二维纳米片用于快速高效膜法气体分离

膜法气体分离作为一类低能耗先进分离技术,在化工分离中具有广阔的应用前景.然而商业气体分离膜在实际应用过程中存在选择性和渗透性此消彼长的问题.以二维纳米片材料为膜构筑基元,有望突破这一瓶颈.最具代表性的二维纳米片膜材料当属石墨烯及其衍生物、二维沸石分子筛、层状双金属氢氧化物、二维过渡金属硫化物、Mxene、二维共价有机骨架和金属有机骨架材料.本文对这些二维材料在超薄气体分离膜领域的成果与进展进行介绍,展现了各类材料在实际分离应用过程中的优势及弊端,探讨了二维纳米片膜材料在气体分离领域的挑战与发展前景.

一种改进的MoS_2二维纳米片的高效液相剥离方法

报道了一种改进的液相剥离方法以实现MoS_2二维纳米片的高效制备。在MoS_2球磨的过程中引入轻质CaCO_3粒子作为微磨球,引入少量N-甲基吡咯烷酮作分散剂,在400r/min下球磨一定时间得到充分研磨细化的MoS_2纳米粒子。将其与含适量HCl的45%的酒精水溶液充分混合后,再进行高速剪切液相剥离,可实现MoS_2二维纳米片的高效制备。利用纳米粒度仪、AFM、TEM、拉曼光谱等对所制得的MoS_2二维纳米片进行了表征。结果表明,这种改进的球磨结合高速剪切的液相剥离方法可获得的最高产量达54.43mg/mL。

二维纳米片金红石TiO2的可控合成及光催化性能

采用水热法,低温条件下合成了二维纳米片状的金红石二氧化钛(TiO2)半导体材料,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和表面光电压谱(SPV)研究了反应过程中HCl浓度对TiO2材料的晶相、结晶性、形貌、粒径和光电性能等性质的影响。结果表明,HCl浓度为3、5、7 mol/L时分别合成了微球、纳米片和纳米棒状的金红石TiO2;上述3种形貌的金红石TiO2均显示了高于采用焙烧法得到的金红石TiO2的光催化降解罗丹明B活性;与微球和纳米棒结构相比,纳米片金红石TiO2具有更加优异的光催化性能。SPV结果表明,纳米片金红石TiO2具有更高的光生电荷分离和迁移效率。

二维纳米片层结构MoS_2和其改性材料的合成及在环境领域的应用

类石墨烯的二维纳米片层状MoS_2作为过渡金属硫化物材料家族的典型代表,由于其各方面独特的性能尤其是超薄的厚度和二维结构,已成为近些年材料的研究热点。独特的三明治结构使其具有良好的物理化学性质,MoS_2及其复合材料在催化、传感器、润滑等方面有广阔的前景。总结了国内外MoS_2的合成及其改性方法、性能和应用。针对社会发展过程中日益严重的环境污染问题,重点介绍利用其吸附和催化性能去除环境中污染物,并对其未来发展进行了展望。

二维纳米片基复合相变储热材料研究进展

相变材料(PCMs)作为潜热储存和释放的介质,能够解决热能供需矛盾,从而缓解能源危机。纯相变材料具有能量密度高、温度范围广、能量输出稳定性强等优点,但其热导率低和在相变过程发生渗漏的缺点阻碍了其广泛的应用和发展。通过将PCMs与二维纳米片复合,PCMs热导率低和渗漏问题被有效解决。通过在导热机理方面进行详细阐述的基础上,综述了近几年来有关碳基二维纳米片、六方氮化硼(h-BN)纳米片、二硫化钼等复合储热材料的研究进展,为高性能二维纳米片基复合PCMs的设计提供一定的研究思路。

基于二维蛭石纳米片混合基质膜分离CO_(2)/CH_(4)性能研究

本研究以聚醚-聚酰胺嵌段共聚物(Pebax)为高分子膜基质,二维蛭石纳米片(VMT)为填充剂,制备不同填充量的混合基质膜(Pebax-VMT MMMs)。利用蛭石纳米片的结构以及其在混合基质膜内的排列方式,为CO_(2)构筑传输通道,同时提高膜对CO_(2)/CH_(4)的分离性能。通过对Pebax-VMT MMMs的表征和气体分离特性进行研究,结果表明,填充VMT后混合基质膜在CO_(2)/CH_(4)体系中的分离效果明显增强。当VMT填充量为5 wt%时,Pebax-VMT MMMs表现出了最优的CO_(2)分离性能,CO_(2)的渗透量为489.31 Barrer, CO_(2)/CH_(4)的选择性为39.96,与纯Pebax膜相比,CO_(2)渗透量增加98.3%,同时CO_(2)/CH_(4)的选择性增加84.2%。

