层状复合氢氧化物的结构调控及其吸附重金属离子的研究进展

层状复合氢氧化物(LDHs)是具有特殊层状结构的阴离子黏土,具有化学组成可调、比表面积大及结构记忆效应独特等性质,在废水处理方面备受关注。调控LDHs自身结构,是进一步扩大其应用范围、提高其吸附性能的有效途径。该文介绍了LDHs特殊的层状结构和其自身性质;总结了LDHs最常用的制备方法,即共沉淀法、离子交换法、尿素水解法、煅烧复原法和溶胶-凝胶法等,分别介绍了各种制备方法的原理和特点;综述了LDHs的结构调控对其吸附重金属离子性能的影响,并总结了LDHs对重金属离子的吸附机理;最后,指出了目前LDHs在处理含有重金属离子废水研究中面临的挑战,并对该材料未来的研究方向和发展趋势进行了展望。

CuO及其他过渡金属氧化物纳米结构材料在锂离子电池中的研究进展

锂离子电池(LIBs)因其能量密度高、体积小、质量轻等优点在便携式储能设备中广受欢迎。然而,传统商用LIBs存在可逆容量低、循环性能差、成本高、安全性差等问题,需要进一步提高其功率密度、能量密度、寿命和安全性。过渡金属氧化物负极材料提供的可逆容量与传统石墨材料相比高2~3倍,且具有更高的嵌锂电位和更高的安全性。同时,纳米结构电极材料由于其高比容量、快速的电子/离子转移速率,以及具有可减轻体积膨胀的自由空间等优点,成为电池电极的理想材料。本文综述了氧化铜(CuO)纳米结构材料用于LIBs的研究进展,包括球状、线状、片状等纳米结构,还阐述了它们的优势;还介绍了其他过渡金属氧化物纳米结构材料在LIBs中的应用;最后,讨论了CuO及其他过渡金属氧化物纳米结构材料未来在LIBs中应用的机遇和挑战。

CuCo_(2)O_(4)/NiFe层状双金属氢氧化物核壳纳米花球阵列的高效析氧反应

采用界面工程策略在泡沫镍(NF)上制备了CuCo_(2)O_(4)/NiFe层状双金属氢氧化物(LDH)(CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF)核壳纳米花球阵列。研究表明,电子通过CuCo_(2)O_(4)和NiFe-LDH耦合界面发生转移,导致核心CuCo_(2)O_(4)处于富电子状态,从而提高了反应速率。非晶态NiFe-LDH外壳不仅为电子/物质提供更多的传输通道和增加活性位点。同时,还能在电催化析氧反应(OER)中保护核心CuCo_(2)O_(4)免受强碱腐蚀。因此,在1.0 mol·L^(-1)KOH溶液中,将CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF用作OER催化剂时,仅需191mV的低过电位即可实现10 mA·cm^(-2)的电流密度和31 mV·dec^(-1)的低Tafel斜率。此外,CuCo_(2)O_(4)/NiFe-LDH@NF在长时间的工作中能够保证催化性能、晶体结构、形貌结构和组成的稳定。

钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料的研究进展

层状过渡金属氧化物是目前最具潜力的钠离子电池正极材料之一,因其理论容量较高且易于合成受到了广泛关注。旨在综述钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料的研究进展。首先简要概述了层状过渡金属氧化物材料的结构特点及目前存在的不足,介绍了P2相和O3相层状过渡金属氧化物的钠离子配位构型及传输路径;此外,针对充放电过程中存在不可逆相变、空气敏感性高、电化学性能有待提高等问题,从组分调控、结构设计及表面包覆三类改性方法入手,总结了P2、O3相层状过渡金属氧化物近几年的改性研究成果;最后,对钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料的产业化发展前景及潜在研究方向进行了展望。

双氢氧化物修饰镍金属网提升电磁屏蔽性能

针对镍金属网在电磁屏蔽中的低吸收效能(SE_(A))和较高反射(SE_(R))问题,通过电沉积方法在镍金属网(NM)表面负载镍铁双氢氧化物(NiFe LDH)纳米片,旨在提升材料的以吸收为主的屏蔽性能。处理后材料的微观结构和电磁特性得到显著改善,尤其是在X波段内实现了优异的56 dB的SE_(A)和2 dB的SE_(R)。同时,NiFe LDH纳米片优化了介电常数、磁导率、衰减常数和阻抗匹配,证明其在电磁屏蔽领域的广泛应用前景,合成简单且成本效益高。

