化学功能化增强贵金属纳米晶电催化性能

基于电催化过程的可再生和清洁能源的生产、转换和储存技术(如水电解和燃料电池)是缓解全球能源短缺和环境污染问题的有效手段.目前,水电解和燃料电池技术的实际应用缺乏高效、稳定的电催化剂来驱动动力学迟缓的阴极和阳极反应.贵金属纳米晶由于其独特的电子结构和高化学惰性而具有高电催化活性和稳定性.为了提升贵金属纳米晶的本征电催化性能,大量研究聚焦在利用面积效应、晶面效应和不同组分之间的协同效应来调控贵金属的粒径、形貌和化学成分.事实上,贵金属纳米晶的电催化性能也与其表/界面性质密切相关.电催化剂表面的化学功能化可以改变电极/电解质界面结构,从而提高电催化活性和选择性,这对开发新型高效的电催化剂具有重要的理论意义.本文系统介绍了本课题组开发的聚胺(PAM)功能化贵金属纳米电催化剂的合成方法及其在燃料电池和电解池等能源转换装置中的应用,具体包括:通过引入PAM控制反应动力学来调控纳米晶体的结构和形态,构建界面功能化贵金属纳米电催化剂;利用金属表面修饰的PAM分子改变表面催化位点的电子结构、配位环境等物理化学性质来控制反应物和中间体等的吸附行为,从而达到调节催化活性的目的;采用PAM分子来隔离特定活性位点,形成空间位阻,改变金属表面位点的可及性,影响催化反应中反应物的吸附,从而实现对目标反应的选择性.从优化催化性能和通过电催化过程实现高效能量转换的角度,本文列举了PAM功能化催化剂在氧还原反应、析氢反应、甲酸氧化反应和硝酸盐还原反应等重要反应中的最新研究进展;总结了化学功能化贵金属电催化剂的研究进展、当前不足,提出了挑战和未来前景.综上,本文旨在激发对表面/界面功能化及其催化行为的深入研究,从而推进未来与电催化技术相关的可再生能源的生产和环境保护.

硅烯的化学功能化

硅烯是一种零能隙的狄拉克费米子材料,对其能带结构的有效调控进而打开带隙是硅烯进一步器件化的基础.而化学功能化是调控二维材料的结构和电子性质的一种有效方法.本文简要介绍了近几年在硅烯的化学功能化方面取得的进展,主要包括硅烯的氢化、氧化、氯化以及其他几种可能的化学修饰方法.

石墨烯:化学与结构功能化

石墨烯是由单原子层二维单晶结构构成的一种新型纳米材料,具备光学、力学等优异性能,但其疏水性和生物不相容性限制了其在诸多领域的应用。为解决这一问题,石墨烯功能化成为近年来的研究热点。功能化石墨烯包括石墨烯的衍生物氧化石墨烯、石墨烯聚合物复合材料、转角石墨烯、石墨烯气凝胶、超韧性石墨烯等,主要是在石墨烯材料基础上,通过物理化学处理、结构改进对材料本身进行改性,使其功能化。功能化石墨烯具有优良的光电性能,包括高灵敏度、高响应度、高探测度等,可用于工业检测和监控、三维形貌测量、生物医学等邻域。重点讨论了功能化石墨烯的性质、制备方法,介绍了石墨烯功能化的最新进展。同时,对目前功能化石墨烯所面临的挑战和机遇做了展望。

基于固废物前驱体的电化学功能型碳气凝胶研究进展

基于固废物前驱体的碳气凝胶具有超低密度、高比表面积、高导电率以及低成本等优势,在电化学领域具有广泛的应用前景。本文综述了近年来基于农业、工业和生活固废物前驱体构筑的碳气凝胶材料及其在电化学储能领域的研究,总结了提升碳气凝胶的比电容性能和储钾性能的有效方法,并展望了未来重点研究方向。研究发现,复合金属化合物、掺杂杂原子以及调控孔隙结构等是提升碳气凝胶电化学性能的有效手段,能综合改善碳气凝胶的比电容和储钾性能。

卤化硅烯结构、电子和光学性质的第一性原理研究

二维硅烯的商业用途通常受到其零带隙的抑制,限制了其在纳米电子和光电器件中的应用.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,单层硅烯的带隙通过卤原子的化学官能化被成功打开了,并综合分析了卤化对单层硅烯的结构,电子和光学性质的影响.研究结果表明卤化使结构变得扭曲,但保持了良好的稳定性.通过HSE06泛函,全功能化赋予硅烯1.390至2.123 eV的直接带隙.键合机理分析表明,卤原子与主体硅原子之间的键合主要是离子键.最后,光学性质计算表明,I-Si-I单层在光子频率为10.9 eV时达到最大光吸收,吸收值为122000 cm^(-1),使其成为设计新型纳米电子和光电器件的有希望的候选材料.

碳纳米管电极上原位沉积Pt纳米颗粒

本文利用原位离子交换法制备了碳纳米管(CNTs)载铂(Pt/CNTs)电极.X射线光电子能谱分析表明,Pt通过离子交换载于电化学功能化的CNTs表面.扫描电镜照片显示,Pt高度分散于CNTs表面.X射线衍射分析表明,Pt的粒径约为4·0nm.离子交换法所制Pt/CNTs电极的电化学表面积和Pt的利用率均大于传统Pt/CNTs电极(Pt粒径约为2·5nm),其对氧还原的催化活性高于传统电极.这归因于离子交换法所制电极的特殊结构,即Pt普遍载于电化学活性位上.

功能化离子液体的催化作用及其应用

功能化离子液体是将功能团引入到离子液体的阳离子或阴离子上,从而赋予离子液体某种特殊性质.将具有催化活性的基团引入到离子液体的阳离子或阴离子上所得到的功能化离子液体,是一类新型的催化材料.除了具有优异的催化性能,其特殊的物理化学性质很容易实现产物与催化剂的分离,正在许多重要催化过程中发挥作用.本文主要介绍近年来我们关于功能化离子液体的制备、性质及其在催化反应中的应用等研究,同时指出了目前存在的问题,并对今后发展趋势进行了展望.