电化学阻抗谱法研究铈改性TiO2纳米管阵列光电极裂解水产氢动力学

通过阳极氧化法在纯钛板上制备TiO2纳米管阵列电极.在光电化学电解池阳极中加入供电子物质乙二醇,显著减小了TiO2纳米管的电荷传递阻抗,促进了光电催化裂解水产氢反应.采用阴极电沉积和阳极氧化法制备了单质铈和氧化铈共同改性的TiO2纳米管阵列半导体光阳极,其平带电位向电负方向移动.采用电化学阻抗谱法(EIS)对改性后TiO2纳米管阵列在光电催化裂解水产氢中的电子传输性能以及界面性质进行了表征,确定了各阻抗弧对应的电极过程.采用合理的等效电路模型计算了电极的电子传输动力学参数.结果表明,经铈改性后的TiO2纳米管阵列膜电阻明显减小,有利于氢气的产生.探讨了单质铈与氧化铈促进TiO2纳米管阵列电荷传输的作用机理.     

Na2CO3对TiO2纳米管电极表面光电化学水分解反应的催化作用研究

光生载流子在半导体/溶液界面处发生的表面复合过程,是制约半导体光电极体系光-电转化效率提高的关键因素之一.本文利用光电流测量和交流阻抗等技术,初步研究了Na2CO3对TiO2纳米管电极表面光电化学水分解反应的催化作用,并对"TiO2/溶液"界面处与阳极析氧有关的光生电荷传输过程及特点进行了探讨.结果表明,在0.5 mol.L-1NaClO4溶液中加入少量的Na2CO3(1mmol.L-1),能够显著促进光生空穴穿过TiO2/溶液界面向溶液中的传输,有效地抑制光生载流子的表面复合过程,从而相应地增大了外电路的光电流,并使TiO2光电极体系的光-电转化效率得到提高.     

Co-W合金镀层表面氧化膜在碱性体系中的电化学研究

采用电化学手段以及Mott-Schottky理论, 并结合氧化膜点缺陷模型(PDM)分析研究了Co-W合金镀层在1 mol• L^－1 NaOH溶液中表面氧化膜的半导体性质, 并分别计算出了不同W含量的Co-W合金镀层在－0.15, －0.25和－0.35 V三个不同电位下阳极氧化后氧化膜的供体密度、平带电位及氧空穴扩散系数. 结果表明, Co-W合金镀层在1 mol•L^－1 NaOH溶液中表面氧化膜的Mott-Schottky曲线线性区斜率为正, 表现出N型半导体性质|随着阳极氧化电位的升高或合金镀层W含量的降低, 氧化膜供体密度N_D逐渐增大, 导致氧化膜被破坏或发生点蚀的几率升高|随着阳极氧化电位的降低或合金镀层W含量的降低, 氧化膜平带电位呈降低趋势, 说明其耐蚀性升高|不同W含量的Co-W合金镀层在三个不同电位下阳极氧化后的氧化膜的氧空穴扩散系数为(1.543～8.533)×10^－14 cm²•s^－1.     

TiO2纳米晶多孔膜的电荷传输特性

用光电流作用谱、瞬态光电流、循环伏安及线性电位扫描法研究了TiO2纳米晶／纳米多孔膜电荷传输特性．结果表明TiO2纳米多孔膜的电荷传输与块体半导体不同．TiO2纳米晶电极的能带不弯曲，电子在导带中可向两个方向流动，电子既可以流向电极内部经由外电路输出．也可以流向电解质溶液被溶液中的受主捕获．在TiO2纳米多孔膜电极中，不仅在负电位区能带边随电位变化，而且在正电位区能带边随电位变化而移动，即带边不钉扎。加入合适的施主可提高光电转换效率．加入受主则在电极溶液界面引起电子的严重损失，降低光电转换效率．     

纳米TiO2-Pt修饰电极的制备及电催化活性

采用电化学合成前驱体直接水解法和电沉积法制备高活性纳米TiO2-Pt修饰电极，并使用扫描电子显微镜(SEM)对电极的表面形貌和结构进行了表征; 通过循环伏安法研究了纳米TiO2-Pt修饰电极在H2SO4溶液中的电化学行为以及对Mn2＋氧化为Mn3＋的电催化活性. 结果表明,纳米TiO2的晶粒大小约30 nm,修饰在纳米TiO2膜表面的Pt微粒呈现单分散状态,平均粒径约60 nm,纳米TiO2-Pt修饰电极的电化学性能优于纯Pt电极,对Mn2＋的电氧化具有高催化活性,非均相无隔膜电解氧化Mn2＋生成Mn3＋平均电流效率可达86％.     

