锂金属负极界面修饰及其在硫化物全固态电池中的应用

随着我国新能源产业的快速发展,全固态电池由于其理论上的高能量密度和高安全性受到广泛关注,而硫化物全固态电池具有离子电导率高的优势成为目前的研发热点,但是金属锂负极的锂枝晶生长和与硫化物电解质之间的不稳定性严重阻碍了硫化物全固态电池的研发.本工作在高温150℃下制备了均匀的LiF界面层来抑制金属锂负极/硫化物电解质之间的界面反应和锂枝晶.LiF/Li之间具有较高的界面能,所以可以有效抑制锂枝晶的生长.LiNbO₂@LiCoO₂//Li₆PS₅Cl//LiF@Li (LNO@LCO//LPSCl//LiF@Li)全电池0.05 C, 0.1 C, 0.2 C和0.5 C倍率的正极放电克容量分别为138.4 mAh/g, 105.0 mAh/g, 80.3 mAh/g和60.4 mAh/g, 0.05 C循环50周后,正极容量保持率为80.2%.该方法为后续金属锂负极在全固态电池中的应用提供了新的方案.     

“离子迁移”实验的改进及其实验条件优化*

针对“离子迁移”实验中实验现象不明显、实验操作难度大的问题。采用将CuSO₄、K₂CrO₄与淀粉加工成热的糊状流体,趁热装入U型管,冷却后变成半固体的方法,解决了上述问题。并采用单因素实验法对淀粉的用量、CuSO₄与K₂CrO₄混合物的用量(CuSO₄与K₂CrO₄物质的量之比为1∶1)以及迁移电压等实验条件进行优化。优化后的实验结果显示,离子迁移后形成的区域颜色与半固体淀粉的颜色差别很大,便于学生远距离识别。该方法操作简单、现象明显,有利于一线教师的教学演示和学生的分组实验。     

芯动时刻——基于微流控芯片的科普实验方案*

依托微流控芯片高效、低耗、微尺度等优势,在微通道体系中设计演示酸碱中和、配位、氧化还原等经典实验。通过微尺度下的多相层流、界面反应和径向扩散等效应,建立以界面扩散为主导的演示实验,全过程以慢镜头的谱带方式展现出来,令反应直观易懂,该实验操作简单,并兼具多学科知识交叉。在本设计教学应用中,针对高中生、本科生和专科生知识背景差异,可在普通实验条件下分级进行,对不同层次的学生进行针对性训练,实验操作难度低、试剂用量少(数毫升)、时间短(数分钟)、场地小,兼顾绿色与安全,适合在各本专科院校及中学的实验教学中普及开展。     

钙钛矿光伏电池的非辐射复合损耗及调控策略

基于金属卤化物的钙钛矿光伏电池(PSCs)具有较大的光吸收系数、长的载流子扩散距离以及较低的制备成本等优势,在过去十几年来得到了研究者的广泛关注,目前最高光电转换效率(PCE)已经达到25.5%。然而,由于载流子运输过程中存在各类非辐射复合损耗,器件的PCE仍然低于肖克利-奎伊瑟理论极限。本文围绕PSCs的结构与工作原理,着重综述了器件工作过程中常见的非辐射复合方式,具体包括缺陷辅助复合、界面诱导复合、俄歇复合和带尾复合等,这些复合方式作为影响器件效率与工作稳定性的重要因素,受到研究者的广泛关注。结合最新的研究进展,从减小钙钛矿晶体缺陷、钝化晶界缺陷、钝化表面缺陷、优化能级结构等四个方面总结概括了降低非辐射复合的常用措施和策略。最后,对PSCs的非辐射复合调控前景进行了展望。     

