo-LDH相比,CB的引入明显提升了材料的电化学性能。     

Bi4O5Br2/Ti3C2-Ru复合光催化剂的合成及其对磺胺甲噁唑药物废水降解性能研究

Bi_xO_yBr_z光催化剂在有机药物废水处理领域有着非常广阔的潜在应用价值,但光生电子-空穴对的快速复合限制了其应用。本文选用具有优良电子传递性能的Ti₃C₂作为助催化剂,首先利用Ti₃C₂表面丰富的Ti空位缺陷和高还原能力,制备了Ti₃C₂-Ru助催化剂,接着利用Ti₃C₂表面官能团与Bi³⁺的离子键合力实现了Bi₄O₅Br₂在Ti₃C₂-Ru表面的原位生长,得到Bi₄O₅Br₂/Ti₃C₂-Ru复合光催化剂,从而实现了电子由Bi₄O₅Br₂到Ti₃C₂再到反应活性位点Ru的定向传递,最终使催化剂具有较高的光生载流子分离率和较低的界面电荷转移阻力,有效抑制了光生电子-空穴对的复合。同时以磺胺甲噁唑(SMX)为模拟药物污染物进行了光催化性能测试,结果表明所制备的Bi₄O₅Br₂/Ti₃C₂-Ru复合光催化剂展示出了优异的光催化降解SMX性能,在可见光下照射75 min,SMX的降解率达到95.1%,相较于纯的Bi₄O₅Br₂和Bi₄O₅Br₂/Ti₃C₂催化剂,其降解率分别提升了36.9个百分点和25.3个百分点。最后基于自由基捕获实验和催化剂能带结构分析提出了所制催化剂的降解机理。研究结果可为构建具有药物废水净化功能的光催化剂提供设计思路。     

Ti/SnO2-IrO2电极的制备及其电化学降解对氯苯酚

电化学氧化法降解水中毒性有机物具有低碳、节能、清洁等优点,该技术的关键是开发高效、稳定、价格低廉的阳极。本文采用热分解法制备了Ti/SnO₂-IrO₂电极,对电极进行表征和电化学性能分析,并降解了对氯苯酚。考察不同因素(电流密度、目标污染物初始浓度、Cl^-浓度)对降解效果的影响。结果表明,Ti/SnO₂-IrO₂电极具有较长的寿命和良好的电化学性能。当电流密度为20 mA·cm^-2,对氯苯酚初始浓度为300 mg/L,Cl^-浓度为1 000 mg/L时,化学需氧量(COD)去除率可达89.02%,同时电极具有较低的能耗0.596 kWh·g^-1,表现出优异的催化性能。该电极具有一定的工业应用前景。     

用于超级电容器的二硫化钼纳米片制备及电化学性能研究

以钼硫摩尔比为1∶15的钼酸钠和硫脲为原料，采用高温固相法结合球磨的方法制备二硫化钼(MoS₂)纳米片并用于超级电容器。利用热重-差示扫描量热、X射线衍射和扫描电子显微镜对样品的热稳定性、物相及微观形貌进行表征，并采用循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)和电化学阻抗(EIS)等技术测试样品的电化学性能。结果表明：经过750℃烧结并于700 r·min^-1转速下球磨10 h所制的MoS₂层数为88层；在充放电电流密度为0.5和1 A·g^-1条件下，该样品比电容分别为82.4和60.9 F·g^-1(优于球磨前的54.6和24.0 F·g^-1),经过2 000次充放电循环，比电容保持率达92.4%。     

高性能MXene基微型超级电容器电化学性能的研究

近年来,MXene由于其高导电率与表面亲水性,良好离子传输性能和优异的机械性能,在储能领域中得到了广泛的关注并取得了一定的研究进展,其中对Ti3C2TxMXene材料的研究是最早也是最普遍的.本文研究分别通过在纤维素纸、普通A4纸、较光滑滤纸、粗糙滤纸上喷涂相同质量的MXene溶液和在同一种纸张衬底上喷涂不同厚度的薄膜,接着利用激光雕刻机雕刻相同形貌的插指图案,并组装成微型超级电容器.通过电化学性能测试,从而揭示不同厚度及不同纸基衬底对MXene基微型超级电容器电化学性能的影响.单个器件面电容达到78 mF/cm2,在功率密度为115.5 mW/cm2时,能量密度高达14.1 mWh/cm2.将四个器件进行串联,可以驱动一个时钟.     

