提高电容性电化学储能装置能量容量的一些尝试

本文从作者所在的课题组在超级电容器和超级电容电池方向的研究内容为基础,在电极材料和装置层面综述了电容性电化学储能装置的发展. 导电聚合物和过渡金属氧化物分别与碳纳米管复合后的复合物能显著提高前两者作为电容性法拉第储能电极的电容性能. 活性炭和碳黑等一类碳材料则可作为非法拉第储能的电极材料. 通过对超级电容器正负极电容做相应的匹配调整可以提高超级电容器的最大充电电压,从而提高超级电容器的能量容量. 此外,为了与实际设备相匹配,超级电容可以以双极板的方式串联堆积,满足高电压的需求. 超级电容电池作为新一代的电容性电化学储能装置,分别由具有电容性和法拉第电荷储存原理的电极组成,具有高比功率和高比能量的特点,也是近年来的研究热点.     

电化学还原处理对碳纸形貌和电化学电容的影响（英文）

对电化学还原处理过程中碳纸的形貌和电容的变化进行了研究.扫描电子显微镜观测结果显示电还原使碳纤维分解为碳颗粒,并且表面粗糙度增加.拉曼光谱结果显示ID/IG的比值在还原处理1 min后即出现改变,表明碳纸无序度增加.BET测试结果显示电还原处理后碳纸的比表面积明显增加.X射线光电子能谱结果表明还原处理后碳纸表面羟基的数量随之增加.此外,在-1.6 V下还原5 min后碳纸电容增加到原来的15倍,并在1500个循环的稳定性测试中保持不变,显示出良好的稳定性.     

活性炭二次活化对其电化学容量的影响（英文）

为进一步提高作为电化学超级电容器电极材料活性炭的电化学容量,采用KOH作为二次活性剂,将所得活性炭进行二次化学活化处理,从而得到二次活化活性炭.将原始活性炭材料与二次活化活性炭材料都分别经过系列处理,组装成电化学超级电容器进行电化学性能测试.测试结果表明,二次活化活性炭材料的电化学容量达到145.0F·g-1（有机电解液）,远远大于原活性炭材料的容量（45.0F·g^-1）.为研究二次活化活性炭材料电化学容量大幅提高的原因,将这两种材料分别进行微观结构数据测试,包括比表面积、N2吸脱附等温曲线和孔径分布.研究结果表明,二次活化处理大大增加了二次活化活性炭材料在孔径为2-3nm的中孔分布,从而证实对于有机电解液,电极材料在2-3nm的中孔对其电化学容量的提高具有重要意义.     

具有高效电化学储能的中空网状笼还原氧化石墨烯（英文）

通过ZnO模板辅助电沉积法制备了中空网状笼还原氧化石墨烯,具有纳米管、多孔结构、网状结构和3D微米中空笼等多层次架构.这样的结构能够同时促进电化学活性物种的传输,提高电极材料的利用率,以及提升超级电容器性能.该类中空网状笼还原氧化石墨烯做超级充电器电极材料时表现出了优良的电化学性能,研究结果显示,在1.0 A·g~(-1)时比电容达到393 F·g~(-1).而且当电流密度从1.0 A·g~(-1)增加到20 A·g~(-1),电容仅衰减了21.2%,10000周循环后比电容损失小于1%,表明具有优异的电容稳定性.     

氮掺杂介孔碳的制备及其电化学超电容性能（英文）

通过直接炭化沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF-8)纳米多面体,成功制备了氮掺杂介孔碳(NMCs).采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)及比表面和孔隙度分析仪对其微观形貌和结构进行了表征,并对NMCs的电化学超电容性能进行了测试.结果表明:NMCs具有规整的形貌、介孔纳米结构和较大比表面积(2737 m2·g-1);由于氮元素掺杂所赋予的优异的表面润湿性和赝电容性能,且介孔结构有利于电解质到达电极活性材料表面,NMCs表现出优异的电化学超电容性能,在1A·g-1的电流密度下,1.0 mol·L-1H2SO4溶液中的比电容值为307 F·g-1,并具有良好的功率特性;此外,在10 A·g-1的大电流密度下充放电循环5000次后,NMCs的比电容值保持率为96.9%.     