二维ZnO纳米片的热力学研究

采用水热法合成了二维ZnO纳米片,并通过扫描电镜(SEM),X射线粉末衍射仪(XRD)对其形貌尺寸和物相进行表征,合成的多孔状纳米纯度高,且结晶度好。采用原位微热量技术,得到了过程的热动力学信息,结合热化学循环、热动力学原理及动力学过渡态理论,获取了二维ZnO体系的整体热力学函数和表面热力学函数,讨论了温度对表面焓、表面熵和表面吉布斯自由能的影响规律。结果表明:(i)纳米ZnO整体热力学函数:标准摩尔生成吉布斯自由能、标准摩尔生成焓和标准摩尔熵均比块体的大;(ii)随着温度的升高,表面焓和表面熵增加,表面吉布斯自由能则减少。

SnS_(2)/ZIF-8衍生二维多孔氮掺杂碳纳米片复合材料的锂硫电池性能研究

锂硫电池(LSBs)因能量密度高、原料储量丰富、环境友好等优点引起了广泛关注。然而,多硫化物的穿梭效应、反应过程中较大的体积膨胀以及硫较差的电子电导率等缺点极大地限制了其发展。本研究设计了一种SnS_(2)纳米颗粒与ZIF-8衍生的花状二维多孔碳纳米片/硫复合材料(ZCN-SnS_(2)-S),并研究了其作为锂硫电池正极的电化学性能。其独特的二维花状多孔结构不仅有效缓解了反应过程中的体积膨胀,而且为Li+和电子的传输提供了快速通道,杂原子N也促进了对多硫化物的吸附作用。并且负载的极性SnS_(2)纳米颗粒极大地增强了对多硫化物的吸附,从而使ZCN-SnS_(2)-S复合材料表现出优异的电化学性能。在0.2C(1C=1675 mA·g^(–1))电流密度下,ZCN-SnS_(2)-S电极循环100次后仍能保持948 mAh·g^(–1)的高可逆比容量,容量保持率为83.7%。即使在2C的高电流密度下循环300圈,ZCN-SnS_(2)-S电极仍具有546 mAh·g^(–1)的可逆比容量。

二维钴基纳米片阴极电催化还原硝酸盐氮

鉴于污染废水中稳定存在的硝酸盐氮的毒性和潜在致癌性,急需开发高效的硝态氮处理技术。电化学法具有高效、稳定且产物可控等优点,成为目前净化废水中硝酸盐污染最具潜力的处理工艺。然而,传统的粉体电催化剂在复杂水体中容易受到抑制,因此需要寻找更高效的电催化材料。本研究使用模板法和煅烧法制备了二维钴基纳米片阴极(Co NS/CC),并研究了其电催化还原硝酸盐的性能。实验结果表明,煅烧温度为700℃的Co NS/CC展现出最佳的电催化脱硝性能,在1 h内即可达到较高的反应速率常数(2.88 h^(-1))和硝酸盐去除率(95%)。另外,Co NS/CC-700在较高质量浓度的硝酸盐氮、不同pH值的溶液和含有复杂成分的水体中都表现出良好的电催化脱硝能力。电子顺磁共振(EPR)和叔丁醇(TBA)捕获实验证实,Co NS/CC-700通过产生的吸附态氢(H^(*))来促进硝酸盐的还原。此外,Co NS/CC-700还具有较高的稳定性和环境适应性。综上所述,Co NS/CC-700是一种具有高催化活性和稳定性的电催化材料,对于电催化处理含硝酸盐废水具有潜在应用价值。

