矿物复合材料及其能量存储与能源催化应用

矿物复合材料是近些年来发展起来的材料科学分支学科,是与地质学领域的矿物岩石学融合创新的交叉领域.它既具有矿物所具备的特定功能和属性,又包含复合材料的鲜明特征,在生态环境、新能源、大健康等领域具有广阔应用前景,并符合“碳达峰、碳中和”的战略需求.随着人类对能源可持续性的探索,与能源相关的材料已然成为材料研究领域的热点,其中,具有来源丰富、低成本的矿物复合材料在能源和催化领域日益受到重视.欲实现矿物复合材料在能量存储和能源催化等领域的应用,仍待取得更多突破并亟待进一步研究与探讨.本文从矿物复合材料的概念和学科分支的形成出发,首先梳理了矿物复合材料的发展历程,初步定义了矿物复合材料的分类,归纳了常见矿物复合材料中矿物组分在能量存储和能源催化应用中的作用;介绍了矿物复合材料在能量存储领域的应用,包括压电自发电、超级电容器、二次电池等;总结了矿物复合材料在能源催化领域的应用,涵盖了以光催化/电催化析氢反应、热释电催化和压电催化为主的应用.最后,对矿物复合材料未来可能面临的科学问题和发展方向作出了展望.     

湿气发电机的研究进展、应用和展望

随着化石资源的枯竭和环境污染的加剧,人类对绿色可再生能源的需求与日俱增.开发新型绿色能源是缓解能源危机的有效方法之一.水作为一种丰富的可再生资源,能够通过流动、蒸发、扩散等运动实现能量转换.水分子在地球表面的主要存在形式包括固态、液态和气态3种.为有效利用水资源,已制造出水力发电、潮汐能发电等使用液态水的大型设备.近年来,水分子与功能材料间的水伏效应掀起了对湿气发电的研究热潮.湿气发电机能够利用环境中的湿气能量产生电能,其过程主要包括电荷有效分离和载流子不对称运动.湿气发电机具有体积小、易制备、易集成等优点,能够从人体日常生理活动(如呼吸、出汗等)中收集能量并转化为电能,在便携式柔性电源和自供能传感器等领域具有巨大的应用潜力.本文总结了湿气发电机的基本原理、材料和结构设计方法及典型应用,并对湿气发电机的发展趋势进行了展望.     

光电催化还原二氧化碳概览

光电催化还原二氧化碳(CO_2)利用光能和电能可以将二氧化碳转化为液体燃料或其他有机化合物,还原过程结合了光催化还原和电化学还原的优点,具有巨大的应用潜力。通过简要介绍并比较光催化转化、电催化还原和光电协同催化还原CO_2的原理和特点,得出光电催化还原CO_2具备诸多优点,并对光电催化还原CO_2的影响因素进行了分析,最后对其未来的研究方向进行了展望。     

高性能柔性碲化铋/碳纳米管复合热电薄膜

<正>热电材料是可将热能与电能相互直接转换的绿色能源材料[1,2],其能量转换效率主要取决于材料与器件性能,不依赖于能量体系的大小,因而在微小热源的回收发电、局部"热点"的快速精确制冷等技术领域具有显著的优势,在环境温差原位发电、低品位分散式热源利用、电子器件/微系统芯片温控等领域具有重要的应用.在实际应用中,     

新型绿色能源——燃料电池

人类社会发展至今,绝大部分的能量转化是通过热机过程实现的.热机过程受卡诺循环的限制,不但转化效率低,造成严重的能源浪费,而且会产生大量的粉尘、二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物、烃类化合物等有害物质以及噪声等,进一步导致大气、水质、土壤等污染,严重污染和破坏人类赖以生存的环境和整个生态系统.     

高效四端钙钛矿/铜铟镓硒叠层太阳能电池

<正>随着能源需求的不断增长和化石能源的日益枯竭,清洁能源的发展正在受到越来越多的重视.其中,太阳能电池可将太阳光能转化为电能,作为一种高效、可靠、环保的清洁能源利用技术,将在未来的能源体系中扮演重要角色.近年来铅基卤化物杂化钙钛矿太阳能电池因同时具有高光电转换效率和潜在的低制造成本,迅速成为太阳能科学的前沿热点领域.单结钙钛矿电池的能量转化效率的世界纪录目前已达26.0%,     

温差电技术的研究进展

温差发电是利用热电转换材料将热能转化为电能的全静态直接发电方式, 具有设备结构紧凑、性能可靠、运行时无噪声、无磨损、无泄漏、移动灵活等优点, 有微小温差存在的情况下即可产生电势, 在军事、航天、医学、微电子领域具有重要的作用. 近几年随着能源与环境问题的日益突出和燃料电池的实用困难, 温差电作为适应范围广和符合环保的绿色能源技术吸引了越来越多的关注. 介绍了温差电技术的机理, 综述了最新研究进展和提高发电效率的途径, 并提出利用废热进行温差发电和开发温差电传感器是我国当前应该优先发展的研究方向.     

