锂离子电池镍掺杂尖晶石LiMn2O4正极材料的电子结构

采用密度泛甬平面波赝势方法对LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4的几何结构进行了优化,并计算了相应的电子结构.计算的结果表明:在Li 脱嵌前后,LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4均为导体,且锂元素主要以离子形式存在于两种材料中,O2p轨道与Mn(Ni)的3d轨道形成了较强的共价键.Li 嵌入导致Mn(Ni)3d轨道的态密度峰发生移动.Ni的掺杂导致Mn(Ni)和O2p轨道的成键作用得以加强,电子在Mn(Ni)3d轨道的填充发生变化,从而提高了电池的充放电电压.     

四元尖晶石相Li-M-Mn-O(M=Ni,Cr,M0,V)嵌入电极的研究

制备了用不同价态的几种金属阳离子(Ni2+,Cr3+,V5+,Mo6+)修饰的尖晶石LiMn2O4嵌入化合物作为锂二次电池的阴极材料,对Li/LiMyMn2-yO4电池进行了电化学和X射线衍射研究.结果表明,其它离子的掺杂使标准尖晶石LiM2O4电极对锂的反复脱嵌和嵌入有了更强的承受力,但在不同程度上降低了其初始容量.循环性能的提高归于掺杂的金属阳离子使尖晶石结构趋于更稳定.同时还讨论了修饰离子对尖晶石相在充放电时5V电压平台出现的影响.     

阳极电沉积条件对Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2+Nano-Co3O4复合电极组成、形貌和结构的影响

本文在涂有中间层SnO2-Sb2O5的Ti基体上,采用阳极复合电沉积法制备了Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2+Nano-Co3O4复合电极材料,借助于X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）等分析方法研究了制备条件对该复合电极材料的组成、结构和形貌的影响。结果表明,纳米Co3O4的掺杂可提高PbO2电极表面的粗糙度和空隙率;沉积电位、镀液中Co3O4粒子浓度及有机溶剂的添加均对镀层中Co3O4的嵌入量有很大影响。     

浆态床二甲醚合成中V2O5、Sm2O3对脱水组分γ-Al2O3的修饰作用

采用等容浸渍法制备改性脱水催化剂，通过H2-TPR、Pyridine-IR、还原态NH3-TPD、XRD等表征手段，以及目标反应浆态床CO+H2合成二甲醚，研究了催化剂的还原性能以及酸中心分布与反应性能之间的关系。H2-TPR结果表明，在脱水催化剂γ-Al2O3、V2O5/γ-Al2O3和Sm2O3/γ-Al2O3上不出现还原峰，V2O5、Sm2O3的加入改善了复合催化剂中Cu的还原性能，促进了甲醇催化剂的还原。Pyridine-IR表明，V2O5和Sm2O3的加入对L酸、B酸的量影响不大。还原态NH3-TPD说明V2O5和Sm2O3的加入改变了酸中心的分布，增加了弱酸中心的比率。XRD结果发现，V2O5和Sm2O3均匀分散在γ-Al2O3上，没有新的物种生成。二甲醚合成目标反应的结果表明，改性后催化剂的反应活性增强，合成反应中CO转化率、二甲醚的选择性都得到提高。V2O5和Sm2O3的添加增加了弱酸中心数量，促进了脱水活性，从而提高了复合催化剂合成二甲醚的活性和选择性。     

CO和NO在CuO及Cu2O(110)表面吸附选择规律研究

采用离散变分Xα方法分别计算了CO和NO以C（或N）端顶位吸附在CuO（110）及Cu2O（110）表面上的基态势能曲线,结果表明：CO在Cu2O表面上的吸附强,而在CuO表面上的吸附弱;NO则在CuO表面上吸附强,在Cu2O表面上吸附弱．它们的吸附能的大小顺序为：CuO－NO＞Cu2O－CO＞Cu2O－NO＞CuO－CO．对于CuO－NO（或CO）吸附体系,主要是Cu的3d轨道与吸附分子的2π轨道间的相互作用;对于Cu2O－CO（或NO）吸附体系,则主要是吸附质分子的5σ及2π分子轨道与其顶位Cu1的4s及4p轨道和侧位Cu2的3d轨道相互作用．本文通过吸附势能曲线、态密度分析、成键分析及电荷转移量和方向等方面对实验现象做了合理的解释．     