层状嵌锂多元过渡金属氧化物的研究

综述了近几年来锂离子电池正极材料层状多元过渡金属氧化物的研究进展,重点讨论了具有协同作用的Ni、Co、Mn三元复合型层状正极材料LiCoxMnyNi1-x -yO2 (0 <x <0 . 5 ,0 <y <0 . 5 )及部分二元过渡金属氧化物正极材料锂镍锰氧化物和锂钴锰氧化物的制备方法,以及多元素过渡金属氧化物体系的电化学反应机理及其元素配比变化对材料综合电性能的影响。进一步分析了今后几年这类层状多元过渡金属正极材料研究的可能热点及该类材料走向规模化应用的关键因素。

层状复合金属氢氧化物:结构、性质及其应用

本文评述层状复合金属氢氧化物(layered double hydroxides,LDH s)的化学及其应用。层状复合金属氢氧化物具有结合紧密的氢氧化物层和处于层间的阴离子,其比较突出的化学性质是可逆的阴离子交换和热分解性质。不过,因为受到氢氧化物层的局限,处于层间的阴离子表现出的特殊化学性质近年来也越来越受到重视。利用上述三个方面的性质,人们发掘了层状复合金属氢氧化物在材料(包括有机无机复合材料)制备、离子交换与有害阴离子脱除、异构体化学分离、化学反应控制、阻燃材料、活性分子储存与缓释、局部化学反应合成、催化剂及催化剂载体等方面的应用。

层状双金属氢氧化物微观结构与性质的理论研究进展

总结了近年来理论计算方法在研究层状双金属氢氧化物(LDHs)结构与功能方面的应用现状.结合LDHs材料的结构特点,归纳了量子力学、分子力学、几何建模及物理静电模型相结合对LDHs材料进行结构模拟的思路,比较了各种方法在LDHs结构模拟上的优势及存在的不足.量子力学方法能够精确获得水滑石材料的层板构成及作用机制、简单阴离子插层水滑石主客体间的超分子作用实质以及电子性质、反应机理等方面的信息.与量子力学相比较,分子力学方法可以快速得到插层水滑石材料的层间阴离子排布及取向、水合膨胀特性及宏观力学性质等.几何模型和物理静电模型能构建直观、形象的数学模型,大大简化了计算量,因此能计算接近实际LDHs尺寸的体系,为推测LDHs结构信息提供了可能性.随着理论方法和计算机硬件水平的发展,使得计算机模拟技术逐渐成为获得LDHs材料微观结构参数、电子性质和动力学性质的一种有效手段.

纳米层状双金属氢氧化物的制备及结构表征

采用恒定pH 12±0.2,按n(Mg2+)∶n(A l3+)∶n(OH-)∶n(CO32-)=6∶2∶16∶1配制溶液,采用一步反应液相法,制备纳米层状双金属氢氧化物(LDH)粉体。为了获得无团聚、分散均匀的纳米粉体,探讨了溶剂置换干燥、真空干燥、常压干燥对纳米LDH粉体形成团聚的影响;用X射线衍射仪、透射电镜、红外光谱仪和元素分析仪对样品的物相、形貌、粒径和组成进行了表征。结果表明,溶剂置换干燥能够有效防止纳米粉体形成硬团聚,样品分散性好,呈针状形态,长50 nm,宽5 nm。

二元过渡金属氧化物界面结构的研究(Ⅰ):XRD及BET方法测定双边分散阈值

应用XRD及BET方法研究了MoO3-Fe2O3,MoO3-V2O5,MoO3-TiO2(锐钛矿),MoO3-WO3和MoO3-ZrO2五种二元过渡金属氧化物界面上的相互作用及非晶相自发分散.这些二元氧化物均含有0～100%之间的十个不同掺杂配比的MoO3,经干混和适宜温度下焙烧而得.XRD晶相定量分析及外推法证明,每种组分氧化物都在界面上自发分散为非晶相,并具有各自的分散阈值.当配比大于分散阈值时,各组分氧化物焙烧后的剩余晶相量与加入晶相量之间为线性关系,其中MoO3和ZrO3的斜率显著小于1.BET测定证明,所有试样的比表面积(3.71～11.25m2/g)较常见载体如SiO2等小得多.MoO3在五种二元氧化物界面的分散阈值各不相同(0.33～1.43 g/100m2),远大于唐有祺等人根据O2-密置模型计算得的在高比表面载体上的单层饱和容量(0.117g/100m2).这预示着界面上可能存在非单层分散及表面化学反应,XRD晶相分析及后续文章中FT-IR等表征手段证实了此点.