单原子催化剂的合成及其在电化学能量转换中的应用（英文）

自2011年张涛院士等首次提出单原子催化剂(SACs)概念以来,单原子催化迅速成为研究热点.SACs具有最大的原子利用率、独特的结构和性能,因而在催化领域具有很好的应用前景,备受关注.本文首先介绍了基于自下而上和自上而下合成策略的各种SACs制备方法以及近年来相应的研究进展,其中包括浸渍法、共沉淀法、原子层沉积法等较为传统的催化剂合成策略,以及缺陷设计法、空间限域法和火焰喷雾热解法等新方法,并详述了这些制备方法在实际应用中的优缺点.对于电催化原理分析方面,较详细地介绍了各电化学能源转换领域相关催化反应的理论计算结果以及各催化反应相应的原理与途径.然后重点介绍了含贵金属(Pt, Pd, Ir等)和非贵金属(Fe,Cu,Co等)的SACs在析氧反应、析氢反应、氧还原反应、CO2还原反应和氮还原反应中的电催化应用.最后讨论了SACs的应用前景和未来面临的挑战:(1)深入进行SACs制备方法的研究,提高合成策略的实际应用可行性以推进催化剂的工业化进程;(2)提高SACs中金属负载量,以提升其催化性能;(3)结合理论计算,增强对SACs配位环境、电子结构的精确控制,进而优化催化剂的催化性能;(4...     

有机电化学-电流驱动未来（英文）

电化学中最基本的作用力是电子-原子核之间的静电吸引力,它通过施加电势使电子加入或脱离与原子核的相互作用,因而,它是最经典的氧化还原化学.1800年第一个电池Volta Pile的发明实现了电子在电路中的流动,标志着有机电化学的开端.自19世纪以来,在科技革命的浪潮中,有机电化学合成取得了巨大发展,例如美国Manuel M.Baizer教授研究的丙烯腈电解还原二聚合成己二腈实现了工业化生产;纳尔科化学公司随后实现了四乙基铅的电化学工业化合成.这两个工业化案例的成功,使有机电化学合成进入了快速发展期.氧化还原是化学反应中的三大基本反应之一,对其进行研究,能极大地促进人类社会的发展.近年,有机合成工作者通过电化学策略代替传统氧化还原试剂实现了一系列氧化脱氢交叉偶联、还原偶联、金属介导的C-H键活化、不对称合成反应,极大地丰富了复杂化合物的合成方法库.有机电化学相比于传统的氧化还原化学,其采用无痕的电子作为氧化还原试剂,不仅廉价绿色,而且通过对电流、电压等方面的调节能高效地产生各种活性反应中间体,在复杂分子的合成中展现出极大的合成优势.本文主要从有机电化学反应机制优化以及跨学科新方法学的开发两...     

