Effects of heat transfer in a growing particle layer on microstructural evolution during solidification of colloidal suspensions

Heat transfer is the foundation of freezing colloidal suspensions and a key factor for the interface movement.However,how the thermal conductivity of particles affects freezing microstructural evolution remains unknown.Here in this work,a mathematical model is built up to investigate thermal interactions among a growing particle layer,pulling speeds,and the freezing interface under a thermal gradient.Experiments are conducted to confirm the tendency predictions of the model.With the increase of pulling speeds,the drifting distance of the freezing interface increases and the time to finish drifting decreases.When the thermal conductivity of particles(k_p)is smaller than that of the surrounding(kw),the freezing interface tends to go forward to the warm side.Contrarily,the freezing interface tends to go back to the cold side when the thermal conductivity of particles is larger than that of the surrounding(α=k_p/k_w>1).It originates from the shape of the local freezing interface:convex(α<1)or concave(α>1).These morphological changes in the local interface modify the premelting drag force F_f.Whenα<1,F_fdecreases and the freezing morphology tends to be the frozen fringe.Whenα>1,F_fincreases and the freezing morphologies tend to be ice spears.These understandings of how the thermal conductivity of particles affect microstructural evolution may optimize the production of freeze-casting materials and their structural-functional properties.     

基于协同钝化策略制备高性能柔性钙钛矿太阳能电池

柔性钙钛矿太阳能电池由于可弯曲、重量轻、高功质比等特点,受到广泛关注.提升柔性钙钛矿太阳能电池转换效率最有效的策略是钝化钙钛矿薄膜内部的晶界缺陷以及钝化钙钛矿薄膜与电荷传输层的界面缺陷.本文设计制备了以柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate, PET)为基材的柔性反式钙钛矿太阳能电池,采用了辛基氯化胺(octadecylamine hydrochloride, OACl)添加剂及表面钝化的协同钝化策略,提高了钙钛矿薄膜的结晶质量,改善了钙钛矿薄膜内部及界面处的缺陷,并最终得到了光电转换效率为20.80%的柔性反式钙钛矿太阳能电池.本文为制备高效柔性钙钛矿太阳能电池提供了一种有效策略.     

两亲性季铵盐对钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的影响

将廉价易得的两亲性季铵盐十六烷基三甲基溴化铵（CTMAB）加入到钙钛矿前驱体溶液中，通过调节添加量研究了CTMAB对钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的影响.结果表明，加入CTMAB后制备的钙钛矿薄膜更加致密均匀，表面缺陷更少，钙钛矿晶体结晶性得到显著提高，从而提高了电池的光电转换效率及电池稳定性；含有CTMAB的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）为18.03%，明显高于未添加CTMAB的电池效率（17.05%）；含有CTMAB的电池稳定性有较大的提高，在一定湿度环境中保存40 d后效率仍达初始效率的95%，而未添加CTMAB的器件效率只有初始效率的70%.     

金属(Fe,Co,Ni,Cu)掺杂的Mo2C催化剂在TiO2表面用于中性条件光催化分解水产氢

中性条件下的分解水产氢(HER)是化工领域的重要反应之一,其效率取决于催化剂的内在特性.在本工作中,我们利用3d金属(Fe,Co,Ni,Cu)对Mo2C进行掺杂来调节其费米能级,从而达到催化剂可在中性条件下吸附水并提高最终活性的目的.首先,利用简单浸渍法将四种金属的前驱体吸附到MoO3表面,然后通过煅烧一步合成金属掺杂的Mo2C.产物Mo2C的XRD峰位移以及XPS表征结果表明,四种金属通过掺杂进入到了Mo2C晶格.利用HRTEM以及相应的元素面扫分析,也证明金属确实掺杂进入了Mo2C体相.考察了Mo2C基催化剂在中性条件下电解水产氢的性能,结果表明,在10 mA/cm2条件下,Cu-Mo2C催化剂表现出最优的HER性能,其次,是Ni-Mo2C,Co-Mo2C,Fe-Mo2C和纯Mo2C,它们的过电位分别为78,90,95,100和173 mV,Tafel斜率分别是40,43,42,56和102 mV/dec.利用阻抗测试详细分析了催化剂-反应液界面电阻Rct的变化情况,样品Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C拟合后的Rct值分别为119,89.6,46.5,33.8和23.2 ohm/cm^2,表明金属掺杂能明显降低催化剂的反应界面电阻.由于电催化过程的主要研究对象是表面双电层,所以我们利用循环伏安法计算了催化剂表面双电层的数值,得到上述五个样品的Cdl数值分别为0.047,0.06,0.1,0.16和0.24 F/cm^2,双电层的提高为催化剂表面提供了更多的反应位点.考虑了到光解水的界面反应实质也是电催化过程,我们通过浸渍方法将催化剂负载到锐钛矿TiO2表面,考察调控的功函数对光催化效率的影响.XPS表征验证了M-Mo2C负载于TiO2表面.负载助催化剂的TiO2-M-Mo2C样品均表现出了优于纯TiO2的光解水产氢性能.样品TiO2-Cu-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Mo2C和纯TiO2的产氢速率分别为21,404,275,224,147和112μmol/h.利用瞬态荧光研究了载流子在助催化剂和TiO2两相的界面迁移,通过单指数拟合得到样品TiO2,TiO2-Mo2C,TiO2-Fe-Mo2C,TiO2-Co-Mo2C,TiO2-Ni-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt的荧光寿命分别是22.6,20.5,10.1,4.7,4.0,2.5和1.9 ns,说明不同金属掺杂的Mo2C对提取光生电子的效果不同,元素Cu最有效.进一步利用瞬态吸收光谱研究了TiO2-Mo2C,TiO2-Cu-Mo2C和TiO2-Pt三个样品的载流子迁移,同样采用单指数拟合得到的荧光寿命分别为105,73和31 ps,进一步说明掺杂Cu后助催化剂Mo2C对于提取TiO2的光生电子寿命具有很好的促进作用.利用UPS技术探究了金属掺杂后Mo2C的缺陷能级位置,从计算结果可以看出,元素Cu掺杂后Mo2C具有更深的缺陷能级,该能级对吸附水具有促进作用.利用原位红外光谱对样品进行了水蒸气吸附测试,结果表明,Mo2C,Fe-Mo2C,Co-Mo2C,Ni-Mo2C和Cu-Mo2C样品依次的吸附水性能提升.综上,我们利用3d金属对助催化剂进行了缺陷调控来调变其对水的起始吸附过电位,该工作对设计性能优异的光解水助催化剂具有一定的借鉴意义.