电沉积制备的PtNi纳米粒子用于氧还原反应:成核和生长机理

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)电堆中阴极Pt基催化剂的高用量造成其成本居高不下,成为阻碍燃料电池汽车商业化推进的重要原因,因此开发低Pt、高活性的Pt基催化剂势在必行.Pt合金催化剂能够有效地降低Pt用量,并通过对合金颗粒的元素比例、晶面、粒径等实行精确调控,显著提升氧还原(ORR)催化活性.然而,目前常用的制备方法由于原料与制备成本高昂、过程复杂大都难以适应规模化生产需求.电化学方法通过控制施加的电流或电位控制晶体生长.在水体系中该方法已得到验证,但由于Pt化合物的热力学标准电极电位与过渡金属元素之间相差较大,且对于过渡金属来说,电负性大多小于铂,因此还原电位通常负于析氢电位,使得二者难以实现共沉积.有机体系中电位窗口比水体系大得多,Pt与电位较负的过渡金属可实现共沉积,采用小分子有机溶剂也可避免溶剂清洗问题,具有应用潜力.本文提出了一种简单的一步电沉积方法,选择易溶于水的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)作为溶剂,将碳载体滴涂到玻碳电极上作为工作电极,通过电化学方法直接将Pt-Ni合金沉积到碳载体上,并利用物化表征与密度泛函理论(DFT)理论计算来探究共沉积机理.透射电镜表征结果表明,在不同的沉积电位下均可得到分散均匀、粒径适当的催化剂;且随着电位值降低,催化剂颗粒分散得更均匀,颗粒粒径不断减小.元素分布和晶面结果表明,铂镍元素均匀分布于颗粒中.所有样品均表现出优异的ORR性能,最高的面积比活性达到商业催化剂的6.85倍.将材料表征、电化学表征与DFT计算结合,建立起了铂镍合金生长过程的模型,并发现了有机体系中独特的成核-生长机理.将体系中的DMF换成超纯水,用同样的方法进行沉积,得到的催化剂颗粒团聚严重,说明DMF的使用能够避免颗粒团聚.在单独铂的体系中沉积发现,负载量极小,表明体系中镍前驱体的添加对于催化剂的沉积过程起到重要作用.电化学表征结果表明,在所选用的DMF有机体系中,镍的还原电位与铂的十分接近,但还原动力学更慢,趋向于先形成吸附原子后快速还原.由此可以推测,在二者合金的形成过程中,镍在碳载体表面的缓慢还原而形成的吸附原子能够成为铂还原的活性位点,从而降低了铂还原成核所需的能量,使得载体上的成核位点大大增加,这与DFT模拟结果一致.DFT建立了碳上镍的位点和铂的位点,分别在上面进行铂的还原,发现镍位点上比铂位点上更容易实现铂沉积.本文提出了铂镍共沉积的机理:在过电位(即还原能量)下,铂的还原动力学较镍稍快,于是铂先还原形成晶核,但难以达到生长的临界半径,于是单独铂体系中的沉积负载量很少.载体上还原的镍为铂还原提供了大量的活性位点,促进了铂还原,并与镍共沉积.Pt-Ni表面则进一步促进了铂的沉积和颗粒的生长.综上,本文提出了一种用于制备铂合金催化剂的有机电沉积体系,实现了单分散的碳载铂镍合金催化剂的一步制备.随后,本文将材料表征、电化学表征与DFT计算相结合,建立起了有机体系中铂镍合金成核-生长过程的机理模型.     

电泳法制备的致密氧化锡薄膜及其在高稳定性钙钛矿太阳能电池中的应用

在平面型钙钛矿太阳能电池中常采用SnO₂作为电子传输层材料,相应的SnO₂薄膜常采用溶液旋涂法制备。但是由于前驱液中的纳米颗粒可能会发生部分团聚、基底和溶液难以完全避免灰尘等杂质颗粒混入,且最佳的SnO₂电子传输层的厚度通常仅有约20 nm,所以这种方法制备的电子传输层难以保证严格致密和无纳米针孔。在本工作中,我们报道了一种电泳沉积制备致密SnO₂薄膜的方法,并用其有效地提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和工况稳定性。通过电泳法,表面带负电荷的SnO₂纳米颗粒在电场的作用下沉积到氧化铟锡(ITO)阳极表面,这种方法得到的薄膜比旋涂法制备的更为致密。将其应用于n-i-p结构的钙钛矿太阳能电池中,能够使得暗电流降低并抑制载流子的非辐射复合,从而提高电池的短路电流和开路电压,进而实现更高的光电转换效率(从18.17%提高到19.52%),且能消除迟滞效应。更重要的是,长期工况稳定性测试表明基于电泳-旋涂法制备的器件在1个太阳的光照下、最大功率点处连续工作960 h后,仍然能够保持71%的初始效率;然而基于旋涂法制备的器件在工作100 h后即降低到初始效率的70%。本工作提供了一种全新的SnO₂电子传输层的制备方法,显著地提高了器件性能和工况稳定性,后续有望应用于制备大面积器件和电池模组。     

