钢渣/氮掺杂改性活性炭催化过硫酸盐降解罗丹明B

以提高钢渣资源化利用和深度降解有机污染物为研究目标,通过改变氨气煅烧温度制备了系列钢渣/氮掺杂改性活性炭复合材料,并用于催化过硫酸钠处理罗丹明B(RhB)废水。同时采用N2吸附/脱附、XRD、XPS等手段对复合材料的孔结构和表面性质进行了表征。结果表明:氮元素的引入可改善复合材料中活性金属与活性炭之间的相互作用,从而提高复合材料的催化活性。以最优复合材料60%GZ/AC-N800为研究对象,在反应温度为35℃、PS加量为2 g/L和宽pH(3~11)操作条件下,反应30 min后罗丹明B(100 mg/L)的去除率可达88.7%~92.2%。动力学分析发现,60%GZ/AC-N800复合材料催化PS降解RhB符合准二级动力学。自由基掩蔽实验发现,该降解过程是自由基途径(SO_(4)^(·-)和·OH)和非自由基途径(^(1)O_(2))共同参与反应的氧化过程。

氮掺杂碳纳米线负载MnO纳米粒子作为水系锌离子电池正极的性能研究

水系锌离子电池(AZIBs)因锌的氧化还原电位低、能量密度高而有巨大的应用前景,其中储存Zn^(2+)的宿主正极决定了电池的放电性能和循环稳定性。以含有3个羧基的次氮基三乙酸(Nitrilotriacetic acid,NTA)为配体,通过简单的调整Mn^(2+):NTA的比例,制备了3种一维纳米线结构聚合物,并经煅烧处理中得到了3种氮掺杂碳纳米线负载不同粒径MnO材料MnO/NC-x。其中Mn^(2+)∶NTA比例为0.5时制备的MnO/NC-0.5中MnO粒径最小,且均匀的分散于纳米线表面。该材料作为AZIBs正极展现了卓越的离子扩散性和导电性等动力学特征。在2 A/g的高电流密度下该材料显示出158 mAh/g的倍率性能,并在1 A/g的条件下经历1000个循环后仍有96%的容量保持率,表现出卓越的循环稳定性。

氮掺杂碳包覆负极材料的研究进展

传统的沥青碳包覆石墨负极材料已经无法满足市场对锂离子电池在能量密度、充电、安全性等方面提出的更高要求,而氮元素掺杂可以调控碳包覆层的界面结构,提升负极材料的电化学性能,受到广泛关注和研究,且氮掺杂碳包覆是在当前的负极材料产业链条件下最具潜力和最容易实现产业化的改性方式之一。因此,本文从氮掺杂碳的结构特征及氮掺杂碳包覆负极材料两方面进行了综述,并对氮掺杂碳包覆的未来进行了展望,以期为其产业化发展提供参考。

反应性硬模板制备多孔氮掺杂碳的电化学性能

以葡萄糖(G)、尿素(U)、碱式碳酸盐和碳酸钾(PC)分别为碳前驱体、氮掺杂剂、反应性硬模板和活化剂,采用模板碳化-化学活化法合成了层级多孔氮掺杂碳材料。研究了各前驱体质量比、硬模板类型对其结构进而对其用作超级电容器电极性能的影响。结果表明:在800℃裂解温度下,G、U、碱式碳酸锌(BZC)和PC的质量比为2∶1∶2∶2时,制备的多孔氮掺杂碳(G/U-BZC-PC)呈现出珊瑚状、多级孔(微-介),具有大的比表面积(3000 m^(2)/g)、较高的石墨化程度以及低的电荷转移电阻;在1 A/g电流密度下,其扣式电池(6 mol/L KOH)的比电容为301.9 F/g,且具有较好的倍率性能,增大至10 A/g时,其电容保持率为89.4%;另外,在10000次充放电循环后,其电容保持率为98.1%。

金属/非金属和氮共掺杂生物炭的制备及其在有机污水处理中的应用进展

生物炭作为一种吸附材料在有机废水处理等领域具有广泛应用。使用单一金属/非金属和氮共掺杂,在一定条件下两者之间具有协同作用,可以丰富生物炭表面催化位点,增加催化活性。本文首先概述金属/非金属和氮共掺杂生物炭制备过程的机理,然后重点讨论近几年来金属/非金属和氮共掺杂生物炭在有机污水处理中的应用进展;最后展望金属/非金属和氮共掺杂生物炭的发展方向和应用前景。