Eu(Ⅲ)在蒙脱石上的吸附及碳酸根和磷酸根对其吸附的影响

锕系核素在处置库围岩和缓冲回填材料中的吸附和迁移参数是处置库安全评价的重要数据模块之一,而Eu(Ⅲ)由于其与三价锕系元素An(Ⅲ)相似的离子半径和化学性质常被用于模拟三价锕系元素的化学行为。本文通过批式吸附实验研究了固液比、接触时间、离子强度、pH、碳酸根及磷酸根等对Eu(Ⅲ)在蒙脱石上吸附的影响,重点关注了吸附机理和表面种态。研究结果表明,低pH时Eu(Ⅲ)在蒙脱石上的吸附方式为外层配位吸附,近中性时为内层配位吸附,高pH时则以表面沉淀的方式被吸附。离子强度的增大对Eu(Ⅲ)在低pH时的吸附产生抑制作用。低pH时碳酸根对Eu(Ⅲ)吸附的影响不明显,但在高pH时其会改变Eu(Ⅲ)的表面吸附种态。尽管磷酸根本身的吸附非常弱,但磷酸根会显著增强Eu(Ⅲ)的吸附。X射线光电子能谱结果和磷酸根吸附实验说明Eu(Ⅲ)在蒙脱石表面上形成了EuPO₄沉淀。本工作研究了蒙脱石/Eu(Ⅲ)二元体系和蒙脱石/Eu(Ⅲ)/阴离子三元体系的吸附行为,并用光谱技术探究了其吸附种态,为理解三价锕系核素在蒙脱石上的吸附行为提供了重要参考。     

无限稀释氯化氢水溶液中离子迁移数的测定

基于Debye-Hückel-Onsager理论讨论了离子迁移数与电解质溶液浓度的关系,并介绍了测定无限稀释条件下离子极限迁移数的实验方法。实验证明,测得的迁移数与溶液浓度关系可以计算为一个线性拟合函数,并外推至零浓度,从而得到极限迁移数。因此,这个传统教学实验可以做出改进,以增进学生对电解质理论的理解。     

BiOBr/Ni2P/g-C3N4体系中用Ni2P电子桥加速S型体系光生载流子分离

水污染对人类健康和生态环境造成了严重的危害,引起了人们广泛关注.半导体光催化技术被认为是一种去除废水中有机污染物的有效方法.近年来,石墨相氮化碳(g-C₃N₄)作为一种无金属的光催化剂,具有合适的带隙能(Eg≈2.7eV)、良好的化学稳定性、较好的热稳定性、无毒以及强的还原电位(ECB≈-1.3eV)等特点,表现出较好的光催化活性.但由于g-C3N4光生载流子复合快和量子效率低,限制了其实际应用.因此,研究者们开发了各种有效的方法来克服上述缺点,如调控形貌、掺杂离子、沉积贵金属和构建异质结等.其中,构建梯型(S型)异质结已被证实是提高复合材料光催化活性的一种有效策略.S型异质结的形成不仅有效地加速光生电子和空穴的分离和迁移,而且还增强了光生载流子的氧化还原能力.除了电子结构外,异质结的界面电阻直接影响着光生载流子的分离效率,从而决定光催化活性强弱.据报道,具有高导电性的"电子传递介质"或"电子桥"可有效地降低载流子迁移过程中的界面阻力.过渡金属磷化物具有优良的导电性、低廉的价格和无毒的特性,完全满足电子桥的要求,成为电子桥的最佳候选材料之一.结合S型异质结和电子桥的优势,本文采用沉积-沉淀法制备了一种新型的S型BiOBr/Ni₂P/g-C3N4异质结.在可见光(λ≥400 nm)下,该催化剂对甲基橙和罗丹明B的降解活性明显优越于BiOBr/g-C₃N₄.这主要归因于电子桥Ni₂P和S型异质结的协同效应.密度泛函理论计算表明,电子从BiOBr通过电子桥Ni₂P转移到g-C₃N₄.在可见光照射下以及界面内建电场的驱动下,带边缘弯曲和库仑相互作用协同促进了复合物中相对无用的电子和空穴的重组,从而保留了较强氧化还原能力的电子和空穴.活性氧捕获实验、电子顺磁共振光谱和电流-电压曲线结果进一步证明,光催化剂中的电荷迁移方式遵循S型异质结的迁移机制.综上,本文不仅为S型光催化剂的设计提供了有效策略,也为界面载流子的快速分离和迁移提供了切实可行的途径.     

