异质结构Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)纳米线网络催化剂的原位表面重构实现大电流密度下全水分解

利用可再生能源发电,并通过低温电解水技术生产氢气,被认为是一种环保且可持续的制氢途径,是未来氢能发展的重要方向之一.采用该方法生产的氢气因其环保特性而被称为“绿氢”.然而,目前绿氢高昂的生产成本限制了电解水制氢技术的大规模应用.因此,开发先进的非贵金属催化剂和电催化体系以降低电解水制氢成本具有重要意义.界面工程是一种提升非贵金属催化剂电解水性能的有效策略,但目前对其催化活性位点的识别及活性提升机制的研究仍然不足.本文采用简单的水热及低温磷化法制备了具有丰富异质界面的Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF催化剂,并研究了其在电解水过程中的催化活性位点及这些位点在提升催化能力方面的协同作用.采用扫描电镜(SEM)证明了Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF催化剂呈现纳米线网络结构,这种结构不仅有利于增加催化剂的电化学活性位点和加速反应动力学,而且促进了连续产生的气泡从活性位点逃逸,从而提高了催化剂的机械稳定性.电化学研究结果表明,所制备Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF催化剂在1.0 mol L^(‒1)KOH溶液中表现出较好的析氧反应(OER)和析氢反应(HER)活性,分别仅需218和127 mV的过电位,即可达到100 mA cm^(‒2)的电流密度.将Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF分别作为阴极和阳极构建双电极电解槽,该装置产生100和500 mA cm^(‒2)的电流密度分别仅需1.68和2.05 V的电压,这一性能优于大多数已报道的自支撑过渡金属磷化物催化剂.多步计时电位测试结果进一步证实了Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF作为阳极和阴极材料在水分解过程中具有较好的长期耐久性.X射线光电子能谱和差分电荷分析表明,电子从富电子的FeP_(4)向缺电子的Ni_(2)P和CoP转移,这促使Ni_(2)P和CoP上的电子积累和FeP_(4)上的空穴积累,有利于优化反应中间体的吸附和脱附自由能,提升OER和HER催化性能.结合X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱和原位拉曼光谱结果发现,催化剂重构后形成的特定(氧)氢氧化物结构,是OER反应真正的关键活性位点.原位拉曼光谱进一步证实了异质界面促进了OER过程中Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF的快速重构.此外,利用密度泛函理论分析了催化剂的HER反应机理.计算结果表明,H2O优先吸附在Fe位点并发生水解,随后产生的H*吸附在Ni位点上并发生解吸,从而促进了催化剂中Fe和Ni活性位点的高效利用.同时,CoP的引入提高了Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF催化剂的水吸附和解离能力,进一步提升了其HER活性.综上所述,本文通过简单的水热及低温磷化法制备了具有丰富异质界面的Ni_(2)P/CoP/FeP_(4)/IF过渡金属磷化物纳米线网络催化剂,并将其用于碱性水分解.通过多种表征技术及理论计算结果分析,识别了电解水过程中的关键催化活性位点,即催化剂重构后形成的特定(氧)氢氧化物结构,并揭示了其在OER和HER反应中的催化机制.本研究可为高性能碱性电解水催化剂的理性设计和开发提供参考.

Cu-Al尖晶石氧化物缓释催化剂表面重构对促进甲醇重整反应性能的研究

Cu-Al尖晶石氧化物作为甲醇水蒸气重整制氢缓释催化剂,在反应过程中逐渐释放活性Cu,其催化行为与催化剂的表面结构密切相关。本研究采用酸碱溶液对固相球磨法合成的Cu-Al尖晶石催化剂进行表面处理,以期通过表面组成及结构的修饰来提高其催化性能。研究结果表明,硝酸、氨水、氢氧化钠溶液与催化剂的作用差别极大,酸处理去除了催化剂表面的Cu和Al物种,氢氧化钠溶液处理则主要去除了Al物种,氨水溶液处理作用最弱,去除了极少量的Cu和Al。伴随着Cu、Al物种的流失,催化剂表面结构重组和铜物种再分布改变了铜的缓释行为。反应性能评价结果表明,硝酸和氨水处理改善了缓释催化性能,其中,硝酸处理后的催化剂表现出更优异的催化稳定性;而氢氧化钠溶液处理不利于缓释催化性能的提高。结合反应后催化剂表征结果,阐明缓释Cu粒径大小和Cu晶粒微观结构应变对催化性能发挥着重要作用。当前工作为提高缓释催化提供了一种切实可行的方法。

