基于NiCo2O4纳米片电极的非对称混合电容器

The looming global energy crisis and ever-increasing energy demands have catalyzed the development of renewable energy storage systems. In this regard, supercapacitors (SCs) have attracted widespread attention because of their advantageous attributes such as high power density, excellent cycle stability, and environmental friendliness. However, SCs exhibit low energy density and it is important to optimize electrode materials to improve the overall performance of these devices. Among the various electrode materials available, spinel nickel cobaltate (NiCo₂O₄) is particularly interesting because of its excellent theoretical capacitance. Based on the understanding that the performances of the electrode materials strongly depend on their morphologies and structures, in this study, we successfully synthesized NiCo₂O₄ nanosheets on Ni foam via a simple hydrothermal route followed by calcination. The structures and morphologies of the as-synthesized products were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and the results showed that they were uniformly distributed on the Ni foam support. The surface chemical states of the elements in the samples were identified by X-ray photoelectron spectroscopy. The as-synthesized NiCo₂O₄ products were then tested as cathode materials for supercapacitors in a traditional three-electrode system. The electrochemical performances of the NiCo₂O₄ electrode materials were studied and the area capacitance was found to be 1.26 C·cm^-2 at a current density of 1 mA·cm^-2. Furthermore, outstanding cycling stability with 97.6% retention of the initial discharge capacitance after 10000 cycles and excellent rate performance (67.5% capacitance retention with the current density from 1 to 14 mA·cm^-2) were achieved. It was found that the Ni foam supporting the NiCo₂O₄ nanosheets increased the conductivity of the electrode materials. However, it is worth noting that the contribution of nickel foam to the areal capacitance of the electrode materials was almost zero during the charge and discharge processes. To further investigate the practical application of the as-synthesized NiCo₂O₄ nanosheets-based electrode, a device was assembled with the as-prepared samples as the positive electrode and active carbon (AC) as the negative electrode. The assembled supercapacitor showed energy densities of 0.14 and 0.09 Wh·cm^-3 at 1.56 and 4.5 W·cm^-3, respectively. Furthermore, it was able to maintain 95% of its initial specific capacitance after 10000 cycles. The excellent electrochemical performance of the NiCo₂O₄ nanosheets could be ascribed to their unique spatial structure composed of interconnected ultrathin nanosheets, which facilitated electron transportation and ion penetration, suggesting their potential applications as electrode materials for high performance supercapacitors. The present synthetic route can be extended to other ternary transition metal oxides/sulfides for future energy storage devices and systems.     

Pd/Co_3O_4纳米颗粒负载于Al_2O_3纳米片高效催化甲烷燃烧（英文）

我们报道了一种Pd/Co_3O_4纳米颗粒负载于Al_2O_3纳米片的三元催化剂催化甲烷的高效燃烧。其中,Pd/Co_3O_4负载于碱性氧化铝的复合材料活化甲烷C―H键的能力比Si O_2、Zr O_2和Ce O_2以及酸性和中性Al_2O_3为载体时更强,这是因为Pd/Co_3O_4/碱性Al_2O_3拥有更多的氧空穴和吸附氧,对催化剂催化甲烷燃烧有较好的影响。尽管在5%(体积分数)的水蒸气存在下,其催化性能有一定的失活,但在移除水蒸气时,其催化性能可以快速恢复至最佳状态。在模拟真实汽车尾气的氛围下,Pd/Co_3O_4/碱性Al_2O_3依然具有较好的催化甲烷燃烧性能,在400℃时可以催化甲烷完全转化。     

纳米片聚结Co_3O_4微球催化甲苯燃烧（英文）

采用乙二胺辅助的水热法制备了纳米片聚结的Co3O4微球.利用多种分析技术表征了其物化性质,并评价了其对甲苯燃烧的催化活性.结果表明,由添加1.0 ml乙二胺经140°C水热处理12 h后制得的Co3O4样品呈纳米片聚结的微球状表面形貌.Co3O4微球样品的比表面积约为66 m2g-1.与体相Co3O4样品相比,Co3O4微球样品具有较高的氧吸附物种浓度和较好的低温还原性.当空速为20000 ml g-1h-1时,在Co3O4微球样品上甲苯转化率达到50%和90%时的反应温度分别为230和254°C.这与该样品具有较大的比表面积、较高的氧吸附物种浓度和较好的低温还原性相关.     

