光热材料在太阳能海水脱盐中应用的研究进展

用于海水脱盐的太阳能界面蒸发装置因其绿色环保、简单高效以及适用范围广等优点,受到了广泛关注。与传统的体积式蒸发装置不同,太阳能界面蒸发装置将太阳光的收集和蒸汽的产生锁定在空气-水的界面,无需从底部加热整体水来产生蒸汽,极大提高了能源利用效率。本文详细介绍了太阳能界面水蒸发装置的重要组成部分——光热材料的光热转换机理、材料种类以及材料的性能;探讨了高效海水净化太阳能蒸发装置的设计策略(增强光吸收、充足水供应、耐盐排盐等)。在此基础上,总结了基于界面蒸发中的太阳能蒸发装置的研究进展,展望了新型太阳能蒸发装置在海水净化领域的发展前景。     

太阳能海水脱盐中光热材料与蒸发装置的研究进展

用于海水脱盐的太阳能界面蒸发装置因其绿色环保、简单高效以及适用范围广等优点,受到了广泛关注。与传统的体积式蒸发装置不同,太阳能界面蒸发装置将太阳光的收集和蒸汽的产生锁定在空气-水的界面,无需从底部加热整体水来产生蒸汽,极大提高了能源利用效率。本文详细介绍了太阳能界面水蒸发装置的重要组成部分——光热材料的光热转换机理、材料种类以及材料的性能;探讨了高效海水净化太阳能蒸发装置的设计策略(增强光吸收、充足水供应、耐盐排盐等)。在此基础上,总结了基于界面蒸发中的太阳能蒸发装置的研究进展,展望了新型太阳能蒸发装置在海水净化领域的发展前景。     

光热转换材料及其在脱盐领域的应用

光热脱盐技术在缓解水资源短缺和减少水环境污染等方面具有重要的应用前景,已吸引了各国研究者的广泛关注。光热脱盐主要是利用光热转换材料将吸收的太阳光能直接、高效地转化为热能,以蒸发水分实现含盐水脱盐和水质净化,其效率取决于光热转换材料的性能。本文综述了近年来太阳能光热转换材料如金属基材料、碳基材料、半导体材料、有机聚合物材料、复合光热材料的研究现状及其光热转换机理,并介绍了光热转换材料在脱盐领域的应用进展。基于上述分析,对光热转换材料在未来脱盐领域的研究前景进行了展望,提出应针对光热转换材料的低强度全光谱吸收和高效转化利用、光热稳定性和重复使用性提高,以及光热脱盐系统的热传递损失最小化和热量利用最大化等方面进行深入探析。     

低蒸发焓水凝胶用于太阳能驱动水净化

日益严重的水资源短缺和水体污染引发了人们对先进水净化技术的研究兴趣。太阳能驱动的界面蒸发利用清洁的太阳能来分离水和杂质,被认为是解决缺水和污染最环保、经济的技术。低蒸发焓水凝胶基光热转换材料由于其高蒸发速率、可加工性、可控性和多功能性,成为最有潜力的太阳能蒸发器材料。首先,本综述回顾了水凝胶的关键概念,这些概念证明了其在太阳能驱动的界面蒸发系统中的优势,如快速水传输和低蒸发焓;其次,总结了水凝胶的制备方法包括引入的光热材料以及水凝胶的设计策略,以提高水凝胶的整体性能。水凝胶蒸发器的多种功能在抗盐、光降解、杀菌和发电等方面得到了扩展。基于水凝胶的上述优势,本综述进一步提出了适用于实际使用环境的水凝胶蒸发器的设计概念和策略。     

碳纳米管负载/促进的Mo-Co加氢脱硫催化剂

 以多壁碳纳米管(CNT)为载体制备了负载型Mo-Co/CNT,并将其用于噻吩HDS反应. 结果表明,在n(C4H4S)/n(H2)= 2.3/97.7, GHSV=2200 ml/(g·h),p=0.1 MPa和T=623 K的条件下,在7.2%(Mo-Co)/CNT催化剂上,噻吩HDS的比反应速率可达到0.64·10-3s-1,分别是9.7%(Mo-Co)/γ-Al2O3和16.9%(Mo-Co)/AC催化剂上的1.68和2.28倍. 对比研究结果表明,用CNT代替γ-Al2O3或AC并不引起催化剂上噻吩HDS反应的表观活化能发生明显变化. 与Mo-Co/γ-Al2O3或Mo-Co/AC催化剂相比,一方面,Mo-Co/CNT催化剂更易在较低温度下还原活化,并导致工作态催化剂表层活性Mo物种(Mo4+)在总Mo量中所占比例明显提高; 另一方面,Mo-Co/CNT催化剂对H2具有更强的吸附和活化能力. 这两个因素对提高催化剂活性都有重要贡献.     

