无枝晶金属锂负极用钨青铜改性碳纤维膜集流体

采用静电纺丝法首先制备了聚丙烯腈-锂钨青铜(PAN-Li_(0.47)WO_(2.89))复合纤维膜,后经预氧化、碳化处理获得锂钨青铜改性的碳纤维膜复合集流体(C(PAN)-Li_(0.47)WO_(2.89)).作为金属锂负极集流体,该复合纤维膜具有导电率高、比表面积大(52.84m~2g~(-1))等优点,可以有效降低集流体表面的锂沉积电流密度与锂沉积量;与此同时,在复合纤维中引入的高亲锂性Li_(0.47)WO_(2.89)可以有效降低锂沉积成核过电势、增加晶核密度,改善锂沉积-剥离反应的可逆性与均匀性.在0.5 mA cm~(-2)电流密度、0.5 m Ah cm~(-2)锂沉积量条件下, C(PAN)-Li_(0.47)WO_(2.89)复合纤维膜经过1000次充放电循环后库仑效率仍高达99.4%,而铜集流体和C(PAN)纤维膜集流体在100和800次循环后,库仑效率已经分别降至8.5%和64.6%.本研究为高性能金属锂电池开发提供了新的设计思路.     

CeO_2对锂离子电池正极材料LiMn_(1/3)Co_(1/3)Ni_(1/3)O_2的包覆改性

采用溶胶凝胶法对LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2表面包覆了1.0wt%的CeO2.采用X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM),循环伏安(CV)和恒流充放电对包覆和未包覆的LiMn1/3Co1/3Ni1/3O2进行了结构表征与性能测试分析.研究显示,CeO2并没有改变电极材料的晶体结构,仅在电极材料表面形成均匀的包覆层.包覆1.0wt%CeO2后的材料的放电容量和循环性能均明显优于未包覆的材料.在20mA·g-1的电流密度下,包覆1.0wt%CeO2后的材料的放电容量为182.5mAh·g-1而未包覆的材料仅为165.8mAh·g-1.包覆1.0wt%CeO2后的材料在3.0C下循环12周后的容量保持率达93.2%,而未包覆的材料的容量保持率仅为86.6%.CV测试表明,CeO2包覆层可以有效的防止正极材料与电解液的直接接触,抑制了材料结构的转变或抑制了与电解液的副反应,从而提高了材料的电化学性能.     

石墨烯基电极材料结构设计及其在二次电池中的应用

电极是实现高效电化学储能的基础,而常规的电极大多采用半导体甚至绝缘体为活性材料,不仅存在导电性差、电化学利用率低、倍率性能差等问题,而且部分电极材料在反应过程中还存在体积膨胀严重、中间产物流失等缺点,导致电极循环稳定性差.解决这些问题的有效途径之一是从电极材料的微纳结构入手,设计兼具高电化学活性及高结构稳定性的材料.石墨烯具有优异的导电性、超高的比表面积、柔性的二维结构及良好的机械性能,可用于构建高性能复合电极.石墨烯基电极材料结构主要包括核壳结构、三维网络结构、多级孔结构、三明治结构等,这些结构均对电化学储能器件的性能有不同程度的提升.本文以结构设计为主线总结了石墨烯在二次电池(如锂离子电池、锂硫电池和锂空气电池)电极材料结构设计中的应用,分析了不同结构类型在改善电化学性能方面的优势,为提高电化学储能体系的性能带来启示.     

锂离子电池失效的快速判定

通过锂离子单体电池的循环寿命实验,分析了该电池的充放电电流,电压以及内阻随循环次数的老化特性.研究发现,随着充放电次数的增加,电池在恒流阶段充入的容量占总容量的百分比的变化趋势和电池内阻变化相一致,因此可以根据恒流充电的时间来快速判定电池的衰减程度.     