CoFe_2O_4纳米阵列催化剂的费托合成性能研究（英文）

通过可控的水热生长方法和钴铁碳酸根氢氧根水合物的焙烧在泡沫铁上制备了CoFe_2O_4纳米阵列催化剂。通过粉末X射线衍射,扫描电镜和电感耦合等离子体发射光谱表征了CoFe_2O_4纳米阵列的晶相,结构和组成。制备的催化剂被用于费托合成性能研究。CoFe_2O_4纳米阵列催化剂在5 L/(g·h)的空速下具有69%的转化率,并且其性能优于粉体催化剂。     

CoNi_2S_4上电沉积NiS用于柔性固态非对称超级电容器（英文）

采用一种在CoNi_2S_4上电沉积NiS的有效方法来改善钴/镍硫化物的性能。CoNi_2S_4@NiS电极材料在1 A·g~(-1)时比电容达到1 433 F·g~(-1),并具有很好的倍率性能。CoNi_2S_4@NiS和还原氧化石墨烯组装成的柔性固态非对称超级电容器的能量密度在功率密度为800 W·kg~(-1)时达到36.6 Wh·kg~(-1),并且在10 000次充放电后表现出良好的循环性能,循环保持率达87.8%。     

NiCo_2O_4@C纳米复合材料的水热合成及电化学储锂性能

采用一步水热法合成了棒状NiCo_2O_4前驱体,并通过调节水热反应过程中碳源(葡萄糖)的加入量以及后续热处理条件(气氛、温度)得到了一系列不同的NiCo_2O_4及NiCo_2O_4@C产物,并对这些产物的结构、形貌及电化学储锂性能进行了测试.结果表明,适当的葡萄糖加入量(0.5 g)配合合理的煅烧条件(400℃,氮气气氛)可以获得倍率性能和循环稳定性兼具的NiCo_2O_4@C纳米复合材料.在100 m A/g的电流密度下,该材料的首次充/放电比容量为634.1/767.2 m A·h/g,对应的库仑效率为82.7%,5周后的放电比容量为650.1 m A·h/g,容量保持率为84.74%,且在300 m A/g的高电流密度下可逆比容量仍可保持在225.9m A·h/g.     

在碳纤维布上原位生长NiCo层状双氢氧化物纳米片用于高性能非对称超级电容器（英文）

通过恒电压电沉积法在不同的碳纤维基体上原位制备NiCo层状双金属氢氧化物(NiCo-LDH)复合材料(NiCo-LDH/碳纤维布),该方法无需粘合剂,可以有效避免由于粘合剂的加入引起的导电性降低。在NiCo-LDH的层状晶体结构中,正电荷的主体层和层间电荷补偿阴离子可以促进电极材料之间的离子扩散,从而可高效利用活性位点。得益于NiCo-LDH折叠层状结构的特点,NiCo-LDH/碳纤维布具有出色的比电容(1 A·g~(-1)时1 387.5 F·g~(-1))。此外,以NiCo-LDH/碳纤维布作为正极,涂覆在泡沫镍表面的还原氧化石墨烯(rGO/NF)作为负极,组装而成的非对称超级电容器(ASC)具有极好的电化学性能。ASC在1 A·g~(-1)时能量密度为26.6 Wh·kg~(-1),功率密度为850.4 W·kg~(-1),在最大功率密度为8 500.3 W·kg~(-1)时能量密度仍保持有14.9 Wh·kg~(-1)。     

NiCo_2O_4/还原石墨烯复合修饰电极的制备及电催化检测葡萄糖

采用水热法制备NiCo_2O_4/还原石墨烯(rGO)复合材料。利用扫描电镜(SEM)和X-射线衍射(XRD)对所制备的材料进行了结构表征。通过对裸玻碳电极、NiCo_2O_4化学修饰电极、NiCo_2O_4/rGO复合修饰电极对葡萄糖的催化效果的比较,发现NiCo_2O_4/rGO复合修饰电极对葡萄糖具有良好的电催化氧化作用。当葡萄糖的浓度介于1~1 500μmol/L时,其氧化峰电流与浓度具有良好的线性关系(R=0.9995)。检出限(S/N=3)低至0.1μmol/L。该传感器的选择性、重现性和稳定性良好。     

NiS2纳米片的制备及其在非对称超级电容器中的应用

本文采用牺牲模板法,以Ni(OH)₂作为前驱体制备NiS₂. 通过对NiS₂进行XRD、EDS、BET、SEM及TEM等表征来研究NiS₂的元素组成及结构形貌. SEM及TEM结果显示前驱体及NiS₂均为纳米片结构. 电化学测试结果表明NiS₂存在着优秀的电容性能,在电流密度为1 A·g^-1时,NiS₂比电容能够达到1067.3 F·g^-1,同时具有高的倍率特性. 为了进一步探究NiS₂作为电活性材料的实用性,以NiS₂作为阳极材料,活性炭（AC）作为阴极组装成非对称超级电容器,在功率密度为0.8 kW·kg^-1,能量密度高达38.4 Wh·kg^-1,并且在3000次恒流充放电后,比电容依然保持93.7%.     