V2O5负载量对V2O5/Al2O3氧化活化正庚烷催化裂解反应的影响

采用X射线衍射, 低温氮气吸脱附, 氨气程序升温脱附和吡啶吸附红外光谱分析方法对不同活性组分负载量V2O5/Al2O3的性质进行了表征. 根据表面VOx单元密度, 推测V2O5负载量为20%-25% (w)对应着V2O5/Al2O3表面达单层覆盖状态; V2O5的负载使Al2O3表面Lewis酸量减少, 并出现Br?nsted酸, 对应着氧化态VOx单元中的V―OH; 随着负载量的增加, Brφnsted酸量增加至负载量为20%时达到最大值. 对V2O5/Al2O3中活性组分负载量对其氧化活化正庚烷催化裂解反应的影响进行了考察. 结果表明, 在V2O5负载量为20%-25%时,V2O5/Al2O3的引入对正庚烷在HZSM-5平衡剂上催化裂解反应的促进作用最明显, 此时VOx单元在V2O5/Al2O3表面形成单层覆盖状态, 可提供最大量的表面晶格氧, 因而对正庚烷具有最强的氧化活化作用; V2O5负载量继续增加形成体相的V2O5和AlVO4, 不利于晶格氧参与正庚烷的转化, 因而反应性能有所下降.     

KTa_(0.5)Nb_(0.5)O_3电子结构的第一性原理研究

用全电势线性缀加平面波法 (FLAPW )计算了KTa0 .5Nb0 .5O3 铁电相和顺电相的态密度、能带结构 .通过对两相态密度的对比分析我们发现在铁电相 ,钽原子的d电子和氧原子的 2p电子以及铌原子d电子与氧原子的 2p电子之间存在强烈的轨道杂化 ,对能带的分析也得出同样的结论 .这种轨道杂化对KTa0 .5Nb0 .5O3 铁电性的稳定有着重要的意义 .钽原子在四方铁电体KTa1 xNbxO3 中的作用与在纯钽酸钾中的作用有明显的差别 .     

重费米子化合物LiV2 O4电子结构的第一性原理研究

用第一性原理的FP-LMTO能带计算方法研究了重费米子化合物LiV2O4的电子结构.结果表明:费米面附近的导带是由V原子的3d电子形成的宽度为2.5eV的窄能带,是3d态在立方晶体场中具有t2g对称性的子带;它与O的2p轨道构成的能带有近1.9eV的能隙.计算得出的费米能处电子态密度和线性电子比热系数分别是11.1 states/eV f.u.和26.7 mJ/molK2.费米面处的能带色散具有电子型和空穴型两种,呈现出一种复杂的费米面结构.LSDA以及LDA+GGA计算表明, LiV2O4有一个磁矩为每个钒原子1.13μB,总能比LDA基态低约148 meV/f.u.的铁磁性基态.由目前的能带结构计算的结果无法确定这一类Kondo体系的局域磁矩的来源,表明这一化合物中的重费米子行为可能有别于在含有4f和5f稀土的重费米子合金中观察到的局域磁矩与传导电子的交换作用机制,其中存在量子相变的可能.     

Mn掺杂TiO_2(101)提高锂空电池阴极催化活性的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论对TiO_2(101)和Mn_xTi_(1-x)O_2(101)作为锂空电池阴极催化材料进行了研究,发现其表面能够生成两种不同结构的Li_2O_2,进一步地研究了其中最稳定的生成结构并通过计算锂空电池首次充放电过程中的过电势来评价催化性能.结果表明,Mn掺杂进入Ti O_2(101)对充放电的过电势均有降低作用,深入分析发现掺杂Mn对TiO_2促进阴极催化反应的本质因素源于掺杂原子Mn的d态轨道的分布以及其平均能量.掺杂原子的d态轨道在费米能级处的峰态诱导了附近O的p态轨道,二者共同作用在Mn_xTi_(1-x)O_2(101)的总态密度的费米能级处形成多个新峰,改变了催化剂的导电方式.此外,由于掺杂原子Mn的d态轨道的平均能量高于Ti原子,使得O的p态轨道受到更多的激发,促使在Mn掺杂原子附近的氧空位形成能降低,为放电过程阴极催化反应的氧还原提供了更多的活性位点并且有利于氧气的吸附与还原.     