CeO2对锂离子电池正极材料LiMn1/3CO1/3Ni/3O2的包覆改性

采用溶胶凝胶法对LiMn1/3CO1/3Ni/3O2表面包覆了1．0wt％的CeO2．采用X射线衍射（XRD）,扫描电镜（SEM）,循环伏安（CV）和恒流充放电对包覆和未包覆的LiMn1/3CO1/3Ni/3O2进行了结构表征与性能测试分析．研究显示,CeO2并没有改变电极材料的晶体结构,仅在电极材料表面形成均匀的包覆层．包覆1．0wt％CeO2后的材料的放电容量和循环性能均明显优于未包覆的材料．在20mA·g^-1的电流密度下,包覆1．0wt％CeO2后的材料的放电容量为182．5mAh·g^-1而未包覆的材料仅为165．8mAh·g-1．包覆1．0wt％CeO2后的材料在3．0C下循环12周后的容量保持率达93．2％,而未包覆的材料的容量保持率仅为86．6％．CV测试表明,CeO2包覆层可以有效的防止正极材料与电解液的直接接触,抑制了材料结构的转变或抑制了与电解液的副反应,从而提高了材料的电化学性能．     

多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶的制备及其电化学性能

以NH_4VO_3为原料,通过180℃下水热反应和550℃下NH_3处理制备了多孔氮化钒(VN)纳米带气凝胶,并对多孔VN纳米带气凝胶的电化学性能进行了分析.SEM和TEM分析表明所制备的多孔VN纳米带的宽度为100~400 nm,孔尺寸为10~20 nm.电化学阻抗谱分析表明多孔VN纳米带气凝胶对I3.还原反应具有很高的催化活性,电荷迁跃电阻为1.36Ωcm~2.用多孔VN纳米带气凝胶电极组装的染料敏化太阳电池的光电转换效率为7.05%,与传统的Pt电极电池相近.循环伏安和恒流充放电实验表明多孔VN纳米带气凝胶具有较好的电容性能.当电流密度为0.5 A/g时,多孔VN纳米带气凝胶在2 mol/L KOH溶液中的比电容达到292.2 F/g.因此,所制备的多孔VN纳米带气凝胶可以作为高效的电极材料应用于染料敏化太阳电池对电极和超级电容器电极中.     

双电层电容器电极平衡技术的研究

以复合型活性炭为原料,通过拌浆、涂布、干燥及老化检测等工艺制备出正负电极厚度不同的方形双电层电容器,通过加速循环寿命测试分析了不同电极厚度双电层电容器体积比电容与内阻等方面的变化.结果表明：长时间的加速循环寿命测试会导致电容器隔膜变黄、变黑;当正极厚度大于负极时,双电层电容器具有更加稳定的电化学性能和更小的膨胀率.此外,在电容器负极厚度一定、电极平衡系数为0.20时,双电层电容器的综合性能最佳.     

MH-Ni电池中正极材料β-Ni(OH)2微结构的对比

微结构主要指微应变、微晶和堆垛层错, 它们都会引起X射线衍射线的宽化现象. 在总结前人工作的基础上, 提出并建立了分离微晶-堆垛层错二重、微晶-微应变-层错三重宽化效应的最小二乘方方法和相关的计算程序, 于是可分别计算出微应变(微应力)、微晶大小和堆垛层错几率. 用这种方法对不同来源的β-Ni(OH)₂原材料、普通MH-Ni电池活化前后和循环寿命试验前后的β-Ni(OH)₂、正极中加有Ca化合物的电池在循环寿命试验后β-Ni(OH)₂的微结构进行了对比分析和研究. 实验结果表明, 活化和循环充放电的影响是巨大的, 使微晶形状和尺度、微应变状态和堆垛层错几率都发生重大变化, 而且这些微结构参数与电池的电化学性能之间有一定的对应关系.     

不可逆热容热电转换装置性能的优化分析

基于超级电容的古伊-查普曼-斯特恩(CGS)双电层模型,本文建立一类不可逆热容热电转换装置循环的新模型.应用热力学理论和系统的能量平衡方程,导出该热容循环的回热量、输出功率和能量效率的表达式.通过数值计算,揭示热容循环的一般性能特性,分析循环的电量比、充电截止电压、回热过程的时间、双层距离、电解液浓度等重要性能参数对热容热电转换系统优化性能的影响.对于一些给定的参数,确定系统运行于最大功率下循环的电量比、双层距离、充放电过程的温度的优化值,给出循环的一些重要性能参数的优化范围.结果表明,为了获得循环的最优性能,采用CGS模型除了对充放电过程的温度和循环的电量比进行优化外,还可对电容的多孔电极的孔径进行优化,当充电截止电压为2 V时,优化的最大功率密度约为4.9 kW/m~2,相应的效率可达18.5%.本文所获得的结果可为实际热容热电转换装置优化设计和运行提供理论依据.     

