碳纤维基能源器件研究和应用进展

半个多世纪以来,碳纤维及碳纤维增强复合材料因其优异的力学性能、比强度、比模量、轻质、导电性以及热/化学稳定性,逐渐成为航空航天、建筑、运输、生物医用、体育用品以及电子电气等诸多应用领域一类非常重要的高性能结构材料。近二十多年来,得益于纳米材料与技术以及高效可再生能源器件的迅速发展,力学性能突出的碳纤维(包括工业化碳纤维、碳纤维织物、碳纳米纤维以及碳纳米管纤维等)凭借高的导电性、电化学特性、多孔以及表面可修饰性等优点,开始作为良好的电极材料应用于多种电化学能源器件与光电转换能源器件中,并得到了广泛的研究。本文首次综述了碳纤维基能源器件的研究进展,从认识碳纤维的发展历史与应用出发,介绍了碳纤维的表面功能化与电极制备的相关基础知识,重点综述了当前国内外碳纤维能源器件的发展概况,详细介绍了碳纤维作为功能电极材料在燃料电池、微生物燃料电池、锂离子电池、电化学电容器以及太阳能电池等领域的研究和发展概况。最后,通过分析当前碳纤维能源器件研究领域的现状,对该领域在材料制备工艺、电极设计、器件性能优化与器件集成技术等方面面临的挑战和未来研究方向进行了预测和探讨。     

在FTO导电玻璃上电化学沉积高效可见光光电化学分解水Cu2O/g-C3N4异质结膜

近几十年来,光电化学分解水制氢作为一种洁净的、能持续利用太阳能的技术受到极大关注.在众多光催化材料中,p型半导体氧化亚铜(Cu2O)被认为是最有前途的可见光光电分解水材料之一.理论上,它的光能转换为氢能的效率可达到18.7%.然而,目前所报道的Cu2O光转换效率远远低于此值;同时,纯Cu2O在光照条件下的稳定性较差.研究表明,Cu2O与其它半导体复合可以增强其光电转换效率和提高稳定性.如Cu2O和能带匹配的石墨相氮化碳(g-C3N4)复合后,光催化性能和稳定性都有较大提高.但目前所报道的Cu2O/g-C3N4复合物几乎都是粉末状催化剂,不便于回收和重复使用.本文首先采用电化学方法在FTO导电玻璃上沉积Cu2O薄膜,采用溶胶凝胶法制备g-C3N4纳米颗粒材料,然后采用电化学法在Cu2O薄膜表面沉积一层g-C3N4纳米颗粒,得到了Cu2O/g-C3N4异质结膜.分别利用X射线粉末衍射(XRD)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见光谱(UV-Vis)和光电化学分解水实验分析了Cu2O/g-C3N4异质结的组成结构、表面形貌、光吸收性能及催化剂活性和稳定性.XRD和HRTEM表征显示,本文成功合成了Cu2O/g-C3N4异质结材料,SEM图表明g-C3N4纳米颗粒在Cu2O表面分布均匀,大小均一.可见光光电化学分解水结果显示,异质结薄膜的光电化学性能比纯的Cu2O和g-C3N4薄膜材料有极大提高.当在Cu2O表面沉积g-C3N4的时间为15 s时,得到样品Cu2O/g-C3N4-15异质结膜,其在–0.4 V和可见光照射条件下,光电流密度达到了–1.38 mA/cm2,分别是纯Cu2O和g-C3N4薄膜材料的19.7和6.3倍.产氢速率也达到了0.48 mL h–1 cm–2,且产氢和产氧的速率之比约为2,说明此异质结材料在可见光作用下能全分解水.经过三次循环实验,光电化学分解水的效率仅降低10.8%,表明该材料具有良好的稳定性.根据UV-Vis表征和光电化学性能对比,Cu2O/g-C3N4-15的光电性能最好,但其光吸收性能并不是最好,说明光电化学性能与光吸收不是成正比关系,主要是由于Cu2O和g-C3N4两个半导体相互起到了协同作用.机理分析表明,Cu2O/g-C3N4异质结薄膜在光照下,由于两者能带匹配,Cu2O的光生电子从其导带转移到g-C3N4的导带上,g-C3N4价带上的空隙转移到Cu2O的价带上,从而降低了光生电子和空隙的复合,提高了其光催化性能.由于g-C3N4的导带位置高于H2O(或H+)还原为H2的电势,Cu2O的价带位置低于H2O(或OH–)还原为O2的电势,所以在外加–0.4 V偏压和可见光照射条件下,Cu2O/g-C3N4能全分解水,光生载流子越多,光电化学分解水的速率越大.综上所述,在Cu2O薄膜上沉积g-C3N4后得到的异质结薄膜具有高效的光能转换为氢能性能.     

