生物质基氮掺杂多级次孔碳材料制备及其锂硫电池性能

锂硫电池因具有较高的理论比容量和能量密度、价格低廉等优势,在动力汽车和大规模储能系统中有广阔的应用前景.发展锂硫电池,设计制备低成本和高性能的电极材料是关键.本文利用廉价生物质废弃物(虾壳)作为原料,通过简单、绿色的水热碳化和二氧化碳碳化/活化过程制备了三维氮掺杂多级次孔碳材料,并将其作为载体负载硫制备锂硫电池正极材料.该制备过程避免了传统活化过程中危险化学品的使用及活化后材料清洗的过程.水热碳化和活化步骤均对材料孔结构的形成具有重要作用.通过氮气吸附、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼(Raman)等表征方法对材料形貌、孔结构、功能基团等进行了深入研究.研究结果表明,得到的材料是具有高孔隙率的微孔-介孔-大孔碳材料,比表面积高达1190m~2/g.由于材料具有多级次孔结构,有利于硫的有效负载.同时,材料中的石墨氮可以提高材料的导电率,吡咯氮和吡啶氮在限制多硫化锂(Li_2S_n,4≤n≤8)中发挥了重要作用,从而使得材料在锂硫电池中具有较好的倍率性能和循环性能.另外,本文为生物质或生物质废弃物转化为功能多孔碳材料提供了一种新的绿色途径.     

镍催化剂用于功能化聚烯烃材料的制备

少量极性官能团的引入可以极大地改善非极性聚烯烃材料的性质,因此,功能化聚烯烃材料受到了学术界和工业界的一致关注.金属镍低廉的价格以及在自然界中较高的丰度使其在烯烃共聚合中具有巨大的应用前景.本文基于镍催化烯烃共聚合领域,具体介绍各类催化剂的结构创新、极性单体的底物拓展以及功能化聚烯烃材料性质等方面的研究进展;立足于工业化应用的角度,探讨了镍金属催化烯烃共聚合领域所面临的问题与挑战,并讨论了该领域未来的重要研究方向.     

碳氮晶体的溶剂热制备

以无水C₃N₃Cl₃和Li₃N的苯溶液作为初始原料, 在压力为5~6 MPa, 温度为350℃条件下, 利用溶剂热的合成方法成功地制备出了碳氮晶体. X射线粉末衍射(XRD)确定出样品中主要晶相成分为α -C₃N₄及 β -C₃N₄, 晶格常数分别为a = 0.650 nm,c = 0.470 nm (α-C₃N₄); a = 0.644 nm, c = 0.246 nm (β-C₃N₄), 这与第一性原理的理论计算值十分吻合. X射线能谱(XPS)以及Fourier变换红外光谱(FTIR)证明了碳氮是以C—N和C == N共价键的形式存在, 氮碳元素的原子比为0.66. 对溶剂热法制备氮化碳晶体材料的动力学问题进行了初步的理论探讨.     

制备高性能多用途的清洁泥材料

“清洁泥”是一种新型清洁胶泥.它不同于以往的橡皮清洁材料,突破了旧品的缺点和局限,质地细腻、手感柔软、不黏手、可塑性强,不需要任何设备及工具的烘烤,可以在自然条件下风干,干燥后不会出现裂纹,可以随心所欲地处理一般清洁剂所不能清理到的地方,具有环保、防水、耐腐、可循环利用等多项优势,是一种对人体绝对无害的安全黏土,是具有较高品质和安全性的新型手工艺创作材料.它色彩丰富、可塑性强,经手工自由创意制作后,即可成为色彩亮丽、千变万化、充满个性的永久性创意作品.既可将其广泛运用到印刷电路板、液晶显示器、电脑键盘、电脑鼠标、电脑主机内部、汽车内设、音响器材、电视显像管等大型电子机械的清洁,又可将其运用到手机、mp3、mp4、mp5等易携带电子产品的清洁.     