多壁碳纳米管负载铂的甲苯加氢脱芳催化剂

以多壁碳纳米管(CNTs)为载体制备了负载型Pt催化剂Pt/CNTs并将其用于催化甲苯加氢脱芳(HDA)反应.结果表明,在1.0%Pt/CNTs催化剂上,在0.4MPa,373K,PhCH3/H2摩尔比=6/94和GHSV=120L/(h.g)的反应条件下,甲苯转化率可达100%,比反应速率为0.0523mmol/(s.m2),分别是γ-Al2O3和AC负载各自最佳Pt负载量催化剂1.4%Pt/γ-Al2O3和2.4%Pt/AC上相应值的1.17和1.18倍.甲苯加氢产物全部为甲基环己烷,其他可能的加氢产物均在气相色谱检测限以下.催化剂的表征研究揭示,用CNTs代替γ-Al2O3或AC作为载体并不会引起所负载Pt催化剂上甲苯HDA反应的表观活化能发生明显变化.与γ-Al2O3或AC负载的相应催化剂相比,一方面,CNTs负载的Pt催化剂易于在较低温度下还原活化,并且其工作态催化剂表面催化活性Pt物种(Pt0)所占表面Pt摩尔分率有所提高;另一方面,CNTs负载的Pt催化剂对H2具有较高的吸附/活化和储存能力.这些促进效应对催化剂HDA活性的提高都有重要贡献.     

Sulfur-Induced Growth of Coordination Polymer Derived-Straight Carbon Nanotubes on Carbon Nanofiber Network for Zn-Air Batteries

Low-cost heteroatom-doped carbon nanomaterials have been widely studied for efficient oxygen reduction reaction and energy storage and conversion in metal-air batteries. A Masson pine twigs-like 3-dimensional network construction of carbon nanofibers (CNFs) with abundant straight long Co, N, and S-doped carbon nanotubes (CNTs) is developed by thermal treatment of Co-based polymer coated onto polyacrylonitrile nanofiber network together with thiourea at 900 °C, denoted as CNFT-Co₉S₈-900. It is interesting to note that the introduction of a high concentration of sulfur does not lead to the complete toxicity of catalysts, but promotes the axial growth to selectively form straight CNTs instead of curly bamboo-like CNTs. The highly graphitized in-situ grown Co, N, S-doped CNTs and the 3-dimensional N-doped CNF network provide both active catalytic sites and highly conductive paths, which are beneficial for oxygen reduction reaction (ORR). Thus, the optimal CNFT-Co₉S₈-900 performs the excellent ORR catalytic activity with a half-wave potential of 0.84 V and a diffusion-limited current density of 5.49 mA cm⁻². Furthermore, the CNFT-Co₉S₈-900-based Zn-air devices also possess a high power density of 136.9 mW cm⁻² better than commercial Pt/C.     

Fe3O4@C Nanotubes Grown on Carbon Fabric as a Free-Standing Anode for High-Performance Li-Ion Batteries

Recently, Li-ion batteries (LIBs) have attracted extensive attention owing to their wide applications in portable and flexible electronic devices. Such a huge market for LIBs has caused an ever-increasing demand for excellent mechanical flexibility, outstanding cycling life, and electrodes with superior rate capability. Herein, an anode of self-supported Fe₃O₄@C nanotubes grown on carbon fabric cloth (CFC) is designed rationally and fabricated through an in situ etching and deposition route combined with an annealing process. These carbon-coated nanotube structured Fe₃O₄ arrays with large surface area and enough void space can not only moderate the volume variation during repeated Li⁺ insertion/extraction, but also facilitate Li⁺/electrons transportation and electrolyte penetration. This novel structure endows the Fe₃O₄@C nanotube arrays stable cycle performance (a large reversible capacity of 900 mA h g⁻¹ up to 100 cycles at 0.5 A g⁻¹) and outstanding rate capability (reversible capacities of 1030, 985, 908, and 755 mA h g⁻¹ at 0.15, 0.3, 0.75, and 1.5 A g⁻¹, respectively). Fe₃O₄@C nanotube arrays still achieve a capacity of 665 mA h g⁻¹ after 50 cycles at 0.1 A g⁻¹ in Fe₃O₄@C//LiCoO₂ full cells.     

Immobilization of Xanthine Oxidase on Carbon Nanotubes Through Double Supramolecular Junctions for Biosensor Construction

A novel approach for the noncovalent functionalization of single‐walled carbon nanotubes with enzymes, using a β‐cyclodextrin‐modified pyrene derivative, mono‐6‐ethylenediamino‐(2‐pyrene carboxamido)‐6‐deoxy‐β‐cyclodextrin (Pyr‐βCD), as a molecular bridge for the construction of a supramolecular assembly between the nanotube surface and an adamantane‐modified enzyme, is reported. The Pyr‐βCD derivative was synthesized and its stacking to SWNT through π–π interactions accomplished. The functionalized nanotubes showed low capacity for the nonspecific adsorption of proteins, but were able to immobilize adamantane‐modified xanthine oxidase via host‐guest associations. This double supramolecular junctions‐based approach was employed to modify a glassy carbon electrode with the enzyme/nanotubes complex for designing a biosensor device toward xanthine. The biosensor showed fast electroanalytical response (10 s), high sensitivity (5.9 mA/M cm²) low detection limit (2 µM) and high stability.     