氮掺杂碳阳极电化学处理水中难降解有机污染物研究进展

电化学氧化处理难降解有机污染物具有快速、高效等优点,具有良好应用前景。近年来,氮掺杂碳材料因其特殊结构被广泛用于电化学水处理领域。列举了常见的氮掺杂碳阳极材料,比较了各种氮掺杂碳修饰阳极降解水中污染物的效能,简要梳理了氮掺杂碳对电极性能作用影响的机理,并对该类阳极在电催化降解水中污染物进行了展望。

氮掺杂二硫化钼纳米催化剂的电催化析氢性能

以钼酸钠为钼源,L-半胱氨酸为硫源和还原剂,双氰胺为氮源,采用水热法合成了一系列氮掺杂二硫化钼纳米催化剂(N-MoS_(2))。通过XRD、SEM、XPS、Raman等手段表征了不同N掺杂量的N-MoS_(2)催化剂的形貌、元素分布、晶体结构和电子性质。表征结果表明,合成的N-MoS_(2)催化剂均为纳米片层组成的花球,N原子均匀掺杂进了MoS_(2)晶格中。N掺杂使得N原子周围的Mo和S原子的电子密度增加,生成更多具有催化活性的不饱和配位点。采用电化学工作站在酸性介质中测试了催化剂的线性扫描伏安曲线和塔菲尔斜率,评价了N-MoS_(2)纳米催化剂的电催化析氢(HER)性能。结果表明,MoS_(2)催化剂和N-MoS_(2)催化剂上的析氢反应均通过Volmer-Heyrovsky路径进行。MoS_(2)催化剂上析氢反应速控步骤为Volmer反应,N-MoS_(2)催化剂上析氢反应的速控步骤为Heyrovsky反应。与MoS_(2)催化剂相比,N-MoS_(2)催化剂的塔菲尔斜率较低,析氢反应速率较快,显示出更好的电催化析氢性能。尤其当N与Mo的原子为0.1时(N/Mo=0.1),制备的N-MoS_(2)-0.1催化剂表现出最好的电催化析氢性能,其塔菲尔斜率为60mV/dec。N-MoS_(2)催化剂的电催化活性提高可归结为不饱和配位点暴露量的增加和富电子的Mo对Mo-H*的弱化。

基于量子化学计算优化的氮掺杂碳量子点缓蚀剂制备及其缓蚀性能

[目的]氮掺杂碳量子点(N-CQDs)作为一种绿色高效的新型缓蚀剂,在腐蚀控制领域具有巨大的应用潜力。但由于其结构无法精确调控,很难对制备N-CQDs的众多前驱体进行筛选。[方法]依据密度泛函理论(DFT),通过Fukui指数计算各前驱体分子的优先反应活性位点,确定前驱体分子间一步脱水缩合反应产物的分子结构,并进行全局参量和局部参量的计算,分析了采用柠檬酸分别与乙二胺、尿素和氨基胍盐酸盐作为前驱体所合成的3种N-CQDs的缓蚀性能,再通过称重法对水热法合成的3种N-CQDs的缓蚀性能进行验证,优选出缓蚀性能最佳的缓蚀剂。采用紫外可见吸收光谱、荧光光谱和高分辨率场发射透射电镜表征优选缓蚀剂的荧光性能和表面形貌,并以电化学方法和表面分析方法研究此缓蚀剂对Q235碳钢在0.5 mol/L硫酸溶液中的缓蚀机理。[结果]以柠檬酸和氨基胍盐酸盐为前驱体制备的N-CQDs-3缓蚀性能最佳,且试验结果和理论计算结果一致。N-CQDs-3在紫外激发光下显示蓝绿光,平均粒径为(2.5±0.8)nm。该缓蚀剂是一种混合型缓蚀剂,主要通过物理和化学吸附同时抑制金属在酸溶液中腐蚀反应的发生,其对Q235碳钢在0.5 mol/L硫酸溶液中的缓蚀效率最高可达95.3%。[结论]通过量子化学计算方法对制备N-CQDs所用的前驱体进行筛选,提前预测其缓蚀性能,可提高试验效率。