微量Mn掺杂LiFePO_4/C材料的低温电化学性能

通过Mn掺杂显著提高了LiFePO4/C材料的低温电化学性能.微量Mn掺杂的LiFe0.98Mn0.02PO4/C材料在0℃时以1C放电容量达到其在20℃时放电容量的95%,而LiFePO4/C材料相应只达到85%.LiFe0.98Mn0.02PO4/C材料在–20℃以不同倍率放电时容量分别为124.4mA·h·g–1(0.1C),99.8mA·h·g–1(1C),80.7mA·h·g–1(2C)和70mA·h·g–1(5C);相对于LiFePO4/C材料的120.5mA·h·g–1(0.1C),90.7mA·h·g–1(1C),70.4mA·h·g–1(2C)和52.2mA·h·g–1(5C)有明显提高.循环伏安测试表明,微量Mn掺杂提高了Li+在LiFePO4晶格中的嵌入-脱出能力.电导率测量和场发射扫描电子显微镜观察显示微量Mn掺杂不仅使LiFePO4材料本体电导率提高,还使获得的LiFe0.98Mn0.02PO4/C材料晶粒细化,从而使材料的电化学嵌脱锂能力显著提高.     

静电纺三维纳米纤维体型材料的制备及应用

静电纺纳米纤维作为一种高技术、高附加值的纤维材料,在电子信息、环境治理、安全防护、组织工程等领域的应用已广泛展开.随着应用研究的不断深入,构建结构稳定的三维纤维材料已成为当前静电纺纤维应用性能提升的关键.近年来,科研人员已从溶液本体性质和制备方法2个方面进行了大量研究,通过逐层组装、辅助接收、外场优化等方法构建了多种三维纤维体型材料,并探索了其在组织工程等领域的应用.近期,研究人员提出了一种新型纤维三维网络重构方法,制备了超轻、超弹的纳米纤维气凝胶,为三维纤维材料的制备提供了新方法和新思路.本文在简要介绍静电纺丝技术及原理的基础上,综述了近年来三维构建方向的代表性进展,并对其未来发展进行了展望.     

三维有序大孔钙钛矿材料的制备

以制备三维有序大孔(3DOM)La_0.8Sr_0.2MnO₃和La_0.7Ca_0.2Sr_0.1MnO₃钙钛矿材料为例, 研究3DOM钙钛矿热致变色材料的制备方法. 采用自组装方法将粒径约为220 nm的聚苯乙烯(PS)微球组装成三维有序排列的胶体晶体模板, 以La(NO₃)₃·6H₂O, Ca(NO₃)₂·4H₂O, Sr(NO₃)₂, Mn(CH₃COO)₂·4H₂O、乙醇等配制的混合金属硝酸盐溶液为前驱填充于PS胶晶模板间隙中, 经干燥和煅烧除去微球模板后得到三维有序大孔(3DOM)La_0.8Sr_0.2MnO₃和La_0.7Ca_0.2Sr_0.1MnO₃材料. 结果表明, 由于填充次数不同, 得到3DOM材料的骨架厚度不同, 其孔径收缩率也相差较大. 同时, 由于制备方法不同, 3DOM和块体La_0.8Sr_0.2MnO₃材料的居里温度也相差较大.     

高性能Ag-Pb-Sb-Te体系半导体热电材料的制备与性能

采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)方法制备了高性能的Ag-Pb-Sb-Te体系块体热电材料. 利用XRD和SEM等表征手段分析了材料的物相组成和微观结构, 详细研究了组分变化, 尤其是Pb含量的改变对Ag_0.8Pb_18+xSbTe20体系材料热电性能(包括电阻率、Seebeck系数、功率因子、热导率和热电优值等)的影响规律. 研究表明, Ag-Pb-Sb-Te体系材料的最佳组成为Ag_0.8Pb_22.5SbTe₂₀, 对应的最大热电优值为1.2(673 K).     

碳氮纳米管的催化自组装溶剂热法制备及其表征

采用溶剂热法, 以无水三聚氯氰(C₃N₃C_l3)和金属钠的环己烷溶液为原料, 以氯化镍为催化前驱物, 在温度为230℃, 压力为1.8 MPa的条件下成功地制备了碳氮纳米管. 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、电子衍射(ED)、电子能量损失谱(EELS)和拉曼光谱 (Raman)对碳氮纳米管进行了表征. SEM和TEM结果表明, 碳氮纳米管成束状的定向排列, 长度约20～30 mm, 纳米管外径比较均匀, 约为50～60 nm, 内径约为30～40 nm, EELS分析表明, 氮碳元素的原子比约为1.00, ED和XRD分析表明, 纳米管可能具有一种新的CN晶体结构. 同时对碳氮纳米管的形成机理进行了较为详细的探讨.     

