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.     

以类水滑石为前驱体的Cu/ZnO/Al2O3催化剂用于COx加氢合成甲醇：CO在反应混合物中的作用

近年来,催化CO₂加氢合成甲醇被视为有望解决温室效应和燃料枯竭的有效途径。目前,铜基催化剂因具有较高的反应活性被广泛应用于工业生产。然而,竞争逆水煤气变换反应产生的CO导致甲醇选择性较低,同时副产物水引起Cu发生不可逆烧结,进而降低甲醇产率。众所周知,CO能够调整分子的表面竞争吸附和活性位的氧化还原行为,本工作拟向原料气中掺入具有还原性的CO以抑制逆水煤气变换反应和防止表面氧化中毒。另一方面,通常认为铜基催化的CO₂加氢制甲醇是结构敏感性反应,不同的前驱体能够显著影响催化剂结构和形貌,进而影响催化活性。因此,我们首先通过共沉淀法和蒸氨法制备了含有类水滑石前驱体(CHT-CZA)和复合物前驱体(CNP-CZA)结构的Cu/ZnO/Al₂O₃催化剂。随后,为探究CO掺杂后反应机理,在250 ℃,5 MPa的反应条件下,含有不同比例CO的原料气中(CO₂:CO:H₂:N₂ = x:(24.5 - x):72.5:3)评价两种催化剂对甲醇合成的性能。评价结果显示两种催化剂反应性能趋势相同,随着CO含量增加,CO₂转化率和STY_H2O不断降低,STY_MeOH逐渐增加。X射线光谱(XPS)显示随CO含量增加,催化剂表面还原性Cu比例增加。评价和表征结果说明CO引入抑制了逆水煤气变换反应的发生,通过还原被H₂O氧化的活性Cu表面,促使更多的活性Cu位点暴露参与甲醇合成。另一方面,透射电镜(TEM)显示掺杂的CO会过度还原而引起颗粒团聚,导致催化剂逐渐失活。相比之下,含有水滑石前驱体的催化剂在任何气氛下均表现出更加优越的反应性能和长周期稳定性。这可归因于类水滑石前驱体独特的片层结构通过结构限域作用有效避免了因CO过度还原而导致的金属颗粒团聚,从而减少活性位点损失。     

CoMn@NC催化5-羟甲基糠醛常压氧化为2, 5-呋喃二甲酸二甲酯

2, 5-呋喃二甲酸二甲酯(DMFDCA)这一生物质衍生的增值化学品是石油基聚合物单体对苯二甲酸(TPA)的理想替代品。本研究采用一步共热解法合成了两种廉价金属修饰的氮掺杂多孔碳催化剂CoMn@NC,并将其用于5-羟甲基糠醛(HMF)在温和条件下的需氧氧化。由Co₃Mn₂@NC-800催化HMF在50 ℃和常压氧气的条件下反应12 h后,得到产率为85%的DMFDCA。多孔催化剂的高比表面积提高了传质效率。Co纳米粒子(NPs)和呈原子级分散的Mn与掺杂在碳中的氮配位形成M―N_x。富含吡啶氮的碳基体中的缺电子金属位点有利于HMF和氧的活化。氧形成的超氧自由基阴离子的存在确保了半缩醛中间体和5-(羟基甲基)-2-糠酸甲酯(HMMF)的羟甲基的脱氢氧化,从而高选择性得到DMFDCA。该催化剂性能稳定,可适用于各种取代芳醇。该催化体系具有用于生产聚合物单体羧基酯的应用潜力。     