强度调制光电流谱研究纳晶薄膜电极过程

用强度调制光电流谱研究半导体纳晶薄膜电极光生电荷的界面转移和输运动力学过程.从测量不同外加电压和不同硫化钠溶液浓度下CdSe纳晶薄膜电极的光电流响应得到了参数:归一化稳态光电流和表面态寿命,分析界面空穴的直接转移和通过表面态的间接转移过程.通过测量不同背景光强下TiO2纳晶薄膜电极的电子扩散系数研究电子输运过程.应用HCl化学处理方法明显增大了电子扩散系数,改善了电子在TiO2纳晶薄膜电极中的输运性能.     

温度、pH值和氯离子对X80钢钝化膜内点缺陷扩散系数的影响

借助于Mott-Schottky和点缺陷模型(PDM)研究了溶液温度、pH值以及氯离子对X80管线钢在模拟土壤环境中所形成钝化膜内点缺陷扩散系数D₀的影响. 结果表明: 随着溶液温度的升高、溶液pH值的降低以及氯离子浓度的增大, 钝化膜内的施主密度呈现增大的趋势. 依据点缺陷模型可以得到钝化膜内点缺陷(假设点缺陷为氧空位或铁离子间隙)的扩散系数D₀达到10^－16～10^－17 cm²•S^－1, 且D₀随着溶液温度的升高、溶液pH值的降低及氯离子浓度的增加而增大.     

用于太阳光催化反应的空位工程

空位是一种点缺陷,广泛存在于非化学计量比的半导体光催化材料的晶格中.不同于其它研制复杂结构和组成的新型光催化剂的策略,空位工程设计方法可以基于传统的,由丰量元素组成的光催化剂进行表面或体相晶格的空位调控,以获得宽谱响应的高效光催化材料.该方法具有不引入杂质元素、成本低廉、方法简便等优点,且通过表面化学吸附作用可以耦合热催化和光催化过程,以实现增强的选择性光催化反应.空位的表征技术包括元素分析,扫描隧道显微镜,催化发光,光致发光或顺磁共振等直接和间接观测技术.近期正电子湮没谱发展成为一种研究空位的重要手段.这种方法可以区分不同位置(如体相和表面)和不同形式(如单一空位或联合空位)的空位并确定其相对浓度,从而用于探索空位影响光催化活性的规律.氧、氮、硫和卤素原子空位均属于阴离子空位.氢化处理法可以在光催化剂晶格中形成高浓度氧空位,并导致纳米材料表面层的晶格混乱.处理后光催化剂的光学吸收拓展到近红外区,电子给体浓度大大提高,促进了电子输运和界面电荷的迁移与分离;然而,可见光区的吸收对增强的光催化活性没有贡献.氧空位还可以作为活性位点吸附和解离反应物,促进电子从催化剂到吸附质间的转移,甚至直接参与到光催化和光化学反应中.富含氧空位的WO3可以耦合热催化和光催化反应促进CO2的选择性还原,或者利用近红外光活化分子氧并选择性氧化胺.氮空位是含氮的n型半导体光催化材料的本质属性.石墨氮化碳中的氮空位有助于促进电荷分离,同时可以作为化学吸附位用于选择性吸附,活化和还原氮气,因此富含氮空位的光催化剂在还原含氮化合物方面具有应用潜力.由于卤素原子在层状卤氧化铋的层间以较弱的范德华力存在,该类化合物容易形成卤原子空位.通过热处理碘氧化铋可以获得活性增强的含碘空位化合物.空位的出现导致带隙变宽和价带下移,光生空穴氧化能力提高,从而获得更好的光催化活性.传统的n型半导体光催化剂中难以形成阳离子空位.理论研究表明,含阳离子空位的TiO2具有一系列优点,包括电子传输性能提高,载流子复合受到抑制等.并且钛空位可以作为表面活性位促进水的吸附和离解,从而提高光解水效率.含钛空位的p型TiO2可以通过焙烧甘油化的前驱体制备,钛空位的出现使得光解水和催化降解有机物活性均大幅提高.含碳空位的石墨氮化碳不仅表现出增强的光催化活性,同时能够提高氧吸附并促进两电子还原氧气产生H2O2的反应过程.铋空位能够有效提高铋基光催化剂BiPO4和Bi6S2O15的活性.二维纳米材料的晶面和厚度可以影响表面空位的组成和浓度.BiOCl纳米片的表面是以铋空位为主,而超薄的BiOCl纳米片则是以铋氧联合空位为主,从而表现更优异的光催化活性.最近研究者在含空位的高性能光催化剂制备以及性能调控规律方面取得了长足进展,今后还将继续发展先进的表征技术,进一步研究空位的调控和稳定化手段,并全面理解空位对光催化反应的影响基本规律.空位工程将在半导体光催化技术中发挥更加重要的作用.     