钠离子电池用电解质材料的研究进展

钠离子电池因钠源丰富、成本较低而受到科研工作者的广泛关注.钠离子电池主要由正极、负极、电解质、电流收集器等部分组成.相对于电极材料的研究,电解质材料的研究相对较少.但作为电池的组成部分,电解质却起着平衡及传输电荷的重要作用,其各组分的前线轨道(frontier molecular orbitals)能量不仅决定了电池的电化学平台,也影响着电池的热稳定性,而且,其稳定性及离子电导率是决定电池性能的关键参数.本文从优秀电解质应具备的特点入手,综述了常见液态电解质及固态电解质材料的结构特点、性质及主要改进方法.     

一种能同时吸附水中多种污染物的新型吸附材料:表面活性剂改性沸石

表面活性剂改性沸石是指将粉煤灰合成沸石后,使用十六烷基三甲基溴化铵进行表面修饰获得的一种新型吸附材料.本文评估了表面活性剂改性沸石从水中同时去除多类污染物的多功能性.目标污染物包括无机离子型污染物(氨氮和磷酸盐)、有机离子型污染物(亚甲基蓝和腐植酸)、可离子化有机污染物(不同pKa的双酚A,-氯酚和苯酚)和不可离子化的有机污染物(不同疏水性的苯胺,硝基苯,萘).与合成沸石相似,表面活性剂改性沸石吸附氨氮和磷的能力也较强.沸石内部孔隙中的负电荷可以去除氨氮;粉煤灰中的CaO,Al2O3和Fe2O3等成分经过沸石合成过程中的修饰可以吸附磷.研究结果还表明:尽管合成沸石对腐植酸,可离子化和不可离子化的有机污染物没有亲和性,表面活性剂改性沸石却对上述污染物具有很强的吸附能力.表面活性剂在沸石表面形成了双层胶束,使沸石外表面具有了疏水性,因此,可以吸附有机污染物.本研究表明表面活性剂改性沸石是一种很有前途的多功能水处理吸附剂.     

HRP在L-半胱氨酸自组膜上的固定化及其对H2O2的催化还原作用

在金盘电极表面制备L-半胱氨酸(L-Cys)自组装单分子膜,通过调节溶液的酸度使辣根过氧化物酶(HRP)带有正电荷,利用控制电位的方法在L-Cys自组装单分子膜上组装HRP,制备出辣根过氧化物酶/L-半胱氨酸/金电极(HRP/L-Cys/Au),进而研究金表面上固定化HRP的电化学表征方法以及对H2O2的催化还原作用。结果表明,该固定方法能很好地保持酶的催化活性,能有效催化H2O2分解,所制备的HRP/L-Cys/Au电极在2.2×10-5~2.2×10-2mol/L范围内,还原峰电流与H2O2的浓度呈良好线性关系,相关系数为0.996,对H2O2的检测下限为2.2×10-5mol/L,本文为生物分子的固定化提供了一种较好的方法,对生物传感器的研究具有重要意义。     

Ag-Ag_2S/MoS_2的制备及在无酶电化学过氧化氢传感中的应用

本文设计并制备了一种用于无酶电化学过氧化氢传感的新型银-硫化银/硫化钼复合材料(Ag-Ag_2S/MoS_2).通过将单独合成的MoS_2水分散液和Ag纳米分散液进行混合,利用自组装的方法实现了Ag-Ag_2S/MoS_2复合材料的制备.结果发现, Ag-Ag_2S纳米颗粒均匀生长在由多层片状MoS_2堆积形成的花瓣上, Ag_2S主要存在于Ag纳米颗粒和MoS_2片层的接触界面处.将此复合材料用于电化学传感时,修饰的电极表现出诱人的无酶电化学H_2O_2传感性能,不但具有极宽的线性区间范围(0.01～160 mmol/L),而且保持很好的灵敏度17.1μA (mmol/L)~(-1)cm~(-2)和较小的最低检测限4.8μmol/L.这种优良的性能归因于Ag, Ag_2S颗粒和MoS_2片层三者间的协同作用:Ag和MoS_2本身都具有良好的过氧化氢催化活性, Ag纳米颗粒和1T相MoS_2能显著提高复合材料的导电性能,界面形成的少量Ag_2S为Ag和MoS_2间的电子传输提供了通道.进一步的分析表明,这种基于Ag-Ag_2S/MoS_2复合材料的传感器还表现出卓越的选择性、良好的稳定性和重现性.     

