基于NiCo2O4纳米片电极的非对称混合电容器

The looming global energy crisis and ever-increasing energy demands have catalyzed the development of renewable energy storage systems. In this regard, supercapacitors (SCs) have attracted widespread attention because of their advantageous attributes such as high power density, excellent cycle stability, and environmental friendliness. However, SCs exhibit low energy density and it is important to optimize electrode materials to improve the overall performance of these devices. Among the various electrode materials available, spinel nickel cobaltate (NiCo₂O₄) is particularly interesting because of its excellent theoretical capacitance. Based on the understanding that the performances of the electrode materials strongly depend on their morphologies and structures, in this study, we successfully synthesized NiCo₂O₄ nanosheets on Ni foam via a simple hydrothermal route followed by calcination. The structures and morphologies of the as-synthesized products were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and the results showed that they were uniformly distributed on the Ni foam support. The surface chemical states of the elements in the samples were identified by X-ray photoelectron spectroscopy. The as-synthesized NiCo₂O₄ products were then tested as cathode materials for supercapacitors in a traditional three-electrode system. The electrochemical performances of the NiCo₂O₄ electrode materials were studied and the area capacitance was found to be 1.26 C·cm^-2 at a current density of 1 mA·cm^-2. Furthermore, outstanding cycling stability with 97.6% retention of the initial discharge capacitance after 10000 cycles and excellent rate performance (67.5% capacitance retention with the current density from 1 to 14 mA·cm^-2) were achieved. It was found that the Ni foam supporting the NiCo₂O₄ nanosheets increased the conductivity of the electrode materials. However, it is worth noting that the contribution of nickel foam to the areal capacitance of the electrode materials was almost zero during the charge and discharge processes. To further investigate the practical application of the as-synthesized NiCo₂O₄ nanosheets-based electrode, a device was assembled with the as-prepared samples as the positive electrode and active carbon (AC) as the negative electrode. The assembled supercapacitor showed energy densities of 0.14 and 0.09 Wh·cm^-3 at 1.56 and 4.5 W·cm^-3, respectively. Furthermore, it was able to maintain 95% of its initial specific capacitance after 10000 cycles. The excellent electrochemical performance of the NiCo₂O₄ nanosheets could be ascribed to their unique spatial structure composed of interconnected ultrathin nanosheets, which facilitated electron transportation and ion penetration, suggesting their potential applications as electrode materials for high performance supercapacitors. The present synthetic route can be extended to other ternary transition metal oxides/sulfides for future energy storage devices and systems.     

多个局部温度载荷下压电半导体纤维杆的压电电子学行为分析

温度改变产生的极化电势可对压电半导体结构内的物理量进行有效调控, 这在穿戴电子器件及与温度相关的半导体电子器件中有重要工程应用价值. 本文针对在多个局部均匀温度变化作用下的压电半导体杆结构, 采用一维热压电半导体多场耦合方程, 基于线性化的漂移-扩散(drift-diffusion)电流模型导出了问题的解析解. 以两个局部温度载荷情况为例, 数值分析了局部温度改变对压电半导体内位移、电势、电位移、极化强度、载流子分布等物理场的影响. 对于温度改变较大的情况, 在COMSOL软件的PDE模块中, 采用非线性电流模型, 进行数值模拟. 研究结果表明: 由于两个局部区域的温度改变, 在半导体杆内形成了局部势垒和势阱, 不同的温度改变量和作用区域会产生不同高度/深度的势垒/势阱, 为基于压电半导体的热压电电子学器件结构设计提供了理论指导.      

压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴. 当膜片振幅区间在30 $\mu$m$\sim $42 $\mu $m可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8$\mu$m,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.      

