氮硫共掺杂活性炭的制备及超级电容器性能研究

以工业废弃酒糟为原料通过活化法制备出具有超高比表面积和较高氮和硫掺杂量的氮硫共掺杂活性炭。研究发现活化剂量对氮硫共掺杂活性炭的比表面积、孔结构、表面组分和电化学性能具有非常重要的影响。氮硫共掺杂活性炭具有超高的比表面积(2225 m^(2)·g^(-1))、高孔容(1.39 cm^(3)·g^(-1))、适宜的微孔率(45.3%)、较小的平均孔径(1.25 nm)以及较高的N(原子百分含量1.7%)和S(原子百分含量4.8%)掺杂量。在三电极体系中,氮硫共掺杂活性炭在6 mol/L KOH中表现出超高的质量比电容和优异的倍率性能。在二电极体系中,氮硫共掺杂活性炭在6 mol/L KOH和EMIMBF 4中都表现出较高的质量比电容和倍率性能。尤其是氮硫共掺杂活性炭在EMIMBF 4中表现出非常高的能量密度(99.1 Wh/kg),在超级电容器中具有实际应用价值。

氮硫共掺杂生物炭活化过硫酸盐去除地下水中难降解有机污染物的效能研究

针对水环境中2,4-二氯酚(2,4-DCP)污染,笔者以水稻秸秆为生物炭前驱体,硫脲为双原子掺杂剂,通过高温热解工艺制备了高效吸附和催化性能的氮硫共掺杂生物炭(NSBC),用于活化过一硫酸盐(PMS)降解2,4-DCP,并对其进行表征。结果表明,双原子掺杂显著提高了生物炭材料的比表面积、氧化还原活性和活性位点,如含氧官能团和氮、硫官能团。在最佳条件下,NSBC具有高效的催化能力,5 min内2,4-DCP的降解率为95.30%。NSBC/PMS体系(0.542 min^(-1))的降解速率常数是BC/PMS体系(0.197 min^(-1))的2.7倍。此外,在较宽的pH值范围内NSBC仍具有较好的催化性能。电子自旋共振和猝灭实验分析表明,活化PMS生成的^(1)O_(2)和·O_(2)^(-)作为2,4-DCP的降解过程的主要活性氧物种(ROS)。

氮硫共掺杂生物质铁炭材料活化PMS降解双酚A研究

以硫脲、樱桃核粉末和无水三氯化铁为原料,通过一锅煅烧法制备出氮硫共掺杂的生物质铁炭材料(Fe/NS-BC)。该材料能有效活化PMS,在0.1 g/L Fe/NS_(0.03)-BC和0.5 g/L PMS存在的条件下,20 mg/L的双酚A在30 min时被完全去除。自由基猝灭实验证明Fe/NS_(0.03)-BC/PMS体系中存在SO_(4)^(•−)、•OH和1O_(2)三种活性氧物种。碳基体中掺杂的氮、硫和铁之间的协同作用是Fe/NS-BC能高效活化PMS降解有机物的主要原因。Fe/NS-BC具有合成方法简单、成本低廉、环境友好等优点,在有机污染物的降解方面具有良好的应用前景。

氮硫共掺杂荧光碳点的光热效应研究

碳点具有合成简单、光学性能良好、生物相容性优异以及制备成本低廉等优点。本工作以柠檬酸为碳源,硫脲为氮源和硫源,用溶剂热法合成了氮硫共掺杂碳点。制备的碳点具有蓝色荧光,且展现出高的光热转换能力,其光热转换效率达40.86%,可同时作为光敏剂和光热剂使用。

氮硫共掺杂多孔碳材料制备及其电容性能研究

碳材料因电化学稳定性好,被广泛用作超级电容器电极材料,但是其比电容较低,目前多通过对碳材料进行杂原子掺杂来提高其比电容。碳材料中杂原子掺杂量对其电容性能有重要影响。以静电交联的聚苯胺和聚对苯乙烯磺酸为碳材料的前驱体,其中静电交联作用可提高氮和硫元素的掺杂量,从而获得具有高比电容的多孔碳材料。当电流密度为1 A/g时,所制备碳材料的比电容为160 F/g,且具有良好的循环稳定性,而纯聚苯胺制备的碳材料比电容仅为110 F/g。

