过渡金属电催化剂在硅基光阳极分解水产氧中的作用

光电化学分解水可将太阳能转换为绿色的氢能,为目前的能源危机和环境问题提供了一种理想的解决方案.在分解水反应中,涉及四空穴过程的产氧半反应是制约性能的关键步骤,往往需要在半导体表面沉积电催化剂以加速产氧反应动力学.因此,全面理解电催化剂在光电化学分解水体系中的作用至关重要.在目前的产氧电催化剂中,过渡金属羟基氧化物电催化剂(MOOH,M=Fe,Co,Ni)因其环保、廉价、高效以及稳定的特性,已被广泛用于半导体光阳极分解水器件中.而且,MOOH可用简单的电沉积方法沉积在光电极表面,易于大面积制备.然而,电沉积法制备的MOOH具有复杂的结构,对其作用机制的全面理解更加困难.因此,本文以电沉积MOOH修饰的硅基光阳极(n⁺p-Si/SiO_x/Fe/FeOx/MOOH)作为模型,研究了不同电催化剂对硅光阳极光电化学产氧性能的影响.实验发现电催化剂的界面优化在电催化剂修饰的光电极中发挥着重要作用,这是因为优化的界面可以提升界面电荷传输,提供更多的催化反应活性位点以及更高的本征催化活性,从而更有利于光解水性能的提升.该项研究揭示了电催化剂在光解水器件中的作用,并为今后高效光解水器件的设计提供了一定指导.首先在多晶n⁺p-Si基底上热蒸镀了一层30 nm的金属Fe膜,并通过电化学活化将Fe膜表面转换为FeOx得到Fe/FeOx(记作aFe)界面层,然后利用电沉积方法制备MOOH表面修饰层,最终得到n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH光阳极.X射线光电子能谱、拉曼光谱以及扫描电子显微镜表面元素成像的表征结果均证实电极表面由于界面层金属Fe元素的掺杂而形成了Fe1-xNixOOH.在模拟太阳光下用于光解水产氧时,n⁺p-Si/SiO_x/aFe:NiOOH电极的起始电位为~1.01 VRHE(相对于可逆氢电极的电势),在1.23 VRHE下的光电流为38.82 mA cm^-2,显著优于n⁺p-Si/SiO_x/aFe、n⁺p-Si/SiO_x/aFe:FeOOH以及n⁺p-Si/SiO_x/aFe:CoOOH三个对比样品,且其稳定性达到75 h.另外,我们发现n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH电极的光电化学产氧性能均显著高于n⁺p-Si/SiO_x/aFe电极,且p++-Si/SiO_x/aFe:MOOH的电催化产氧性能也高于p++-Si/SiO_x/MOOH,不仅证明了aFe界面层对Si与MOOH层之间的界面接触作用的有效调控,而且表明双电催化剂体系(aFe:MOOH)的电催化产氧活性高于单电催化剂(MOOH).热力学分析表明,n⁺p-Si/SiO_x/aFe:MOOH光阳极的光电压大小与其光解水产氧性能并不一致,从而排除了热力学因素对性能的关键影响.进一步从塔菲尔斜率、电化学活性表面积和电化学阻抗谱对各电极的动力学进行了分析,证明了动力学因素在上述光阳极产氧性能中的主导作用.同时发现,由于aFe:NiOOH双电催化剂具有更高的本征电催化产氧性能,提供了更多的表面活性位点以及更有效地促进了光生载流子的传输,对动力学的提升效果更显著,从而使n⁺p-Si/SiO_x/aFe:NiOOH光阳极表现出最高的光解水产氧性能.     