纳米V2O5／ZnO光催化剂对壬基酚聚氧乙烯醚降解的催化活性

采用氨浸法制备了不同V2O5含量的纳米V2O5/ZnO光催化剂,并用X射线衍射、比表面积测定、透射电镜、X射线光电子能谱和漫反射紫外-可见光谱测定了催化剂的晶型、比表面积、形貌尺寸、表面组成和光谱特征.以壬基酚聚氧乙烯醚(NPE-10)为模型污染物,分别在紫外光和可见光照射下考察了光催化剂的催化活性.结果表明,随着V2O5含量的增加,V2O5/ZnO的粒径逐渐减小,比表面积逐渐增大.与纳米ZnO样品相比,V2O5/ZnO中V2p的结合能减小,而Zn2p和O1s的结合能增大,V2O5/ZnO表面的羟基氧和吸附氧含量增加.n(V)/n(Zn)=2·5%的V2O5/ZnO光催化剂样品的催化活性最高(在紫外光和可见光照射3h后,NPE-10降解率分别约为79%和62%).     

V2O5-Ag2O/η-Al2O3催化剂上甲苯氧化制苯甲醛的研究

制备了一系列负载型V—Ag—Al—O催化剂并用于甲苯的气相选择氧化制苯甲醛反应，考察了催化剂组成对反应性能的影响．研究发现，V205负载量为12．5％、Ag2O负载量为7．5％并经773K活化的4号催化剂，在空速467．6h-1，温度663K时反应，得到了甲苯转化率49．58％、苯甲醛选择性29．22％的较好结果．用XRD、XPS、SEM等测试手段，对催化剂进行了结构表征．     

球形LiNi0．95AI0．05O2的熔盐包裹法合成

以LiNO3、AI（NO3）3·9H2O和球形Ni（OH）2为原料,采用熔盐包裹法在空气中合成了球形LiNi0．95AI0．05O2。研究了合成产物的形貌、结构和电化学性能,考察了合成温度、合成时间和锂过量对合成产物结构和电化学性能的影响。实验结果表明,在空气中合成的LiNi0．95AI0．05O2具有α-NaFeO2型层状有序结构、良好的球状形貌和相当高的电化学性能。在空气中合成LiNi0．95AI0．05O2的最佳工艺条件为煅烧温度750℃,煅烧时间16h,锂过量摩尔分数10％。在室温下以30mA／g的电流密度在2．5～4．35V电压之间充放电,样品首次放电比容量达176．0mA·h／g,经30次循环,放电比容量仍保持在167．1mA·h／g,容量保持率为94．9％。     

锂离子电池正极材料LiMnPO4的电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,计算了锂离子电池LiMnPO4正极材料的电子结构。计算结果表明:当Li+嵌入体系后,O和P的原子布居变化较小,电子向金属原子的转移明显得到加强。Li+和O2-有弱相互作用,当Li+离子脱出以后,氧原子所得到的电子数减小,导致布居减小。锂是以离子形式存在的于LiMnPO4正极材料中。在LiMnPO4和MnPO4体系中,Mn原子具有磁性,其磁矩分别为4.78μB和3.84μB,其余原子磁性近似为0。氧为负离子,带负电荷,而P和Mn则为正离子。O2p与P3s、P3p轨道发生有效重叠,并形成共价键,Mn3d和O2p之间能够有效地发生重叠并形成共价键。在放电过程中有电子从外电路进入正极,大部分电子所带电荷分布在Mn原子上。     

V2O5／C催化乙二醛氧化为乙醛酸的研究

选用V2O5作为催化剂,活性炭为载体,偏钒酸铵的草酸溶液为浸溃前驱体,采用等体积浸渍法制备了V2O5/C催化剂,将其应用于乙二醛的液相氧化．并对反应液用液相色谱进行了定性,在确定了催化体系中氧化产物的基础上,考察了V2O5含量和焙烧温度对催化剂催化性能的影响,利用XRD和TEM等手段对催化剂进行了表征．结果显示,V2O5含量较低时（w（V2O5）〈3％）,催化剂的活性组分分散度较高,乙二醛转化率和乙醛酸的选择性都随着V2O5的含量提高而逐渐增加;当负载量为3％时,催化效果最佳,乙二醛转化率和乙醛酸的选择性分别达到16．16％和76．75％;     