氮硫共掺杂碳点为荧光探针检测姜黄素的研究

本文以柠檬酸和L-半胱氨酸为原料,在微波加热的条件下合成了氮硫共掺杂碳点(NSCDs)。用透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱对合成的掺杂碳点进行了表征。NSCDs的荧光强度随着不同浓度姜黄素的加入而逐渐猝灭。实验考察了溶液pH、NSCDs浓度、反应时间对NSCDs-姜黄素体系荧光强度的影响,优化了实验条件,建立了一种快速灵敏的检测姜黄素含量的方法。最佳实验条件下,姜黄素的浓度在0.2~15μmoL/L的范围内与NSCDs的荧光强度成良好的线性关系,其检出限为62nmoL/L。将该方法应用于实际尿样和血样中姜黄素的测定,回收率在98.0%~102%之间。同时对NSCDs与姜黄素体系的荧光猝灭机理进行了初步的探讨,姜黄素与NSCDs的相互作用主要为静态猝灭过程。

氮硫共掺杂TiO_2的光电荷分离效应及其光催化性能研究

以硫脲为掺杂剂,采用溶胶-凝胶法制备了氮硫共掺杂TiO2(N,S-TiO2)。用比表面孔隙仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)和X射线光电子能谱(XPS)对制备的光催化剂进行了表征,用表面光电压仪(SPS)和捕获剂研究了光催化剂的光生电荷分离效应。以甲基橙为模拟污染物,在模拟自然光照射下考察了样品的光催化性能。结果表明:硫脲/Ti的摩尔比为30%所制备氮硫共掺杂TiO2具有较高的光催化活性,光催化活性是纯TiO2的5倍。氮硫共掺杂使TiO2具有更高的比表面和光生电荷分离效应,从而有利于提高光催化活性。

氮硫共掺杂多孔碳纳米片的制备及催化氧还原性能研究

高效、廉价、稳定性和选择性好的氧还原电催化剂的研发是燃料电池大规模应用的关键。以廉价生物质——胖大海为碳源,亚甲基蓝为氮源和硫源,通过一步高温热解法,制备了氮硫共掺杂多孔碳纳米片。用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、全自动气体吸附(BET)等表征了催化剂的物相、形貌、组成、比表面积和孔径分布,用多种电化学方法考察了材料在碱性介质中电催化氧气还原反应(ORR)的活性、稳定性和甲醇选择性。结果表明,一步热解成功制备了大比表面积的氮硫共掺杂多孔碳纳米片,该材料具有与商品Pt/C相当的电催化ORR活性,且其稳定性和甲醇选择性明显优于商品Pt/C。

氮硫共掺杂石墨烯/SnS2纳米复合材料的制备及储锂性能

锡基负极材料的理论储锂容量高,但循环稳定性和倍率性能差,难以满足实际应用的需要。我们以四氯化锡、二硫化碳、氨水、石墨烯为原料,采用水热-热处理相结合的方法,合成了氮硫共掺杂石墨烯/硫化锡复合材料(SnS_2@N,S-RGO)。该材料中,硫化锡纳米粒子均匀地生长在石墨烯上,增大了其比表面积,提高了其稳定性和导电性。因此,该复合材料的储锂容量高、倍率性能和循环稳定性好,有望用于高性能锂离子电池。