集成二维层状CdS/WO3S型异质结及金属化Ti3C2MXene基欧姆结高效光催化产氢

开发低成本的半导体光催化剂以实现可见光下高效、持久的光催化分解水产氢是一个非常具有挑战性的课题.近年来,具有高产氢活性的CdS光催化剂引起了人们的研究兴趣.但是光生电子-空穴对快速复合、反应活性位点不足以及严重的光腐蚀等问题,严重地制约了CdS在光催化领域的实际应用.构建S型异质结和负载助催化剂被认为是促进光生电子空穴分离和加速产氢动力学的有效策略.本文通过在低成本的WO₃和Ti₃C₂MXene(MX)纳米片上生长CdS纳米片,设计并构建了具有二维耦合界面的2D/2D/2D层状异质结光催化剂,以实现高效的可见光光催化分解水产氢.首先通过水热煅烧和刻蚀的方法分别制备了WO₃和MX纳米片,然后以乙酸镉和硫脲为原料在乙二胺溶剂中通过水热法合成了MX-CdS/WO₃层状异质结光催化剂.在可见光下,以乳酸为牺牲剂测试了光催化剂的产氢活性且经过4次连续的循环反应,MX-CdS/WO₃体系展现出良好的活性及稳定性.在可见光的照射下,MX-CdS/WO₃层状异质结光催化剂最高的可见光光催化分解水产氢速率达到了27.5 mmol/g/h,是纯CdS纳米片的11倍.与此同时,在450 nm的光照下,表观量子效率达到了12.0%.为了深入探讨其高效产氢机理,通过X射线衍射、X射线光电子能谱、原子力显微镜、透射电镜、高分辨电子显微镜等对MX-CdS/WO₃体系的组成和结构进行分析.结果表明,实验成功地合成了CdS,WO₃和MX三种纳米片及其复合材料.通过紫外-可见漫反射光谱研究了样品材料的光吸收能力.通过表面光电压、稳态及瞬态荧光光谱等研究了材料的电荷载流子复合和转移行为,发现MX-CdS/WO₃的光生电子空穴对相比与纯CdS或者二元复合材料具有更高的分离效率.UPS和ESR等表征结果说明,材料内部电场的方向和在光照条件下光生载流子的迁移方向,从而证实了S型异质结和欧姆结的成功构建.综上,在MX-CdS/WO₃光催化剂体系中,S型异质结形成较强的界面电场能够有效促进CdS纳米片与WO₃纳米片之间光生电子-空穴对的分离.同时,二维Ti₃C₂MXene纳米片作为辅助催化剂,通过与CdS/WO₃纳米片构建欧姆结,进而提供大量的电子转移途径和更多的析氢反应活性位点,使得CdS光催化剂的光催化活性和稳定性得到了很大的提升.通过构建S型内建电场、欧姆结和2D/2D界面可以协同提高CdS纳米片的光催化性能,从而加速光生电子在异质结中的分离和利用.本文所采用基于S型异质结与欧姆结基助催化剂之间的耦合策略可以作为一种通用策略扩展到其它传统半导体光催化剂的改性中,从而推进高效光催化产氢材料的有效合成.     

一维硫化镉/二维二硫化钨纳米异质结用于超高活性光催化制氢

基于半导体的太阳能光催化分解水制氢技术是一种环境友好、潜力巨大的绿色氢能制造方案.常用的块体半导体材料一般具有较弱的可见光吸收、快速的光生载流子复合以及较低的光催化制氢效率等缺点.因此,设计开发具有宽光谱光吸收、稳定性好、催化活性高的太阳能光催化材料是促进光催化制氢发展的关键,也是该研究方向的挑战之一.硫化镉纳米材料是...     

氨基化氧化石墨烯和脂肪酸在水-油界面的共吸附动力学北大核心CSCD

合成了氨基化氧化石墨烯(NH_(2)-PEG-GO),利用界面张力仪研究了脂肪酸质量浓度、NH_(2)-PEG-GO质量浓度以及脂肪酸链长度对于NH_(2)-PEG-GO与脂肪酸在水-油界面共吸附行为的影响。结果表明,当NH_(2)-PEG-GO与脂肪酸共同存在于液相且质量浓度较低时,此时的水-油界面张力值要明显低于体系中只添加NH_(2)-PEG-GO或脂肪酸时的张力值。脂肪酸的链长越长,NH_(2)-PEG-GO与脂肪酸共吸附降低界面张力能力越强。由于相对于NH_(2)-PEG-GO,脂肪酸尺寸较小,所以初期的界面张力降低由脂肪酸吸附引起,而且,脂肪酸在水-油界面的吸附能够吸引NH_(2)-PEG-GO向界面扩散,表现出吸附的协同效应。而在吸附后期,界面张力降低现象由NH_(2)-PEG-GO主导,NH_(2)-PEG-GO与脂肪酸之间存在竞争吸附。