由烃加工到烃合成:催化技术进展

烃类化合物是构成液体燃料和合成材料单体的重要化学品,面对资源和环境的双重挑战,传统的烃类生产技术已不能满足经济发展需求.本文分析了由烃加工到烃合成技术发展趋势,综述了烃加工和烃合成对催化新技术的需求,提出烃加工要围绕石油资源高效利用与绿色清洁转化技术,烃合成要发展甲醇及合成气等碳一转化技术,进而推进煤、天然气高效清洁利用,同时要发展生物质资源转化及可再生能源的利用技术,最终实现碳循环.通过分析总结典型催化案例,阐述了"系统与基元"、"表观与本征"等烃加工到烃合成催化技术的关键科学问题.     

非金属碳基纳米催化材料研究进展

催化反应在石油与化学工业占有重要的地位,而传统的金属基催化材料由于储量有限、稳定性差、环境污染等问题,在工业上的大规模使用正受到多种限制性挑战.近年来随着绿色化学和可持续化学发展的推动,非金属碳基纳米催化材料及其应用研究引起了国内外广泛关注,成为当前能源、材料、化工等领域的热点方向.本文简要介绍了碳基纳米材料结构与催化的关系,重点综述了近5年非金属碳基纳米催化材料设计与其在液相反应、气相反应和光电催化等反应中的应用基础研究进展,并结合本课题组研究工作,从反应工程学的角度对当前非金属碳基纳米催化的问题和未来前景作了展望.     

无尽能源 绿色能源

能源问题,几乎人人皆知;能源问题的复杂性,我们未必都详知。能量是一个最基本的物理概念,能量利用和能源开发,就科学意义而论,乃立足于物理学之最重要的基本定律之一——能量守恒和转化定律;就社会进步而论,它提供物质文明建设以原动力。从近代到现代,一次次的工业革命和一     

异相光催化技术在能源与环境及有机合成领域的研究进展

光催化技术由于其简单、有效和环保等特点,在能源、环境及化学合成领域受到广泛关注.近年来,随着原位表征技术的飞速发展,学术界对光催化过程的理解逐步加深,并提出了多种理性设计光催化剂的策略.此外,物理、化学、材料、医学等学科的高度交叉进一步推动了光催化技术的应用前景.本文总结了近年光催化技术机理方面的深度认识及光催化技术在能源、环境及有机合成领域的研究进展,包括光解水制氢、小分子活化等能源领域的研究,以及选择性氧化还原、偶联、氘代化等有机合成领域的研究;还分析总结了光催化技术在应用领域亟需解决的关键问题.     

二维催化材料在电解水中的研究进展

氢能是一种高热值、无污染的洁净能源.电解水制氢被认为是一种有效利用可再生能源,如风能、太阳能等,实现能量储存和转换的前沿科技.二维材料独特的结构和电子特性使其在催化电解水反应中具有广阔的应用前景.本文系统综述了二维材料在催化电解水反应中的两个半反应——阴极析氢反应(HER)和阳极析氧反应(OER)中的关键科学问题和最新进展,并展望了该领域所面临的挑战和机遇.     

碳基纳米管的生长机理、结构调控及能源导向的功能化研究*

简要介绍了以苯为原料生长碳纳米管的六元环机理,运用该机理的基本思想设计制备了N,B掺杂的碳基纳米管,方便地构建了高分散的铂基纳米复合催化剂,在燃料电池电极催化反应（甲醇氧化、氧还原）中具有优良的电催化性能。富电子N或缺电子B的掺杂均可将碳纳米管转变为优良的无金属氧还原催化剂。这些研究为设计和开发替代或优化利用贵金属的高性能燃料电池催化剂提供了新的思路、方法和途径,展示了碳基纳米管在新型能源材料领域的广阔前景,也体现了基础研究在科技创新中的重要作用。     

可再生合成燃料研究进展

能源是支撑人类文明和发展的源泉,自古以来人类社会的每一次重要进步都伴随着能源利用效率的不断提升.然而,化石燃料的过度开采和利用不仅造成了能源危机,而且还导致了温室气体、颗粒物等污染物过量排放所引发的严重环境问题.如何获得可再生的洁净燃料是人类社会可持续发展面临的重要挑战. 19世纪中叶,人类已经开展了制备可再生合成燃料方面的探索,发现利用厌氧微生物可以转化生物质制取富含甲烷的燃气.历经160余年的发展,已经形成了多条直接或间接的可再生合成燃料制备途径.本文围绕可再生燃料的电化学合成、光催化转化、热化学转化、微生物转化四种主要合成路线,综述了利用可再生能源转化二氧化碳制备甲烷、醇醚燃料、烷烃柴油、航空燃油等合成燃料的发展历程、重要进展及挑战,为未来的燃料可持续供给提供新思路.     