湿法碳氮硫共掺杂TiO_2的制备及其光催化活性

以全硫碳酸铵为掺杂剂,采用湿法由硫酸钛出发制得碳氮硫共掺杂TiO2,通过XRD和XPS对掺杂TiO2进行了表征,并对掺杂TiO2的光催化活性进行了考察。结果表明,微波辅助加热制备的掺杂TiO2中,C元素部分替位取代了TiO2晶格中的Ti 4+;N元素以两种掺杂形式存在,即进入TiO2晶格替位取代O2-产生掺杂和通过化学吸附进入晶格间隙产生掺杂;S元素主要提供S 2p形成S6+取代Ti 4+进入晶格进行掺杂;以甲基橙溶液为对象进行光催化降解,当掺杂量α为1.6、500℃焙烧2h时,掺杂TiO2表现出较高的可见光催化活性,光照70min使浓度为20mg/L的甲基橙溶液的降解率达到99.64%,明显提高了纳米TiO2的光催化活性。

高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备

提供一种新型的超级电容器用高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备方法,该方法操作简单、时间周期短、重复性好。以葡萄糖酸钙为碳源、氢氧化钾为活化剂、硫脲为氮硫源,通过直接碳化法制备出氮硫共掺杂多孔炭纳米片,并用于超级电容器的电极材料。通过扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、拉曼以及氮气吸脱附测试分析,氮硫共掺杂多孔炭纳米片具有高比表面积(491 m^(2)·g^(-1))、高氮掺杂量(8.1%)、高硫掺杂量(3.7%)以及分级孔道结构,并在6 mol·L^(-1)的KOH水溶液中表现出良好的电化学性能。当电流密度为0.2 A·g^(-1)时,其质量比电容高至221 F·g^(-1),在20 A·g^(-1)时,其质量比电容可以达到144 F·g^(-1),质量比电容保持率高达65%,而且经过5000次充放电循环的电容保持率高达100%。该方法制备出的氮硫共掺杂多孔炭纳米片不仅表现出较大实际应用潜力,而且为寻找电化学性能优异的氮硫共掺杂电极材料奠定基础。

氮硫共掺杂中空纳米炭瓶的可控合成

杂原子掺杂碳材料因优异的电化学性能日益受到重视。以生物质基化合物(果糖)为碳源,油酸钠和三段共聚物为软模板,结合水热碳化法,原位可控合成瓶状结构的氮硫共掺杂中空纳米碳材料。分析碳材料的微观形貌、元素组成和元素结合形态等特性。碳纳米颗粒具有中空瓶状结构,并掺杂了N/S元素。基于微观形貌,推测材料从中空瓶状结构生长成实心花生状结构的演变机理。在6 mol/L KOH溶液中,该材料制得的电极以1 A/g电流在0~1 V循环,比电容为133.2 F/g,以10 A/g电流循环1 000次,电容保持率为90%。

硫、氮共掺杂三维石墨烯的全固态超级电容器

石墨烯以其超高导电性和超大比表面的独特优势常被应用于对称超级电容器的电极材料,然而二维石墨烯纳米片层间的范德华力容易导致片层堆叠。并且水溶液作为电解质组装的超级电容器在充电过程中可能发生水分解反应导致充电电压受限从而极大地降低它的能量密度。基于此,本研究采用水热法制备了硫、氮共掺杂的三维石墨烯气凝胶电极材料,研究了石墨烯材料的微观形貌、表面化学性质及水热反应时间对材料电化学性能的影响。结果表明:S,N-rGO-2具有发达的孔结构和高含量的杂原子。在5mV/s的扫描速率下比电容高达358.5F/g,使用固态电解质组装的全固态超级电容器充电电压可以达到1.8V,在1A/g的电流密度下比电容高达118.3F/g,能量密度达到14.9Wh/kg,并且10000次充/放电后的比电容保留率和库仑效率均接近100%。S,N-rGO-2表现出优异的双电层电容性能,可作为有潜力的超级电容器电极材料。