Ti3(ZnxAl1-x)C2固溶体热学、电学和力学性质的理论研究

采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法, 通过投影缀加波(PAW)和广义梯度近似(GGA)系统地研究了Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂的结构、能量、声子性质、电子性质和弹性性质。对MAX相Ti₃AlC₂晶体中A位置的Al元素用Zn元素进行替换掺杂,构建出Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂(x=0,0.25,0.5,0.75,1)固溶体结构模型。计算分析表明:在所研究的掺杂浓度范围内Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂均是热力学、动力学和力学稳定的脆性材料;此外,Ti₃(Zn_xAl_1-x)C₂(x=0,0.25,0.5,0.75,1)均呈现金属性,在费米能级处的电子态密度主要贡献来自Ti-3d态,同时具有离子键、共价键和金属键的综合性质。随着Zn原子掺杂浓度的增加,在一定程度上其导电性和塑性均增强。     

MeCeOx(Me=In,Zr)固溶催化剂制备及催化合成碳酸二甲酯研究

采用液相共沉淀法制备了MeCeO_x(Me=In,Zr)双金属氧化物固溶催化剂。借助X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温还原(H₂-TPR)、程序升温脱附(CO₂-TPD、CH₃OH-TPD)及漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)等手段对催化剂物化性质进行了分析表征。在系统考察不同金属氧化物种类和掺杂量的基础上,对比研究了不同金属氧化物掺杂改性CeO₂制得固溶催化剂的结构性质及催化行为。结果表明:不同金属氧化物掺杂改性制得的MeCeO_x(Me=In,Zr)双金属氧化物,由于形成的固溶结构增大了氧空位缺陷浓度;InCeO_x具有最大的氧空位缺陷浓度和CO₂、CH₃OH分子化学吸附量;在反应压力1.0 MPa、反应温度140 ℃,反应空速(GHSV)3 600 mL/(g·h)、V(CO₂)/V(CH₃OH)/V(N₂)=4∶1∶5条件下,InCeO_x表现出优异的催化性能,碳酸二甲酯(DMC)选择性91.3%,CH₃OH转化率8.4%,碳酸二甲酯STY(时空产率)达0.11 g_DMC·h^-1·g^-1_cat。原位红外分析进一步揭示了氧空位活化CO₂及中间体单配位甲氧基的形成是碳酸二甲酯高选择性的关键。     

氮掺杂酸角衍生多孔碳的制备及电容性能研究

随着化石燃料的加速消耗和能源危机的日益加剧,作为新型储能元件的超级电容器引起了研究人员极大的关注.本文通过水热法制备了生物质衍生多孔碳,并对该材料的微观结构和元素组成进行分析,研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能.结果表明,经过掺氮处理的酸角衍生多孔碳材料其比电容从166 F·g-1提高到了232 F·g-1,说明掺杂能有效提高生物质衍生多孔碳材料的电容性能.     

金红石型Ti1-2xCrxMoxO2黑色色料制备及其性能研究

以TiO₂、Cr₂O₃和MoO₃为主要原料,采用固相反应法合成了金红石型Ti_1-2xCr_xMo_xO₂(x=0、0.05、0.10、0.15、0.20)色料。研究了Cr/Mo共掺杂量和煅烧温度对Ti_1-2xCr_xMo_xO₂色料的晶型结构、呈色性能和微观形貌等的影响。研究结果表明,5%~15%摩尔分数的Cr/Mo等量共掺杂都获得单相金红石型结构黑色色料,均可促进锐钛矿向金红石转变,且Mo掺杂有利于提高Cr在TiO₂晶格中的固溶度。随Cr/Mo共掺杂量增加,样品的黑度(L^*值)呈先减小后增大的趋势,而红色度(a^*值)和黄色度(b^*值)都表现出相反的趋势。煅烧温度在950~1 100 ℃时,样品的色度参数变化相对较小。在1 100 ℃煅烧得到的Ti_0.70Cr_0.15Mo_0.15O₂色料黑色呈色性能最佳,其L^*、a^*和b^*值分别为24.41、2.12和-2.53,且在陶瓷釉中表现出良好的呈色性能和化学稳定性。适量Cr/Mo共掺杂使TiO₂晶格产生畸变和电荷缺陷,从而吸收绝大部分可见光,是其呈现黑色的主要原因。     