铜镁铝层状金属氧化物及其催化湿式氧化性能

分别采用常规浸渍法和“结构记忆”法制备了CuMgAlO层状金属氧化物。以MO为降解目标物,利用XRD、BET、SEM和H_(2)-TPR等分析手段对CuMgAlO进行表征,阐明CuMgAlO结构与其催化性能的构效关系。结果表明:CuMgAlO催化剂500℃煅烧仍保持水滑石层状结构。“结构记忆”法所得的CuMgAlO中Cu活性组分高度分散于CuMgAlO晶体中,H_(2)还原温度较常规浸渍法制备的Cu/MgAlO的高。在1.5 g·L^(-1)的CuMgAlO催化剂、6 mL的30%H_(2)O_(2)于55℃下反应,其MO的脱色率接近100%,表明其具有较好的催化活性,Cu的溶出量仅3.4 mg·L^(-1)。另一方面,依据FT-IR、UV-Vis和GC-MS表征分析,初步推断了CuMgAlO催化氧化MO降解机理。MO的共轭结构断裂,生成单苯环类中间产物,苯环进一步被氧化,MO被彻底氧化降解。

二元过渡金属氧化物界面结构的研究(Ⅱ):应用FT-IR及DSC方法表征非晶相结构

继前文之后,应用FT-IR及DSC方法进一步研究了五种二元过渡金属氧化物体系,即含0～100Wt％MoO3的MoO3-Fe2O3,MoO3-V2O5,MoO3-TiO2（锐钛矿）,MoO3-WO3及 MoO3-ZrO2在界面上非晶相分散的结构。根据FT-IR光谱及其差谱的原始数据,首次报导了界面上新生的非晶相物种的特征吸收谱带,并将其与键价结构相关联。DSC热分析证明,组分氧化物在固相热反应中的放热峰及吸热峰与非晶相分散的微晶及盐类复合氧化物或固溶体的形成有关,其中包括晶格畸变和瓦解、熔化、烧结或表面化学反应等机理有关。

五种二元过渡金属氧化物界面上的相互作用、非晶相结构及催化性能(Ⅱ)——DSC、半导体气敏特性、催化活性与亚单层分散模型

应用DSC、半导体气敏特性、催化活性及亚单(分子)层分散模型共四项表征技术,进一步研究了五种二元氧化物的界面结构及其特性,DSC曲线的放热峰及吸热峰分别与界面化学反应、晶格畸变和瓦解、熔化、烧结以及固溶体的形成相关,导电性能的测试证明这些二元氧化物属于N-型半导体,对邻二甲苯具有气敏特性,其灵敏度在化学吸附的初期阶段与邻二甲苯蒸气浓度呈线性关系,催化选择性及转化率的测定证明V_2O_5-MnO_3及WO_3-MoO_3体系对邻二甲苯选择性氧化为苯酐具有催化活性,其非晶相MoO_3及V_2O_5的活性较为显著,尤其当二元氧化物的组成接近分散阈值Dt时,选择性最佳,为了解释大的分散阈值Dt与小的比表面积之间的关系,经计算机编程计算,在分子水平及纳米尺度上提出了球形八面体密置的亚单层分散模型并求得了模型的七个参数,通过讨论亚单层分散与非晶相结构之间的关系,提出了晶相损失的机理以及作为催化剂的非晶相结构对热的亚稳特性。

过渡金属氧化物中新奇量子态与电荷-自旋互转换研究进展

为了满足信息技术时代下海量数据的高效存储及处理,具有低功耗、非易失性的自旋电子器件受到极大关注.能够高效产生自旋流的自旋源材料是新型自旋-轨道力矩器件的重要组成部分.近二十年来,在探索具有高效产生自旋流的材料体系,以及理解材料相关物理机制两方面都取得了较大的进展.最近,在过渡金属氧化物中涌现出许多与产生自旋流密切相关的新奇量子态,成为自旋源的新兴材料体系被广泛研究.研究结果表明,过渡金属氧化物具有对电子结构高度敏感、显著且灵活可调的电荷-自旋转换效率,具有巨大的应用潜力.本文主要综述了过渡金属氧化物中新奇的电子能带结构及其与电荷-自旋互转换的关联机制,并对未来的发展趋势进行了展望.

