钼酸根阴离子在增强聚苯胺包覆的镍钴层状氢氧化物的电容和析氧行为中的关键作用

理论容量大且过电位低的层状氢氧化物(LDHs)是极有前景的超级电容电池和析氧反应的电极材料;然而,体相LDHs的低电导率和活性位点不足增加了电极的内阻,降低了电极容量和产氧效率.本文采用两步法制备了聚苯胺包覆的MoO42?插层的镍钴层状双金属氢氧化物复合电极(M-LDH@PANI).随着LDH中MoO42?含量的增加,针状的LDH微球逐渐演化为具有较高比表面积的片状M-LDH微球,这为整个电极提供了更多的电化学位点.此外,非晶态的聚苯胺包覆提高了复合电极的电导率.在引入适量MoO42?插层离子时,M-LDH@PANI表现出显著强化的储能和催化性能.所获得的M-LDH@PANI-0.5在析氧反应中表现出优越的电催化活性(10 mA cm?2时的过电位为266 mV),作为超级电容电池电极则具有864.8 C g?1的高容量.采用M-LDH@PANI-0.5作为正极及以活性炭作为负极组装的超级电容电池在功率密度为8,300.0 W kg?1时能量密度为44.6 Wh kg?1,且具有优异的循环稳定性(10000次循环后保留83.9％的初始容量).本文为LDH基材料的阴离子插层改性增强材料性能的机理提供了一个非传统的解释.在上述研究基础上,采用射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)和比表面积测试(BET)等手段对样品进行了深入表征.XRD结果表明,MoO42?插层的LDH材料的层间晶面(003)的峰随着MoO42?含量的增加而逐渐消失,这是由于晶面间距越大越容易受到晶粒细化的影响,间距大的晶格更容易受到破坏,导致晶格的展宽和弱化,从而间接证明MoO42?的成功插层.SEM、HRTEM和BET测试结果表明,MoO42?的含量对材料的形貌和比表面积具有重大影响.利用XPS对样品的价态进行了研究,发现随着MoO42?含量的增加,Co和Ni的价态没有明显变化.电化学测试结果表明,电极的储能和催化性能随MoO42?含量的增加而先增加后减小.利用理论计算分析了MoO42?在LDH中的插层行为,发现少量的MoO42?有利于扩大LDH的层间间距,而过量的MoO42?则会与LDH的H原子结合,从而与电解液中的OH?竞争,导致复合电极的电化学性能下降.此外,MoO42?插层的片状微球能有效调节材料的去质子化能,大大加速电极表面的氧化还原反应.因此,MoO42?插层能够显著强化LDH基材料的超级电容电池电极和OER催化剂电化学性能.     

富含吡啶氮-钴活性位点的三维多级大/介孔石墨烯作为高效可逆氧电催化剂用于可充电锌-空气电池

随着能源危机的日益严峻,能源的储存和转换越来越受到人们的重视.目前人们加以开发和利用的清洁能源主要包括太阳能、风能、氢能、地热能以及电化学能等.其中,燃料电池和金属-空气电池等作为电化学器件为电化学能的开发及可持续利用提供了条件.特别是金属-空气电池以电极电位较负的金属如镁、铝、锌、铁等作负极,以空气中的氧或纯氧作正极,具有比能量高、性能稳定、价格便宜的特点.氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是可再生电化学能量转换和储存过程中的两个关键电化学过程.贵金属(Pt/C,Ir/C,IrO₂等)虽然具有高催化活性,但价格昂贵、资源匮乏限制了其大规模的使用和发展.此外,它们的催化性能单一,难以同时实现多反应的高效催化.目前,大量研究工作集中在开发低成本、高效的ORR和OER催化剂,用来代替昂贵的铂类贵金属催化剂.在能源器件设计中,由于OER和ORR反应发生在同一个电极上,若能制备出具有ORR和OER双功能催化性能的电催化剂,将在很大程度上降低能源器件的设计难度.最近,我们的研究工作揭示了吡啶-氮-钴(pyri-N-Co)配位结构在协同作用中的重要性,协同作用大幅度提升了NiCo2O4/N掺杂石墨烯的本征催化活性.虽然金属粒子与掺氮石墨烯的结合有利于催化活性和稳定性的提高,但二维石墨烯片之间由于π-π键相互作用,容易聚集和堆叠.在实际应用中,石墨烯片之间的堆叠会导致可达表面的损失,从而使复合催化剂利用率降低,结构稳定性变差.因此,制备富含充分暴露且高效的ORR/OER活性中心的电催化剂仍然是一个巨大挑战.本文采用激光辐照法和水热法制备了具有层间大孔和片内介孔相互交联结构且负载铁酸钴纳米颗粒的三维多级孔石墨烯复合电催化剂(CoFe/3D-NLG),研究了其微观结构与ORR/OER电催化性能的关系.比表面积和X射线光电子能谱测试结果表明,CoFe/3D-NLG具有大的比表面积(322.6 m² g^-1)和孔体积(0.715 cm³ g^-1),并且富含吡啶氮-钴活性中心.电化学测试表明,对于OER电催化,CoFe/3D-NLG复合催化剂在10 mA cm_-2处的过电势为304 mV,优于商用RuO₂催化剂的322 mV;对于ORR电催化,CoFe/3D-NLG的半波电位达到872 mV,非常接近商用Pt/C催化剂(876 mV).此外,作为可充电锌空气电池的空气电极催化剂,CoFe/3D-NLG展现出了超高的开路电压(1.56 V)、高功率密度(213 mW cm_-2)以及超低充放电电压(0.63 V),并且具有良好的充放电循环稳定性.CoFe/3D-NLG优异的ORR/OER电催化性能主要归因于以下两点:1)大量的吡啶氮-钴活性位点极大地加快了缓慢的氧电催化动力学,提高了每个活性位点的ORR/OER本征催化活性;2)丰富的层间大孔和面内介孔多级孔结构促进了整个石墨烯结构中的高效传质,因而在电催化过程中吡啶氮-钴活性位点得以充分暴露于电解液中.     