离子传感器材料的种类及膜技术动向

离子传感器是溶液中特定离子浓度(活性)经选择计测而得的物质,自开发以来至今已有20年了,现在在一切科学领域中都占有极其重要的地位。近年来由于半导体集成化技术的发展,离子传感器也在朝着多样化、智能遥测化方向前进。本文概述离子传感器的技术动向,着重说明传感器的特性和传感器材料。 1.离子传感器的种类为理解离子传感器,首先简述其种类。图1示出作者所作的分类,这是根据作为传感器主体敏感部分的最重要的感应膜性质和感应物质的种类加以归纳的。     

用于超级电容器的柔性多孔富氮碳电极的制备与性能

柔性固态超级电容器作为一种新型能量存储器件,与传统平行板电容器相比可以达到更高的能量密度,相比普通电池则具有更大的功率密度和循环使用寿命,展示出良好的电化学性能,并具有高功率密度和循环稳定性好等优点,因而受到越来越多的关注,在可穿戴设备、柔性电子器件等诸多领域有着广泛的应用.目前,柔性电极材料的选取与制备是柔性超级电容器研究中十分活跃的方向,其中,碳基电极因为具有良好的电导性能、循环稳定性、高功率密度等特点,被国内外学术界广泛认可.本文提出了一种高效、简便制备碳基电极的方法,得到多孔富氮纳米片结构的碳电极,并对不同实验条件下的碳化电极样品做了全面的表征分析与性能测试,得到了较为理想的柔性碳化电极样品,其质量比电容达26 F/g,面积比电容达226 mF/cm2,等效串联阻抗仅为4?,具有很好的电化学性能.     

热处理对氮碳薄膜结构及光学性质的影响

氮碳薄膜由于具有优良物化性能,受到关注,已能采用多种方法获得CN_r薄膜,并对其物性进行了广泛的研究。然而,在考虑其热行为时,多集中于沉积过程中衬底温度的影响。但是,在空气中长时间等温退火后氮碳薄膜的热行为、物性变化和薄膜结构之间的关系,特别是,经加热处理,是否会导致某种价键结构或元素价态变化,从而改变薄膜的性能,并不十分清楚。本文报道了应用XPS,IR和可见-紫外光吸收谱等实验方法,分析了样品经热处理后,其成分和元素价键结构的变化,并对其光学性质进行了测量,对其结构和物性关系进行了探讨。     

MOFs作为牺牲模板制备纳米多孔碳材料的方法及其应用

近年来,多孔材料因具有较高的比表面积、较低的相对密度以及较好的吸附性能等吸引了化学、物理以及材料等领域科研人员的研究兴趣,已被广泛应用于气体储存、吸附催化和电化学等方面.金属有机骨架(MOFs)材料作为近年来迅猛发展的新兴多孔材料,由于具有有序、规整的结构,较高的比表面积以及结构可调等特性,使其较传统多孔材料具有更诱人的应用前景.然而,由于MOFs具有相对较差的稳定性,其实际应用和发展受到了很大的限制.为了进一步推进MOFs材料的应用进程,可利用MOFs材料受热易分解的缺点,将其高温煅烧碳化制备稳定的纳米多孔碳材料.本文综述了MOFs作为牺牲模板煅烧制备纳米多孔碳材料的方法及其应用,并且展望了其在能源、环境以及催化方面的应用前景.     

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。     

石墨烯的组装和织构调控:碳功能材料的液相制备方法

石墨烯是sp2杂化碳质材料的基本结构单元,为构筑具有特定结构和功能的碳质材料带来新的契机.通过石墨烯/氧化石墨烯的液相组装和组装体织构的二次调控可以实现新颖碳功能材料的可控制备,这种液相制备方法实现了碳结构单元在溶液相直接自组装构建固相碳质材料.相比较而言,碳功能材料制备的经典方法,如固相炭化方法侧重于材料宏观尺度的结构和形态调控(如炭纤维),气相沉积方法长于在微观层面实现材料结构控制(如碳纳米管);而这种基于石墨烯自组装的液相制备方法架起了从微观到宏观的桥梁,实现了材料介观织构的精确构建.结合本课题组近年来的研究工作,本文对与石墨烯相关的液相结构组装和组装体织构调控方面的研究进展进行了简要评述和前景展望,并着重介绍了几种新颖的石墨烯基多孔碳功能材料.     