锂离子电池CoO多孔纳米片阵列/碳布柔性负极材料

可穿戴、可折叠电子设备日益受到人们的关注,开发与之配套的柔性电极材料成为当下的研究热点。本研究采用水热法制备前驱体/碳布复合材料,将其在高纯氩气气氛下煅烧,得到柔性的CoO多孔纳米片阵列/碳布负极材料。这种多孔与三维网状立体结构能够有效缓解充放电过程中材料的体积效应,而且多孔结构还增加了活性物质CoO纳米片的比表面积,有利于电极材料储锂容量的提升。电化学性能测试表明,该CoO多孔纳米片阵列/碳布负极材料在100 mA·cm^-2的恒电流下, 首次放电容量1 862.8 mAh·cm^-2,首次循环库伦效率87.8%,在700 mA·cm^-2的电流密度下,经过100次的充放电循环后,材料的放电比容量仍保持在1 428.9 mAh·cm^-2。在1 000 mA·cm^-2的电流密度下,仍然有1 353.8 mAh·cm²的容量。该方法简便易行且原料成本低廉,可以降低锂离子电池柔性负极材料的成本。     

功能模板导向合成介孔三氧化钨及其光电化学性能

以钨酸(H₂WO₄)为钨前驱体,十二烷胺(DDA)为模板剂,利用模板剂的结构导向功能,合成了比表面积为57.3 m²·g^-1的介孔三氧化钨(DDA-WO₃),是未用DDA制备的非介孔WO₃(H₂WO₄-WO₃)的2.35倍。X射线衍射(XRD)结果表明,400 ℃下煅烧的DDA-WO₃是具有单斜晶型结晶孔壁的无序介孔结构。此外,400~550 ℃下煅烧的DDA-WO₃的结晶度均高于同条件的H₂WO₄-WO₃。400 ℃下的DDA-WO₃/FTO(掺氟氧化锡)在1.0 V的Ag/AgCl偏压作用下,可以产生0.18 mA·cm^-2的饱和光电流,是H₂WO₄-WO₃/FTO(0.06 mA·cm^-2)的3倍。增强的光电化学(PEC)活性主要因为DDA-WO₃/FTO的大表面积降低了低结晶度对PEC性能的不利影响,成为影响PEC活性的主要因素。500 ℃煅烧导致了DDA-WO₃/FTO介孔结构的坍塌,但高的结晶度仍然保持其优越的PEC催化活性。     

快离子导体Li1.5Y0.5Zr1.5(PO4)3包覆层对富镍三元正极材料电化学性能的影响

研发富镍低钴的先进正极材料是目前提高锂离子电池能量密度和降低电池成本的有效办法。然而,随着Ni含量的增加,富镍层状氧化物普遍存在前驱体合成困难、结构不稳定和界面活性高等一系列问题,阻碍了富镍层状氧化物正极材料的市场化推广。本文采用优化的共沉淀法制备出结构稳定的LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂(NCM811)正极材料,同时在NCM811材料表面均匀包覆快离子导体Li_1.5Y_0.5Zr_1.5(PO₄)₃涂层,以克服富镍层状氧化物界面结构不稳定和易受电解液腐蚀的难题。在4.5 V高截止电压下,改性样品0.2 C的放电比容量为214.2 mAh·g^-1,10 C的放电比容量高达158.8 mAh·g^-1,高于原始样品的203.7 mAh·g^-1(0.2 C)和82.7 mAh·g^-1(10 C)。同时,改性样品在4.3 V下经1 C循环200次后的容量保持率高达84.7%,高于原始样品(61.94%)。     