基于S-CO2循环和ORC耦合的燃煤发电系统烟气余热深度利用方案研究

多级压缩回热能够显著提升超临界二氧化碳(S-CO₂)循环效率,然而当其应用于燃煤发电领域时,由于回热程度的提高,锅炉尾部烟气余热吸收困难.针对这一问题,本文构建了一次再热三级压缩S-CO₂循环(TC+RH)和有机朗肯循环(R123)深度耦合的联合循环,通过优化系统与环境间的能量流动过程,逐步提高系统性能.首先通过ORC同时逐级吸收S-CO₂循环冷却器与锅炉烟气热能,降低锅炉排烟温度、提高锅炉效率.在S-CO₂循环主气参数为620°C/30 MPa时,排烟温度从132°C降低到123°C,系统发电效率从47.13%提升到47.24%.引入有机朗肯循环(ORC)构建的联合循环可以有效地吸收锅炉尾部烟道烟气余热,获得更高的锅炉效率从而使系统发电效率提高.进而在耦合ORC的基础上,充分利用S-CO₂循环冷却器变温放热特点,通过空气与R123共同吸收冷却器内高温段热量,实现系统发电效率的进一步提高(47.24%～48.90%).本文为同时实现高效吸收锅炉尾部烟道烟气余热以及回收循环冷却器...     

纳米Al_2O_3对变压器绝缘纸纤维素热稳定性的影响及其机理分析

为提升电力变压器绝缘纸的热稳定性,使用纳米Al2O3对绝缘纸进行改性,通过分子模拟和试验的方法研究了纳米Al2O3对绝缘纸纤维素热稳定性的提升效果,并分析了纳米Al2O3对绝缘纸纤维素的改性机理.首先,对纳米Al2O3与纤维素的表面相互作用机理的分析表明纳米Al2O3易于掺杂到纤维素绝缘纸中,得到了Al2O3与纤维素表面相互作用结合能的公式,揭示了公式中相关参数的物理意义.然后,使用半径为5?的纳米Al2O3对纤维素进行改性,通过分子模拟技术研究了经纳米改性后的纤维素的微观参数的变化规律;同时,对改性绝缘纸和未改性绝缘纸进行了宏观热老化试验.模拟与试验结果对比分析表明,经纳米Al2O3改性的绝缘纸纤维素热稳定性有较好的提升.最后,对纳米Al2O3改性绝缘纸纤维素的机理进行了较为深入地分析,为纳米改性变压器绝缘纸性能方面的研究提供了理论支撑.     

基于(火积)耗散原理的表面传热系数定义基础讨论

表面热传递过程是工业流程与工艺中经常遇到的现象,对表面热传递研究有利于工业过程的优化与效率提高.对表面热传递现象性能参数科学意义探讨的最终目的是为技术发展服务.本文以恒热流平行通道表面热流密度不同影响对流换热特性的数值模拟为模型,基于(火积)耗散概念及广义热阻原理,分析了相同流动状态时表面传热系数随流动发展的特征,结果表明只有在特殊情况下表面传热系数定义式与广义式实现相等,大多数情况下两种计算方法的结果明显不同.其原因是定义式的温差定义形式未能准确使用热流管上的温度导致,这一差异表明热量输运环节包含对流换热时,其热阻串联公式只是近似一维热量传递时的应用.由于在充分发展段内的(火积)耗散维持不变,恒热流条件下通过耗散形式求得的广义式是准确的热流管内表面传热系数值.而未充分发展段(火积)耗散亦在变化,广义式与定义式均未准确表达出热流管内的热量传输性能,未充分发展段上表面传热热阻性能的计算方法仍待发展.     

