氮掺杂石墨二炔材料负载钯催化的非均相硝基芳烃还原

基于非均相催化剂的发展现状以及绿色化学的需求,以多孔氮掺杂石墨二炔(PQ-GDY,“自下而上”法合成)碳材料为载体,经钯负载成功制备了具有高硝基还原催化活性的非均相催化剂(Pd@PQ-GDY).通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、密度泛函理论(DFT)对该复合材料进行了综合表征及理论计算.结果表明:Pd@PQGDY实现了PQ-GDY对Pd(0)的高效负载,催化活性显著提高,是原位生成且未负载PQ-GDY的Pd(0)催化活性的23倍;其催化的10种硝基芳烃的还原转化率均高于96.5%,且展现了出良好的官能团兼容性.

镍氮掺杂石墨炔用作高效氧还原电催化剂

氧还原反应是燃料电池中至关重要的一环。常规的氧还原反应催化剂是贵金属铂,但鉴于铂的高成本,研究者希望寻找一种低成本的替代催化剂,它更便宜并且具有相当于铂的催化效果。在前期研究中,已经对铁氮共掺杂石墨炔和钴氮共掺杂石墨炔进行了研究,它们均表现出了高效的氧还原反应活性,而与之具有相似电子结构的金属镍尚未研究。因此,此工作以氢取代石墨炔为基底,设计并合成了多种镍氮掺杂的石墨炔电催化剂,并进行了氧还原电化学测试,其中,镍质量分数2%并加入三聚氰胺进行烧制的镍氮掺杂石墨炔催化剂表现出最佳的氧还原电催化性能。对催化剂进行了一系列的物理表征:X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM),进一步分析了其结构和形貌。从物理表征及电化学测试结果可以看出,氮原子是构建催化活性位点的关键,而镍原子在提高催化剂性能方面起着至关重要的作用,氮和镍的协同作用使得镍氮掺杂石墨炔催化剂表现出优异的催化性能,这使其具有良好的应用前景。

层状氮掺杂石墨炔半拉胀行为研究

层状氮掺杂石墨炔(NGDY)的成功合成(Nano Energy, 2018, 44, 144)引起了凝聚态物理和材料学领域科学家的广泛关注。在此,我们首先基于密度泛函理论计算确定了NGDY原子层的最佳堆垛次序,然后研究了其在双轴应变下的力学和电子性质。结果表明,NGDY能量最低的构型是ABC-堆垛结构。值得注意的是,在沿a、b方向的双轴应变下,该材料在c方向上表现出半拉胀行为。具体表现为:在双轴压缩应变下表现为普通材料的性质,即c方向晶格参数随双轴压缩应变增大而增大;在双轴拉伸应变下表现出拉胀材料的性质,即c方向晶格参数随双轴拉伸应变增大而增大。另外,在−0.05 ≤ ε ≤ 0.05的应变范围内,不管是拉伸应变还是压缩应变的增加均会导致体系带隙的增大。NGDY材料这种不同寻常的机械和电子性质表明其在新颖机械电子器件设计方面具有巨大潜力。

氮掺杂锯齿型γ石墨二炔纳米带的构效关系研究

石墨炔自2010年首次合成后,就成为了碳材料界的新宠儿。氮原子与碳原子尺寸相近,掺杂时相对容易,将氮原子掺杂到石墨炔中,可以很好的增强其催化性能和电化学性能,因而被广泛应用于电池、催化、光电等领域。本文探讨了氮的不同掺杂位置、掺杂浓度以及自旋状态对石墨炔的结构和性能的影响,采用Crystal 2014计算软件和密度泛函理论从石墨炔的结构参数、热力学稳定性、电荷分布、电子性质、杨氏模量、迁移率这几个方面作了详细的探讨,证实了氮掺杂的石墨二炔体系依然能保持较为良好的载流子迁移率状态。

石墨烯基氮掺杂多孔碳的制备及其储能性能

以氧化石墨烯为结构诱导试剂,以葡萄糖酸锌为碳源,尿素为氮源制备二维氮掺杂多孔碳。氧化石墨烯可以诱导二维结构的形成,并且高温炭化得到的石墨烯可有效地改善多孔碳材料的电子传输能力,葡萄糖酸锌中的锌离子可在高温下挥发继而作为造孔剂改善多孔碳的孔道结构,而尿素引入的氮原子可以提供赝电容改善电化学性能。通过尿素用量以及炭化温度的调控,优化二维氮掺杂多孔碳的制备条件,以其作为电极材料应用于超级电容器中,展现了优异的性能。结果表明:在0.1A/g的电流密度下,二维氮掺杂多孔碳电极展现了176.8F/g的容量,在10A/g下依旧可以保持71.9%的倍率。以二维氮掺杂多孔碳为电极制备的对称电容器在5A/g的电流密度下循环10000次后依然可以保持初始容量的80.4%,展现了优异的循环稳定性。

氮掺杂还原氧化石墨烯泡沫吸附/活化过硫酸盐协同去除双酚A的研究

利用氧化石墨烯和氨水为原料,采用水热法-冷冻干燥技术制备了易回收氮掺杂还原氧化石墨烯泡沫(N-RGF)催化剂,通过SEM,XRD,XPS,FT-IR,BET和TG等手段对催化剂结构和表面物理化学性质进行表征和分析.利用N-RGF通过吸附/活化过二硫酸盐(PDS)降解协同去除双酚A(BPA),优化了其制备条件,并探讨去除机理.结果表明,N-RGF为网状三维结构,孔径约为1~5μm,最优条件为180℃水热反应20h,氮掺杂量为6%.制备的N-RGF降解BPA速率是RGF的4.88倍.活性物种捕获实验和电子顺磁共振(EPR)研究结果显示单线态氧(^(1)O_(2))是N-RGF活化PDS降解BPA的主要活性物种.HPLC-MS检测了降解过程的中间体,并提出了可能的降解途径.MCF-7雌激素活性测试结果显示N-RGF通过吸附/活化PDS可有效消除母体的雌激素活性而不产生雌激素活性更强的中间体.