采用两步炭化法和熔盐模板法制备N、S共掺杂煤基硬炭及共储钠性能

硬炭因资源丰富、结构稳定及安全性高等优势,已成为钠离子电池常用阳极材料。其中,煤基衍生硬炭受到了广泛的关注。本工作以长焰煤为碳源,硫脲为氮硫源,NaCl为模板,通过两步炭化工艺和杂原子掺杂相结合的方法合成了N和S共掺杂的煤基硬炭(NSPC1200)。两步炭化过程在调节碳微晶结构和扩大层间距方面发挥了重要的作用。N和S的共掺杂调节了炭材料的电子结构,赋予其更多的活性位点;此外,引入NaCl作为模板有助于孔结构的构建,有利于电极和电解质之间的接触,从而实现Na+和电子的有效传输。在协同作用下,样品NSPC1200表现出优异的储钠能力,在20 mA g^(−1)电流密度下呈现314.2 mAh g^(−1)的可逆容量。即使在100 mA g^(−1)下循环200次,仍保持224.4 mAh g^(−1)的比容量。这项工作成功实现了策略性调整煤基炭材料微观结构的目标,最终获得了具有优异的电化学性能的硬炭阳极。

水热法制备氮硫共掺杂碳点检测Cr(Ⅵ)

以间苯二胺和氨基磺酸为原料,利用水热法合成氮、硫掺杂的蓝色荧光碳点(NS-CDs)。采用高分辨率透射电镜、X射线衍射光谱、红外吸收光谱、X射线光电子能谱、荧光光谱、紫外光谱对NS-CDs的结构、表面组成、光学性质进行研究。NS-CDs分散性好,平均粒径为1.2 nm,具有无定形碳结构;表面含有羟基、硫酸酰基、氨基等官能团;在pH弱酸至弱碱时荧光稳定,其荧光量子产率为39.03%。基于静态猝灭机制,建立了Cr(Ⅵ)检测方法,Cr(Ⅵ)浓度在5~65μmol/L范围内与荧光强度的减弱效率有良好的线性响应,检出限为0.46μmol/L。方法用于自来水和土壤中Cr(Ⅵ)的检测,加标回收率为95.3%~118.4%(RSD<2.8%)。

氮、硫共掺杂多孔类石墨烯碳催化剂的制备及其氧还原性能

开发廉价、高性能的碳基非贵金属氧还原(ORR)催化剂是很多先进能源系统(如:质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池等)商业化应用的关键。采用聚丙烯腈前驱体,以升华硫为硫源,以氧化锌为模板,通过聚合、热处理等过程得到了氮、硫共掺杂的多孔类石墨烯ORR催化剂。该催化剂在碱性介质中表现出优异的ORR性能,其中部电位比商业Pt/C催化剂高出32 m V。除了优异的ORR催化性能,该催化剂还具有优异的稳定性、甲醇耐受性及接近100%的四电子催化过程选择性。通过研究催化剂的理化性质与ORR性能之间的关联,发现,引入硫后,催化剂的组成、结构、形貌都发生了明显的变化,而这些变化是催化剂具有优异ORR性能的重要原因。

氮-硫共掺杂二氧化钛光催化剂的制备及其可见光催化活性

采用研磨煅烧法,以硫脲(TU)作为氮源和硫源,H2TiO3(HT)为TiO2的前驱体,制备了不同TU/HT比例的N,S共掺杂TiO2光催化剂(NS/TiO2);利用X射线衍射仪、透射电镜、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、紫外-可见吸收光谱仪等分析了NS/TiO2的晶体结构、显微形貌、典型元素的化学状态以及光谱性质;利用BET法测定了NS/TiO2的比表面积,同时测定了其在可见光照下催化降解罗丹明B的活性.结果表明,当TU/HT质量比为0.5时,NS/TiO2的光催化活性最佳,光照70min时的罗丹明B降解率为44.4%.氮元素以NH3形式吸附在TiO2表面,硫元素以S6+形式存在,部分S6+取代Ti 4+的位置.与此同时N,S共掺杂使得TiO2的禁带宽度减小,可见光催化活性提高.