V2O5空心球作为高效硫载体用于锂硫电池（英文）

以V2O5空心球作为锂硫电池的正极材料,将其用于存储硫和限制多硫化物的穿梭效应。V2O5空心球的平均直径约为500 nm,为存储硫提供了更多空间并适应硫电极的体积变化。同时,V2O5对多硫化物具有很强的化学吸附性,可以有效地限制多硫化物的穿梭效应。由于中空结构增加了硫的存储,并通过化学键牢固地吸附多硫化物,使该锂硫电池同时具有高容量和良好的稳定性。V2O5/S作为正极的锂硫电池在0.1C倍率时显示出1439 mAh·g-1的高可逆容量,并在1C的倍率下循环300次后的容量约为600 mAh·g-1。     

四元尖晶石相Li——M——Mn——O(M=Ni,Cr,Mo,V)嵌入电极的研究

制备了用不同价态的几种金属阳离子(Ni2^+,Cr3^+,V5^+,Mo6^+)修饰的尖晶石LiMn~2O~4嵌入化合物作为锂二次电池的阴极材料,对Li/LiM~yMn~2~-~yO~4电池进行了电化学和X射线衍射研究.结果表明,其它离子的掺杂使标准尖晶石LiMn~2O~4电极对锂的反复脱嵌和嵌入有了更强的承受力,但在不同程度上降低了其初始容量.循环性能的提高归于掺杂的金属阳离子使尖晶石结构趋于更稳定.同时还讨论了修饰离子对尖晶石相在充放电时5V电压平台出现的影响。     

四元尖晶石相Li——M——Mn——O(M=Ni,Cr,Mo,V)嵌入电极的研究

制备了用不同价态的几种金属阳离子(Ni2^+,Cr3^+,V5^+,Mo6^+)修饰的尖晶石LiMn~2O~4嵌入化合物作为锂二次电池的阴极材料,对Li/LiM~yMn~2~-~yO~4电池进行了电化学和X射线衍射研究.结果表明,其它离子的掺杂使标准尖晶石LiMn~2O~4电极对锂的反复脱嵌和嵌入有了更强的承受力,但在不同程度上降低了其初始容量.循环性能的提高归于掺杂的金属阳离子使尖晶石结构趋于更稳定.同时还讨论了修饰离子对尖晶石相在充放电时5V电压平台出现的影响。     

V2O5催化甲醇与乙醇合成异丁醛

研究了甲醇与乙醇在V2O5催化剂上，常压375℃下一步催化合成异丁醛的反应，考察了催化剂活性组分质量分数和制备条件对催化剂催化性能的影响。结果表明，催化剂中V2O5质量分数为75%，焙烧温度480℃、焙烧5h时，催化剂的催化性能较其他条件更佳，乙醇转化率达98.03%，异丁醛的选择性达47.52%。对新鲜催化剂、反应后和再生后催化剂进行了XRD测试，并对反应后催化剂进行了DTA TG测试。结果表明，催化剂在反应过程中有结焦且V2O5在反应过程中被还原为V2O3。通过高温烧炭再生可烧去结焦物，并将V2O3重新氧化为V2O5而使失活催化剂恢复其催化活性。     

可见光响应光催化剂K4Ce2Ta10O30、K4Ce2Nb10O30及其固溶体的电子结构

基于密度泛函理论(DFT), 采用平面波赝势(PWP)以及广义梯度近似(GGA)方法, 对可见光响应的光催化剂K4Ce2Ta10O30、K4Ce2Nb10O30及其固溶体进行电子结构的第一性原理计算. 结果表明, 光催化剂K4Ce2Ta10O30和K4Ce2Nb10O30的导带分别主要由Ta 5d和Nb 4d组成, 处于高能级的电子未占据态的Ce 4f与其有很明显的重迭, 但由于其高度局域特性,不能很好地参与光生电子在导带中的传导, 从而对光催化活性的贡献很小;而其价带则由O 2p与Ta 5d (Nb 4d)的杂化轨道组成, 同时电子占据态的Ce 4f对价带也有一定的贡献, 各个电子轨道对能带结构的贡献决定了该系列可见光响应光催化剂的物理化学和光催化特性. 固溶体系列中随着Nb含量的增加, 其吸收光谱依次红移, 带隙变窄, 导带底变低, 光生电子的还原能力降低. 在固溶体K4Ce2Ta10-xNbxO30(x=2, 5, 8)中, 由于Ce 4f轨道对价带顶的贡献相对较小, 固溶体的价带顶低于K4Ce2Ta10O30、K4Ce2Nb10O30的价带顶, 光生空穴的氧化能力相对较强. 该系列光催化剂的电子结构分析结果与光催化水分解的活性实验结果有很好的一致性.     

