稀土钙钛矿氧氮化物的研究进展

近年来,稀土钙钛矿氧氮化物因其出色的多功能性以及在光学、光催化、介电和磁性材料等领域的应用前景备受关注。本文介绍了稀土钙钛矿氧氮化物的结构稳定性计算方法,总结了其制备方法,最后阐述了其主要应用情况,并对其进一步研究和发展进行了展望。     

生物质衍生硬炭在电化学储能系统中的应用

硬炭具有理论容量高、倍率性能好、结构稳定等优点,是一种颇具潜力的储能系统电极材料.近年来,以具有分级多孔结构的生物质为前驱体制备具有独特微观结构的硬炭,是电化学储能领域的研究热点.基于国内外的研究成果,综述了生物质衍生硬炭在锂离子电池、钠离子电池与超级电容器中的储能研究:首先列举了生物质炭的常见来源,通过分析其微观结构优势论述其作为储能负极的可行性;然后总结了常见的制备方法,以及提高其充放电容量和首次库伦效率(ICE)的改性手段;最后总结和分析了其发展趋势与前景.总之,生物质衍生硬炭原料来源广泛、价格低廉,电化学性能优异,有望在电化学储能领域发挥作用.     

生物质炭的杂元素掺杂及其在电极中的应用

近些年,由于制备工艺的不断优化,生物质炭材料作为储能器件(锂离子电池、超级电容器、锂硫电池等)的电极材料得到了快速发展.与此同时,由于存在首次库伦效率低,不可逆容量大,电压滞后,大电流充放电能力弱等问题,大大阻碍了生物质炭材料作为电极材料的应用.而通过杂元素掺杂生物质炭(尤其是杂原子掺杂),可以有效地提高炭材料的润湿性和电子传导性,增加炭材料的缺陷以及活性位点,使其具有优异的电化学性能.本文归纳了杂元素掺杂生物质炭的研究进展,分别对其制备方法,以及在锂离子电池、超级电容器和锂硫电池等能源领域中的应用和前景进行介绍.     

水热法制备铝掺杂二氧化锰及其储锌性能的研究

可充电水系锌锰电池成本低、环保无毒、安全性好,在大规模储能领域具有广阔应用前景.然而,该电池中不仅存在MnO2正极导电率低、结构稳定性差等问题,而且存在负极锌枝晶生长与析氢腐蚀问题,这严重制约了电池循环稳定性的提升.本文采用水热法制备了Al掺杂二氧化锰作为锌锰电池的高稳定性正极材料,并通过X射线衍射(XRD)、能量色散X射线光谱仪(EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和X射线光电子能谱(XPS)详细讨论了Al掺杂对MnO2物相、形貌、含水量与电化学性能的影响.研究表明,Al掺杂不仅使样品由微米级β-MnO2转变为纳米级α-MnO2,还使产物中结晶水含量增加.作为锌锰电池正极材料,所制备的Al掺杂MnO2在1 A·g-1高电流密度下500次循环后剩余容量高达150.1 mAh·g-1,循环稳定性远优于未掺杂的MnO2样品(500次循环后容量为97.8 mAh·g-1).本研究对高性能锌锰电池的开发具有一定启示意义.     

无定型NiCo氧化物的制备及氧析出电催化性能研究

氧析出反应(OER)涉及多个电子的转移,动力学较为缓慢,被认为是电解水过程的瓶颈半反应.因此开发高效、稳定的氧析出反应电催化剂,降低该反应的外加过电位是电解水技术发展的关键.本文采用简单的化学浴沉积方法,经低温焙烧成功制备出多孔的无定型NiCo氧化物催化剂,并且该方法一次制备量可达克级.无定型NiCo氧化物因富含氧空位相对于其晶态的NiCo2O4尖晶石复合氧化物具有更优的OER性能,在碱性介质(0.1 mol/L KOH)中当电流密度为10 mA/cm2时的过电位为370 mV,并且表现出优异的催化稳定性.     