氧还原电化学催化剂研究的最新进展（英文）

燃料电池可以在接近室温条件下将氢或烃类中蕴含的巨大化学能通过电化学途径直接转化为清洁、稳定、可持续的电能,因而被视为极有前景的、能够满足日益增长的世界能源需求的终极解决方案之一.在一个典型的氢燃料电池中,氢在正极氧化而氧在负极还原,从动力学角度说,氧还原反应(ORR)比氢氧化反应进行的慢得多.无论是在酸性还是碱性条件下,氧的还原都可以一个四电子过程或是两个双电子过程进行,当然在酸性和碱性环境中反应的机理不同.铂一直是最有效的ORR催化剂,但受到价格昂贵、稳定性差和易中毒等因素的制约,目前非铂催化剂成为越来越引人瞩目的发展方向.本综述试图从分子催化剂、金属纳米材料催化剂、金属氧化物催化剂和新兴的二维材料催化剂等方面,选取近十年来最能代表ORR电化学催化剂方面成就的例子分析其优缺点,并为今后该领域的研究提供一些有益的思路.典型的分子催化剂是卟啉类化合物,当这种四齿的N4配体与过渡金属特别是铁、钴络合时,往往显示出良好的ORR催化性能,多数情况下其中的过渡金属中心、配体和碳支撑体系共同组成催化剂的活性中心.在另一些报道中,邻菲罗啉或是连吡啶型N_2化合物也可以作为配体使用.第四和第五副族的很多金属形成的不同价态的氧化物都具有氧还原活性,比如MnO_x,CoO_x,TiO_x,ZrO_x,IrO_x等.金属氧化物表现出易于修饰,不容易团聚和抗腐蚀等诸多优点,而其良好的ORR性能与表面的缺陷密切相关,因此钙钛矿型氧化物ABO_x也引起人们的广泛关注,人们可以通过调节氧化物的晶型、尺寸和组成来获得更好的催化性能.近年来随着液相合成技术的发展,人们可以制备出理想形状和尺寸的单分散纳米粒子,然后通过旋涂、自组装等手段将其修饰到合适的电极上以获得增强性能的ORR催化剂.通过形状与尺寸调控,或组合成其它复杂的纳米结构,都有可能提高催化活性或是稳定性,因此有关纳米催化剂的研究日趋增多.在此基础上,考虑到石墨烯的可修饰性和良好的电化学性能,纳米材料复合石墨烯所形成的二维或三维结构也可提供很好的氧还原催化性能,而MoS_2代替石墨烯作为支撑物所构成的二维催化剂也是值得注意的研究方向.综上所述,尽管现有的非铂催化剂仍难以完全满足商业化的要求,设计理念和合成方法的快速发展有望在不远的将来解决这一难题.而设计合成可控尺寸、形状、组成和表面形貌的纳米催化剂在很大程度上将加速这一进程.     

免疫检测及核酸分析中的电化学方法（英文）

本文介绍电化学方法在免疫检测及核酸分析中的应用.鉴于有关方面的文献综述已有多篇,这里着重于已经商品化和临床应用的电化学分析技术.希望从这些成功地应用于体外诊断的方法中得到一些启示,并提出作者个人对于该领域研究前景的看法.     

聚苯胺-还原氧化石墨烯复合材料的比电容及超级电容性能（英文）

通过同步还原聚苯胺(PANI)-氧化石墨烯(GO)复合物制备得到了聚苯胺-还原氧化石墨烯(PANI-rGO)。由于复合材料中PANI提供了氧化还原反应的电荷,使得PANI-rGO复合材料具有较大的比电容。通过扫描电子显微镜(SEM),紫外-可见光谱和热重量分析法(TGA)对复合物进行了结构和形态的分析。复合材料的形态呈薄片状,聚苯胺是均匀地包裹在氧化石墨烯上的。当电流密度为20 A·g~(-1)时,PANI-rGO复合材料的比电容可高达1069 F·g~(-1)(1.71 F·cm~(-2)),是PANI-GO复合材料的五倍,这是因为复合材料中还原氧化化石墨烯的大比表面和高电导性所引起的。     