氮掺杂鸡毛碳点荧光关开探针用于测定百草枯

以鸡毛和乙二胺为碳源和氮源,通过一步水热法合成强荧光性能的氮掺杂碳量子点(N-CQDs),并优化其制备和掺杂条件。该碳量子点具有良好的光学、结构性质和稳定性,平均粒径7.89 nm,荧光量子产率为14%。最大激发波长为320 nm,最大发射波长为386 nm。Hg²⁺存在条件下N-CQDs溶液的荧光被猝灭(关),添加百草枯后猝灭的荧光被恢复(开)。通过N-CQDs/Hg²⁺体系设计了荧光"关-开"方法,在最佳条件下,百草枯在0.05~1.0μg/mL范围内具有良好的线性,线性方程为ΔF=92.41X+123.31(R²=0.9989),检出限为16μg/L,加标回收率为95.3%~104.4%,RSD<3.8%。以鸡毛为原料制备的高选择性和灵敏性的荧光"关-开"探针方法可有效检测实际样品中的百草枯。     

新型样品前处理材料在环境污染物分析检测中的研究进展

针对复杂样品的分析和痕量目标物的检测,样品前处理是必不可少的,高效的样品前处理技术不仅可以去除或减小样品基质干扰而且能够实现分析物的富集,提高分析检测的准确性和灵敏度。近年来,固相萃取、磁分散固相萃取、枪头固相萃取、搅拌棒萃取、固相微萃取等高效的样品前处理技术已在环境污染物分析检测中获得广泛关注,萃取效率主要取决于萃取材料,所以新型的高效萃取材料一直是样品前处理研究领域的重要发展方向。该文总结和讨论了近年来新型样品前处理材料在环境污染物分析检测中的研究进展,主要聚焦在石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、无机气凝胶、有机气凝胶、三嗪基功能材料、三嗪基聚合物、分子印迹聚合物、共价有机框架材料、金属有机框架材料以及它们的功能化萃取材料等。这些材料已经被应用于环境样品中不同类别污染物的萃取富集,如重金属离子、多环芳烃、塑化剂、烷烃、苯酚、氯酚、氯苯、多溴联苯醚、全氟磺酸、全氟羧酸、雌激素、药物残留、农药残留等。这些样品前处理材料具有高的表面积、大量的吸附位点,并涉及多种萃取机理如π-π、静电、疏水、亲水、氢键、卤键等相互作用。基于这些萃取材料的多种样品前处理技术与各类检测方法如色谱、质谱、原子吸收光谱、荧光光谱、离子迁移谱等相结合,已广泛应用于环境污染物的高灵敏分析检测。最后,该文总结了样品前处理发展中存在的问题,并展望了其未来在环境分析中的发展趋势。     