质子辐照硼硅酸盐玻璃盖片的物理效应分析

作为航天器电源系统的重要组成部分,太阳电池需要更高的转换效率和可靠性以及更长的使用寿命。通过在太阳电池表面覆盖抗辐照玻璃盖片,可以增强太阳电池对粒子辐射的防护,延长太阳电池的服役寿命,使航天器获得可靠的能源供应。硼硅酸盐玻璃就是一种理想的太阳电池玻璃盖片材料。采用蒙特卡罗方法,结合SRIM软件模拟研究质子辐照硼硅酸盐玻璃的损伤物理机理。基于粒子与物质相互作用的理论以及基本公式,通过分析不同入射能量的质子在硼硅酸盐玻璃中的阻止本领、电离能损、位移能损、空位的产生情况,对辐照损伤的物理机制进行研究。结果表明:能量为30~120 keV的质子辐照损伤主要发生在硼硅酸盐玻璃表面;质子沉积、空位分布等均为Bragg峰型分布;电离能损是能量损失的主要部分,随入射能量的增加而增大,导致电子的电离和激发;位移能损在玻璃内部随能量降低而增大,导致硼、氧和硅等空位缺陷的产生;电离效应和缺陷的产生是硼硅酸盐玻璃色心形成的重要原因。     

SnSxSe2-x单晶纳米片的可控制备与表征

锡二硫族化合物可以通过改变硫和硒的含量来连续调控三元合金材料的带隙、载流子浓度等物理化学性质,在电子和光电子器件应用上具有巨大的潜力。本文采用化学气相沉积(CVD)技术可控地制备了不同元素组分的SnS_xSe_2-x(x=0,0.2,0.5,0.8,1.0,1.2,1.5,1.8,2.0)单晶纳米片。采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、能量色散X射线光谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)以及拉曼光谱等手段对SnS_xSe_2-x纳米片进行了综合表征。结果表明本方法成功实现了元素百分比可调的SnS_xSe_2-x单晶纳米片的可控制备。重点研究了依赖于元素百分比的SnS_xSe_2-x的拉曼特征谱,实验结果与基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算得到的SnS_xSe_2-x的拉曼仿真谱高度吻合,理论计算结果较好地诠释了实验拉曼光谱发生变化的原因。本研究提供了一种元素百分比可调的三元SnS_xSe_2-x单晶纳米片的可控制备方法,同时对锡二硫族化合物的明确、无损识别提供了方案。     

一维六方准晶压电材料中幂函数型曲线裂纹的反平面问题

依据一维六方准晶压电材料反平面问题的基本方程,利用复变函数方法,通过引入适当的保角映射,研究了一维六方准晶压电材料中幂函数型曲线裂纹的反平面问题,并利用Cauchy积分理论,得到电不可通和电可通边界条件下的应力场和位移场的复表示以及裂纹尖端场强度因子的解析表达式.     

泡沫镍铁合金自支撑NiFeOOH纳米片的制备及析氧性能研究

电催化析氧反应(OER)是电解水制氢的重要半电池反应。然而,OER的缓慢动力学仍需研究高效的电催化剂。在非贵金属催化剂中,NiFe基材料是OER催化剂研究热点。本文通过食人鱼溶液简单一步浸渍刻蚀法将不同Fe含量的泡沫NiFe合金进行氧化,制备了表面具有纳米片形貌的NiFeOOH自支撑电催化剂,并深入研究其电催化析氧性能。通过SEM、XRD、XPS等对电催化剂的形貌结构及成分进行表征,证实了三维多孔基底上NiFeOOH纳米片结构的形成。由于高价镍、铁物种的存在以及二维纳米片结构的生成,NiFeOOH/NF的析氧性能大幅度提高,在10 mA?cm-2的电流密度下过电位仅155.68 mV,Tafel斜率为 88.2 mV?dec-1。这为研制高效、耐用的自支撑非贵金属电极提供了新思路。     

