硼、磷共掺杂铁钴双金属材料的制备及其电催化析氧性能

采用一步水热法合成了硼、磷共掺杂铁钴材料(Fe-Co-B-P)。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等技术对所合成材料的形貌、结构和组成进行表征。利用线性扫描伏安(LSV)、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)等技术研究材料电化学析氧反应(OER)性能。结果表明,Fe-Co-B-P表面疏松且粗糙,颗粒间有许多空隙。在电流密度为10和100 mA·cm^-2时,其过电势分别为278和309 mV,Tafel斜率为24 mV·dec^-1,说明该材料具有较优的电催化析氧性能。其在连续进行10 h的计时电位测试过程中,电势基本保持在1.55 V(vs RHE),表明该催化剂具有较好的电化学稳定性。这是由于铁钴双金属与硼、磷非金属之间的协同作用促进了电子的传递。     

三维多孔碳纳米管-还原氧化石墨烯复合气凝胶应用于高性能对称超级电容器

以羟基化的碳纳米管(CNT-OH)和自制的氧化石墨烯(GO)为原料，通过氧化还原自组装的水热合成策略制备了碳纳米管-还原氧化石墨烯(CNTs-rGO)三维气凝胶，并探究了水热温度对三维气凝胶的影响，利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构、形貌进行了表征，并对其进行电化学性能测试。其中，在140℃下合成的气凝胶CNTs-rGO展示了最佳的电化学性能，在1 A·g^-1电流密度下的比电容高达294.65 F·g^-1，循环伏安曲线在50 mV·s^-1扫速下的形状仍然近似于矩形，展示了良好的可逆性。将其作为正极和负极材料组装的对称超级电容器在功率密度为249.8 W·kg^-1时的最大能量密度为3.744 Wh·kg^-1，在1 A·g^-1下循环10 000次后，其电容保持率和库仑效率均约为100%。优异的电化学性能主要归因于CNTs-rGO复合材料疏松多孔的三维立体结构，这保证了离子的快速运输，同时CNTs和rGO的交联结构提高了电导率，充分发挥了CNTs和rGO的化学和电学性能。     

三维多孔碳纳米管-还原氧化石墨烯复合气凝胶应用于高性能对称超级电容器

以羟基化的碳纳米管(CNT-OH)和自制的氧化石墨烯(GO)为原料,通过氧化还原自组装的水热合成策略制备了碳纳米管-还原氧化石墨烯(CNTs-rGO)三维气凝胶,并探究了水热温度对三维气凝胶的影响,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构、形貌进行了表征,并对其进行电化学性能测试。其中,在140℃下合成的气凝胶CNTs-rGO展示了最佳的电化学性能,在1 A·g^-1电流密度下的比电容高达294.65 F·g^-1,循环伏安曲线在50 mV·s^-1扫速下的形状仍然近似于矩形,展示了良好的可逆性。将其作为正极和负极材料组装的对称超级电容器在功率密度为249.8 W·kg^-1时的最大能量密度为3.744 Wh·kg^-1,在1 A·g^-1下循环10 000次后,其电容保持率和库仑效率均约为100%。优异的电化学性能主要归因于CNTs-rGO复合材料疏松多孔的三维立体结构,这保证了离子的快速运输,同时CNTs和rGO的交联结构提高了电导率,充分发挥了CNTs和rGO的化学和电学性能。     

锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.4Al0.1O2的合成与性能

采用高温固相法制备了锂离子电池正极材料LiNi_0.5Co_0.4Al_0.1O₂,采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)对材料的结构及表观形貌进行分析。通过恒电流充放电以及循环伏安法进行了电化学性能测试。测试结果表明,充放电电压在3~4.5V之间,在0.2C倍率下首次放电比容量达到159.9mAh·g^-1,经50次循环充放电后放电容量为142.6mAh·g^-1,表现出良好的电化学性能。     

锂离子电池正极材料LiNi0.5Co0.4Al0.1O2的合成与性能

采用高温固相法制备了锂离子电池正极材料LiNi_0.5Co_0.4Al_0.1O₂。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)对材料的结构及表观形貌进行分析。通过恒电流充放电以及循环伏安法进行了电化学性能测试。测试结果表明,充放电电压在3~4.5 V之间,在0.2C倍率下首次放电比容量达到159.9 mAh·g^-1,经50次循环充放电后放电容量为142.6 mAh·g^-1,表现出良好的电化学性能。     