瓜环基金属纳米催化剂的电化学研究进展（英文）

金属纳米材料在电催化应用中展示出良好的性能,但是它们依旧面临着稳定性差和调控策略有限的问题。引入第二组分是一种有效的策略,能够很好的改善其催化活性与稳定性。在这篇综述中,我们概述了结合金属纳米材料和瓜环（CB[n]）用于电催化应用。瓜环是一系列的具有刚性结构、高稳定性、与金属配位的官能团的大环,它们适合稳定金属纳米材料并对其进行调控。本文讨论按照瓜环的功能分类,包含瓜环作为保护剂、瓜环基的超分子自组装体以及瓜环作为前驱体制备氮掺杂多孔碳。多种金属纳米催化剂,包括金属纳米颗粒（Pt,Ir,Pd,Ru,Au）、金属单原子（Fe,Co,Ni）以及过渡金属碳化物（TMCs）成功与瓜环或瓜环衍生的碳材料复合,这些复合材料在许多电催化反应中展示出优异的性能和稳定性,反应包括了氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）、二氧化碳还原反应（CO2RR）、甲烷氧化反应（MOR）、乙醇氧化反应（EOR）。其中,一些金属-瓜环复合物可进一步作为双功能催化剂用于全水解和燃料电池中。瓜环基的纳米催化剂具有媲美商用催化剂的性能,甚至其稳定性可优于商用催化剂。实验分析以及密度泛函理论（DFT）计算...     

乙烯在钯圆盘电极的电化学氧化研究（英文）

由于巨大的潜在市场,乙烯的电化学氧化受到愈来愈多的关注。目前,主流的电化学氧化法仍以依赖于氧化还原媒介的介导氧化法为主,而这些媒介的使用在电解过程中产生大量的腐蚀性中间体,使其实际应用受到阻碍。直接电氧化法可有效规避此问题,但又受到低活性和低选择性的限制。在本工作中,我们针对目前最先进的钯催化直接氧化体系,在中性条件下开展了一系列电化学研究,以对该过程的机理获取更深入的认识。在氮气和乙烯氛围下,钯电极的循环伏安谱图有显著区别。我们发现电解过程中生成的Pd(Ⅱ)物种在乙烯氛围下可绕过原本的电化学还原路径,通过一个化学步还原为Pd(0),因此可能是乙烯氧化的活性位点。Pd(Ⅱ)物种所对应的还原峰也因此可作为乙烯吸附的数量的指标。通过电化学脉冲序列的设计,我们在钯催化剂上识别了两种具有不同吸附强度的乙烯,其强、弱吸附模式所对应的电荷转移比例约为0.3:1。弱吸附的乙烯在钯电极表面表现出可逆的吸脱附行为,而具有强吸附模式的乙烯无法通过物理过程脱附,可能指向到乙烯深度氧化过程。这项工作为进一步设计高性能乙烯直接电氧化催化剂提供了设计思路和方向。     

烯烃的选择性电化学氧化:研究进展与前景（英文）

烯烃类化合物,如乙烯和丙烯,是工业生产的关键原料,它们可以通过选择性氧化转化为环氧乙烷(EO)和环氧丙烷(PO)等高附加值的化学品.目前,烯烃类化合物转化主要通过热化学途径实现,通常需要高温高压条件,并可能导致过度氧化生成CO₂,因而选择性较低,且对经济和环境效益不友好.与此相对,电催化反应以电能作为驱动力,通过优化催化剂、电解液和反应电位等,有望在相对温和的条件下提高反应的选择性和能量效率,为高选择性烯烃氧化提供一种潜在策略.然而,当前烯烃的电化学选择性氧化的电流密度较低,整体生产成本相对较高,因此,有必要进一步研发高效且稳定的电化学选择性氧化烯烃的体系.本文综述了近期关于烯烃选择性电化学氧化的研究进展,研究主要集中在两个方面:一是烯烃在电极和电解液界面上直接进行电化学氧化的方法;二是通过电化学反应原位生成氧化剂(如Cl₂和H₂O₂)后,再对烯烃进行氧化的间接方法.对于烯烃的直接电化学氧化,反应的选择性可以通过调控几何效应和电子效应来优化.具体来说,通过引入如氯离子这样的物种,减少催化剂表面的可用...     