二维材料的设计及功能化:从理论预测到实验验证

二维材料具有不同寻常的物理、化学和机械性质,在光电、能源、电子信息、航空航天及生物医药等领域都展示了诱人的应用潜力.过去的十多年里,实验研究与理论计算密切配合已经成为二维材料领域一种十分流行的科研模式.本文从二维材料的结构设计及功能化两方面出发,回顾了一些理论计算有效预测新结构和新性质并最终得到实验佐证的案例,通过剖析理论预测和实验研究相互影响的具体细节,探讨理论计算和实验研究相辅相成的关系.     

磁性Fe,N共掺杂分级多孔石墨化碳气凝胶的制备及其电化学、吸附性能

以天然含氮聚多糖壳聚糖作为碳源和氮源,FeCl3作为铁源,经溶胶-凝胶、高温碳化和KOH高温活化3个步骤,得到一种Fe,N共掺杂的分级多孔石墨化纳米碳材料(FeNC气凝胶).该系列样品均具有大的比表面积(最高达3103 m2/g)、较低的密度(约27 mg/cm3)和良好的磁响应能力,氮掺杂量接近4％,Fe以纳米Fe@...     

棒状石墨相氮化碳的制备及可见光催化性能

利用太阳能光解水制氢和降解有机污染物对解决能源和环境问题具有重要意义.本文通过"由上到下"水热法处理块状石墨相氮化碳(g-C_3N_4),得到棒状g-C_3N_4.采用X射线衍射分析(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见漫反射光谱(DRS)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、荧光光谱(PL)和比表面积测试(BET)等分析手段对棒状g-C_3N_4进行了表征.结果表明,棒状g-C_3N_4为长约2.4μm,宽约45 nm的棒状结构,该结构能增大g-C_3N_4的比表面积;同时观察到光生电子-空穴对的复合几率降低,并且由于缩聚程度的不同可能会影响能带结构.以可见光光催化降解亚甲蓝水溶液和光解水制氢的实验结果为依据评价了棒状g-C_3N_4的可见光催化活性,棒状g-C_3N_4的活性远优于块状g-C_3N_4.     

二维材料异质结的可控制备及应用

二维材料异质结是由石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷等二维材料通过面内拼接或层间堆叠形成的,并由此可分为二维材料面内异质结和垂直异质结.二维材料面内异质结可以实现区域内载流子的特殊传输行为;而垂直异质结中的层间量子耦合效应能够导致新颖的物理特性,通过调节异质结构界面可调制器件的电学及光学性能.目前,随着电子器件、光电器件等对集成性、功能性的要求不断提高,二维材料异质结越来越多地受到研究者的关注,实现二维材料异质结结构(包括界面)的有效调控是构筑高性能、高集成器件的前提.本文主要对比各类二维材料异质结的制备方法,介绍主流的几类二维材料异质结基电子器件和光电器件的结构、工作原理和性能,展望有前景的新型制备方法,并指出二维材料异质结在实际应用中面临的挑战.     

三维垂直定向石墨烯的制备及在超级电容器中的应用

电极的结构设计是影响其反应动力学与离子传质能力,进而影响电化学储能系统性能的重要因素之一.为了追求较好的电极动力学以及传质速率,三维有序石墨烯基电极已吸引越来越多的研究兴趣.与其他类型的三维石墨烯结构不同,通过定向冷冻法、等离子体增强化学气相沉积法、KOH辅助水热法等制备的三维垂直定向石墨烯(3DVAG)具有垂直开放通道以及低孔隙弯曲度,可以有效增强离子的输运和电子的传导,提高活性物质的负载,从而实现电极材料的高能量密度及倍率性能.本文对三维垂直定向石墨烯的制备方法及其在超级电容器中的应用进行了综述,并对其未来的发展前景进行了展望.