Cu_(3)P辅助诱导Ni_(2)P电荷定向转移和表面重构以获得高效析氧活性

与助催化剂形成异质结,通过调整活性位点的电子结构和电荷输运来提高Ni_(2)P的电催化活性是一种可行的方法。本文成功构建了一种高效的Cu_(3)P/Ni_(2)P异质结催化剂,其中Cu_(3)P本身仅作为助催化剂,通过调节Ni_(2)P的电子转移和表面重构来提高电催化活性。结果表明,在10 mA·cm^(-2)的电流密度下,Cu_(3)P/Ni_(2)P具有优异的析氧反应(OER)活性,过电位为213 mV。结合实验结果和理论计算可知,Cu_(3)P助催化剂可以有效调整Ni中心的电子结构,实现电荷重分布,降低反应能垒,从而显著提高OER催化活性。此外,Cu_(3)P助催化剂诱导的丰富的晶界和晶格畸变促进了表面重构,形成Ni5O(OH)9,为OER提供了有效的活性位点。本工作通过引入助催化剂构建了一种新型异质结电催化剂,为优化过渡金属磷化物的电催化性能提供了一条有效途径。

松木基多孔碳表面重构强化过硫酸盐去除双酚A

双酚A(BPA)作为最常用的工业化合物之一,在环境中具有持久性,对人类健康及其他微生物造成威胁,因此,开发双酚A高性能去除剂并了解其作用机制具有重要意义。基于此,采用KOH活化策略制备了松木基多孔碳(PC),利用NaBH_(4)对PC进行表面重构获得性能增强的松木基多孔碳(PC-1)。随后,采用单因素的实验方法考察了在多孔碳/过硫酸盐系统中松木基多孔碳去除BPA的能力及机制。结果表明,与PC相比,PC-1表面的羟基增加,羰基减少,I_(D1)/I_(G)从1.55增至1.60。与PC/PDS系统相比,PC-1/PDS系统在反应温度为25、35及45℃时对BPA的降解效率分别提高了45%、18%和64%。淬火及电化学实验说明PC及PC-1分别通过自由基及非自由基途径去除BPA。因此,碳的内在缺陷是过硫酸盐活化的活性位点,而含氧官能团则是影响活化途径的关键因素。

4H(6H)-SiC表面重构的STM/STS研究

半导体碳化硅由于具有宽的带隙,高的导热系数以及大的电子迁移率等优点,使其成为一种在高温、高频、大功率电子器件中具有应用前景的材料。碳化硅器件的性能受表面和界面质量的影响。在高温条件下退火碳化硅表面的重构,形貌也会发生变化,导致与金属或其他材料接触的表面结构不同。因此,碳化硅器件会受到表面重构和形貌的影响。扫描隧道显微镜/扫描隧道谱(STM/STS)是一种可以在实空间获得表面重构的形貌信息以及电子结构非常有用的工具。这篇综述介绍了用STM/STS分析了4H(6H)-SiC的各种表面重构及其电子结构,旨在促进表面科学和碳化硅生长以及器件的发展和进步。

表面重构的富氧空位非晶-结晶Ni(Co)异质结促进析氧反应

设计具有丰富活性位点的低成本且稳定的电催化剂对于提高析氧反应效率仍然具有挑战性。本文采用电化学沉积的方法,在铜箔上制备了非晶-结晶共存的三元Ni-Co-Mo金属氧化物薄膜催化剂.实验结果表明,Ni-Co-Mo催化剂具有非晶-结晶异质结构,经过表面重构后,发生了显著的Mo离子析出,从而导致稳定后的催化剂中富含大量的氧空位.具有丰富氧空位的非晶-结晶异质结催化剂,能够暴露更多的催化活性位点并降低电子转移阻抗,显著提升催化剂析氧反应性能.在1mmolKOH中的电化学测试表明,重构后的催化剂驱动20mA/cm^(2)电流密度的过电位仅为308mV,塔菲尔斜率为90mV/dec.同时,该催化剂可以在20mA/cm^(2)的电流密度下连续工作超过24小时,显示出良好的稳定性.