富氮多孔碳纳米片的氮掺杂构型调控及其储锌性能

基于多孔碳正极和锌金属负极构建的水性锌离子电容器(ZICs)具有成本低、环境友好、安全性高和长期耐用等优点,近年来受到广泛关注。本文以具有共价有机框架结构(COF)的富氮聚合物为碳源前体,通过简单的炭化自活化策略,合成了富氮多孔碳纳米片(NPCN-x)。研究表明,基于聚合物前体丰富的COF结构特点,炭化温度对所制备碳材料的氮含量和氮掺杂构型有显著影响,且碳材料表面的吡咯氮含量与其储锌性能呈现高度线性相关。优化后的NPCN-800其吡咯氮原子分数高达2.15%,作为ZICs的正极材料,在0.5A/g的电流密度下,展现出158mAh/g的高比容量和优异的循环稳定性。结合密度泛函理论计算发现,碳材料表面的吡咯氮构型具有优异的电化学活性,能够显著增强Zn离子的化学吸脱附过程。该研究为高性能ZICs用碳基电极材料的设计构建提供了新思路。

超高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以蔗糖为碳源、尿素为氮源、草酸钾为活化剂,通过简单的研磨和高温碳化制备了具有超高比表面积(大于3000 m^(2)·g^(-1))的氮掺杂多孔碳材料。采用多种手段对多孔碳材料的微观形貌、比表面积、孔结构和表面氮物种进行了表征,探究了不同温度下草酸钾和尿素对碳材料的比表面积、氮含量和超级电容性能的影响。结果表明,仅使用草酸钾作为活化剂制备的碳材料KC-800的比表面积为1114 m^(2)·g^(-1),而同时使用草酸钾和尿素制备的样品KNC-800的比表面积高达3033 m^(2)·g^(-1)。在以6.0mol·L^(-1)KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^(-1)时,KNC-800的比电容为405 F·g^(-1),而KC-800的比电容仅为248 F·g^(-1)。这表明草酸钾和尿素的加入显著提高了多孔碳材料的比表面积和超级电容性能。电容贡献分析表明,KNC-800的双电层电容值和赝电容值均高于KC-800。KNC-800在电流密度为0.5 A·g^(-1)时经过10000次循环后仍能保持98.3%的初始比电容,表现出优异的循环性能。

氮掺杂Ti_(3)C_(2)MXene量子点荧光探针用于α-葡萄糖苷酶活性检测

α-葡萄糖苷酶是生物体糖代谢途径中不可或缺的一类酶,发展简单、灵敏、准确的α-葡萄糖苷酶活性检测及抑制剂筛选方法对于糖尿病的治疗与预防具有重要意义。该文基于氮掺杂Ti_(3)C_(2)MXene量子点(NTi_(3)C_(2)MQDs)荧光探针和内滤效应(IFE),构建了一种“开-关-开”型荧光传感α-葡萄糖苷酶活性检测及抑制剂筛选的新方法。研究发现,N-Ti_(3)C_(2)MQDs发射蓝色荧光(λem=440 nm),荧光量子产率为15.7%。其检测机理为:α-葡萄糖苷酶水解底物对硝基苯基-α-D-吡喃葡萄糖苷,水解产物对硝基苯酚通过内滤效应导致NTi_(3)C_(2)MQDs荧光猝灭;而抑制剂阿卡波糖可使α-葡萄糖苷酶的活性受到抑制,水解产物减少,N-Ti_(3)C_(2)MQDs荧光恢复。结果显示,N-Ti3C2 MQDs探针荧光强度与α-葡萄糖苷酶浓度在5~300 U/L范围内呈良好线性关系,检出限为2.5 U/L(S/N=3),对阿卡波糖的半最大抑制浓度(IC_(50))为178.5μmol/L。该方法具有成本低、操作简单、灵敏度高、选择性好等特点,已成功用于人血清中α-葡萄糖苷酶活性的测定。

N掺杂和光化学合成CoSex助催化剂改性石墨相氮化碳以提高其光催化产氢性能

开发一种高效的产氢光催化剂对于将太阳能转化为氢能至关重要。该研究将氮掺杂石墨相氮化碳(CN)与光化学合成得到的助催化剂CoSex相结合,通过原位合成制备了一种高效的光催化产氢材料。该材料的最佳光催化性能较CN提高285倍。光电化学试验表明,氮掺杂和引入CoSex可以有效促进光生电荷载流子的分离,从而提高CN的产氢活性。该工作为利用光化学沉积方法制备新型光催化剂提供了新的视角。