双模神经信息无线检测系统的设计与实现

介绍了一种可同时检测神经电生理信号和电化学信号的无线双模神经信息实时检测系统.系统由双模神经信息检测模块、控制模块、无线发射和接收模块以及上位机显示软件组成,其电流和电压分辨率分别为0.06nA和0.6μV.为验证系统性能,分别进行了电生理实验、电化学实验以及双模联测实验.利用模拟神经信号发生器进行电生理信号检测获得了信噪比可达S/N=11的神经动作电位.在抗坏血酸溶液的电化学实验中,以实验室自制的平面电极做工作电极,在0～285μM的浓度范围内电流响应的相关系数为0.99036.最后结合基于LabVIEW的上位机软件进行了双模联测实验.结果表明本系统成功实现了双模神经信息的无线检测.     

不同退火气氛下钛掺杂氧化铪阻变存储器的性能研究

采用磁控溅射和光刻技术制备了阻变层为钛掺杂氧化铪的阻变存储器件(RRAM),研究氮气和氧气中退火处理工艺对其阻变性能的影响规律.结果表明氮气退火工艺能显著提高ITO/Hf Ti O/Pt器件的阻变性能.与制备态相比,氮气退火后存储器的阻变窗口增大,阻变参数的分散性变好;而氧气退火后阻变性能变差.为探索不同退火气氛对RRAM性能的影响机制,我们结合电流-电压(I-V)拟合机制和光电子能谱(XPS)分析,可以推断出ITO/Hf Ti O/Pt器件的阻变性能来源于阻变层中的氧空位形成的导电细丝,氮气退火有利于导电细丝的形成和断裂,所以能够优化器件的阻变性能.     

水中Cr(Ⅵ)在改性生物质吸附剂表面还原转化的电子供体

为揭示生物吸附过程中Cr(Ⅵ)的还原转化机理,以改性玉米秸秆(corn stalk based anion exchanger, CS-AE)为模型吸附剂,通过XPS、13C-NMR和FT-IR等手段表征吸附Cr(Ⅵ)前后的材料表面组成和结构,并结合对吸附溶液中总有机碳(TOC)、总氮(TN)、硝态氮(NO3--N)等产物分析,探讨Cr(Ⅵ)还原的电子供体及可能反应路径.通过批吸附实验证实了CS-AE吸附去除Cr(Ⅵ)过程中存在Cr(Ⅵ)还原转化现象,在实验条件下10%～35%被吸附Cr(Ⅵ)还原转化为Cr(Ⅲ),且大部分( 65%)Cr(Ⅲ)产物被固定在CS-AE表面.XPS表征中Cr 2p3/2谱图分析证明了Cr(Ⅲ)的大量存在,且N 1s、C 1s和O 1s谱图分析发现CS-AE与Cr(Ⅵ)反应后表面含氮物质特别是季铵基相对含量降低.13C-NMR和FT-IR表征也进一步地说明了吸附Cr(Ⅵ)后CS-AE表面季铵基减少,羧基结构有所增加,表明了季铵基是Cr(Ⅵ)还原转化的主要电子供体基团.吸附反应后溶液中TOC、TN和NO3--N含量随Cr(Ⅵ)初始浓度增加而增加,与Cr(Ⅲ)生成量呈正相关关系,可以确认CS-AE表面季铵基被Cr(Ⅵ)氧化,主要反应路径为季铵基经过碳-氮键氧化断裂,形成有机胺进入溶液,且部分有机胺被Cr(Ⅵ)进一步氧化为硝酸盐.     

新型衬底γ-LiAlO2的生长和性能

采用温度梯度法生长出了透明的γ-LiAlO₂单晶, 将(200)面的铝酸锂晶片在空气中1100℃退火70 h后表面生成了一层乳白色的缺Li相(LiAl₅O₈); 然而同样条件下富Li气氛退火处理后, 晶片表面变得更透明, 而且保持γ-LiAlO₂相. 相应的晶片摇摆曲线的半高宽降至30 arcsec, 而空气中退火后却升高到了78 arcsec. 对比3种晶片的吸收光谱, 可以判定: 196 nm的吸收峰可能来源于Li空位, 736 nm的吸收峰可能来源于O空位.