高分子表面重构研究进展

综述了高分子表面重构研究手段的发展、表面重构的机理与高分子结构对重构的影响等,并对高分子表面重构研究的应用前景进行了展望。

面向SPH流体的高效各向异性表面重构算法

为了在流体模拟中构造更加平整光滑的表面以及提升重构的效率,本文面向基于粒子的流体模拟,提出一种高效的表面重构方法.首先对传统各向异性核函数的构造进行简化;然后根据对粒子特征向量的分析对粒子进行分类,即分为近表面粒子和内部粒子;最后在表面重构计算时将近表面粒子参与计算,而内部粒子则根据邻居粒子数量直接对颜色场进行赋值.实验结果表明,本文方法保证了重构流体表面的平滑性和几何特征;相对于已有方法,该方法简单易实现,且较大地提升了运算效率.

基于自由形变和外轴投影的复杂表面重构

提出了一种复杂表面的重构算法.算法以切片图像为输入数据,通过自由形变(free-form deformation,FFD)建立切片轮廓间的对应关系.根据相邻轮廓的拓扑关系,进行外轴投影(external axes projection,EAP)解决分叉问题.所提算法在输入源稀松、输入轮廓复杂时,仍有较高的配准度;算法高度并行,执行效率高.实验结果证明,该算法可以解决复杂表面的重构问题.

人体医学图像三维表面重构的实现

文章简述了医学图像三维重建表面绘制的基本原理,详细介绍了轮廓线连接法表面绘制的实现方法。其中边缘提取采用梯度算子和Kirsch算子结合的方法,解决了不连续边缘点连接的问题;轮廓连接采用同步前进法,并对同步准则作了改进,以解决相邻轮廓线上点的错位连接问题,重建效果较为满意。

InAs薄膜的分子束外延生长与表面形貌及表面重构分析

利用带有反射高能电子衍射(RHEED)仪的分子束外延(MBE)方法,通过RHEED图像演变实时监控薄膜生长状况,采用RHEED强度振荡测量薄膜生长速率,在InAs(001)基片上同质外延InAs薄膜。利用扫描隧道显微镜(STM)对MBE生长的InAs薄膜表面形貌以及表面重构进行扫描分析,证实样品表面为原子级平整,并指出样品表面处于β2(2×4)与α2(2×4)两种重构混合的重构相。

基于锥束CT切片图像的复杂零件三维表面重构

根据锥束CT切片图像的特点,提出了一种面向复杂零件的三维表面重构新方法:首先采用3D亚体素边缘检测算法提取序列切片图像的高精度封闭轮廓,并重构出切片轮廓的拓扑信息,然后采用一种改进的基于截面属性的轮廓分割算法得到若干组局部结构轮廓集,最后对这些轮廓集进行叠加与拼合,形成零件的整个三维表面。实验结果表明,该方法分割轮廓准确,稳定性好,对具有复杂内外结构的零件,可确保其重构结果的拓扑正确性。

三维表面重构过程参数的估计研究

在SFS(基于阴影的三维表面重构)各种算法中,都需要光源方向及曲面反射率。这些参数与图像的恢复效果息息相关。针对这些参数,也应运而生了各种各样的行之有效的方法。论文讨论了两种有效的算法,利用合成图像分别进行试验,并对其优缺点和运行效率进行比较,从而为进一步的SFS算法研究提供有价值的参考。

基于阴影的三维表面重构技术的概述

三维表面重构是计算机视觉的主要任务之一。已经发展了各种各样的重构技术,其中利用单幅图像中物体表面明暗变化来恢复其表面形状的技术尤其引人注目,这不仅因为该技术简单易于实现,更重要的是它适用于各种其它方法难以应用的场合,例如,在机载、星载、弹载环境中的利用。论文从SFS问题的研究背景出发,介绍并分析这方面的一些重要进展,通过对各种重构方法的分析与比较,提出SFS问题的研究发展趋势和一些值得研究的方向。

山体表面重构数值反演的同伦算法

本文主要研究山体表面重构过程.山体表面重构主要包括地球内部热流变化和地球表面运动规律两个过程,是三维对流扩散方程和二维山体表面运动方程的耦合,求解十分困难.为了模拟山体表面重构过程,还要对耦合方程进行反演研究,是一个大尺度非线性优化问题.为了克服对于初值的强烈依赖和非线性优化中存在的多极值难点,我们将同伦反演算法应用到山体表面重构模型,通过数值算例可以看出,本算法具有大范围收敛和较好的稳定特性.

