石墨烯包覆天然球形石墨作为锂离子电池的负极材料，是否需要乙炔黑导电剂？

我们通过包覆炭化的方法制备得到了石墨烯包覆的天然球形石墨(G/SG)材料,并使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及多种电化学测试手段考察了不同石墨烯含量的复合材料的形貌结构及电化学性能。我们发现,在不添加乙炔黑(AB)的情况下,G/SG复合材料表现出较高的首次库伦效率,很好的循环稳定性和高倍率性能。当石墨烯包覆量为1%时,材料50次循环后的可逆容量可与添加10%AB的天然石墨电极(SG)等同;当石墨烯包覆量为2.5%时,材料的比容量完全高于添加10%AB的石墨电极。材料电化学性能的改善归因于石墨烯的包覆。一方面,石墨烯的柔软可变性可以保证天然石墨颗粒在充放电过程中的结构完整性,从而有效改善材料的循环稳定性;另一方面,石墨烯的存在提高了电极的导电性,促进更好导电网络的形成。因此,石墨烯包覆天然球形石墨材料中,石墨烯不仅是活性物质,也发挥导电剂的作用。当添加5%的乙炔黑时,在50 mA·g^-1电流循环50次后,5%G/SG电极的可逆容量从381.1 mAh·g^-1提高到404.5 mAh·g^-1,在1 A·g^-1电流时可逆容量从82.5 mAh·g^-1提高到101.9 mAh·g^-1,这表明G/SG电极仍然需要乙炔黑导电剂。乙炔黑颗粒填充在复合材料的空隙中,通过点接触的形式连接到G/SG颗粒,与石墨烯协同作用形成了更加有效的导电网络。尽管石墨烯包覆和乙炔黑添加对天然石墨电极具有积极的影响,例如增加了天然石墨电极的导电性和储锂性能(包括可逆容量,倍率性能和循环性能),但随着石墨烯或乙炔黑的增加,电极密度通常会降低。因此,在实际应用中应考虑石墨负极材料的质量和体积容量的平衡。这些结果对天然石墨的进一步商业应用具有重要意义。我们的工作为天然石墨电极在锂电池中的电化学行为提供了一种新的认识,并且有助于制备更高性能的负极材料。     

表面限域掺杂提升高比能正极材料稳定性

Lithium ion batteries (LIBs) have broad applications in a wide variety of a fields pertaining to energy storage devices. In line with the increasing demand in emerging areas such as long-range electric vehicles and smart grids, there is a continuous effort to achieve high energy by maximizing the reversible capacity of electrode materials, particularly cathode materials. However, in recent years, with the continuous enhancement of battery energy density, safety issues have increasingly attracted the attention of researchers, becoming a non-negligible factor in determining whether the electric vehicle industry has a foothold. The key issue in the development of battery systems with high specific energies is the intrinsic instability of the cathode, with the accompanying question of safety. The failure mechanism and stability of high-specific-capacity cathode materials for the next generation of LIBs, including nickel-rich cathodes, high-voltage spinel cathodes, and lithium-rich layered cathodes, have attracted extensive research attention. Systematic studies related to the intrinsic physical and chemical properties of different cathodes are crucial to elucidate the instability mechanisms of positive active materials. Factors that these studies must address include the stability under extended electrochemical cycles with respect to dissolution of metal ions in LiPF₆-based electrolytes due to HF corrosion of the electrode; cation mixing due to the similarity in radius between Li⁺ and Ni²⁺; oxygen evolution when the cathode is charged to a high voltage; the origin of cracks generated during repeated charge/discharge processes arising from the anisotropy of the cell parameters; and electrolyte decomposition when traces of water are present. Regulating the surface nanostructure and bulk crystal lattice of electrode materials is an effective way to meet the demand for cathode materials with high energy density and outstanding stability. Surface modification treatment of positive active materials can slow side reactions and the loss of active material, thereby extending the life of the cathode material and improving the safety of the battery. This review is targeted at the failure mechanisms related to the electrochemical cycle, and a synthetic strategy to ameliorate the properties of cathode surface locations, with the electrochemical performance optimized by accurate surface control. From the perspective of the main stability and safety issues of high-energy cathode materials during the electrochemical cycle, a detailed discussion is presented on the current understanding of the mechanism of performance failure. It is crucial to seek out favorable strategies in response to the failures. Considering the surface structure of the cathode in relation to the stability issue, a newly developed protocol, known as surface-localized doping, which can exist in different states to modify the surface properties of high-energy cathodes, is discussed as a means of ensuring significantly improved stability and safety. Finally, we envision the future challenges and possible research directions related to the stability control of next-generation high-energy cathode materials.     