碳纳米管对Rh-Ce-Mn/SiO2催化剂催化CO加氢合成含氧化合物性能的影响

 制备了碳纳米管(CNTs)促进的Rh-Ce-Mn/SiO2催化剂,采用X射线光电子能谱、程序升温还原、 N2物理吸附、 X射线衍射以及吸附H2或CO的程序升温脱附对催化剂进行了表征,并考察了催化剂对CO加氢合成含氧化合物的催化性能. 结果表明, CNTs的添加促进了铑的分散,铑及助剂在载体表面发生富集; 活性组分铑与助剂及载体间的相互作用和催化剂样品的还原性能发生了改变; 在铑基催化剂中加入CNTs后,强吸附的H2和CO的量明显增大. CNTs促进的铑基催化剂的CO加氢活性明显提高,当CNTs添加量为10%时,一定条件下催化剂上含氧化合物的时空收率可达336.2 g/(kg·h).     

基于碳纳米管和离子液体复合物修饰电极的免疫传感器检测莱克多巴胺

建立了一种新的电化学免疫传感器方法, 将多壁碳纳米管(MWCNTs)和室温离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM]BF₄)复合物, 和偶联了牛血清蛋白(BSA)的莱克多巴胺抗原, 使用Nafion固定在电极上, 利用莱克多巴胺抗体和抗原之间特定反应的竞争模式, 以K₃Fe(CN)₆为探针, 通过循环伏安法和差分脉冲伏安法监测免疫反应, 对溶液中莱克多巴胺的浓度进行检测. 线性范围宽(1～1500 ng/mL), 检测限可低至0.3 ng/mL. 同时, 我们对猪饲料实际样品进行测定, 回收率令人满意.     

碳纳米管添加剂对质子交换膜燃料电池低铂载量膜电极性能的影响研究

以碳纳米管（CNT）作为低铂载量膜电极（CCM）催化层（0.1 mg_Pt·cm^-2）添加剂，研究了CNT的添加方式对催化层微观结构以及膜电极性能的影响.结果表明，与常规低铂载量催化层相比，在其表面喷涂一层CNT或将CNT均匀分散到Pt/C催化层中均有利于提升低铂载量膜电极的输出性能，在70℃和100%相对湿度条件下最高输出功率比常规低铂载量膜电极的0.522 W·cm^-2分别提升了22.4%和60.0%，并且均匀分散添加方式优于分层添加方式.其原因在于分层添加CNT后改善了低铂催化层和气体扩散层之间的接触界面，降低了催化层与扩散层间的接触电阻，而均匀分散添加方式除了可降低界面接触电阻外，还显著改善了低铂催化层中的气体传输，大幅提升了Pt催化剂的利用效率，使得膜电极电化学反应电阻明显降低.进一步对均匀分散添加方式中CNT的载量进行优化，表明CNT添加量为37.5 μg·cm^-2时电池输出性能最佳，70℃和100%相对湿度条件下的最大输出功率达到0.91 W·cm^-2.本研究工作表明，将CNT均匀分散添加到催化层中是一种有效提升低铂载量膜电极性能的方法.     

碳纳米管负载Pt-Sn-B非晶态催化剂催化氯代硝基苯

 用浸渍-化学还原法制备了碳纳米管负载的Pt-Sn-B非晶态催化剂,并采用透射电子显微镜、X射线衍射、选区电子衍射、X射线能谱等表征手段研究了催化剂在碳纳米管表面的存在状态、组成及其非晶性质. 将此催化剂用于三种氯代硝基苯的液相催化加氢反应,结果表明该催化剂具有较好的加氢性能和较高的抑制脱卤性能. 在不添加脱卤抑制剂的情况下,三种氯代硝基苯的转化率均高于99.8%,脱卤率小于1.9%. 而将通用加氢催化剂用于相同的反应时,产物的脱卤率均高于8%. 碳纳米管的特殊结构与表面金属的非晶性质是影响氯代硝基苯加氢性能的主要因素. 讨论了碳纳米管与表面非晶态金属的作用规律及其与催化加氢性能的关系.     

碳纳米管表面修饰程度对其载Pd纳米粒子的电催化氧化水合肼性能的影响

比较了未氧化处理与经浓硝酸或混酸(浓硫酸与浓硝酸体积比为1∶1)处理后的不同多壁碳纳米管(MWNTs)为载体的Pd催化剂(Pd/MWNTs)对水合肼氧化的电催化性能. 光谱表征和电化学测试结果表明, MWNTs表面不修饰或修饰程度过大都不利于金属Pd纳米粒子的沉积. 浓硝酸处理使MWNTs表面修饰的含氧基团适中, 能够促进负载的Pd纳米粒子均一分布, 因此提高Pd/MWNTs催化剂对水合肼的电催化性能. 相反, 混酸处理使MWNTs表面产生的含氧基团过多, 导致金属Pd纳米粒子部分聚集, 从而降低Pd/MWNTs催化剂对水合肼的电催化性能.