Y-Mn-O负载的Ni基催化剂用于乙酸自热重整产氢

为了有效地从生物质衍生的乙酸中获得高氢气产率,通过水热法合成了一系列的NiMnY催化剂并用于乙酸自热重整(ATR)过程中,并采用X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附测试、H₂程序升温还原(H₂-TPR)探究催化剂中的内在联系。在Ni_0.39Mn_0.61YO_3.11±δ催化剂中,经焙烧后形成了类钙钛矿型(Ni,Mn)YO3物相;经氢气还原后,转化为含有Mn O、Y₂O₃和高分散Ni纳米粒子的热稳定的Ni-Mn-Y-O物种。Ni_0.39Mn_0.61YO_3.11±δ具有高效稳定的产氢催化性能,乙酸转化率高达100%,氢气产率达到2.68 mol_(H₂)·mol_HAc^-1。     

水洗和回烧工艺对高镍三元材料LiNi0.88Co0.07Al0.05O2微观结构及电化学性能的影响

以镍钴氢氧化物、异丙醇铝为原料,采用水解法合成三元前驱体Ni_(0.88)Co_(0.07)Al_(0.05)O_2,再与锂盐混合烧结得到正极材料(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、能量色散X射线谱(EDS)和恒电流充放电测试等对样品的晶体结构、微观形貌、元素价态以及电化学性能进行表征。研究表明,料液比1∶25、水洗3次、600℃回烧2 h合成的LiNi_(0.88)Co_(0.07)Al_(0.05)O_2具有较优的综合电化学性能,其在0.2C的放电比容量达207.6 mAh·g~(-1),首次充放电效率为84.8%,1C放电比容量为192.0 mAh·g~(-1),循环100周后,材料的放电比容量仍有148.0 mAh·g~(-1),容量保持率达到77.1%。     

用于锂硫电池高效硫载体的Co-N-C@KB复合材料的规模化制备策略

硫正极较差的性能严重阻碍了锂硫电池的商业化进程,这些因素包括较低的导电能力以及在促进多硫化物转化方面较差的催化活性。我们开发了一种基于配体调控合成和低温热解的规模化策略来制备高效的正极复合材料（Co-N-C@KB）,这种材料由富含Co-N-C活性位点的科琴黑（KB）组成。原子级分散的Co-N-C活性位点被证明有利于多硫化物在正极的转化,因而可以提高锂硫电池的容量和循环寿命。基于此,Co-N-C@KB作为正极可以使锂硫电池获得高达1 442 mAh·g^-1的初始放电容量,并且该电池在长时间的稳定性测试中具有出色的容量保持能力。     

MnWO4/生物质衍生碳纳米复合催化剂的制备及催化性能

通过共沉淀法合成了双金属氧化物MnWO₄镶嵌生物质衍生碳（MnWO₄/BC）纳米复合催化剂,并将其作为对电极（counter electrode,CE）催化剂组装了染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell,DSSC）,探究了MnWO₄/BC在非碘体系中的催化性能和光伏性能。结果表明：在铜氧化还原（Cu²⁺/Cu⁺）电对DSSC中获得的光电能量转换效率（power conversion efficiency,PCE）为3.57%（D35）和1.59%（Y123）,高于Pt电极的PCE（3.12%,1.16%）;50次连续循环伏安测试表明,MnWO₄/BC催化剂具有较好的电化学稳定性。     

高力学强度细菌纤维素气凝胶纤维的连续化制备

气凝胶纤维因其高外表面积和高柔韧性在能量管理系统中具有潜在应用而引起了广泛关注.但是,目前制备的气凝胶纤维力学强度较低,限制了其实际应用.为提高气凝胶纤维力学性能,在始终保持细菌纤维素(BC)纳米纤维处于湿态下,利用NaOH/尿素/硫脲复合溶剂直接低温溶解原生BC,获得透明的BC纺丝原液;通过湿法纺丝制备了BC水凝胶纤维,经过水洗和冷冻干燥后处理,制得BC气凝胶纤维.采用偏光显微镜(POM)、13C核磁共振(13C-NMR)和高级旋转流变仪研究BC在复合溶剂中的溶解过程与状态;利用全反射傅里叶变换红外吸收光谱(ATR-FTIR)、X射线衍射(XRD)和热失重(TG)研究BC溶解前后结构与性能变化;利用场发射扫描电镜(FESEM)、全自动比表面积和孔径分布分析仪、单丝强力仪对获得的BC气凝胶纤维结构与性能进行表征.结果表明,复合溶剂在?15℃条件下可以直接溶解原生湿态BC,最高溶解浓度为3 wt%;采用湿法纺丝制得高度多孔的连续BC气凝胶纤维,比表面积高达192 m^2/g且具有优异的力学性能,断裂强度和杨氏模量高达(9.36±1.68)MPa和(176±17.55)MPa,如0.4 mg BC气凝胶纤维可以支撑高于其本身质量5×10^4倍的重物.