基于MXenes的功能纤维的制备及其在智能可穿戴领域的应用

在电子信息和物联网技术的推动下,人类对可穿戴电子器件和智能织物的需求愈发突出,功能纤维作为智能可穿戴设备的重要载体,近年来获得快速发展。功能纤维的性能很大程度上取决于纤维的基础构筑单元。过渡金属碳/氮化物(MXenes)作为一种新兴的二维材料,凭借其高电导率、优异的可加工性能、可调节的表面特性以及出色的机械强度等优点,受到了极大的关注,也逐渐成为构筑功能纤维的重要单元。本文将主要综述MXenes的湿化学、熔融盐、无氟试剂刻蚀等方法和力学、电学、光学和化学稳定性等性能,阐述基于该材料制备的功能纤维在传感、储能以及其他智能领域的应用,最后讨论了基于MXenes材料的功能纤维的未来应用前景和技术挑战。     

钠离子电池用高性能锑基负极材料的调控策略研究进展

锑(Sb)具有高的理论比容量、较小的电极极化、合适的Na⁺脱嵌电位、价格低廉以及环境友好的优势,而成为一种具有较大应用前景的钠离子电池负极材料。但是,Sb基负极材料的一个重要挑战是在循环过程中高比容量伴随着大的体积变化,进而导致活性材料粉化,并从集流体上脱落,这大大限制了其在钠离子电池领域的大规模应用。因此,如何解决Sb基负极材料充放电过程中体积膨胀问题对于高性能的钠离子电池设计是至关重要的。本文详细综述和讨论了Sb基材料的结构-性能关系及其在钠离子电池中的应用,详细介绍了钠离子电池Sb基负极材料在氧化还原反应机理、形貌设计、结构-性能关系等方面的最新研究进展。本综述的主要目的是探讨影响Sb基负极材料性能的决定因素,从而提出有前途的改性策略,以提高其可逆容量和循环稳定性。最后,对Sb基钠离子电池负极材料的未来发展、面临的挑战和前景进行了展望。本文可为Sb负极材料的构建和优化提供具体的观点,阐明了Sb基负极材料未来的发展方向,从而促进钠离子电池的快速发展和实际应用。     

从生物矿化到仿生矿化：构筑新功能生命体

生物矿化是生命体通过调控无机矿物的成核、取向、生长和组装来制造有机-无机复合材料的过程。借鉴生物矿化的原理,可利用有机基质实现无机材料的可控合成,制备出性能优异的新型复合材料。更有趣的是,将材料和生物体从结构和功能两个层面整合,利用材料-生物之间的协同调控,可构筑出新功能生命体,这也是仿生矿化发展的重要方向。本论文首先介绍生物矿化的基本理论和自然界中的生物矿化现象。随后通过对生物矿物结构和功能的阐述,提出仿生构筑新功能生命体的概念,并系统介绍构筑新型材料-生物体的方法,在此基础上系统总结新功能生命体在环保、能源、医学等领域的应用。最后,针对目前该领域存在的局限和问题展开讨论,对实现智能仿生构筑生命体的研究进行展望。我们认为基于仿生矿化构筑新功能生命体的研究能够推动学科边界不断融合,为材料学、化学生物学、生物无机化学以及医学等领域的发展提供新的方向。     

PtRuAgCoNi高熵合金纳米颗粒高效电催化氧化5-羟甲基糠醛

5-羟甲基糠醛(HMF)的电催化氧化被认为是合成2,5-呋喃二甲酸(FDCA)最环保、经济和有效的方法之一,它可作为聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)的生物基前体。在这项工作中,我们通过低温溶剂热法合成了PtRuAgCoNi高熵合金纳米颗粒,并在不改变颗粒结构和组成的情况下进行了简易的处理以去除表面活性剂。负载在碳载体上的合金纳米催化剂无论是否含有表面活性剂在HMF电催化氧化为FDCA的过程中都表现出比商业Pt/C更好的催化性能。且表面活性剂的去除可以进一步提高其电催化性能,表明高熵合金纳米粒子在电催化和绿色化学中具有广阔的应用前景。     

热致变色自旋转换材料的制备与表征

设计包含Fe(II)自旋转换配合物的合成及热致变色性质研究,探究了温度、溶剂对配合物自旋状态的影响;进一步制备了具有一定加工性能的热致变色复合高分子材料,并通过多种手段加以表征。实验从验证基本原理到设计改性实用材料,涉及无机、分析、高分子、材料等多学科交叉,通过合成–表征–性质调控–应用的全流程实现对学生知识、技能、素养的全面训练。     