欢迎订阅 欢迎投稿《分析检测(英文)》

国内统一刊号:CN10-1412/O6 ISSN 2096-241X e-ISSN 2509-4696《分析检测(英文)》(Journal of Analysis and Testing)是我国分析化学领域第一本英文科技期刊,填补国内空白。季刊,大16开,72页,国内外公开发行。期刊于2017年创刊,已被科睿唯安(Clarivate Analytics)公司旗下Web of Science数据库ESCI(Emerging Sources Citation Index)、Scopus数据库、美国工程索引(EI Compendex,简称EI)数据库等重要数据库收录。期刊的学术质量和发展潜力获得了国际出版界和学术界的认可,已具有一定的国际影响力。     

SnO2表面卤化提高钙钛矿太阳能电池光伏性能

钙钛矿太阳能电池(PSCs)成为近几年来迅速发展的新型太阳能电池,其中将SnO₂纳米粒子层用作电子传输层(ETL)的钙钛矿太阳能电池器件得到了广泛的关注。SnO₂有着更低的制备温度,使其具备应用于柔性器件的潜力,但与钙钛矿层能级不匹配等问题限制着其发展。而在界面处加入钝化层,尤其是表面卤化的方法或可解决这一问题。本文综合研究了SnO₂表面卤化对钙钛矿太阳能电池光伏性能的影响,选用四丁基氯化铵(TBAC)、四丁基溴化铵(TBAB)和四丁基碘化铵(TBAI)三种钝化材料对SnO₂表面进行钝化处理,并对钝化材料溶液进行了浓度梯度研究。通过材料形貌、结构和光学性能表征以及电池器件性能测试分析等方法,证明了SnO₂表面卤化可提高钙钛矿层的质量和PSCs光伏性能,并从器件内部电荷传输动力学等角度解释了器件性能改善的原因。为进一步说明其性能改善的机理,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法对材料表面性质进行了深入研究,从能量、结构、电荷密度、态密度、功函数等角度解释了表面卤化提高SnO₂/钙钛矿界面处电子传输特性的原因。实验和理论计算均表明TBAC对于SnO₂具有较好的钝化效果,并随着溶液浓度的提升钝化作用越明显。SnO₂表面卤化作用的深入研究不仅对提高电池器件性能具有实际意义,还能够帮助理解太阳能电池界面现象,为界面改性提供新的研究思路。     

煤矿顶板离层回归分析与稳定性评价

以光纤Bragg光栅位移传感器对淮北朱仙庄煤矿顶板离层监测为实际数据依据,选择最佳的典型函数模型对顶板离层进行非线性回归分析,得出能够反映位移发展趋势的回归曲线。监测结果与回归拟合数据表明:非线性回归分析预测方法不仅可以反映煤矿顶板离层实时变化过程,还能根据其变化趋势进行巷道稳定性判断。     

新疆理化所提出一种基于模拟的使非线性光学晶体材料相匹配区间蓝移的方案

非线性光学晶体是通过频率转换拓宽固态激光器输出波段的关键材料。随着激光微加工,激光通讯和现代科学仪器的持续发展,对紫外/深紫外非线性光学晶体的需求日益增加。但是,很多拥有宽的紫外透过范围和大的倍频效应的晶体因其双折射无法满足深紫外相匹配而无法输出深紫外激光。     

成都中科普瑞净化设备有限公司

正中国科学院高新产业|中国科学院领先技术ISO9001质量管理体系认证ISO14001环境管理体系认证国家高新技术企业(GR200851000218)国家863计划、支撑计划支持企业成都中科普瑞净化设备有限公司是中国科学院全额控股的国家高新技术企业。公司以中国科学院技术力量为依托,自1969年以来,一直专业从事气体纯化技术与设备制造、气体处理工程以及微型反应装置等方面的研究和产     

Biodegradable thermogel as culture matrix of bone marrow mesenchymal stem cells for potential cartilage tissue engineering

Poly（lactide-co-glycolide）-poly（ethylene glycol）-poly（lactide-co-glycolide）（PLGA-PEG-PLGA） triblock copolymer was synthesized through the ring-opening polymerization of LA and GA with PEG as macroinitiator and stannous octoate as catalyst. The amphiphilic copolymer self-assembled into micelles in aqueous solutions, and formed hydrogels as the increase of temperature at relatively high concentrations（〉 15 wt%）. The favorable degradability of the hydrogel was confirmed by in vitro and in vivo degradation experiments. The good cellular and tissular compatibilities of the thermogel were demonstrated. The excellent adhesion and proliferation of bone marrow mesenchymal stem cells endowed PLGA-PEGPLGA thermogelling hydrogel with fascinating prospect for cartilage tissue engineering.     