多孔硅制备研究进展及其在锂离子电池方面的应用

多孔硅具有比表面积大、发光性能良好等特点,目前对于多孔硅的研究已经涉及到生物与化学传感器、药物递送、光催化、能源等领域。多孔硅中的孔隙可有效缓解硅在锂化时的体积膨胀,缩短锂离子从电解液向硅本体扩散的距离,促进高电流密度下的充放电过程。因此,多孔硅在储能领域得到了广泛研究与发展。但是一些挑战仍然存在,如制备成本、刻蚀机理、多孔结构的调控、多孔硅的电化学性能等还不能满足商业化应用的要求。本文对目前国内外多孔硅制备方法的研究进行了综述,并详细介绍了多孔硅在锂离子电池领域的应用。最后,对多孔硅材料在储能领域的发展进行了展望。     

射频等离子制备石墨烯负载Co3O4催化剂及其析氧性能研究

氢能的引入能有效提升配电网的供电可靠性,而电解水制氢是实现低碳转型的关键技术,开发高效的电解水催化剂势在必行。过渡金属氧化物储量大、催化活性高,是具有广阔应用前景的析氧反应催化剂。本文通过射频等离子体处理制备石墨烯上负载Co₃O₄析氧催化剂,XRD、Raman和XPS测试结果显示,二维结构石墨烯的引入加速表面电子迁移,增大了反应面积。等离子体处理促进了纳米粒子在石墨烯上的负载,利用等离子体刻蚀作用在催化剂表面制造出大量碳结构缺陷和氧空位结构,改善了活性位点分布,有效调控Co₃O₄电子结构,提高析氧催化活性。电化学测试表明,本文中合成的Co₃O₄@rGO在电流密度为50 mA·cm^-2时的过电位为410 mV,动力学反应速率较快,表现出优于商业IrO₂的析氧催化活性。     

石墨烯及其纳米复合材料的制备与应用研究

石墨烯作为一种新兴二维碳纳米材料,具有完美的晶体结构和诸多优异的物理化学性能.石墨烯独特的电学、热学、光学和力学性能,使其在电子器件、导热材料、气体传感器、感光元件以及环境科学等领域具有广阔的应用前景.其潜在的实际应用价值,使石墨烯材料的开发成为当前最受关注的研究热点之一.本文从石墨烯的来源、结构、分类和基本性质出发,概述了石墨烯及其衍生物的制备方法及属性特征,进而介绍了石墨烯及其衍生物纳米复合材料在电子、材料、储能和环境等领域中的最新研究进展,并对石墨烯及其纳米复合材料的发展前景进行了展望.     

MnOOH结构,制备方法和应用的研究进展

介绍碱式氧化锰(MnOOH)结构、制备方法和应用的研究进展.重点介绍MnOOH的水热法、液相沉淀法、回流法和热分解法等制备方法与其在超级电容器、锂离子和钠离子电池、催化、吸附和分离等领域的应用及其作为前驱体的应用.此外,对MnOOH的发展趋势进行展望.     

Pt/Co-N-C电催化材料的制备及其碱性ORR性能

金属有机框架材料(MOFs)是一种制备过渡金属-氮-碳(M-N-C)氧还原电催化材料的有效前驱体，但在热解过程中结构坍塌等问题限制了其实际应用。本研究通过表面活性剂F-127包覆以及Zn掺杂对ZIF-67进行改性，并对改性后的Zn-ZIF-67@F-127在氩气气氛下进行热解，制得结构完整的Co-N-C载体。通过在Co-N-C载体表面进行Pt的负载，制备了Pt/Co-N-C复合氧还原反应(ORR)催化剂，并对其在碱性电解液中的ORR催化性能进行了探究。实验结果表明，F-127的加入提高了Zn-ZIF-67@F-127在热解过程中的形貌保持率，Pt/Co-N-C在O₂饱和的0.1 mol·L^-1 KOH中，催化剂的起始电位、半波电位、极限扩散电流密度分别为1.027 V、0.836 V和5.51 mA·cm^-2,与商用20%Pt/C性能相近。Pt与Co-N-C的协同作用使得催化剂不仅对ORR的四电子路径显示出高选择性，更在计时电流测试中表现出接近于商用20%Pt/C的稳定性与较商用20%Pt/C更优的抗甲醇性能。     

Structure and lithium ion diffusion in lithium silicate glasses and at their interfaces with lithium lanthanum titanate crystals