Ru掺杂对Fe催化剂上酚类化合物加氢脱氧影响的密度泛函理论研究北大核心CSCD

采用密度泛函理论(DFT)计算研究了苯酚、邻甲酚、愈创木酚在不同结构Ru-Fe(211)表面上吸附活化性能和加氢脱氧反应路径.结果表明,Ru掺杂能促进H2分子在Fe(211)表面上解离,提高加氢脱氧反应速率.酚类在1Ru_(ads)-Fe(211)表面上吸附比在1Ru_(sub)-Fe(211)表面上更稳定,苯酚和邻甲酚脱羟基步骤能垒分别降低0.13和0.28 eV,有利于生成芳烃.愈创木酚在1Ru_(sub)-Fe(211)表面上加氢脱氧优势路径是先脱甲氧基生成苯酚,苯酚再加氢脱氧生成产物苯(速控步骤能垒1.16 eV);而在1Ru_(ads)-Fe(211)表面上愈创木酚先脱羟基再脱甲基生成苯酚的路径更具有动力学优势(速控步骤能垒1.21 eV).计算结果表明Ru掺杂方式影响Fe催化剂对酚反应分子的吸附稳定性以及加氢脱氧反应路径和性能.与1Ru掺杂Fe(211)催化剂相比,增加Ru原子数形成4Ru_(ads)-Fe(211),能够进一步提高酚类反应物的吸附强度,但导致加氢脱氧反应能垒升高.因此,在Fe催化剂上以表面吸附的形式掺杂少量贵金属Ru更利于酚类加氢脱氧生成芳烃.     

60Co-γ辐照对食品接触用复合包装袋中挥发性化合物的影响

针对辐照杀菌会使塑料包装产生未知辐解产物的问题,该文采用顶空气相色谱－质谱法（HS/GC－MS）结合MS－DIAL软件对60Co-γ辐照（0 ~ 10 kGy）后的19种商用塑料复合包装袋中的挥发性有机物（VOCs）进行检测。以MS－DIAL软件对谱图的解卷积、峰对齐及物质定性结果,以正交偏最小二乘法判别分析（OPLS－DA）模型对辐照前后材料的VOCs组成进行分析,考察不同辐照剂量下复合包装材料中VOCs组成的变化。结果显示,复合包装中的VOCs以聚合物降解产物烷烃和烯烃为主,60Co-γ辐照前后复合包装中的VOCs组成具有显著差异,且包装产生的VOCs总量随辐照剂量的增加而递增。通过OPLS－DA模型投影变量重要度（VIP）值筛选出17种对差异贡献较大的物质,这些差异物质大多为材料的降解产物,总体呈现检出量随辐照剂量增加而递增的趋势。该研究结果为辐照包装中挥发性非有意添加物质数据库的建立提供了依据。     

超高效液相色谱－四极杆－飞行时间质谱技术非靶向定性筛查猪肉中79种药物残留

利用超高效液相色谱－四极杆－飞行时间质谱（UPLC－Q－TOF MS）建立了猪肉中79种药物残留的非靶向定性筛查方法。猪肉样本采用0.5%（体积分数）甲酸－乙腈溶液先提取,甲醇后提取的组合提取方式,离心后上清液通过FAVEX－NM50兽药残留快速柱净化。以Acquity UPLC BEH HSS－C18色谱柱（2.1 mm × 150 mm,1.7 μm）进行分离,UPLC－Q－TOF MS电喷雾正离子模式电离,全信息串联质谱（MSE）模式检测。79种物质在相应范围内的线性关系良好,相关系数（r2）均不小于0.99,方法的检出限和定量下限分别为0.05 ~ 10 μg/kg和0.10 ~ 20 μg/kg。基于实验室自建质谱数据库,对模拟阳性样本以及市售猪肉样本进行筛查,同时使用高灵敏度Xevo TQ－S串联四极杆质谱多反应监测模式（MRM）对市售猪肉样本进行验证。结果表明,所建立的方法高效、快速、通量高,适用于猪肉中药物残留的筛查和鉴定。     

固相萃取/超高效液相色谱－串联质谱法测定儿童化妆品中新康唑等4种抗生素

建立了测定儿童化妆品中新康唑等4种抗生素的超高效液相色谱－串联质谱法（UPLC－MS/MS）。样品经70%乙腈水溶液超声提取后,使用SCX固相萃取小柱净化,以0.1%甲酸水和乙腈作为流动相,经Waters ACQUITY BEH C18（2.1 mm × 100 mm,2.5 μm）色谱柱分离,使用多反应监测模式（MRM）进行测定。结果表明,4种抗生素线性关系良好,相关系数（r）均为0.999,方法检出限（LOD）和定量下限（LOQ）分别为0.005 ~ 0.250 μg/g和0.010 ~ 0.500 μg/g。4种抗生素在3种基质和3个加标水平的平均回收率为89.3% ~ 113%,相对标准偏差（RSD）为0.90% ~ 7.2%。该方法高效、准确、特异性好,满足新康唑等4种抗生素在儿童化妆品中的测定需求。     