远红外激光磁共振光谱技术及对含碳自由基分子的观测

本文报道国内建成的远红外激光磁共振 (FIRLMR)光谱仪的技术特点和工作原理。该谱仪采用CO2 激光横向泵浦远红外激光 ,样品吸收池置于远红外激光谐振腔内 ,由聚丙烯薄膜与远红外激光增益池隔开以获得很高的灵敏度 ,从而对寿命很短的自由基分子进行研究。利用该光谱仪在远红外波段测量得到了多个瞬态自由基分子CCH ,CF和CH2 的光谱 ,这些自由基分子由微波放电产生的氟原子与甲烷CH4 反应生成。     

Analysis of far-infrared laser magnetic resonance spectra of CH2Br at 447.3 and 671.1μm

A simple model has been developed to describe the Zeeman patterns of far-infrared laser magnetic resonance spectra of the monobromomethyl radical CH₂Br observed at 447.3 and 671.1μm. A satisfactory agreement between the experimental spectra of the radical and their simulation with this simple model has been achieved. This approach can be used to gain further information about the structure and the spectrum of this interesting radical.     

Temperature effect on dissipative holographicscreening-photovoltaic solitons in a biased dissipative system

In a biased dissipative photovoltaic-photorefractive system, this paper investigates the temperature effect on the evolution and the self-deflection of the dissipative holographic screening-photovoltaic （DHSP） solitons. The results reveal that, the evolution and the self-deflection of the bright and dark DHSP solitons are influenced by the system temperature. At a given temperature, for a stable DHSP soliton originally formed in the dissipative system, it attempts to evolve into another DHSP soliton when the temperature change is appropriately small, whereas it will become unstable or break down if the temperature departure is large enough. Moreover, the self-deflection degree of the solitary beam centre increases as temperature rises in some range, while it is decided by the system parameters and is slight under small-signal condition. The system temperature can be adjusted to change the formation and the self-deflection of the solitary beam in order to gain certain optical ends. In a word, the system temperature plays a role for the DHSP solitons in the dissipative system.     

有外加电源的串联光折变晶体回路中的独立空间全息-哈密顿屏蔽孤子对

在由两块垂直于光轴两端面镀上电极的光折变晶体和一个外加电源组成的串联光折变晶体回路中, 在适当的条件下可以形成独立空间全息-哈密顿屏蔽孤子对. 这种孤子对共有四种类型:明-明、暗-暗、明-暗以及暗-明. 当入射光束的空间展宽尺寸远小于晶体宽度时, 孤子对中的哈密顿暗孤子可以通过光感应电流影响另一个孤子, 而哈密顿明孤子和全息孤子则不能影响另一孤子.     

Transverse effects in photorefractive two-wave mixing

In a biased photorefractive crystal, the process of two one-dimensional waves mixing, i.e., the dynamical evolution of both pump beam and signal beam, is traced by numerically solving the coupled-wave equation. Direct simulations show that the propagation and stability of the two beams are completely determined by the system parameters, such as the external bias field, the intensity and the beam waist of the pump beam. By adjusting these parameters, one can control the state of two Gaussian waves mixing. The numerical results are helpful for performing a two-wave mixing experiment.     

原子—场耦合系统中非局域性和纯度

本文讨论了光场初态和热库对原子——场耦合系统中量子非局域性和线性熵的影响。我们发现如果腔场无损耗且处于真空库，原子——场态会周期性的展现量子非局域性，原子和场的线性熵也会周期性地振荡，其周期和量子非局域性变化的周期相同。如果腔场损耗很弱而且热库的平均光子数很小，量子非局域性会消失，原子和场振荡的振幅逐渐减小。量子非局域性消失的速度取决于初始压缩相干态的幅度、腔的衰减系数和热库的平均光子数N。场越强、平均光子数和衰减系数越大，非局域性减弱的越快。     

有外加电源的串联光折变晶体回路中的独立空间全息-哈密顿屏蔽孤子对

在由两块垂直于光轴两端面镀上电极的光折变晶体和一个外加电源组成的串联光折变晶体回路中, 在适当的条件下可以形成独立空间全息-哈密顿屏蔽孤子对. 这种孤子对共有四种类型:明-明、暗-暗、明-暗以及暗-明. 当入射光束的空间展宽尺寸远小于晶体宽度时, 孤子对中的哈密顿暗孤子可以通过光感应电流影响另一个孤子, 而哈密顿明孤子和全息孤子则不能影响另一孤子.     

合成氨反应动力学平衡常数与热力学平衡常数的关系

根据当前普遍被接受的氨合成和氨分解机理,明确了氨合成及分解反应的速度控制步骤,确定了氨合成和氨分解反应的动力学方程,进而导出合成氨反应的动力学平衡常数表达式,与热力学平衡常数进行了比较,明确了2者之间的关系。有助于理解合成氨热力学平衡常数与反应速率的关系。