可拉伸超韧水凝胶的制备和应用

综述了可拉伸超韧水凝胶的设计原理及其在组织工程和柔性电子器件领域的应用. 通过将网络结构层次、 化学结构、 增韧机制与宏观力学性能相结合, 重点讨论了单网络水凝胶、 双网络水凝胶、 纳米复合水凝胶及其它水凝胶等可拉伸超韧水凝胶的研究进展, 并总结和展望了新思路和新方向.     

烷基链工程对两亲有机半导体热力学性能影响的研究

Due to their special polar structure, amphiphilic molecules are simple to process, low in cost and excellent in material properties. Thus, they can be widely applied in the preparation of functional film materials and bionics related to cell membranes. Therefore, amphiphilic organic semiconductor materials are receiving increasing attention in research and industrial fields. The structure of organic amphiphilic semiconductor molecules usually consists of three functional parts: a hydrophilic group, a hydrophobic group, and a linking group between them. The adjustment of their correlation to achieve the target performance is particularly important and needs experimental discussion regarding synthetic methodologies. In this work, we focused on the engineering of a substituent alkyl-chain, and an amphiphilic functional molecule (benzo[b]benzo[4, 5] thieno[2, 3-d]thiophene, named C_nPA-BTBT, n = 3–11) was proposed and synthesized. This molecule links the hydrophobic semiconductor backbone and hydrophilic polar group through alkyl chains of different lengths. Fundamental properties were investigated by nuclear magnetic resonance (NMR) and ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis) to conform the structure and the band gap properties of the designed organic semiconductor. Thermodynamic features were investigated by thermogravimetric analysis (TGA) and corresponding differential thermal gravity (DTG), which indicate that the functional molecule C_nPA-BTBT (n = 3–11) has a great stability in ambient conditions. Moreover, the results show that the binding ability of the amphiphilic molecule to water molecules was regulated by the odd-even alternating effect of the alkyl chain and the intramolecular coupling with BTBT. Furthermore, differential scanning calorimetry (DSC) and polarized optical microscopy (POM) were used to study the material properties in detail. As the length of the alkyl chain increased, the functional molecule C_nPA-BTBT (n = 3–11) gradually changed from "hard" species with no thermodynamic changes to a transition one with a pair of thermodynamic peaks, and eventually to a "soft" one as a typical liquid crystal with clear observation of Maltese-cross spherulites. The cooling and freezing points were further studied, and the values and trends of their enthalpy and corresponding temperature fluctuated and alternated due to the volume effect, odd-even alternating effect, flexibility, and other functions of the alkyl chain. Three molecular models were proposed according to the thermodynamic study results, namely the brick-like model, transition model, and liquid crystal model. This work presents in-depth discussion on material structure and corresponding thermodynamic properties, and it is an experimental basis for the design, synthesis, optimization, and screening of target performance materials.     

固液界面的力?电?化学耦合及在电催化体系中的应用

目前许多新型高效金属催化剂在设计制备中都考虑到表面力学因素, 例如层状结构、核壳结构等, 其表面高活性原子受到不同程度的应变作用. 应变可直接改变金属的能带带隙, 对催化剂表面的电化学反应产生显著影响, 是一种有效提升材料催化活性的新思路和制备高性能催化剂的新途径, 因此受到了科研工作者的广泛关注. 传统的材料应变工程手段存在着活性物质层的应变值难以精确定量, 并缺少实时调控以及制备工艺繁琐等难题, 导致应变与电催化活性相关性规律识别方面的理论和实验研究进展缓慢. 相比于传统的材料手段, 交变载荷产生的应变具有幅值和频率的可变性以及连续的调控性, 在实验中可以完全排除噪声、缺陷、空位、基底效应等其他外部或材料本征的影响因素. 该综述从经典固液界面热力学表述出发, 简要介绍了电催化体系中的力?电?化学耦合效应, 归纳总结目前电催化体系中应变施加的实验手段和分析方法, 并基于目前相关研究着重讨论在交变载荷作用下应变对金属表面电催化反应的作用机理, 最后从力学角度展望了表面力学在电催化体系中的研究重点及发展趋势.