纸吸管中非挥发性迁移物的非靶向筛查及风险评估

根据欧盟法规推荐的两种食物模拟物对纸吸管样品进行模拟迁移试验,并基于超高效液相色谱－四极杆飞行时间质谱（UPLC－Q－TOF MS）对样品中的迁移物进行非靶向筛查,得到包括润滑剂、施胶剂、抗氧剂降解产物、消泡剂在内的31种有意添加物和非有意添加物。利用该课题组前期建立的风险矩阵,即风险 = 危害（毒性水平 + Cramer分级 + 4 × 致突变性） × 暴露（4 × 水溶性 + 4 × 渗透性）,对纸吸管中31种迁移物进行风险分级。结果表明,未发现Ⅰ级高风险物质,Ⅱ级风险物质中得分较高的来自润滑剂（十六酸酰胺等）、施胶剂（海松酸等）和消泡剂（聚乙二醇等）中的成分,对Ⅱ级风险物质进行半定量分析,通过对比暴露量和TTC阈值,发现酰胺类润滑剂（尤其是芥酸酰胺）存在健康风险,应在纸吸管生产加工过程中引起关注。     

基于超高效液相色谱－串联质谱的不同加工干燥方法下的杜仲代谢组学分析

考察了不同加工干燥方法对杜仲整体代谢产物的影响。分别制备新鲜杜仲、堆置“发汗”、烫泡“发汗”和阴干杜仲样品,进行超高效液相色谱－串联质谱代谢组学分析。通过主成分分析（PCA）、正交偏最小二乘法判别分析（OPLS－DA）等多元统计分析方法,筛选出不同加工干燥方法下杜仲的差异代谢物,比较其相对含量。结果显示,4个组的杜仲样品在PCA得分图中可明显区分。与新鲜杜仲相比,杜仲加工干燥后有170种以上的代谢物发生显著变化,其中超过80%的代谢物表达上调。3种加工干燥方法之间,堆置“发汗”杜仲的上调代谢物数量较多,且有利于木脂素和香豆素类、环烯醚萜类、醌类成分的合成;阴干有利于酚酸类成分的保留,烫泡“发汗”则有利于黄酮类成分的保留。通过比较不同加工干燥方法下杜仲的差异代谢物,为探究杜仲药材的品质形成机制及优选其加工方法提供了科学依据。     

HPLC－MS/MS法测定婴幼儿果蔬米粉中17种新烟碱类杀虫剂及代谢物

建立了婴幼儿果蔬米粉中17种新烟碱类杀虫剂及代谢物的高效液相色谱－串联质谱（HPLC－MS/MS）分析方法。样品经含1%（体积分数）甲酸的乙腈提取,QuEChERS净化,氮气吹干后,用含0.1%甲酸的乙腈水溶液（1∶4,体积比）定容。采用Acquity BEH C18色谱柱（2.1 mm × 100 mm,1.7 μm）分离,0.1%甲酸水溶液和乙腈作为流动相梯度洗脱,高效液相色谱－串联质谱检测。结果表明,17种目标物在对应的质量浓度范围内线性良好,相关系数（r）均大于0.995 4;方法检出限（LOD）为0.02 ~ 0.15 μg/kg,定量下限（LOQ）为0.06 ~ 0.50 μg/kg;在LOQ、2.0 μg/kg、10.0 μg/kg 3个加标水平下,17种目标物在水果米粉中的平均回收率为62.5% ~ 103%,相对标准偏差（RSD）为3.5% ~ 17%;蔬菜米粉中的平均回收率为66.4% ~ 108%,RSD为4.3% ~ 13%。该方法灵敏、准确,简便、可靠,适用于婴幼儿果蔬米粉中17种新烟碱类杀虫剂及代谢物的同时检测。