电化学氮还原氨反应催化剂的最新研究进展（英文）

氨是重要的化工产品之一,广泛应用于化肥和燃料生产等领域.目前我国仍采用传统的Haber-Bosch工艺合成氨,该工艺消耗大量的化石燃料并造成环境污染.因此,开发一种高效、环保的氨合成方法代替Haber-Bosch工艺,减少能源消耗和保护环境具有非常重要的意义.电化学氮还原(eNRR)工艺由于使用可再生能源,成为有前景的替代方法之一.但目前eNRR工艺面临着许多挑战:较大的过电位以及析氢反应都会导致氨合成反应性能不理想.因此,理性设计电催化剂以提高氨合成效率成为当务之急.本文总结了近年e NRR领域的最新进展,以期为开发高性能催化剂提供借鉴.本文从eNRR的反应机理入手,介绍了eNRR的检测方法和反应条件,总结了近年来电催化剂的设计策略、原位表征方法和理论计算的研究成果,并对领域未来发展进行展望.首先,从理论热力学和NH3检测等方面讨论了eNRR的关键难点.然后,从形态、结构、空位、掺杂、协同效应、异质结构和单原子等多方面总结了eNRR催化剂的设计策略.此外,介绍了原位拉曼、原位红外、原位电化学质谱和原位X射线吸收光谱等技术在电催化氮还原机理研究中的重要作用.讨论了密度泛函理论(DFT)...     

基于电化学阻抗谱的致病菌检测传感器的研究进展（英文）

几千年来,致病菌对人类健康构成了巨大威胁。实现致病菌的实时监测可有效阻止致病菌的传播,从而降低对人类健康的威胁。迄今为止,已有电化学、光学、压电和量热等多种技术用于细菌的检测。其中,基于电化学阻抗技术的传感器由于其成本低、读取时间短、重现性好、设备便携等优点,在实时细菌检测中展现出了巨大的应用潜力。本文主要综述了近三年来电化学阻抗技术在细菌传感中的典型应用。众所周知,电极材料在基于电化学阻抗的传感器的构建中发挥着极其重要的作用,因为细菌生物识别元件的固定化,以及所制备的传感器的灵敏度、经济性和便携性都主要取决于电极材料。因此,为了向新入行的研究人员提供基于不同电极材料制备电化学阻抗传感器清晰的制备过程,我们尝试根据不同的电极平台对基于电化学阻抗技术的传感器进行分类。此外,还讨论了目前的难点、未来的应用方向和前景。我们希望通过本文的综述,能够为刚进入该领域的研究人员开展基于电化学阻抗技术,制备快速、灵敏、准确地检测多种致病菌的传感器研究提供指导。     

绿色电化学水分解法制备臭氧:机理研究（英文）

采用电催化剂通过水分解反应形成臭氧的绿色节能方法为常规耗能量大的冷电晕放电提供了非常具有吸引力的替代方法.在大量研究的用于电化学合成臭氧的电催化剂中,β-氧化铅(β-PbO_2)和氧化锡(SnO_2)基催化剂在室温下最有效.本工作通过密度泛函理论计算,研究了上述两种催化剂作用下臭氧的形成机制.两种催化剂β-PbO_2和镍/锑掺杂氧化锡(Ni/Sb-SnO_2)的(110)晶面最稳定,故作者特别关注β-PbO_2(110)和Ni/Sb-SnO_2(110)表面发生的最后两步反应,即氧气和臭氧的形成,模拟了可能的水分解机理.结果表明,在β-PbO_2催化剂的作用下,臭氧是遵循Eley-Rideal机理形成,与在Ni/Sb-SnO_2,表面臭氧的形成机理相反,后者是通过Langmuir-Hinshelwood机理形成.将β-PbO_2主要模拟为固-液相,Ni/Sb-SnO_2主要模拟为气相,计算得到吸附能(E_(ads))、吉布斯自由能(ΔG)和活化能(E_(act))等热力学参数值,并进行了分析与比较.这些结果为设计和研发新型的高电流效率电化学制臭氧用催化剂提供了依据.     