石墨烯应用于样品前处理的研究进展

样品前处理技术在样品分析中发挥着越来越重要的作用,而对分析物的富集能力和对样品基体的净化程度主要取决于高效的样品前处理材料,所以发展高性能的样品前处理材料一直是该领域的前沿研究方向。近年来,各类先进材料已经被引入样品前处理领域,发展了多种高性能的萃取材料。由于独特的物理化学性质,石墨烯已在各个研究领域获得广泛关注,在样品前处理领域也发挥着重要作用。基于高的比表面积、大的π电子结构、优异的吸附性能、丰富的官能团和易于化学改性等优点,石墨烯和氧化石墨烯基萃取材料被成功应用于各种样品的前处理,对不同领域中多种类型分析物表现出优异的萃取性能。该论文总结和讨论了近3年来石墨烯材料(石墨烯、氧化石墨烯及其功能化材料)在柱固相萃取、分散固相萃取、磁性固相萃取、搅拌棒萃取、纤维固相微萃取和管内固相微萃取等方面的研究进展。基于多种萃取机理如π-π、静电、疏水、亲水、氢键等相互作用,石墨烯萃取材料能够高效萃取和选择性富集不同类别的目标分析物,如重金属离子、多环芳烃、塑化剂、雌激素、药物分子、农药残留、兽药残留等。基于新型石墨烯萃取材料的各种样品前处理技术与多种检测技术如色谱、质谱、原子吸收光谱等联用,广泛应用于环境监测、食品安全和生化分析等领域。最后,总结了石墨烯在样品前处理领域中存在的问题,并展望了未来的发展趋势。     

基于共价有机骨架材料的磁固相萃取-超高效液相色谱-串联质谱法测定水中4种杀菌剂

杀菌剂在环境中长期富集后会引起土壤和植物病害,并能借助雨水或灌溉渗透到深层土壤和地下水中,威胁水体环境和人体健康。因此针对水中杀菌剂开发简单快速、高效灵敏的分析方法至关重要。该研究通过原位合成法制备了磁性共价有机骨架材料Fe₃O₄@TpBD,将其作为萃取吸附剂,富集环境水体中苯并咪唑杀菌剂(噻菌灵、麦穗宁、多菌灵)和有机硫杀菌剂(稻瘟灵)。利用Fe₃O₄@TpBD与杀菌剂之间的π-π共轭、氢键和静电作用进行吸附,结合超高效液相色谱-串联质谱法(UHPLC-MS/MS)进行检测,建立了测定水中4种痕量杀菌剂的分析方法。通过透射电子显微镜、X射线衍射及傅里叶变换红外光谱等方式对Fe₃O₄@TpBD进行表征,以证明材料的成功合成。对萃取条件进行一系列的优化(Fe₃O₄@TpBD的磁性比例及用量、水样pH、吸附时间、洗脱液的种类及体积、洗脱时间、NaCl含量),确定了最佳萃取条件。4种杀菌剂在3~1200 ng/L的范围内线性关系良好,线性相关系数均大于0.998,方法的检出限和定量限分别为0.06~0.28 ng/L和0.20~0.92 ng/L。在15、150和600 ng/L 3个加标水平下进行加标回收试验,日内和日间精密度分别为2.8%~10.0%和4.4%~15.7%。将该方法用于实际水样的检测,4种杀菌剂的加标回收率为77.1%~119.1%,在水库水中检测出多菌灵,含量为27.5 ng/L。该方法灵敏度高,准确度和精密度良好,操作简单,耗时短。     

气相色谱-质谱法测定书写笔用橡塑材料中18种多环芳烃的含量

建立了气相色谱-质谱法测定书写笔用橡塑材料中18种多环芳烃（PAHs）含量的方法。在1 g样品中加入40 mL甲苯,于60℃水浴中超声提取80 min,取2 mL样品溶液,采用硅胶固相萃取柱（6 mL/2 g）净化,经5 mL甲苯洗脱,收集洗脱液于试管中,氮吹至近干;再加入2 mL 0.1 mg·L^-1的内标溶液,在离子源温度为280℃,选择离子监测（SIM）模式下进行测定,内标法定量。结果显示：18种PAHs标准曲线的线性范围均为0.005～1.000 mg·L^-1,检出限（3S/N）为0.05～0.10 mg·kg^-1;对实际样品进行3个浓度水平的加标回收试验,18种PAHs的回收率为90.0%～104%,测定值的相对标准偏差（RSD,n=7）为1.0%～7.5%。