NiCo_2O_4对H_2O_2在碱性溶液中电化学还原反应的催化行为(英文)

利用溶胶-凝胶法合成纳米NiCo2O4,并利用X射线衍射和透射电镜分析其结构和表面形貌.结果表明NiCo2O4具有尖晶石结构,平均粒径约为15 nm.利用电势线性扫描和恒电势法测定了其对H2O2在碱性溶液中电化学还原反应的催化性能.发现NiCo2O4对H2O2电化学还原具有高的催化活性和稳定性,在H2O2浓度低于0.6 mol.L-1时,其电化学还原反应主要通过直接还原途径进行.以NiCo2O4为阴极催化剂的Al-H2O2半燃料电池在室温下的开路电压达1.6 V;在1.0 mol.L-1 H2O2溶液中,峰值功率密度达209 mW.cm-2,此时电流密度为220mA.cm-2.     

纳米尺度NiLa_2O_4尖晶石催化NaBH_4还原亚胺制仲胺（英文）

由溶胶-凝胶法制得的Ni-La化合物经热分解制备了纳米尺度NiLa2O4尖晶石,在750o C焙烧后形成了结晶良好的尖晶石结构.采用差热分析、X射线衍射、透射电镜、扫描电镜和粒度分布分析等手段表征了该尖晶石的物理化学性质.结果表明,该纳米颗粒有规则的外形和确定的晶面,由平均粒径为40 nm的规整半球晶粒组成.精修的晶胞参数a=3.861205和c=12.6793.在NaBH4选择还原亚胺制相应仲胺的反应中,该新型纳米NiLa2O4尖晶石可用作高效多相催化剂,得到了较高的产物产率.所有反应可在室温和相对较短的时间内完成.在优化的反应条件下,均可得到带有不同芳基的,包括带有吸电子和供电子基团的仲胺.该催化剂回收简便,重复使用4次,其催化活性未见明显下降.     

Ni_2P纳米片用于光催化二氧化碳还原（英文）

光催化还原二氧化碳是人工光合作用的重要组成部分,但由于还原二氧化碳的活化能过高导致其应用受到极大地限制。这里,我们报道Ni_2P材料耦合光敏剂能够实现高效的光催化二氧化碳还原。此外,为了进一步的提高二氧化碳还原性能,一种合成超薄片层结构Ni_2P纳米片的策略被采用,目的提高其对二氧化碳吸附能力和降低二氧化碳还原的活化能。一系列物理化学表征被实施,比如X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)等。这些实验结果证实了厚度为1.5 nm的超薄Ni_2P纳米片被成功地制备。荧光实验结果揭示了Ni_2P纳米片能够更高效地促进光生载流子的分离。此外,电化学实验证明了Ni_2P纳米片具有较高的活性比表面积和电荷导电性,因此可以为二氧化碳转化提供更多的活性中心,从而加快其界面反应动力学。光催化二氧化碳还原实验结果展现了Ni_2P纳米片光催化一氧化碳的生成速率为64.8μmol?h~(-1),且其活性是Ni_2P颗粒光催化二氧化碳还原活性的四倍,同时它展现出较高化学稳定性。这项工作为超薄Ni_2P纳米片在光催化二氧化碳中的应用提供了新的思路。     

基于阵列电极的新型混合电容器

混合电容器由于兼具电池高能量密度和超级电容器高功率密度的优势,成为当前储能领域的研究热点。然而,电池电极和电容电极之间容量和功率的不平衡严重限制了混合电容器的实际性能。因此,如何实现二者的有效匹配,优化器件性能是混合电容器实用化的关键。阵列电极的使用打破传统粉末电极中不导电粘结剂对电化学动力学的限制,其独特的结构为正负极的匹配提供了新策略。此专论结合新型储能器件的研究现状以及本课题组在混合电容器方面的探索,简单探讨了混合电容器的储能机理和阵列结构作为电极材料的优势,着重介绍了本课题组近年来在混合电容器领域的研究工作,针对存在的科学问题提出了相应的解决方案,阐明了阵列电极混合电容器在柔性/可穿戴电子器件等领域的应用前景,并展望了混合电容器在未来的发展方向和挑战。     