基于蛋白模板金纳米簇及羟基氧化钴纳米片的激活型荧光纳米探针用于免标记和灵敏检测生物硫醇

该文基于牛血清白蛋白模板金纳米簇（BSA@AuNCs）与羟基氧化钴（CoOOH）纳米片构建了一种激活型荧光纳米探针用于生物硫醇的检测。带负电的BSA@AuNCs能通过静电吸附作用组装到带正电的CoOOH纳米片表面,与此同时,BSA@AuNCs的荧光由于内滤效应（IFE）有效地被CoOOH纳米片猝灭,形成BSA@AuNCs－CoOOH纳米探针。当向纳米探针溶液加入生物硫醇（0.05～150 μmol/L）时,生物硫醇与纳米探针中的CoOOH纳米片发生氧化还原反应,CoOOH纳米片被降解生成Co2+,同时释放出BSA@AuNCs,BSA@AuNCs荧光信号恢复。结果表明,该纳米探针可以检测低浓度的生物硫醇,对生物硫醇（半胱氨酸、谷胱甘肽和高半胱氨酸）的检出限为30 nmol/L。相对于其他的氨基酸、金属离子及糖类化合物,该纳米探针对生物硫醇具有较高的选择性并成功应用于人血清样品中生物硫醇的检测。     

具有光控氧空缺的钼掺杂Bi5O7Br纳米片用于光催化氮气合成氨

氨(NH3)作为合成燃料、化肥和潜在能源载体的重要前体,是现代化学工业中最重要的化学品之一.工业中主要通过高能耗的Haber-Bosch工艺在高温高压下将氮气和氢气转化为NH3,而原料氢气由天然气蒸汽获得,因而不仅消耗大量能源,而且导致温室气体二氧化碳的大量排放,对环境造成危害.光催化固氮以光能为驱动力,以水为质子源,为合成NH3提供了一种温和、绿色和可持续的方法.然而,传统固氮催化剂具有与N2结合弱、成键难以及电子转移效率低的缺点.为了克服上述问题,在催化剂中引入氧空缺和过渡金属作为给电子中心和活性位点的策略被广泛研究.本文以半导体Bi5O7Br纳米片作为研究对象,通过在水热合成过程中添加Na2MoO4前驱盐在Bi5O7Br中掺杂钼元素,合成了不同摩尔含量的钼掺杂Bi5O7Br(Mo-Bi5O7Br)纳米片,并将其应用于光催化N2还原反应,发现Mo-Bi5O7Br的光催化固氮性能显著优于空白Bi5O7Br的催化性能.扫描电镜、透射电镜、能量色散X射线元素映射以及X射线光电子能谱的结果表明,掺杂过程不会影响Bi5O7Br纳米片的晶相和形貌,掺杂后钼元素均匀地分布在Bi5O7Br纳米片晶格中.采用紫外可见漫反射光谱、电子自旋共振光谱、氮气程序升温脱附谱以及光电化学测试等方法研究了Mo-Bi5O7Br相较于空白Bi5O7Br纳米片在光催化N2还原反应中催化性能提升的原因.UV-vis DRS结果表明,钼掺杂对Bi5O7Br可见光吸收能力具有增强作用.以催化NH3产率最高的Mo-Bi5O7Br-1(Mo摩尔百分含量为1％)为研究样本,EPR结果表明,在黑暗条件下,只有Mo-Bi5O7Br-1样品可以检测到明显的表面氧空位(OVs)信号;在光照条件下,Bi5O7Br和Mo-Bi5O7Br-1两种样品都出现OVs的信号峰,但同等光照时间下的Mo-Bi5O7Br-1具有更高的信号强度.此外,OVs信号会随着光照时间的延长逐渐增强;当移除光源后,信号强度逐渐降低.这表明Mo-Bi5O7Br-1在光照下会产生更高浓度的表面光控OVs.N2-TPD结果表明,光控OVs作为活性位点促进催化剂对N2的吸附.关闭光源后,OVs被环境中的水或氧气中的氧原子重新填充,避免了OVs易被氧化而导致反应失活的缺点,有助于保持Mo-Bi5O7Br-1催化N2还原反应的活性和稳定性.光电化学表征结果表明,Mo-Bi5O7Br-1中的光生载流子的分离和迁移效率明显提高.以上结果表明,掺杂过渡金属钼有助于Bi5O7Br纳米片表面光控OVs的生成,光控OVs作为活性位点提升了Bi5O7Br吸附和活化N2的能力,钼掺杂和光控OVs协同提高Bi5O7Br内部光生载流子的分离迁移效率,增强Bi5O7Br光催化固氮合成氨的反应性能.