二维介孔氮掺杂炭/石墨烯纳米片的可控合成及其高性能微型超级电容器

石墨烯基二维介孔材料能够有效耦合石墨烯基底、功能化材料和介孔结构的优势,被认为是一种理想的微型超级电容器电极材料。基于此,本文以苯胺为前驱体,氧化石墨烯为二维导向剂,二氧化硅纳米球为介孔模板,采用双模板界面诱导自组装法制备介孔氮掺杂炭/石墨烯(mNC/G)纳米片,并实现了其介孔孔径的精确调控和电化学性能的优化。研究表明,7 nm孔径的介孔氮掺杂炭/石墨烯(mNC/G-7)展现出267 F g^(−1)的高比电容,且应用于准固态平面微型超级电容器表现出21.0 F cm^(−3)的体积比电容和1.9 mWh cm^(−3)的体积能量密度,证明了该二维介孔氮掺杂炭/石墨烯纳米片在微型超级电容器应用方面具有良好的前景。

氮掺杂石墨炔用于氧还原反应

阴极氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属-空气电池中的一个关键反应,在能源转化领域起着至关重要的作用1,2。由于其较高的过电位,当前氧还原反应一般都需要使用贵金属铂(Pt)基催化剂。但其高昂的成本和较差的耐久性极大地限制了燃料电池的规模化与商业化进程3,4。从长远来看,寻找高效的非金属催化剂代替Pt是降低成本的根本途径。在非金属催化剂中,氮掺杂碳材料的氧还原催化活性较高,是理想的氧还原反应催化剂之一5。目前,常用的氮掺杂碳材料主要基于石墨烯和碳纳米管,但限制于自身的sp2杂化结构,相应的氮构型主要有吡啶氮、吡咯氮和石墨氮等6–8。

掺杂石墨二炔电子结构的第一性原理研究

石墨二炔是近年实验上成功合成的一种新型二维碳材料,具有独特的结构、丰富的化学键和电子性质,拥有巨大的应用潜力。使用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究硅、锗、硼、氮、磷单元素替位掺杂的石墨二炔以及硼-氮、硼-磷双元素共掺杂的石墨二炔的电子结构。发现硅、锗掺杂的石墨二炔和硼-氮、硼-磷共掺杂的石墨二炔依然是半导体,带隙大小在0.004~0.49 eV;而硼、氮、磷掺杂的石墨二炔都变成了金属。本研究可为实验上通过掺杂手段调节石墨二炔的带隙和费米面位置提供理论依据。

高效催化氧还原及氧析出反应的掺杂石墨炔的设计与理论计算

在清洁和可再生能源的转化过程中,氧还原反应和氧析出反应需要高效的电催化剂以克服其动力学限制.本文设计了一系列掺杂杂原子的无金属石墨二炔,以促进上述两类关键化学反应.为了评估电催化性能,利用密度泛函理论研究了反应路径和吉布斯自由能变化.计算结果表明,掺杂剂可以优化中间体的吸附,降低反应的过电位.本文还得到了将催化剂性质与催化剂结构相关联的内在描述符,该描述符可以加速开发和筛选新型电催化剂.研究结果可为清洁能源技术(如燃料电池、金属空气电池和电解水等)中碳基催化剂的设计提供指导.

石墨炔-有机共轭分子复合材料的制备及其储锂性能

发展了基于超分子化学的新方法实现了对石墨炔的原位氮掺杂,通过利用石墨炔与有机共轭分子间强的π–π作用,原位制备了石墨炔/卟吩复合材料薄膜,并用作锂离子电池的负极材料,其比容量增加到了1000 m Ah·g^(-1),该复合材料表现出优良的倍率性能和循环稳定性,为可控制备掺氮石墨炔复合材料提供了新的思路。

兰州化学物理研究所发明氮掺杂多孔石墨烯制备新方法并用于稀土分离

近日,中国科学院兰州化学物理研究所手性分离与微纳分析课题组开发了一种多重限域的一步可控合成掺杂方法,制备了对稀土离子具有高分离选择性的氮掺杂纳孔石墨烯膜(专利申请号:CN 202010861481.0)。研究人员在吸附了苯丙氨酸的氧化石墨烯膜的二维层间空间限域生长层状锌类水滑石,从而构建类水滑石/苯丙氨酸/氧化石墨烯三明治型复合材料。由于锌类水滑石层间夹层可以作为密闭反应器,通过限域燃烧,可将苯丙氨酸中的氮原子掺杂到石墨烯晶格中。

专利文摘

氮掺杂三氧化二铟纳米棒/氧化石墨烯复合光催化剂的制备方法 该专利涉及一种氮掺杂三氧化二铟纳米棒／氧化石墨烯复合物的制备方法。具体步骤如下：1）氮掺杂三氧化二铟纳米棒的制备；2）氮掺杂三氧化二铟纳米棒功能化石墨烯的制备。该专利能有效拓展三氧化二铟光催化剂的光响应范围，显著增强光催化剂在可见光条件下的催化活性，扩大了三氧化二铟光催化剂的适用领域。