表面重构石英砂滤料的制备及微生物附着行为

基于普通石英砂滤料表面光滑、比表面积小、微生物难以附着等缺陷,以BOE(buffered oxide etch)腐蚀液对普通石英砂滤料进行化学蚀刻处理,以改善石英砂的表面形貌,促进微生物在石英砂滤料表面附着。扫描电镜分析结果表明,经改性得到的表面重构石英砂形貌发生明显变化,整体呈沟槽形貌;因素分析试验结果表明,在腐蚀液浓度为15%(质量)、HF与NH4F的质量比为1∶1、反应温度为55℃、反应时间为45 min的条件下,所得改性石英砂表面的沟槽较多且宽度多介于1.0~5.0μm之间,表面生物量由改性前的9.3 nmol P·g^(-1)提高到改性后的15.7 nmol P·g^(-1);红外光谱分析结果显示,改性石英砂表面部分Si—O转变为Si—OH,有机物特征峰的消失反映了石英砂表面有机物的进一步去除;石英砂的比表面积由改性前的0.427 m2·g^(-1)提高至改性后的1.475 m2·g^(-1);对CODCr的平均去除率由改性前的41.9%提高到改性后的51.6%。因此,表面重构石英砂具有较好的微生物亲和性,更适宜微生物的附着。

一种三维表面重构中的轮廓集拼合新方法

针对切片级三维表面重构中的难点,提出了一种拼合轮廓集的新方法通过对待拼合的轮廓集首尾轮廓进行平面三角剖分方向的判别,将空间轮廓集拼合的三维问题转化为平面多连通域三角剖分的二维问题,并改进了现有的平面多连通域三角剖分算法,巧妙地解决了切片级重构中的轮廓分支对应问题。实验表明,该方法能准确完成复杂轮廓集的表面拼合,具有良好的适应性。

基于快速傅立叶变换实现点云的表面重构

根据微分几何斯托克斯定理的散度理论,利用面积分和体积分之间的转换关系,将表面重构问题用求隐函数的特征函数问题实现。调用快速傅立叶变换FFTW(The Fastest Fourier Transform in the West)软件包,根据点的位置和法向量计算傅立叶系数,通过逆变换求出特征函数,选择合适的阈值提取表面的等值面,对于非均匀采样通过采样密度的加权系数进一步计算合理的阈值。实验表明这种通过隐函数方式实现点云的表面重构取得了良好的结果。

GaAs(001)表面重构

GaAs的高迁移率与其表面重构和表面形貌有密切关联,对于GaAs表面重构的研究一直是研究低维半导体的重点和难点。重点回顾了几十年来研究者们对于GaAs(001)表面重构的研究成果,结合所在实验室最近的实验数据,对GaAs(001)表面重构的相关研究成果进行了汇总和遴选,重点讲述了在实际应用中常用的几种表面重构;从富As表面的C(4×4)重构、不同(2×4)重构到逐渐富Ga的(n×6)重构、(4×2)重构,结合RHEED衍射花样、STM扫描图片以及球棍模型,对它们的倒、实空间图像以及理论模型都进行了深入的探讨和研究,为将来进行GaAs(001)表面的更深入研究打下基础并提供数据和理论支持。

基于锥束CT的两类三维表面重构方法比较研究

目前锥束CT的三维重构主要采用面绘制,其方法有两类,即体素级重构和切片级重构。在对比两类方法的基础上,提出了一种新的二维切片轮廓重构与三维表面重构相结合的切片级重构方法,然后以标准MC算法和该算法分别对两个实例进行重构并比较。结果表明,该算法更适合工业产品的三维表面重构。