氧-硼共修饰多壁碳纳米管载铂催化剂的制备及氧还原活性

采用一种简便的方法,合成了氧-硼共修饰的多壁碳纳米管材料,以此为载体制备的铂基催化剂具有更小的铂粒径、更高的电化学表面积(40 m²·g_Pt^-1)和更高的氧还原活性(0.3 A·mg_Pt^-1)。氧、硼在提高碳纳米管的载体分散性、控制铂颗粒的均匀性和粒径、促进氧还原反应的氧吸附/解离方面发挥着重要的作用。     

层状LiMnO2的固相合成及电化学性能

以Mn₂O₃和氢氧化锂为原料，通过焙烧合成出o-LiMnO₂。用X射线衍射和扫描电镜对不同温度下合成的粉末样品进行了表征，并研究了材料的电化学性能。通过对不同温度条件下烧结样品的晶胞参数、布拉格(110)晶面峰半高宽及电化学性能研究发现：600 ℃下合成样品的半高宽最大，堆垛层错率高，同时电化学性能也最好，首次放电容量达到156 mAh·g^-1，20次循环后仍保持在140 mAh·g^-1以上。中高温固相合成的o-LiMnO₂材料，在晶粒范围大小相近时，材料电化学性能与材料堆垛层错率相关。     

同步合成模板法制备热解炭及其电化学电容性能研究

研究制备新型炭材料是提高电化学电容器性能的有效途径。本文以二氧化硅干凝胶为模板,以合成间苯二酚-甲醛(RF)干凝胶为炭前驱体,采用同步合成模板法制得了比表面积达1100m²·g^-1,孔径分布集中,平均孔径为4.5nm的炭材料。循环伏安研究表明,与比表面积为1720m²·g^-1的活性炭相比,本研究制得的炭材料具有更优异的电化学电容性能,2mV·s^-1时比容量达195F·g^-1。     

用于可充锂电池的高倍率磷酸铁(II)锂正极材料

本文以聚氧化乙烯为碳源,用柠檬酸辅助湿化学法合成了高倍率的碳包覆的LiFePO₄。使用热重、粉末X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、循环伏安、电化学阻抗和恒流充放电表征材料的结构和电化学性质。结果表明,该材料组成为5 wt%疏松多孔的碳包覆相纯度很高的小的LiFePO₄颗粒。该材料适用于高倍率充放电,在5 C、10 C和20C的放电倍率下可以分别得到120、90和60 mAh·g^-1的稳定容量。     

脊椎状NiCo2O4纳米棒的制备及其析氧和氧还原性能研究

以水热法并进一步焙烧合成脊椎状NiCo₂O₄纳米棒,通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱仪（XPS）和热重分析仪（TG）等来表征其结构形态及热稳定性.采用线性扫描法（LSV）、循环伏安（CV）研究所制备催化剂的在玻碳和旋转圆盘电极上的电催化活性：在0.1 mol·L^-1 KOH溶液中的电催化析氧反应（OER）和电催化氧还原反应（ORR）.研究结果表明,所制备的脊椎状NiCo₂O₄纳米棒有大量的不饱和态,200℃焙烧制备的脊椎状NiCo₂O₄纳米棒析氧过电位最小可达309 mV,Tafel斜率145.6 mV/dec,其氧还原极限电流密度在1600 rmp可达到5.095 mA·cm^-2,电子转移数在3.2~3.8之间,接近四电子转移机理,其优良电化学性能可能是由于暴露了更多的边缘缺陷的缘故.     

Phosphate Ion-Functionalized CoS with Hexagonal Bipyramid Structures from a Metal–Organic Framework: Bifunctionality towards Supercapacitors and Oxygen Evolution Reaction

To solve energy-related environmental problems and the energy crisis, efficient electrochemical materials have been developed as alternative energy storage and conversion systems. Abundant transition metals and their sulfides are attractive electrochemical materials. Herein, we report an efficient phosphorization strategy, which improves the overall electrochemical performance of metal sulfides. In detail, CoS hexagonal bipyramids were synthesized through simple calcination combined with in situ sulfurization of a cobalt-based metal–organic framework template, and then phosphate ion-functionalized CoS (P-CoS) was prepared through a phosphorization reaction. P-CoS exhibited outstanding electrochemical activity as both supercapacitor electrode and oxygen evolution reaction (OER) catalyst. Supercapacitors based on CoS and P-CoS as the electrodes had high specific capacitances of 304 and 442 F g⁻¹, respectively, and remained stable for over 10 000 cycles at 5 A g⁻¹. For OER, P-CoS showed a current density of 10 mA cm⁻² at an overpotential of 340 mV, with a small Tafel slope. In conclusion, functionalizing CoS with phosphate ions is a promising method for enhancing chemical reactivity and accelerating ion and electron transfer.     