鲁米诺/氨基磺酸电化学发光及其多巴胺检测应用（英文）

在本文中,我们首次观察到氨基磺酸可以显著增强鲁米诺电化学发光,而且鲁米诺电化学发光的强度随着氨基磺酸浓度在0.1μmol·L~(-1)至500μmol·L~(-1)范围增加而线性增加。同时,我们观察到多巴胺可以显著猝灭鲁米诺-氨基磺酸电化学发光。基于该猝灭现象,我们建立了多巴胺的电化学发光分析方法,该方法的线性范围为0.5至20μmol·L~(-1),检出限为30 nmol·L~(-1)。该方法具有较好的选择性,尿酸、抗坏血酸、糖和一些氨基酸对电化学发光影响较小。采用标准加入法,成功地将鲁米诺-氨基磺酸体系用于尿液中多巴胺的电化学发光测定,回收率为103%～105%。另外,我们还考察了多巴胺的猝灭机理,并用Stern-Volmer方程计算了的动态猝灭常数。     

海沙钛铁矿在硫酸溶液中的电化学溶解研究（英文）

采用电化学技术研究了孟加拉国海沙里钛铁矿在硫酸溶液中不同温度下的溶解行为.循环伏安研究表明,在没有添加碳粉的条件下钛铁矿的溶解非常困难.为探明钛铁矿的溶解过程,考察了钛铁矿-碳比例、硫酸浓度和温度对钛铁矿电化学溶解行为的影响.结果显示,钛铁矿在低还原电位和低温下的溶解速率较慢.施加更负的还原电位和在较高的温度下溶解速率加快.增加硫酸浓度(最大浓度达到1 mol·L~(-1))也可提高溶解速率,但在较高的硫酸浓度和还原电位下,由于氢气析出导致钛铁矿的溶解速率降低且气体吸附,最后使得钛铁矿的活性表面积减小.计算得到活化能数值在高温区间为50±10 kJ·mol~(-1),而低温区间为~15±5 kJ·mol~(-1),说明低温区间为扩散控制过程,而高温区间为化学控制过程.     

电化学"沾笔"纳米刻蚀及其他（英文）

本文提出了一种基于"沾笔"纳米刻蚀和电化学还原技术在表面上制备金属及半导体纳米结构的普适性方法.用这种方法可以在硅表面直接书写线宽度低于50纳米的多种金属和半导体组成的纳米结构.这种简单而有效的方法在精确控制位置和结构的功能化纳米器件制备中具有重要的潜在应用前景.     

金属有机框架材料在电化学/电化学发光免疫分析中的应用（英文）

设计和研制具有超灵敏、高精度、选择性好的免疫传感器对于疾病的早期诊断和筛查以及疾病治疗过程的监测具有十分重要的意义。其中,电化学免疫分析法和电化学发光(ECL)免疫分析法,由于具有稳定性好、灵敏度高、线性范围宽、可控性好等优点而备受关注,已成为当前的研究热点之一。金属有机框架(MOFs)作为一类新型的多孔晶体材料,由于其具有比表面积大、化学稳定性好、孔径和纳米级骨架结构可调节等优点,在电化学和ECL免疫传感器的制备中得到了广泛的应用。MOFs不仅可以作为固定生物识别分子的敏感平台,还可以用于富集痕量分析物和信号分子来放大分析信号,提高电化学或ECL免疫分析的灵敏度。目前,科研人员已合成各种各样具有不同性能和形貌的MOFs纳米材料,并用于开发高性能的电化学免疫传感器和ECL免疫传感器。本文综述了不同类型的基于MOFs纳米材料的电化学/ECL免疫传感器的制备及其在免疫分析中的检测应用。研究表明,MOFs不仅可以作为电极表面修饰的基底、信号探针(包括电活性标记分子和电化学发光发光标记探针)、催化活性标记物,还可以作为负载各种生物分子、纳米材料的载体,最终可用于灵敏的电化学和ECL检测。此外,...