Solid state lithium ion electrolytes are important to the development of next generation safer and high power density lithium ion batteries. Lithium containing glasses such as lithium silicate glasses have been widely studied due to their high ionic conductivity. Recently, lithium silicate glasses were introduced in polycrystalline lithium lanthanum titanate (LLT) ceramics as intergranular thin films between the crystalline grains to achieve higher lithium ion conductivities in these solid state electrolytes. In this work, we present investigations of the structure and diffusion behavior of lithium silicate glasses and their interfaces with LLT crystals using molecular dynamics simulations. The short and medium range structures of the lithium silicate glasses were characterized and the ceramic/glass interface models were obtained using MD simulations. Lithium ion diffusion behaviors in the glass and across the glass/ceramic interfaces, as well as the effect of atomic structure on diffusion behaviors, were investigated. It was found that there existed a minor segregation of lithium ions at the glass/crystal interface. The interface lithium ion diffusion energy barrier was found to be dominated by the glass phase.     

铜锌锡硫正极全固态薄膜锂离子电池的研究

采用铜锌锡硫(CZTS)四元硫化物材料作为全固态薄膜锂离子电池(TFLB)的正极功能层.通过磁控溅射及硫化工艺制备了CZTS多晶薄膜,并经过组分调控及硫化工艺控制等方案,提高了CZTS正极薄膜的电子导电性.此外,通过引入疏松的微观结构,抑制了由充放电过程中的体积膨胀所导致的容量衰减,提升了TFLB循环性能.所制得的TFLB结构为玻璃/Mo/CZTS/LiPON/Li,首圈放电容量高达200μAh·cm-2 ·μm-1(482 mAh ·g-1),放电平台约为1.1V.     

锂-二氧化碳电池关键材料的研究进展

可充式锂-二氧化碳电池为捕获CO₂和能量存储提供了一种新方法。尽管该技术从发展之初至今取得了很大进步,但它们在实际应用中还面临着许多限制和挑战。其中,在充放电机理方面的研究,虽然取得了显著的成就,但仍存在一些争议。目前,大部分的锂-二氧化碳电池研究在提高电池性能方面,主要针对的是阴极催化剂的制备,例如,碳基催化剂、贵金属基催化剂、过渡金属基催化剂、可溶性催化剂等。上述催化剂虽显著提高了电池性能,但少有同时满足价格低廉、制备方法简单和催化性能优异等优点的催化剂,这也是限制锂-二氧化碳电池走向实际应用的因素之一。由于锂-二氧化碳电池属于半开放式系统,液态电解液存在泄露、蒸发和锂枝晶等问题,导致电池的安全性和性能的降低。采用准固态电解质可有效解决上述问题,并为柔性可穿戴锂-二氧化碳电池的实现提供了可能。本文归纳了锂-二氧化碳电池关键材料的研究进展,分别对锂-二氧化碳电池的充放电机理、阴极催化剂、准固态电解质和阳极锂保护四部分进行了介绍,对其发展的现状和面临的挑战以及未来发展的趋势作出了归纳和总结。为开发高效可逆的锂-二氧化碳电池提供参考。     

退役磷酸铁锂电池的梯次利用和正极材料回收方法现状

随着纯电动汽车的飞速发展,锂离子电池(LIBs)的消耗量日渐增大。磷酸铁锂电池(LFPBs)因安全性能优越、使用寿命长、原材料价格低廉、环境友好且技术成熟等优势,在市场上存量较大。因此退役磷酸铁锂电池报废量也逐年增加,对于其回收方法的研究迫在眉睫。基于此,文章总结了当前锂电池的梯次利用现状,包括退役磷酸铁锂电池性能测定的多种方法,不同余能适用的场合以及投资回报分析。并对磷酸铁锂电池中金属的回收工艺进行了对比,包括破碎、风选、涡电流、冷激等物理方法,浸出、沉淀、活化等化学方法以及生物浸出方法。介绍了修复再生磷酸铁锂(LFP)的相关技术,以期实现退役磷酸铁锂电池资源利用最大化,并为后续有关回收退役磷酸铁锂电池的研究提供技术参考。     