二维WS_(2)纳米片的规模化可控制备及其摩擦学性能

以微米级WS_(2)为原料、异丙醇为剥离介质,通过超声辅助液相剥离、液相级联离心和固液分离的策略制备二维WS_(2)纳米片,采用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、热重-差示扫描量热联用分析仪等对二维WS_(2)纳米片的微观结构、形貌和热稳定性进行表征。借助四球摩擦磨损试验机考察二维WS_(2)纳米片作为锂基润滑脂添加剂的极压、减摩和抗磨性能,利用电子显微镜对钢球磨斑表面进行分析。结果表明,实现了不同片径二维WS_(2)纳米片的规模化制备,且所制备的样品晶型无破坏、晶格完整,具有较好的热稳定性;二维WS_(2)纳米片的片径对锂基润滑脂的摩擦学性能有显著影响,随着片径减小,其极压、减摩和抗磨性能均明显提升;当WS_(2)-3纳米片质量分数添加量为2.0%时,最大无卡咬负荷和烧结负荷较锂基脂分别提升63.3%和86.1%,摩擦系数和磨斑直径减小19.3%和34%。

新型二维纳米片材料的合成及其光催化应用的研究进展

自石墨烯材料被报道以来，超薄二维纳米片材料由于其独特表面性质和无与伦比的性能激发了全世界研究者的热情。本文简要地综述了二维纳米片材料的主要合成方法，及其在光催化领域的应用，简单介绍了二维纳米光催化材料的种类，最后，对于未来该领域的发展提出了一些看法和建议。

碳布生长二维Co-MOF材料电容性能

以2,6-萘二羧酸为配体,通过一步溶剂热法在碳布表面制备了二维Co-MOF纳米片,并探究反应温度和反应时间对材料形貌和电化学性能的影响,经过SEM和XPS表征以及电化学性能测试。结果表明:制备的CoMOF纳米片形貌规整、分布均匀;当反应温度为160℃、反应时间为12 h的Co-MOF/CC的电化学性能最优;三电极测试体系中,当扫描速率为10 mV/s时其面积比电容为211.7 mF/cm^(2),在10 mA/cm^(2)电流密度下经过2000次循环后电容保持率为82.3%。

蒙脱石层电荷密度对其二维纳米片剥离的影响

以2种典型不同层电荷密度的蒙脱石为研究对象,通过烷基铵法测定了2种蒙脱石的层电荷密度,分别为0.342和0.439。研究了层电荷密度对蒙脱石二维剥离及其剥离后纳米片表面电性的影响。通过分子动力学模拟解释了层电荷密度对蒙脱石剥离二维纳米片和水化膨胀能力的影响机理。结果表明:层电荷密度低的蒙脱石具有更好的水化膨胀能力,更易剥离制备二维纳米片。层电荷密度高的蒙脱石剥离的二维纳米片单位面积的电负性更大。蒙脱石层电荷密度越低,其晶层表面对水分子吸附作用越弱,层间阳离子水化能力更强,水化膨胀能力大,也解释了层电荷密度低的蒙脱石更易剥离成二维纳米片的原因。

二维NiFe-LDH/Mo(OS)_(x)纳米片协同促进电催化析氧反应

过渡族金属基二维纳米材料作为电催化析氧反应(oxygen evolution reaction, OER)催化剂具有巨大的潜力。通过原位电沉积法,在泡沫镍基底表面制备了二维层状镍铁双氢氧化物(NiFeLDH)和氧硫化钼 Mo(OS)纳米片异质结构。NiFe LDH/Mo(OS)电极在 1 M KOH 溶液中表现出优异的 OER 性能和长效稳定性,在 10 mA/cm^(2)电流密度下过电势仅为 220 mV。在 100、500 mA/cm^(2)的高电流密度下,也能达到 253、304 mV 的低过电势。研究结果表明,NiFeLDH/Mo(OS)电极优异的 OER 性能归因于 Mo(OS)和 NiFe LDH 的协同作用,极大地促进了Fe向 Fe活性物质的转化,并促进了氧空位的形成。这种协同制备方法为合理构建和设计异质结构电催化剂,实现高效的水分解提供了帮助。

DNA-二维纳米片层材料传感平台的构建及其应用

DNA-二维纳米片层材料传感平台结合DNA分子特异性识别能力与二维纳米片层材料优越的物理、化学特性,已成为化学/生物传感器领域重要的研究方向之一.鉴于二维纳米片层材料领域的快速发展,首先介绍了DNA-二维纳米片层材料传感平台的构筑机理,随后重点综述了该传感平台在化学、生物目标物分析检测中的应用研究,并对该类传感平台的应用前景做了展望.