氮氧双掺杂多孔碳对四环素的电吸附及其机制

四环素(TC)约占抗生素总产量和使用量的三分之一,且在水体中难以被降解,导致其在环境中的浓度越来越高而引发难以预估危害的细菌耐药性.因此,开发有效途径对水中四环素进行高效去除具有重要现实意义.本文通过简单的分散聚合物制备了具有高四环素吸附效率的聚酰亚胺衍生碳材料(FCPI).FCPI独特的分级多孔结构、丰富的氧(14.6%)、氮(4.7%)掺杂量和边缘缺陷等可为四环素的吸附提供丰富的活性位点;较大的比表面积、良好的导电性和化学稳定性,可提供稳定的双电层吸附界面.因此,将FCPI制备成电容去离子(CDI)器件的电极片后,FCPI对TC的电吸附容量高达989.5 mg·g^(-1),是传统自吸附的2.3倍(430.2 mg·g^(-1)).FCPI在自然水体中,经过200次吸-脱附循环后吸附容量仍可保持70%以上,具有优异的再生性和循环稳定性.且FCPI在不同水体中均表现出高效的TC吸附性能和同步去除水体中硬度离子的能力,使其在处理复杂水体污染与环境保护方面具有重要的实际意义.

氮掺杂木质素基碳量子点在次氯酸根离子检测中的应用

采用三聚氰胺提供氮源,对碳量子点(CQDs)进行氮掺杂,利用一步水热法制备氮掺杂木质素基碳量子点(N-CQDs)。通过氮掺杂形成共轭体系并引入氨基,达到提高其荧光强度的目的。对N-CQDs进行表征和测试,结果表明N-CQDs的平均粒径为2.7 nm,由许多官能团构成,如氨基、羟基、羧基、醚键、碳氮单键、碳氮双键、以及苯环结构等。其最佳激发、发射波长分别为400 nm、500 nm,紫外可见光谱中位于260 nm处的吸收峰是酶解木质素的C=O键与苯环结构的π-π*共轭吸收峰和来自三聚氰胺C=N键的π-π*共轭吸收峰,在315 nm处的吸收峰归因于酶解木质素C=O键或苯环的n-π*跃迁,以及三聚氰胺的C-N键和C=N键的n-π*跃迁。将N-CQDs应用于离子检测,其对次氯酸根(ClO^(-))有猝灭作用,对ClO^(-)具有特异性检测,检测限为1.21μmol/L。N-CQDs可以成功进入活细胞,对活体细胞无害,并能观察到细胞质中的亮绿色荧光。N-CQDs具有良好的次氯酸根离子检测效果和荧光效应,且对细胞无毒性,在离子检测和医疗方面具有一定的应用前景。

氮掺杂空心碳纳米球嵌入氮掺杂石墨烯负载钯纳米粒子作为甲酸氧化的高效电催化剂

低成本、高活性、耐久性好的高效电催化剂对直接甲酸燃料电池的应用起着至关重要的作用。本文采用简单经济的方法,研究了以三维层状多孔结构嵌入氮掺杂石墨烯(NG)的氮掺杂空心碳纳米球(NHCN)负载Pd纳米粒子作为直接甲酸燃料电池催化剂。由于具有独特的氮原子掺杂三维互联层状多孔结构,Pd纳米颗粒尺寸较小的Pd/NHCN@NG催化剂具有较大的催化活性表面积、优越的电催化活性、较高的稳态电流密度和较强的抗CO中毒能力,明显超过传统的Pd/C、Pd/NG和Pd/NHCN催化剂对甲酸电氧化的催化性能。通过优化HCN/GO比,当HCN/GO质量比为1∶1时,Pd/NHCN@NG催化剂对甲酸的催化氧化性能最佳,其活性是Pd/C的4.21倍。本工作开发了一种优越的碳基电催化剂载体材料,为燃料电池的发展带来了广阔的应用前景。