Na_2Ti_3O_7纳米片原位制备与钠离子电池负极材料应用（英文）

报道了Na_2Ti_3O_7纳米片的原位生长和钠离子电池负极材料的应用。通过简单的腐蚀市售的钛片制备出相互连接的微纳结构的Na_2Ti_3O_7纳米片。此外,腐蚀后的钦片在不用添加导电剂或粘结剂的情况下,可以直接作为电极材料使用。这种电极材料表现出优越的电化学性能,在50 mA·g~(-1)的电流密度下具有175mAh·g~(-1)的可逆容量,在2000mA·g~(-1)的电流密度下循环3000周后,其容量仍保持120 mAh·g~(-1),容量保持率为96.5%。Na_2Ti_3O_7纳米片电极的优越电化学性能归因于二维结构具有较短的离子/电子扩散路径以及无粘结剂结构能有效的增加电极的电子传导能力。结果表明,这种微纳结构能够有效地克服Na_2Ti_3O_7作为电极材料离子/电子导电性差的缺点。因此,这种无粘结剂结构的Na_2Ti_3O_7纳米片负极材料是一种很有潜力的钠离子负极材料。     

V_2O_5纳米片固载Pt纳米粒子催化剂的构建及其增强催化空气氧化脱硫性能（英文）

以铂系金属为代表的贵金属催化剂在工业反应中通常表现出优异的催化性能,这是因为其具有独特的d带电子结构和较高的价电子比.近年来,由于大气排放法规愈发严苛,铂系贵金属催化剂在催化空气氧化燃油脱硫方面的研究引起了广泛关注.在该催化反应中,铂系金属纳米粒子可以有效活化空气中的氧气,产生的活性氧物种可以将油品中的噻吩类硫化物氧化为其对应的强极性砜类物质,从而可以将其从非极性的油品中分离出来,有效实现油品中硫化物的深度氧化脱除.然而,在反应过程中铂系贵金属纳米粒子易发生流失和烧结,从而导致催化剂的失活.因此,急需寻找一类可以有效固载铂系贵金属纳米粒子的载体.在目前已报道的众多载体中,以ZrO_2、TiO_2、CeO_2、ZnO等为代表的过渡金属氧化物引起了广泛的关注.通常认为,铂系贵金属纳米粒子的d轨道电子和过渡金属氧化物之间可形成金属-载体强相互作用.然而,目前所使用的过渡金属氧化物载体的比表面积较小,从而导致铂系贵金属纳米粒子难以有效且均匀地分散于其表面.本文采用热膨胀气相剥离法制备了超薄V_2O_5纳米片,并通过超声辅助沉积法将Pt纳米粒子固载于其表面,从而得到一系列可高效活化空气氧化脱硫的催化剂(Pt NPs-n/V_2O_5纳米片).通过电感耦合等离子体光谱、高倍透射电镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱、X射线衍射、拉曼光谱和氮气吸附脱附等方法对催化剂的结构和形貌进行了表征.结果表明,尺寸为4–5 nm的Pt纳米粒子可有效均匀分散于层数约为6层的V_2O_5纳米片表面;在空气氧化脱硫反应中,当催化剂中Pt理论负载量为2 wt%时,反应5 h后,油品的脱硫率可达99.1%,实现了硫化物的深度氧化脱除.该反应体系对不同硫浓度、不同含硫底物的油品均有较好的脱除效果,但对含有烯烃、芳烃的油品脱除效果较差.此外,催化剂循环使用7次后,其脱硫活性仍无明显下降,表现出优异的重复使用性能.对反应后的催化剂进行表征,发现Pt几乎不发生流失,这可能是由于Pt纳米粒子和V2O5纳米片之间形成了金属-载体强相互作用.该结果为其他空气氧化反应的有效进行提供了新思路.     