以二维材料构筑纳米片膜研究进展

二维材料作为一类新兴材料,具有较高的面厚比和比表面积,在构筑膜材料方面具有天然优势。近些年一些二维材料如石墨烯纳米片、MOF和COF纳米被广泛用于基本结构单元制备纳米片膜。本文介绍了制备纳米片膜的二维纳米片材料,重点介绍了二维沸石纳米片材料。由于沸石分子筛膜具有微孔性、耐高温、耐溶胀、分子筛分等特性,在分离膜领域具有广泛的应用前景。

二维Ce-MOFs纳米片的合成及可见光介导脱羧氧化性能

以硝酸铈铵为金属盐,以1,3,5-三(4-羧基苯基)苯(H_(3)BTB)为有机配体,利用醋酸作为调节剂,成功构筑二维Ce-MOFs纳米片。醋酸对Ce-MOFs的形貌和结晶度具有显著的调节作用。无醋酸调节的Ce-MOFs(称为Ce-BTB-H_(0))由较小的纳米片通过高度交联团聚成微米球,结晶度和比表面积均较低;醋酸调节的Ce-MOFs(称为Ce-BTB-H_(60))为分散的纳米片,纳米片二维尺寸较大,具有更高的结晶度和更大的比表面积。以蓝光LED为光源,氧气为氧化剂,室温条件下,二维Ce-MOFs纳米片催化剂可将不同取代基的苯乙酸脱羧氧化成相应的苯甲醛和苯甲醇。Ce-BTB-H_(60)由于具有更高的结晶度、更大的比表面积以及更分散的纳米片结构,因此具有更优异的光催化性能。

超薄二维多孔纳米片在水处理中的研究进展

二维(2D)纳米片是一类非常具有前瞻性的多孔材料。作为新型的高性能吸附剂,与传统吸附材料相比,超薄2D多孔纳米片具有高比表面积、原子级厚度和几乎完全裸露的活性位点等优点,可快速有效地捕获水体中的(有机或无机)污染物质。本综述总结了两类代表性的超薄2D多孔纳米片[金属有机骨架材料(MOFs)和共价有机骨架材料(COFs)]作为优良吸附剂去除水环境中有机染料、有毒重金属和放射性元素的最新进展。介绍了该类化合物的结构特性和物理化学性质,总结了四种常用合成方法,重点分析了四种方法的优缺点以及面临的挑战,并对不同的合成方法进行了特点比较。阐述了超薄2D多孔纳米片在水中对各种污染物的吸附条件和吸附性能,对相关吸附机理做了系统总结和对比。论述了材料的再生性能,总结分析了再生过程中可能遇到的问题。最后对当前超薄2D多孔纳米片存在的不足、合成条件复杂等问题,提出了材料的合成优化、绿色无毒或低毒新技术的开发、重复使用效率的提高将会是未来的发展方向。

碳布生长二维Ni-MnMOF用于柔性超级电容器

通过溶剂热法在碳布(CC)表面生成二维Ni-Mn层状双金属氢氧化物,利用溶剂热法将其转化为二维Ni-Mn金属有机骨架(Ni-Mn MOF),产物形貌保持良好。探究了不同Ni、Mn元素物质的量之比、反应温度和反应时间对材料形貌、结构及性能的影响。当Ni、Mn元素物质的量之比为9∶1、反应温度为120℃、反应时间为12 h时,Ni-Mn MOF/CC电极的电化学性能最佳。在电流密度为1 mA·cm^(-2)时,该电极的面积比电容高达4007.5 mF·cm^(-2),同时该电极具有良好的循环稳定性。将该电极应用于柔性对称超级电容器中,该柔性对称超级电容器可180°弯折,且在10 mA·cm^(-2)的电流密度下进行5000次循环后电容保留率为83.6%,具有良好的循环稳定性和柔韧性。

二维MOF-5/PVDF复合膜的制备及其在重金属离子Cu^(2+)吸附中的应用

采用非溶剂诱导相分离法制备二维MOF-5/聚偏氟乙烯(PVDF)复合膜,然后将其用于吸附重金属离子Cu^(2+)。分析MOF-5的形貌、结构和晶型,优化MOF-5/PVDF复合膜的制备工艺参数,并探究最优性能复合膜的可重复使用性能。结果表明:制备的二维MOF-5大小均一、呈明显的薄片状;当MOF-5含量为8%与10%时,复合膜表现出良好的Cu^(2+)去除能力;经过7次循环试验后,复合膜依旧能够保持较好的吸附性能,表现出良好的可重复使用性能。制备了对铜离子具有良好吸附性能的二维MOF-5/PVDF复合膜,并实现了膜的可重复使用。