丁二酸在Ti/TiO2膜电极上的电化学合成

在包含原料马来酸的硫酸溶液中, 通过原位阳极氧化法制备了Ti/TiO2膜电极, 然后采用极性转换技术在原溶液中电化学合成丁二酸. 采用XPS, XRD和SEM分析了膜电极上的元素组成、价态分布和氧化膜的晶相结构及表面形貌. 结果表明, 阳极氧化膜层内只含有Ti和O两种元素, 且Ti均为Ti4+; TiO2氧化膜是金红石相, 表观呈现带孔的条纹形貌. 通过循环伏安、恒电位阶跃和恒电流电解技术研究了Ti/TiO2原位氧化膜电极的电化学性质, 结果表明, 该膜电极对马来酸电还原合成丁二酸具有较好的电催化活性. 以钛基氧化钌电极(DSA)为阳极, Ti/TiO2原位氧化膜电极为阴极进行恒电流电解了实验. 结果表明, 丁二酸的还原产率为95.94%, 电流效率为95.57%, 产物纯度为99.28%, 熔点为185~187 ℃.     

N3敏化Ho3+离子修饰TiO2纳米晶电极的光电化学性质

研究了Ho3+离子表面修饰对TiO2纳米晶电极光电性能的影响. TiO2表面氧化钬的存在一方面降低了染料和TiO2之间的电子注入速率, 而另一方面它也能够抑制电荷复合. 结果表明, 在TiO2纳米晶薄膜表面修饰一定厚度的Ho3+离子层, 在电极表面就形成了一个势垒, 能够有效抑制电极表面的电荷复合, 从而提高了染料敏化太阳能电池的光电压和光电转化效率. 在93.1 mW·cm-2白光照射下, TiO2/Ho-0.1 和TiO2/Ho-0.2(0.1 和0.2分别是修饰TiO2电极的Ho3+溶液的浓度, 单位是mol·L-1)两个电极的光电转化效率分别达到8.3%和7.6%, 与TiO2电极(7.2%)比较, 分别增大了15%和5%.     

The influence of fluoride on the physicochemical properties of anodic oxide films formed on titanium surfaces

The influence of fluoride (and its concentration) on the electrochemical and semiconducting properties of anodic oxide films formed on titanium surfaces was investigated by performing electrochemical measurements (potentiodynamic/pontiostatic polarization, open circuit potential (OCP), and capacitance measurements) for a titanium/oxide film/solution interface system in fluoride-containing 1.0 M HClO(4) solution. On the basis of the Mott-Schottky analysis, and with taking into account both the surface reactions (or, say, the specifically chemical adsorption) of fluoride ions at the oxide film surface and the migration/intercalation of fluoride ions into the oxide film, the changes in the electrochemical behavior of titanium measured in this work (e.g., the blocked anodic oxygen evolution, the increased anodic steady-state current density, the positively shifted flat band potential, and the positively shifted film breakdown potential) were interpreted by the changes in the surface and the bulk physicochemical properties (e.g., the surface charges, surface state density, doping concentration, and the interfacial potential drops) of the anodic films grown on titanium. The fluoride concentrations tested in this work can be divided into three groups according to their effect on the electrochemical behavior of the oxide films: < or =0.001 M, 0.001-0.01 M, and >0.01 M. By tracing the changes of the OCP of the passivated titanium in fluoride-containing solutions, the deleterious/depassive effect of fluoride ions on the titanium oxide films was examined and evaluated with the parameter of the film breakdown time. It was also shown that the films anodically formed on titanium at higher potentials (>2.5 V) exhibited significantly higher stability against the fluoride attack than that either formed at lower potentials (<2.5 V) or formed natively in the air.     