静电纺丝法制备的V2O5/MoO3复合光催化剂的表征及其光催化降解邻苯二甲酸二甲酯活性

邻苯二甲酸二甲酯是一种干扰人体内分泌系统的化学物质,尽管对人体具有潜在危害,目前仍做为塑料、醋酸乙烯酯、纤维素等生产过程中的添加剂而广泛使用.伴随着邻苯二甲酸二甲酯的生产和应用,自然界不可避免地受其污染.因此,如何有效降解排放在环境中的邻苯二甲酸二甲酯以减少其对人类的不利影响成为化学研究者的重要任务.通过半导体光催化剂高效利用太阳能光催化降解邻苯二甲酸二甲酯是一种有效方法. TiO2等半导体光催化剂由于光催化过程中产生的电子-空穴对极易复合导致其催化效率不高,减少光生电子-空穴对复合率进而提高光量子效率的方法有金属掺杂、非金属掺杂、表面敏化、半导体复合等多种手段.其中, MoO3由于其独特的结构和化学性质广泛应用于光催化领域,并常作为耦合剂与其他半导体(如TiO2)复合以提高光催化活性.在我们以前的工作中,曾使用MoO3做为耦合剂与V2O5复合,实验结果证明MoO3与V2O5复合形成异质结构有效提高了V2O5的光催化效率. MoO3由于其带隙较宽(约2.90 eV),对太阳光利用率不高,以及电子-空穴对极易复合导致MoO3实际光催化活性并不好.因此,我们考虑以MoO3做为主体, V2O5做为耦合剂研究n(V)/n(Mo)比对V2O5/MoO3复合光催化剂结构和性能的影响.我们以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、四水合钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)和偏钒酸铵(NH4VO3)为原料,采用静电纺丝技术结合溶胶凝胶过程的方法,成功制备了具有不同n(V)/n(Mo)比的V2O5/MoO3复合光催化剂. XRD结果表明,当n(V)/n(Mo)<1/6时,钒离子掺杂进入MoO3晶格内,n(V)/n(Mo)>1/6时,部分钒离子掺杂进入MoO3晶格内,部分钒离子聚集形成V2O5晶体, V2O5晶体数量随着n(V)/n(Mo)逐渐增加,且尺寸有所增长.这一点在扫描电镜中得到了进一步的证实.扫描电镜结果表明α-MoO3呈规则的层状结构,为长度约3μm,宽度约2μm,厚度约500 nm的表面光滑的正交相MoO3微纳米片,而V2O5则为微纳米颗粒,其中表面光滑的层状MoO3微纳米片散乱分布在块状V2O5微纳米颗粒之间,并与V2O5微纳米颗粒团簇紧密接触.由于二者的紧密接触,可能在二者交界处形成了V2O5/MoO3异质结构.紫外-可见漫反射光谱数据表明,掺杂或者异质结构的形成有效降低了MoO3的带隙,促进了MoO3对可见光的吸收,拓宽了光响应范围.为进一步确定MoO3与V2O5复合前后元素的化学态变化,我们进行了XPS能谱测试.通过对V 2p和Mo 3d XPS谱图高斯曲线拟合发现,与纯V2O5相比, VM-6和VM-2中不同价态的V元素电子结合能均有所增加.同时, VM-6和VM-2中的Mo元素的电子结合能与纯MoO3相比有轻微的减少,这说明无论是掺杂还是异质结构的形成都使V离子和Mo离子的化学环境有所改变.我们以亚甲基蓝为探针反应,测试V2O5/MoO3复合光催化剂的催化活性.结果表明,无论掺杂还是异质结构的光催化剂光催化降解亚甲基蓝的活性均远大于纯MoO3和V2O5.这可能是由于V 3d杂质能级的存在以及V2O5和MoO3交界处异质结构的形成有效降低了MoO3的带隙,拓宽了光响应范围.另一方面,异质结构有利于光生电子-空穴对的分离,有效提高了光量子效率.其中, n(V)/n(Mo)的最佳比为1/2,亚甲基蓝的光降解率高达89.23%.为了测定V2O5/MoO3复合光催化剂对邻苯二甲酸二甲酯的光催化活性,我们选取了样品纯MoO3, V2O5, VM-6和VM-2进行测试.测定结果与光催化降解亚甲基蓝结果吻合, VM-2催化效果最高,可达82.20%.并通过高效液相色谱测定邻苯二甲酸二甲酯降解过程的中间产物为邻苯二甲酸.