三维网络结构NiCo2S4@NiCo2O4复合电极的制备及其性能

超级电容器具有更大的功率密度、优秀的循环稳定性、极快的充放电速度、超长的循环寿命以及环境友好等突出特点,其性能与构件关系密切,其中最根本的就是组成它的电极材料。本研究主要采用传统的水热法制备出钴酸镍(NiCo₂O₄)电极材料,进而通过离子交换(二次水热)制得镍钴硫(NiCo₂S₄),最后利用化学浴沉积(CBD)法使其与钴酸镍复合,得到最终所需的三维网络结构NiCo₂S₄@NiCo₂O₄复合电极。经过表面形貌表征、循环伏安测试、恒电流充放电测试以及比电容计算分析等可以证明:三维网络结构NiCo₂S₄@NiCo₂O₄复合电极的比电容及循环稳定性等远远优于复合前单一的纯NiCo₂O₄电极材料,具有极大应用前景。     

制备方法对Al2O3-CeO2物化性质及CO2加氢制甲醇催化性能的影响

复合氧化物界面性质与CO₂加氢制甲醇反应的催化性能有着重要的关系。本文对比考察了物理共混法、浸渍法、传统共沉淀法和微流控连续共沉淀法对Al₂O₃-CeO₂复合氧化物界面性质和催化性能的影响。浸渍作用尽管使Al₂O₃/CeO₂界面产生了一定的结构性质调变,但贫瘠的氧空位缺陷导致催化反应效率低。共沉淀样品中固溶结构的存在增强了Al₂O₃/CeO₂界面的相互作用,增大了电子结合能,形成的大量氧空位缺陷有利于CO₂活化转化。而微流控连续共沉淀法合成样品因具有更小的晶粒尺寸、均匀的复合相结构和丰富的氧空位缺陷,表现出更为优异的催化性能。在原料气配比为V(H₂)∶V(CO₂)∶V(N₂)=72∶24∶4,反应温度为320 ℃,反应压力为3 MPa,体积空速为9 000 mL·g^-1·h^-1的条件下,Al₂O₃-CeO₂复合氧化物的CO₂转化率、甲醇选择性及甲醇时空产率分别达到15.3%,86.4%和0.076 g·mL^-1·h^-1。     

EDTA辅助水热法合成BiYO3及其高效光还原CO2性能研究

新型光催化剂的研制是光驱动下CO₂转化为高附加值化学品或燃料的核心问题,对实现“碳达峰·碳中和”目标具有重要意义。本文通过乙二胺四乙酸(EDTA)辅助水热法合成一系列新型Bi-Y-O光催化剂体系,发现样品的晶体结构随EDTA的添加量不同而发生变化。添加0.4 g EDTA或未添加EDTA时均可得到BiYO₃晶体,而添加0.8 g和1.2 g EDTA时分别制得Bi_1.46Y_0.54O₃和Bi₃YO₆晶体。光催化CO₂还原性能测试结果表明,添加0.4 g EDTA制备的BiYO₃具有最佳光催化CO₂还原活性,其CO产率为18.29 μmol·g^-1·h^-1,且3次循环使用后CO产率仍达17.32 μmol·g^-1·h^-1,明显高于其他样品。结合表征结果分析可知:EDTA的引入不仅可调控BiYO₃的结构形貌,而且拓宽其光响应范围、提高光生电子-空穴的分离效率,从而增强光催化还原CO₂性能,为新型高效B-Y-O光催化体系的研究提供基础科学数据。     

螺芴类空穴传输材料的电荷传输性质研究

螺芴类空穴传输材料因优异的光电性能而备受关注。为了探究其电荷传输机制,本文采用密度泛函理论研究了三种螺芴类小分子空穴传输材料的电子结构、重组能和电子耦合。结合Marcus电荷转移理论,精确计算了所有小分子的载流子迁移率,并与实验数据进行了比较。结果表明,X60和HT2分子的空穴迁移率与实验数据吻合良好,处于同一数量级,说明利用该理论模型精确计算分子的空穴迁移率具有一定的可行性。此外,ST2的空穴迁移率为1.82×10^-4 cm²·V^-1·s^-1,且具有良好的稳定性,说明对螺核杂原子的修饰可进一步提升空穴传输材料的性能。这为开发高效的空穴传输材料提供了重要策略。