氮硫共掺杂纳米TiO_2的制备与可见光催化活性（英文）

以钛酸丁酯为钛源,尿素和硫脲为掺杂剂,采用溶胶-凝胶法制备氮硫共掺杂纳米TiO_2光催化剂。用XRD、TEM、XPS和UV-visDRS对其进行表征分析。结果表明:在450℃空气气氛中制备的氮硫共掺杂纳米TiO_2粒子均为锐钛矿相,平均尺寸14nm左右。与相同条件制备的纯TiO_2比较,氮硫共掺杂TiO_2光催化剂的吸收边带明显红移,对可见光的吸收显著增强。在可见光照射下光催化降解弱酸性红染料的实验证明,氮和硫共掺杂可增强纳米TiO_2的光催化活性。

氮硫共掺杂石墨烯量子点荧光探针检测博莱霉素

以柠檬酸和硫脲为原料,用水热法合成了具有荧光性能的氮硫共掺杂石墨烯量子点(NS-GQDs),并对其进行了表征。单链DNA(ssDNA)可通过p-p堆叠作用吸附在NS-GQDs表面,导致荧光信号降低,以Fe^(2+)为辅助因子时,博莱霉素能够不可逆地切割ssDNA,荧光信号恢复。基于以上原理,开发了检测博莱霉素的荧光传感器。方法的线性范围为1.8~1200 nmol/L,检出限为0.25 nmol/L。应用于人体血清样品中博莱霉素的含量检测,结果满意。

以CaCl_2为模板合成的高活性和高稳定性铁、氮、硫共掺杂多孔碳氧还原电催化剂（英文）

燃料电池是一种可将化学能通过电催化反应直接转化成电能的装置,具有能量密度高和清洁无污染等优点.燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的动力学较迟缓,是电池能量效率损失的主要原因.目前ORR催化活性最高的是铂基催化剂,但由于贵金属铂价格昂贵,储量稀少,且对燃料小分子渗透的抗性较差,严重制约了燃料电池的大规模应用.因此,高性能、低成本的非贵金属催化剂成为燃料电池领域的研究热点.本文选用含氮量高达45%的三聚氰胺-甲醛树脂为碳源和氮源,Fe(SCN)_3为铁源和硫源,以CaCl_2为模板,在高温和铁的催化作用下将树脂碳化,经酸洗和二次热处理工艺,制备出铁、氮、硫共掺杂的多孔碳(FeNS-PC).干燥后的CaCl_2颗粒可防止树脂在高温下交联形成块状碳颗粒,同时起到造孔模板的作用.CaCl_2颗粒在温和条件下即可除去,无需强腐蚀性条件,因此不会对催化活性中心造成破坏.在Fe/N/C催化剂中掺杂S可进一步提高催化活性,不添加碳载体可避免低活性的碳载体降低质量活性,多孔结构可促进传质,充分利用活性位点.我们优化了热处理温度,并对催化剂的结构、组分及催化性能等进行了表征分析.结果表明,热处理温度为900℃时,可将树脂完全转化成多孔碳,并获得较高的杂原子掺杂量,可达到最优活性.CaCl_2为模板剂可避免使用强腐蚀性试剂去除模板,有利于保留活性位,并得到多孔结构.FeNS-PC-900的比表面积可达775 m^2/g.得益于原位掺杂的合成工艺,各掺杂元素在多孔碳表面均匀分布.在酸性介质中,FeNS-PC-900的半波电位可达到0.811V,仅比商业Pt/C催化剂低78mV;在0.8V电位下的质量活性为10.2A/g,表现出优异的催化活性.经过10000圈加速衰减测试后,其半波电位仅下降了20mV,在0.75V电位下持续放电10000s后,其ORR电流仍保持初始电流的84.4%,具有比Pt/C更加优异的稳定性.以FeNS-PC-900为阴极催化剂的质子交换膜燃料电池的最大功率密度可达到0.49 W/cm^2,并在0.6 V电压下持续放电10h后,其电流仍可保持初始电流的65%,表现出良好的应用潜力.FeNS-PC-900具有高掺杂含量、高比表面积和多孔结构,并且杂原子在催化剂表面均匀分散,在半电池和燃料电池测试中都表现出优异的催化活性和稳定性,表明其是一种非常有潜力应用于燃料电池的非贵金属氧还原催化剂.