用于电化学水氧化的铁、镍、钴金属及其二元金属纳米颗粒比较研究

从环境兼容角度来设计应用于氧析出反应的电催化剂是否有效、耐用和廉价对能源转化过程至关重要. 本文报告了一种快速制备低成本、原料丰富的金属催化剂制备方法。通过一步电化学沉积法在钛金属基材上制备了铁、镍、钴金属及其钴镍、钴铁二元金属纳米颗粒. 采用场发射电子显微镜 (FE-SEM), 能量散射X-射线能谱 (EDX), X-射线衍射光谱 (XRD), X-射线光电子能谱 (XPS)和电化学技术对制备的不同纳米颗粒进行了表征. 电化学结果显示,在合成的五种钛基金属纳米催化剂中, 钛基上沉积钴金属纳米颗粒(Ti/Co)电极在0.l mol·L^-1氢氧化钾溶液中氧析出反应的电催化活性最好,0.70 V(相对于银/氯化银电极)的电流密度为10.0 mA·cm^-2. 经优化后Ti/Co电极的过电位(η)很小,当电流密度为10.0 mA·cm^-2时η为0.43 V,质量活性高达105.7 A·g^-1,逆转频率(TOF)值为1.63×10^-3 s^-1, 这些与当前最好的碳载铂(Pt/C)和氧化钌(RuO₂)电催化剂的性能相当. 此外,通过计时电位技术对优化后Ti/Co电极的耐久性进行了测试, 发现该电极在碱性溶液中氧析出反应的稳定性良好. 本工作制备的钛金属基材上电化学沉积金属钴纳米颗粒具有高催化活性、高稳定性、原料来源丰富、廉价且易于大规模生产,在工业化水分解领域具有潜在的应用前景.     

Incorporation of Fe in mixed CoCu-alkoxide hollow sphere for enhancing the electrochemical water oxidation performance

The promotion of water electrolysis performance heavily relies on the development of affordable and efficient electrocatalytic materials for the oxygen evolution reaction (OER). In this study, ternary Fe-substituted CoCu-glycerate microspheres (CoCuFe(X)-Gly) with cobalt (Co):copper (Cu):iron (Fe) atomic ratio of 2:1-X:X (X = 0.15, 0.3, 0.5, 0.8) have been prepared through facile template-free solvothermal method to examine their performance as alkaline OER catalyst. The results suggested that Fe incorporation could enhance the OER activity, and all Fe-modified samples showed lower overpotential with faster kinetic, as revealed by their Tafel slope and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analysis. Among the fabricated samples, CoCuFe(0.5)-Gly possessed the smallest overpotential of 317 mV at 10 mA/cm² with 3.58-fold higher current density than that of Fe-free CoCu-Gly at the overpotential of 350 mV. Cyclic voltammetry (CV) disclosed that Fe incorporation imposed strong electronic interactions that facilitate the transformation of metal-glycerate surface into active oxyhydroxide species under anodic condition prevalent before oxygen evolution reaction. Using various characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy, field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), transmission electron microscopy (TEM), Brunauer–Emmett–Teller (BET) method of surface area analysis, and thermogravimetric analysis (TGA), the physiochemical traits of samples have been carefully elucidated to determine the changes applied upon Fe substitution. Also, through Fe introduction, owing to the outward diffusion of ions to replace 2-propanol with glycerol, the solid microspheres partly become hollow which results in higher BET surface area and increase in accessible active sites. However, the evaluation of current density normalized by electrochemical active surface area (ECSA) indicates that the promotional effect of Fe was not solely related to the higher surface area but also because the intrinsic activity of Fe-modified samples has also been enhanced. The durability of optimal CoCuFe(0.5)-Gly catalyst has been examined using chronopotentiometry, chronoamperometry and potential cycling methods the findings of which suggest the good short-term and long-term stability of catalyst.     