Effect of oxygen vacancies in anodic titanium oxide films on the kinetics of the oxygen electrode reaction

The effect of oxygen vacancies in the anodic oxide film on passive titanium on the kinetics of the oxygen electrode reaction has been studied by potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Oxide films of different donor density were prepared galvanostatically at various current densities until a potential of 20.0 V_SHE was achieved. The semiconductive properties of the oxide films were characterized using EIS and Mott-Schottky analysis, and the thickness was measured using ellipsometry. The film thickness was found to be almost constant at ∼44.7 ± 2.0 nm, but Mott-Schottky analysis of the measured high frequency interracial capacitance showed that the donor (oxygen vacancy) density in the n-type passive film decreased sharply with increasing oxide film formation rate (current density). Passive titanium surfaces covering a wide range of donor density were used as substrates for ascertaining relationships between the rates of oxygen reduction/evolution and the donor density. These studies show that the rates of both reactions are higher for passive films having higher donor densities. Possible explanations include enhancement of the conductivity of the film due to the vacancies facilitating charge transfer and the surface oxygen vacancies acting as catalytic sites for the reactions. The possible involvement of surface oxygen vacancies in the oxygen electrode reaction was explored by determining the kinetic order of the OER with respect to the donor concentration. The kinetic orders were found to be greater than zero, indicating that oxygen vacancies are involved as electrocatalytic reaction centers in both the oxygen evolution and reduction reactions. This paper was submitted in honor of the many contributions to electrochemistry that have been made by Professor Boris Grafov. The article is published in the original.     

纳米多孔结构镍基复合膜电极的电化学法制备及其电容特性

通过对电沉积法得到的Ni-Cu合金镀层进行电化学去合金化处理, 制备了纳米多孔结构金属镍膜. 采用循环伏安法对多孔金属镍膜在1 mol·L^-1 KOH溶液中进行阳极氧化处理, 获得了纳米多孔结构的镍基复合膜电极. 应用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学技术对所制备的膜电极的物理性质及赝电容特性进行了表征. SEM、XRD和XPS的测试结果表明, 所制备的纳米多孔结构镍基复合膜由Ni、Ni(OH)₂和NiOOH组成. 电化学实验结果显示, 该复合膜在20 A·g^-1的充放电电流密度下, 给出了578 F·g^-1的初始比电容; 在1000次充放电循环后, 它的比电容值为544 F·g^-1, 电容保持率为94%. 纳米多孔结构有利于KOH电解液的渗透, 从而促进反应物种在电极内部的传输; 纳米多孔的金属镍基体可以提高Ni(OH)₂膜的电子导电性; 纳米大小的Ni(OH)₂颗粒能够缩短质子的固相扩散路径. 上述因素是所制备的纳米多孔结构镍基复合膜电极具有优异赝电容特性的主要原因.     

金属氧化物阳极失效过程的电化学监测

采用循环伏安和电化学阻抗谱等电化学方法对金属氧化物阳极在硫酸中的寿命加速过程进行了监测.检测了阳极伏安电量,双电层电容,氧化物膜电阻和析氧反应的电荷传递电阻等电化学参数随电解时间的变化,并提出金属氧化物阳极电解失效的机理.     

氯化钠溶液中铜丝尺寸效应对腐蚀行为的影响

为了研究半径变化对铜丝腐蚀行为的影响, 通过极化曲线和交流阻抗测试方法研究了半径为0.04-0.82 mm的铜丝在自然通气的0.5 mol·L-1 NaCl(pH=7.4)溶液中的腐蚀行为. 结果表明, 当铜丝半径小于氧的扩散层厚度(0.56 mm)时, 随着半径减少, 非线性扩散的存在加速了电化学反应的传质过程, 其影响由慢到快迅速增大, 使得受扩散过程控制的阴、阳极反应速率增大, 铜丝的腐蚀电流密度显著增加. 对铂丝、不锈钢丝的氧阴极还原反应过程研究也得到了类似的反应特征. 上述现象表明铜丝腐蚀行为的尺寸效应具有一定的普遍性.     

La1－xSrxNi1－yCoyO3双功能氧电极的电化学性能

采用溶胶-凝胶法制备了一系列La1－xSrxNi1－yCoyO3（x=0、0.1、0.2、0.5； y=0～1.0）型的钙钛矿催化剂，并以活性碳为载体制备双功能氧电极.对催化剂进行了XRD结构分析以及XPS表面分析.采用三电极体系测试了氧电极的稳态极化曲线和电化学交流阻抗谱并对其阴极极化和阳极极化谱图进行了分析.实验表明，对于LaNiO3化合物，B位掺杂可显著提高催化剂表面的B离子浓度, 从而提高电催化性能；而A位掺杂由于导致有序化氧空位的增多和电导的降低而造成活性下降.电极氧还原反应的极化主要由电荷转移反应和能斯特扩散过程造成.     