SiO2气凝胶分子动力学模拟研究进展

二氧化硅(SiO₂)气凝胶是一种拥有三维骨架网络结构的纳米多孔材料,具有高孔隙率、低密度和低热导率等许多独特的性能。但是由于二氧化硅气凝胶本身的脆性及高温稳定性差等原因,限制了其大规模应用。二氧化硅气凝胶的热力学性能与其内部的三维骨架和孔结构紧密相关,掌握二氧化硅气凝胶内部微结构演化规律与宏观性能的关联,是改善其热力学性能的前提。分子动力学模拟可以从原子层面分析和探索气凝胶的结构并预测其热力学性能。本文对分子动力学模拟下二氧化硅气凝胶势函数、多孔结构建模、结构表征、力学性能和热性能方面进行了详细总结,有助于从原子层面解释二氧化硅气凝胶结构与性能之间的关系,为从成分和结构方面设计气凝胶提供一种理论指导方法。     

Phase transitions of p-type (Pb,Sn,Ge)Te-based alloys for thermoelectric applications

p-type (Pb,Sn,Ge)Te-based alloys for thermoelectric applications were prepared using Bridgman technique. Second-order, rhombohedral to cubic phase transitions are involved, as evaluated from anomalies in the temperature dependence values of Seebeck coefficient, electrical conductivity, heat flow and the elongation, in the vicinity of the phase transition temperature, T_c. The correlation between these anomalies in both the electronic and thermodynamic properties was interpreted by means of the relationship of Fermi energy to the chemical potential (or to the molar Gibbs free energy).     

三元层状MAX相固溶体研究进展

MAX相是一类具有层状结构的三元碳化物或(和)氮化物,M是过渡金属元素,A主要是ⅢA~ⅤA族元素,X是C或N元素。这类化合物兼具陶瓷材料和金属材料的特点,具有优异的导电、导热、耐腐蚀以及抗氧化等性能,在诸多领域具有潜在应用价值。近年来,新元素、新结构和固溶体MAX相的不断出现,进一步扩展了MAX相家族。固溶体MAX相是将合适的元素固溶到已知MAX相中而得到的新MAX相。本文分四类总结了127种MAX相固溶体,对其结构改变和性能调控进行了概括,并指出目前研究存在的理论问题和亟须解决的关键技术,最后对MAX相固溶体的发展进行了预测和展望。     

Electronic redistribution around oxygen atoms in silicate melts by ab initio molecular dynamics simulation

The structure around oxygen atoms of four silicate liquids (silica, rhyolite, a model basalt and enstatite) is evaluated by ab initio molecular dynamics simulation. Thanks to the use of maximally localized Wannier orbitals to represent the electronic ground state of the simulated system, one is able to quantify the redistribution of electronic density around oxygen atoms as a function of the cationic environment and melt composition. It is shown that the structure of the melt in the immediate vicinity of the oxygen atoms modulates the distribution of the Wannier orbitals associated with oxygen atoms. In particular the evaluation of the distances between the oxygen-core and the orbital Wannier centers and their evolution with the nature of the cation indicates that the Al―O bond in silicate melts is certainly less covalent than the Si―O bond while for the series Mg―O, Ca―O, Na―O and K―O the covalent character of the M―O bond diminishes rapidly to the benefit of the ionic character. Furthermore it is found that the distribution of the oxygen dipole moment coming from the electronic polarization is only weakly dependent on the melt composition, a finding which could explain why some empirical force fields can exhibit a high degree of transferability with melt composition.     

Nitrogen‐doped zirconia single crystals

The aim of this work is the preparation of nitrogen‐doped single crystals of cation‐stabilized zirconia. Thin plates of these crystals were nitrided in a graphite heated resistance furnace with nitrogen as reaction gas. Several dwell times and reaction temperatures were tested and their effect on the amount of incorporated nitrogen is investigated. During nitridation at high temperatures a rock salt‐type ‘ZrN’ layer grows on the surface, leading to the destruction of the crystal. In contrast to the fluorite‐type bulk material, which can be described as a fast anion conductor, the surface layer shows electronic conductivity. For possible applications of the bulk material (solid electrolyte) the formation of the surface layer must be avoided. Therefore, the interface between surface epilayer and bulk material was investigated in detail by electron microscopy methods. (© 2006 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)