玉米芯基氮掺杂多孔炭的制备及其电化学性能研究

以农业废弃物玉米芯为炭前驱体、氢氧化钾为活化剂,通过氮掺杂结合预炭化和化学活化法制备了氮掺杂分级多孔炭。结果表明,三聚氰胺与预炭化生物炭的质量比为1∶1、活化温度为800℃时制备的多孔炭材料具有最大的比表面积(3639 m^(2)/g)和孔容(1.96 cm^(3)/g)。与其他氮源相比,三聚氰胺有利于炭材料中氮原子的均匀掺杂和分级孔结构的形成。该电极材料在三电极体系中0.5 A/g时获得了342 F/g的高比电容,在10 A/g下比电容仍达到303 F/g。两电极体系中,该材料在500 W/kg时能量密度为32.3 Wh/kg;该器件在10 A/g下进行10000次充放电后电容保持率为82.2%。

氮掺杂淀粉基硬碳负极材料制备及其储钠性能研究

钠离子电池(sodium-ion batteries,SIBs)作为未来极具竞争力的大型储能装置之一,由于没有合适的负极材料,其商业化应用受到严重阻碍,因此,开发新型高性能SIBs负极材料是目前亟待解决的问题之一。硬碳材料由于来源丰富和成本低廉受到广泛关注,使用马铃薯淀粉为前驱体,采用不同的氮源对马铃薯淀粉进行掺杂改性,从而制备出氮掺杂硬碳材料。测试结果表明氮掺杂硬碳材料相比于未掺杂改性材料,其电化学性能显著提高。以二氰二胺为氮源掺杂的硬碳材料在0.1 A/g的电流密度下循环100圈后,仍能保持220.47 mA·h/g的可逆比容量,以尿素为氮源的硬碳材料能保持233.36 mA·h/g可逆比容量。结果表明,氮元素的掺杂可以有效地提升硬碳材料的离子电导率、增加硬碳材料的可逆比容量,从而整体提升硬碳材料的电化学性能。

氮掺杂介孔碳对含Pb(Ⅱ)隧洞施工废水的吸附性能

采用硬模板法制备氮掺杂介孔碳,分别采用比表面积分析仪、透射电镜、红外光谱仪和X射线光电子能谱分析表征材料结构及理化性质。将该材料应用于对2种隧洞施工废水中Pb(Ⅱ)的吸附,研究pH、反应时间对吸附效果的影响以及反应动力学、等温模型。研究发现,该体系的吸附动力学与二级动力学方程基本一致,其吸附特性与Langmuir和Temkin等温模型相适应。实验结果与表征结果表明,材料吸附Pb(Ⅱ)的过程涉及到静电作用、孔道扩散等物理吸附以及表面含氮官能团与Pb(Ⅱ)的化学吸附。2种废水中基于Langmuir模型的最大吸附量分别为493.5 mg/g和603.9 mg/g。吸附材料可通过HCl处理实现有效再生与重复利用。

氮掺杂碳量子点荧光法检测猪肉中的四环素

四环素(TC)作为一种广谱抗生素,用于预防和治疗细菌性疾病,以及作为饲料添加剂促进动物生长。本文旨在建立一种菠萝皮来源的氮掺杂碳量子点(N-CQDs)荧光猝灭法快速检测TC。以菠萝皮和二乙烯三胺为原料,通过水热法制备高量子产率的蓝色荧光N-CQDs。通过透射电子显微镜、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱对N-CQDs进行结构表征。结果表明,N-CQDs的平均粒径为3.53 nm,主要由C、N、O 3种元素组成,表面具有含氧和含氮基团。主要猝灭机理为静态猝灭和内滤效应。在最优试验条件下,该方法在0.3~40μg/mL范围线性良好,检出限为89.26μg/L。该检测方法被用于猪肉中四环素的检测,回收率在98.40%~106.02%之间,相对标准偏差1.29%~3.88%。

氮掺杂二氧化铈的制备、性能及应用研究现状

氮元素掺杂对CeO_(2)物化性能有显著影响,氮掺杂后CeO_(2)表现出优异的光催化、热催化和电化学性能,但目前关于氮掺杂CeO_(2)的研究相对较少,缺乏对现有氮掺杂CeO_(2)研究成果的系统总结与梳理。为此,总结了目前制备氮掺杂CeO_(2)的主要方法、讨论了氮掺杂对CeO_(2)物化性能的主要影响、分析了目前氮掺杂CeO2的主要应用场景、展望了未来氮掺杂CeO_(2)需开展的主要研究工作。