咪唑离子液体对铜在硫酸溶液中的缓蚀作用

采用动电位极化和电化学阻抗谱技术研究了三种新型烷基咪唑离子液体, 1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([BMIM]HSO₄), 1-已基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([HMIM]HSO₄), 1-辛基-3-甲基咪唑硫酸氢盐([OMIM]HSO₄), 对铜在0.5 mol·L_-1 H₂SO₄溶液中的缓蚀作用. 实验结果表明: 咪唑离子液体能有效抑制铜在硫酸溶液中的腐蚀, 相同浓度下的缓蚀效率大小顺序为[OMIM]HSO₄>[HMIM]HSO₄>[BMIM]HSO₄. 动电位极化表明三种咪唑化合物的加入对铜的阴阳极腐蚀过程均有抑制作用, 属于混合型缓蚀剂. 电化学阻抗谱用带两个常相位原件的等效电路对含两个时间常数的体系进行拟合, 发现咪唑化合物的添加会引起电荷传递电阻和双电层电容等阻抗参数的变化, 表明此类化合物通过吸附于铜电极与溶液界面起到缓蚀作用, 且这种吸附符合Langmuir吸附等温关系. 吸附过程热力学计算说明咪唑化合物在铜表面发生了自发的物理吸附.     

铅镧和铅钐合金在硫酸溶液中生长的阳极膜性质的研究

应用交流伏安法和线性电位扫描法研究了Pb ,Pb 1.0at%La和Pb 1.0at%Sm电极在硫酸溶液中以 0 .9V(vs .Hg/Hg2 SO4 )生长的阳极Pb(Ⅱ )膜增长率和膜的阻抗实部变化 ,并采用循环伏安法研究了它们在 0 .6～ 1.6V(vs.Hg/Hg2 SO4 )间的循环伏安特性 ,结果表明 :在铅中添加Sm有利于抑制铅的阳极腐蚀和降低阳极Pb(Ⅱ )膜的阻抗 ,La亦可降低阳极Pb(Ⅱ )膜的阻抗 ,但其作用不如Sm明显     

双空位缺陷双层石墨烯储钠性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的色散修正方法,研究了Na吸附和嵌入在双空位缺陷(DV)双层石墨烯(BLG)体系中的形成能、电荷转移、电极电势和扩散行为。形成能计算表明,无论单个Na原子在BLG表面吸附还是层间嵌入,均在DV空位中心处更稳定。电荷密度分布和Bader电荷计算表明Na与BLG的结合方式表现出离子性。Na嵌入DV缺陷BLG层间,缺陷浓度增加使BLG由AB堆垛向AA堆垛转变过程推迟;使Na在DV缺陷BLG的表面和层间能够稳定储钠的容量之和增至262.75 mAh?g~(-1),对应浓度Na与C摩尔比为2:17,储钠浓度继续增加,Na在BLG表面吸附容易产生枝晶或团簇。当层间嵌入Na原子时,表面Na原子向DV缺陷中心方向扩散能垒减小、表面Na原子沿相反方向的扩散能垒增加,DV缺陷的存在提高了BLG表面捕获Na的能力。     

热处理对线团状二氧化锰结构及其电化学性质的影响

以氯化锰与高锰酸钾为原料, 在低浓度下大数量合成由无数片状纳米层组成的线团状二氧化锰粒子. 采用X衍射, 扫描电镜, 液氮等温吸附脱附、循环伏安、交流阻抗及恒流充放电等方法研究了温度对产物结构及电化学性质的影响. 结果表明处理温度升高, 微孔减少, 比表面积减小, 孔径变大, 在300 ℃以下二氧化锰粒子的结构保持无定型结构. 交流阻抗测试显示随着处理温度的升高, 样品的法拉第电荷传递能力和离子在电解液与活性材料界面的扩散能力均得到提高. 比电容测试显示在200 ℃处理的二氧化锰具有最高的比电容, 以1 mol·L^-1 Na₂SO₄为工作介质, 扫速为2 mV·s^-1时, 其比电容是210.6 F·g^-1. 该研究表明: 材料的电化学性质可以通过热处理进行调整, 适当的热处理能提高该材料作为超级电容器活性材料的性质.