柔性压电纳米发电机

随着功能器件朝着小型化、低能耗方向的发展,开发出与之适应的电源成为一个亟需解决的问题.利用压电纳米线优越的力学性能与对微弱力具有高度敏感性的特点,纳米发电机可以将自然界或日常生活环境中的无规则机械能转化为电能,为功能器件供电问题提供了一个可能的解决方案.本文从纳米发电机的工作原理出发,探讨了直流纳米发电机、交流纳米发电机的工作机制,随后就柔性纳米发电机的研究现状做了简要的概述.     

水在二氧化钛表面的光反应机理研究进展

利用太阳能光解水生成氢气一直是光催化领域的研究热点之一.在过去的几十年,利用二氧化钛来实现光催化分解水产氢被广泛研究.但是,由于体系的复杂性,水在二氧化钛表面的光解离反应机制至今仍有很多基本问题尚未得到解释.因此,从微观层面上理解水在二氧化钛表面的光解离机制对于能源化学和光催化而言均具有重要意义.本文系统综述了水在二氧化钛单晶表面光解离机理的最新研究进展,分析了影响光催化水解离效率的因素(如表面结构、分子间氢键、光子能量等),并对光催化模型进行了开放性讨论,指出了电荷/能量转移以及电荷载体与吸附质的相互作用在水光解离过程中扮演的关键作用,希望能为开发更高效的光催化剂提供线索.     

化学链燃烧的能源环境系统研究进展

化学链燃烧的能源环境系统是能源科学与环境科学交叉的新兴领域. 它具有零能耗分离CO₂和提高系统效率的特点, 因而被认为是同时解决能源利用与环境协调问题的重要突破口, 也是当前国际学者研究温室气体控制的热点和焦点. 在综述化学链燃烧能源环境系统的研究进展基础上, 剖析了化学链燃烧的氧载体材料的反应特性和再生性方面的难点, 介绍了反应器结构特点及其应用情况. 围绕关键过程机理和系统集成, 探讨了化学链燃烧过程的化学能梯级利用的能量释放机理和系统集成原则. 最后, 针对化学链燃烧能源环境系统研究发展与潜力, 展望了未来的研究发展方向和应用前景.     

氯代挥发性有机物的光、电催化去除研究进展

氯代挥发性有机物(chlorinated volatile organic compounds, Cl-VOCs)的化学稳定性好、毒性高、半衰期长,其去除技术一直都是环境领域的一个重点.光、电催化技术因其催化效率高、工艺设备简单、反应条件温和以及经济环保等工艺优势,受到广泛的关注.本文在对Cl-VOCs的去除方法进行简要分析的基础上,重点综述了光催化降解和电催化脱氯技术去除Cl-VOCs的研究进展.首先对Cl-VOCs的光、电催化反应机制及其优缺点进行简要总结;其次,结合光、电催化反应过程以及Cl-VOCs自身结构特点与催化剂的关系等方面,总结了催化活性的影响因素以及催化剂的种类和特性,为后期Cl-VOCs的有效处理和资源化利用以及高性能的催化剂的合理设计提供参考和依据;最后,对Cl-VOCs光、电催化去除领域潜在的发展趋势进行了展望.     

电子束辐照诱导介质表面带电演化过程

空间环境中航天器介质表面的充放电现象是在轨航天器工作中面临的重要可靠性问题,开展介质表面充放电动态过程研究对于揭示带电机理、开展带电防护研究至关重要.本文推导了介质表面电子发射行为对表面带电类型和带电水平的影响规律,通过仿真建模模拟了恒定能量电子束辐照介质时的表面电荷积累过程,获得了氧化镁、氧化铝、高阻氧化锌3种介质表...     

二维半导体光催化材料研究进展

光催化技术可以直接利用低能量密度的太阳光驱动化学反应，实现用太阳能-高密度化学能直接转化来生产清洁能源和工业原料，也可以驱动污染物和有毒物质降解来治理环境污染，具有巨大的应用潜力。尽管光催化材料的研究开发已有越来越多的报道，但在催化活性、选择性、稳定性等方面还远不能满足大规模应用的要求。近年来，在众多被报道的光催化剂中，二维半导体材料表现出优异的催化性能和应用潜力，文章系统性总结了二维半导体光催化材料的研究现状，并对未来的研究方向进行了展望。