ZnIn2S4@CNO多级纳米片用于光催化分解水制氢和还原CO2（英文）

光催化分解水制氢和还原CO2是太阳能利用领域的研究热点,对清洁能源的转化具有重要意义.石墨相氮化碳(CN)作为一种非金属半导体,是一种非常有开发潜力的光催化材料.然而限于其聚合物本质,光催化效率仍有待进一步提高.原位非金属掺杂可以利用元素电子结构调控电荷分布,优化光生电荷传输性能.同时,半导体复合,尤其是2D层状复合结构的构筑,可充分发挥2D半导体的优势,合适的能带交错有利于光生电荷的传输,可在一定程度上加速催化反应的进行.本文首先以草酸为氧掺杂源,采用二步煅烧法合成氧掺杂氮化碳纳米片催化剂(CNO).在二次煅烧和氧掺杂共同作用下,增大了CN层间距和多孔性,颗粒尺寸减小,同时增强了对光的吸光性,拓展了可见光吸收范围.接下来采用一步水热合成法得到ZnIn2S4@CNO(ZC)复合材料,在可见光照射下通过分解水制氢和CO2还原反应对复合材料进行光催化还原性能评价.采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、荧光光谱(PL)、光电化学测试等方法对ZC进行详细的结构表征和分析.XRD和XPS结果表明,经过一步直接水热可得到层状ZC复合材料,高倍TEM进一步证实二者形成均一的2D异质复合材料.N2-吸附-脱附曲线表明,复合材料具有较大的比表面积和均一的孔结构分布,主要得益于O掺杂CNO纳米片的多孔性结构.光电性质测试结果表明,相比于CNO,复合材料具有降低的荧光发射强度和延长的荧光寿命,表明复合产物显著抑制了光生电荷的复合.电化学测试进一步表明,复合异质结的构筑有利于光生载流子的产生,同时降低了界面电荷转移电阻,提高了电荷迁移速率.因此,多孔2D异质结构的构筑对促进CN基半导体光催化还原具有重要作用.在可见光照射下(λ>400 nm),复合材料表现出优异的光催化还原性能,且随着CNO含量的增加催化活性不断提高,其中ZC 40%(CNO质量比40%)具有最佳的催化活性,其产氢速率达188.4μmol/h,约是ZnIn2S4和CNO的2.1倍.同时,光催化还原CO2测试表明,复合材料具有显著提高的CO和CH4产率,其中CO为主要反应产物.ZC40%的CO产生速率为12.69μmol/h,分别是ZnIn2S4和CNO的2.2倍和14.0倍.对催化剂进行连续光反应,结果表明,复合催化剂具有优异的结构稳定性和活性稳定性,能够持续发生光还原反应制取H2和CO.     

SnO_2/石墨纳米片复合电极及其在超级电容器中的应用

在电场的作用下对石墨棒进行电化学剥离,使其表面形成相互平行排列,且垂直于石墨棒基底的二维(2D)石墨纳米片阵列(GNSA).然后通过阴极还原电沉积法制备Sn O2/石墨纳米片阵列(Sn O2/GNSA)复合电极.采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外(FT-IR)光谱对其形貌和结构进行了表征.电化学测试表明该复合电极具有优异的超电容性能,在0.5 mol·L-1Li NO3电解质中,扫描速率为5 m V·s-1,电位窗口为1.4 V时,比电容达4015 F·m-2.由Sn O2/GNSA复合电极和相同电解质组装成的对称型超级电容器,在扫描速率为5 m V·s-1时,其电位窗口可增至1.8 V,能量密度达到0.41 Wh·m-2,循环5000圈后其比电容仍保持为初始比电容的81%.     

新型非对称电化学电容器的电极匹配研究

活性炭负极容量的有效利用率是导致双电层电化学电容器和C/Ni(OH)2非对称电化学电容器容量性质差异的主要因素,并可将其作为非对称电化学电容器容量设计和测算的依据;本文引入Ni(OH)2正极有效活性物质概念,以正极有效活性物质的量匹配负极的设计容量,从而优化正、负极的容量匹配,改善非对称电化学电容器的容量和大电流性能.     

γ-Al_2O_3柔性纳米纤维膜的制备及机械性能（英文）

以氯化铝和异丙醇铝为原料,水和乙醇为溶剂,通过溶胶凝胶结合静电纺丝法制备了柔性γ-Al_2O_3纳米纤维膜.表征了纤维膜的形貌和机械性质,并研究了纤维膜的形成过程.组成纤维膜的纤维直径均匀,平均直径188 nm,纤维由粒径在15~30 nm的纳米颗粒组成且表面光滑.制备的纤维膜具有较好的柔性及抗拉强度(1.01 MPa).     

MnO_2/NiCo_2O_4的静电自组装合成及其电化学性能

通过带负电荷的MnO2纳米片与带正电荷的Co-Ni层状双氢氧化物(LDHs)纳米片的静电自组装外加后续热处理合成了异质层状结构的MnO2/NiCo2O4复合物.采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、拉曼光谱、原子吸收光谱(AAS)、场发射扫描电镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM)对其结构和形貌进行了表征.用循环伏安(CV)、恒流充放电和电化学交流阻抗技术对其电化学性能进行了测试.研究结果表明,该方法制得的异质复合物具有多孔层状堆垛结构,这种特殊的结构不仅增大了电解液离子的接触面积,而且还为其嵌入-脱出提供了有效途径.该复合物在1 A·g-1电流密度时,-0.6-0.45 V电位窗口内的比电容达482 F·g-1,优于纯组分MnO2和NiCo2O4的电容性能.