钨掺杂的铁镍基层状氢氧化物用于电催化析氧和析氢反应

采用简便的一步水热合成法,在泡沫镍上原位生长微量W~(6+)掺入的Fe_(0.2)Ni(OH)_2双金属层状氢氧化物(LDH),以此来降低铁镍材料的过电势。通过场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)等分析方法对材料形貌、组成、结构等进行表征,发现钨掺杂使催化剂材料的晶体结构和电子结构发生变化,W_(0.03)Fe_(0.2)Ni(OH)_2LDH表现出优异的电化学析氧(OER)和析氢(HER)性能。电化学测试表明该催化剂在25 mA·cm~(-2)电流密度下OER和HER过电势分别仅有271和208 mV,塔菲尔斜率分别为61和181 mV·dec~(-1)。此外,经过长达20 h计时电位稳定性测试后,材料的催化性能未见明显下降。     

核壳纳米球钴基金属有机聚合物的制备及其储锂性能

以偏苯三甲酸和六水合硝酸钴为原料,通过水热法合成了2种反应时间不同的钴基金属有机聚合物（Co-MOP）。采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和N₂吸附-脱附对Co-MOP材料进行了结构和形貌表征。将2种Co-MOP材料用作锂离子电池负极材料,并进行了电化学性能测试。结果表明,Co-MOP-12（水热反应12 h）展示出了优异的电化学性能,在100 mA·g^-1的电流密度下,Co-MOP-12电极的首圈可逆比容量达到979 mAh·g^-1,循环100圈后比容量高达1 345 mAh·g^-1。     

扫帚状氧化铈制备及其对Pt基阳极催化剂催化性能的影响

采用水热合成法,合成了比表面积为175 m~2·g~(-1),孔径在2~4nm范围内的扫帚状CeO_2。通过微波辅助乙二醇还原氯铂酸法制备了Pt-CeO_2/RGO催化剂,探究扫帚状CeO_2的添加对Pt基催化剂电催化性能的影响。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、N_2吸附-脱附、X射线光电子能谱(XPS)对所制备的CeO_2及催化剂进行表征。利用电化学工作站对催化剂进行电化学性能测试。结果表明,催化剂中CeO_2保持原有扫帚状,Pt纳米粒子均匀分布于石墨烯载体表面;当m_(RGO)∶m_(CeO2)=1∶2时,添加了扫帚状CeO_2的Pt-CeO_2/RGO催化剂的电催化性能最优,电化学活性表面积为102.83 m~2·g~(-1),对乙醇氧化的峰值电流密度为757.17A·g~(-1),1 000 s的稳态电流密度为108.17 A·g~(-1),对乙醇催化氧化反应的电荷转移电阻最小,活化能最低。     

扫帚状氧化铈制备及其对Pt基阳极催化剂催化性能的影响

采用水热合成法,合成了比表面积为175 m²·g^-1,孔径在2~4nm范围内的扫帚状CeO₂。通过微波辅助乙二醇还原氯铂酸法制备了Pt-CeO₂/RGO催化剂,探究扫帚状CeO₂的添加对Pt基催化剂电催化性能的影响。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）、N₂吸附-脱附、X射线光电子能谱（XPS）对所制备的CeO₂及催化剂进行表征。利用电化学工作站对催化剂进行电化学性能测试。结果表明,催化剂中CeO₂保持原有扫帚状,Pt纳米粒子均匀分布于石墨烯载体表面;当m_RGO∶m_CeO2=1∶2时,添加了扫帚状CeO₂的Pt-CeO₂/RGO催化剂的电催化性能最优,电化学活性表面积为102.83 m²·g^-1,对乙醇氧化的峰值电流密度为757.17 A·g^-1,1 000 s的稳态电流密度为108.17 A·g^-1,对乙醇催化氧化反应的电荷转移电阻最小,活化能最低。     

B-Co3O4/C复合纳米材料的制备及其电催化析氧性能

本文以雪莲果为碳源,采用热解法制备碳材料(C),以硝酸钴、四硼酸钠和碳材料为原料,通过热解法合成硼掺杂四氧化三钴/碳(B-Co₃O₄/C)复合纳米材料。运用XRD、FTIR、SEM、XPS等手段对其结构、形貌和组成进行表征。利用线性扫描(LSV)和Tafel曲线等电化学测试方法研究了B-Co₃O₄/C复合纳米材料的电催化析氧反应(OER)性能。结果表明,该材料具有较好的电催化OER活性。在1.0mol/L的KOH电解液和10mA·cm^-2的电流密度下,B-Co₃O₄/C复合纳米材料的过电位为293mV,Tafel斜率为45.0mV·dec^-1。在10mA·cm^-2电流密度下连续测试10h, B-Co₃O₄/C的电位变化不大,通过法拉第效率测试该催化剂的产氧效率为94%,说明硼原子的掺入改变了B-Co₃O₄...