2.5THz量子级联激光器的研制

基于束缚态到连续态跃迁有源区能带结构,实现了2.5THz量子级联激光器的连续波工作。激光器的输出频率随电流可在2.45~2.47THz之间可调,在连续波工作模式下的最高输出功率大于6.0mW,最高连续波工作温度为60K,阈值电流密度为120A/cm2,经Si透镜整形后的输出光斑为高斯分布。     

直接测距型激光主动成像系统发展现状

对直接测距型激光主动成像系统进行了深入研究。按照工作方式分类介绍了国外相关研究机构激光主动成像系统的工作原理及系统参数, 归纳总结并比较分析了各工作方式的优缺点。分析认为:基于单点或小面阵探测器配合光机扫描方案可实现较远作用距离, 但其对激光器重频要求较高, 后续数据处理复杂, 且系统体积、功耗较大;而基于Flash探测器的激光主动成像系统易于实现小型化, 对激光器重频要求较低。作用距离受限问题可通过电子扫描得以有效解决。在具体应用时, 需根据实际需求, 综合考虑系统体积、质量、功耗、激光器输出峰值功率及脉冲重复频率、所能获取的探测器类型、后续数据处理能力等多种因素折衷选取。     

氮气等离子体改性壳聚糖-聚丙烯腈复合纳滤膜

以氮气低温等离子体对壳聚糖-聚丙烯腈复合纳滤膜进行表面改性。用接触角、扫描电镜和扫描探针显微镜观察膜表面的亲水性和形貌特征,X射线光电子能谱分析膜表面化学组成,以γ-氨基丁酸为分离对象表征膜的纳滤性能。结果表明:经50W、20Pa的氮气等离子体作用2min,壳聚糖膜表面获得最大程度的亲水性改善,其接触角由102.0°下降至44.3°,平整度明显提升;膜表面C—C、C—O和酰胺基团均有减少,而胺基和羰基相应增加;在pH=6.15的水溶液中对w=1.0%的γ-氨基丁酸进行纳滤,液体的通量由原来的1.12L/(m2·h)提高至1.75L/(m2·h),且对氨基酸的截留率从28%提升至83%。     

H6PMo9V3O40/SiO2催化剂催化酚类化合物选择性硝化

为创建洁净高效的酚类化合物硝化工艺,以杂多酸H6PMo9V3O40(PMAV3)为活性组分,硅胶为载体,浸渍法制备了负载型催化剂PMAV3/SiO2,采用红外光谱、X射线衍射谱、N2吸附-脱附法及TG-DSC分析等测试技术对该催化剂的结构及热稳定性进行了表征;考察了该催化剂对多种酚类化合物硝化反应的催化性能。结果显示,该催化剂对多种酚类化合物的硝化反应具有很强的催化活性和区域选择性,产率为83.7%~94.5%,其中苯酚、邻甲酚、邻氯苯酚和邻氟苯酚以邻位硝化产物居多,水杨酸的对位硝化产物占绝对优势;负载催化剂的织构性质与载体相近,但随负载量增加,比表面积逐渐降低;PMAV3/SiO2的热稳定性好于本体PMAV3。催化剂回收容易,重复使用5次,活性基本不变。     

基体分离-高分辨电感耦合等离子体质谱法测定硫化物矿石中的稀土元素和钇

采用Na2O2碱熔,经阳离子交换树脂分离富集,分离掉大量熔剂和基体,HR-ICP-MS上测定铅锌矿中的稀土元素。采用内标法消除基体影响,轻稀土元素采用低分辨率模式测定,重稀土元素采用高分辨率模式测定,有效地消除了测定过程中的基体干扰和轻稀土对重稀土的干扰。方法检出限为0.5~12.1ng/g,RSD在1.0%~4.6%之间。     

核壳结构Cu@CoW的合成和对硼氨配合物水解的催化性能

分别以硼氨配合物和硼氢化钠为还原剂合成了核壳结构的Cu@CoW三元合金催化剂和非核壳结构的CuCoW三元合金催化剂,25℃下,Cu0.4@Co0.5W0.1三元合金催化剂对于硼氨配合物水解反应的TOF(转换频率)值达到0.369 0 molH2·molcat-1·s-1,明显高于非核壳结构的Cu0.4Co0.5W0.1催化剂,接近Pt、Pd等贵金属的催化活性,反应的活化能为49 kJ·mol-1。与非核壳结构的CuCoW合金相比,核壳结构的Cu@CoW三元合金催化剂的催化性能及稳定性均有明显提高。     

核化学与放射化学的研究进展

在我国核能快速发展的新形势下,新型核能资源的开发、乏燃料后处理、放射性废物处理与处置等核燃料循环化学研究日益活跃。随着科学技术的不断发展,离子加速器、反应堆、各种类型的探测器和分析设备、以及计算机技术等的发展,核化学与放射化学研究的范围和成果在不断扩展和增加,如核安全、环境放射化学、放射分析化学、放射性药物与标记化合物等,研究成果对于国防建设、核能发展、核技术应用等方面具有重要支撑作用。本文综述了近年来国内在上述领域所取得的研究进展。共引用参考文献161篇。