二元过渡金属氧化物界面结构的研究(Ⅲ):半导体气敏性能及邻二甲苯选择性氧化制苯酐的催化活性

导电性能测试证明,这些二元氧化物属于N-型半导体,其电阻在邻二甲苯气氛中明显减小,即具有对邻二甲苯的气敏效应,其灵敏度在化学吸附的初期阶段与邻二甲苯蒸气浓度呈线性关系。催化选择性及转化率测定证明,MoO3-V2O5,MoO3-TiO2及MoO3-WO3体系对于邻二甲苯选择性氧化为苯酐,具有催化活性,但MoO3-ZrO2体系没有催化活性。非晶相分散的MoO3及V2O5对该反应的促进作用较为显著,尤其当组成接近于分散阈值时,选择性最佳。MoO3-Fe2O3体系则对甲醇氧化为甲醛具有催化活性。

多孔过渡金属氧化物光催化降解VOCs

挥发性有机物(VOCs)是大气污染物的主要组分之一,具有毒性,易对环境和人体健康产生威胁,因此受到广泛关注。目前,催化氧化法是有效降解VOCs的方法之一。光催化具有价廉、无毒、节能和高效等优势,逐渐成为研究重点。过渡金属氧化物凭借抗中毒、热稳定性好、使用寿命长、对氧化反应的选择性高等优势,成为去除VOCs催化剂的绝佳候选者。多孔结构可以扩大催化材料的比表面积,增加活性位点,更好地促进VOCs的催化降解。本文综述VOCs的去除方法,分析催化剂的选择,展望技术发展方向,以期更好地利用多孔过渡金属氧化物作为光催化剂,有效去除VOCs,保护大气环境。

过渡金属氧化物LaFe_(1-x)Cr_xO_3体系的晶体结构和光电子能谱研究

我们在端点化合物LaFeO3中掺入Cr3+,制备了LaFe1-xCrxO3体系的系列样品。经XRD分析证明所制备的样品为单相体系 ,用MarqX程序对XRD数据进行分析得到其晶格常数。分别测定了入射光子能量在Fe 2 p吸收边以下和以上的O 1s芯能级谱。从电子结构角度探讨了该体系晶体结构变化趋势。初步得出结论 :随着Cr3+掺杂量在LaFe1-xCrxO3中的增加 ,O 2 p向Cr 3d的电荷转移量也发生有规律的变化。

过渡金属氧化物的表面电子结构分析

近年来,随着科研技术的发展,过渡金属氧化物逐渐在化学合成、光学仪器制备、多相催化与电子工业等领域中被广泛应用,且在应用过程中,多以薄膜的形式存在。因此,本文以过渡金属氧化物中具有代表性的MgO表面作为研究对象,引入了氧化学势这一参考条件,对MgO(001)、MgO(011)、MgO(111)三种表面电子结构进行深入分析。结果表明:MgO(001)表面与MgO(011)表面电子结构不能依赖于氧化学势,MgO(111)表面电子结构中的MgO(111)-O表面与MgO(111)-Mg表面与氧化学势呈现线性关系,其中,MgO(111)-O表面自由能会随着氧化学势的增大而减小;因此,可以发现,在氧化学势增大或减小时,MgO(111)-O表面电子结构的稳定性最强。

层状富镍过渡金属氧化物正极材料衰减机理研究进展

层状富镍过渡金属氧化物正极材料因具有比容量高、价格低廉以及对环境友好等特性而受到广泛关注,并已在产品中应用。但其本身固有的一些缺陷,如在循环过程中结构稳定性较差、高温循环衰减过快、导电系数较低及储存性能不佳等,极大地限制了其在各个领域的广泛应用。本文对近年来高镍层状过渡金属氧化物正极材料在循环过程中容量衰减有关机理进行概括总结,并针对不同衰减机理给出简要改进方法。

钠离子电池层状过渡金属氧化物中阴离子氧的氧化还原反应活性调控

由于资源丰富、价格低廉等特点,钠离子电池逐渐成为储能领域的研究热点。然而,钠离子电池正极材料较低的比容量是限制钠离子电池发展的关键因素之一。近年的相关研究发现,基于过渡金属阳离子与晶格氧阴离子双重氧化还原反应的层状过渡金属氧化物具有高的比容量,是下一代高比能量钠离子电池的首选正极材料。因此,深入了解阴离子氧的氧化还原反应的结构基础及演化机制,对探索高容量电池正极材料有重要意义。本文讨论了钠离子电池层状过渡金属氧化物中阴离子氧的氧化还原反应活化原理、以及结构调控对激发晶格氧活性的影响,并展望了其未来的发展趋势和前景,以期为今后该类型正极材料的研究提供参考。