硼氮共掺杂海藻酸钠基多孔炭及其快速高效储锌

近年来,锌离子电容器(ZIHCs)因其环境友好性和优异的电化学性能而备受关注。然而,ZIHCs的研究体系尚不成熟,为改善ZIHCs的储能动力学和循环稳定性等问题,亟需研发出低成本和高性能的碳基电极材料。本工作以海藻酸钠为碳前驱体,五硼酸铵为氮源和硼源,采用一步水热活化策略合成了氮/硼含量较高的分级多孔炭(NBSPC)。这种策略可以有效重塑炭的多孔结构,产生大量的活性位点,贡献额外的赝电容,从而提高其电化学性能。以NBSPC为正极构建了锌离子电容器,其在40 A g^(-1)的超高电流密度下,可以实现85.4 mAh g^(-1)优异的倍率性能,并在10 A g^(-1)的电流密度下可以稳定循环15000次,容量保持率高达94.5%。

硼氮共掺杂单壁碳纳米管电子特性研究

基于第一性原理的密度泛函理论、结合非平衡格林函数方法,计算了硼氮共掺杂情况下单壁碳纳米管的电子结构和输运特性。结果表明:单壁碳纳米管中进行硼氮共掺杂时,硼氮原子更趋向于形成沿管轴方向的硼氮原子对。针对硼氮共掺杂电子效应,从电子结构、态密度、透射系数、电流-电压曲线等方面进行了系统地探讨。硼氮原子对共掺杂显著提升了半导体性单壁管(10,0)的输运特性。而对于金属型(5,5)管的掺杂使得其在小偏压区间内表现出明显的半导体特性。

硼氮共掺杂碳纳米管水分子内表面吸附电子特性研究

基于第一性原理的密度泛函理论,通过迭代求解密度泛函理论近似的薛定谔方程,计算硼氮共掺杂碳纳米管体系的总能,得到了体系的几何结构和电子结构,并研究了硼氮共掺杂碳纳米管的水分子内表面吸附3种位型的吸附特性。结果表明,不论水分子初始位置如何,都将吸附在一个特定的位型上。此外,水分子吸附在体系的能隙中引入一个强局域性的吸附杂质带,导致体系的范霍夫奇异峰值发生变化,这对体系的输运和光学性能产生不可忽视的影响。

硼氮掺杂多孔碳电极材料的制备及其储能性能

【目的】制备储能性能优良的混合超级电容器,开发可再生和清洁能源存储技术。【方法】采用多孔碳作为电极材料,对多孔碳掺杂硼(B)、氮(N)等元素,增加多孔碳缺陷数量,改善多孔碳的电化学储能性能;使用乙二胺四乙酸四钠作为碳源,以硼酸铵、硼酸钠与氯化铵作为B、N掺杂源,分别制备B、N共掺杂多孔碳(B-N-多孔碳)、无掺杂多孔碳以及B、N单独掺杂多孔碳(B-多孔碳、N-多孔碳);对制得的多孔碳电极材料进行测试与表征,并进行电化学性能分析,研究多孔碳电极材料的比容量、功率密度和循环稳定性等储能性能;通过温度优化实验确定制备B-N-多孔碳的最优煅烧温度。【结果】B-N-多孔碳的孔类型主要有微孔、中孔、大孔,比表面积为668 m^(2)/g,总孔容为0.9 cm^(3)/g;N、B、C、O元素分布均匀,N、B的质量分数分别为13.12%、3.24%;石墨化程度低,结构无序程度高,缺陷数量大,离子的吸附性能强,充放电性能最佳;拥有最大的比容量和容量保持率;电荷转移内阻最小,循环性能最佳,会产生赝电容行为。【结论】当硼酸铵添加量为20 mmol,煅烧温度为700℃时,制得的B-N-多孔碳具有最好的微观形貌结构与电化学性能。

剪切形变对硼氮掺杂碳纳米管超晶格电子结构和光学性能的影响

碳纳米管作为最先进的纳米材料之一,在电子和光学器件领域有潜在的应用前景,因此引起了广泛关注.掺杂、变形及形成超晶格为调制纳米管电子、光学性质提供了有效途径.为了理解相关机理,利用第一性原理方法研究了不同剪切形变下扶手椅型硼氮交替环状掺杂碳纳米管超晶格的空间结构、电子结构和光学性质.研究发现,剪切形变会改变碳纳米管的几何结构,当剪切形变大于12%后,其几何结构有较大畸变.结合能计算表明,剪切形变改变了掺杂碳纳米管超晶格的稳定性,剪切形变越大,稳定性越低.电荷布居分析表明,硼氮掺杂碳纳米管超晶格中离子键和共价键共存.能带和态密度分析发现硼氮交替环状掺杂使碳纳米管超晶格从金属转变为半导体.随着剪切形变加剧,纳米管超晶格能隙逐渐减小,当剪切形变大于12%后,碳纳米管又从半导体变为金属.在光学性能中,剪切形变的硼氮掺杂碳纳米管超晶格的光吸收系数及反射率峰值较未受剪切形变的均减小,且均出现了红移.

氮硼共掺杂碳量子点的制备及其对六价铬的检测

目的建立一种基于荧光碳量子点的快速检测方法,定量检测饮用水和食品中的六价铬[hexavalent chromium,Cr(Ⅵ)]。方法以无水柠檬酸和3-氨基苯硼酸分别作为碳、氮和硼源,通过一步水热法合成氮硼共掺杂碳量子点(nitrogen-boron-doped carbon quantum dots,N,B-CQDs),基于荧光内滤效应对Cr(Ⅵ)进行检测。结果在优化后的最佳检测条件下,N,B-CQDs对Cr(Ⅵ)在0.01~10.00 mg/L内呈现良好的线性关系,检出限低至3.81μg/L,表现出选择性好、灵敏度高等特点。将此方法应用于饮用水、白醋和虾皮中Cr(Ⅵ)含量的测定,加标回收率在85.8%~112.3%之间,相对标准偏差低于5%。结论本研究制备的N,B-CQDs在Cr(Ⅵ)检测方面具有检出限低、灵敏度高、选择性好等优点,可以为Cr(Ⅵ)快速检测提供一定的理论和技术参考。

氮和硼元素共掺杂对碳点荧光的调控机制

元素掺杂对调节碳点多色发光有着至关重要的作用。然而,目前碳点的可调荧光发射在固态下难以实现,这是因为会发生严重的聚集诱导猝灭(AIQ)现象以及存在制备工艺繁琐等问题。本文报道了一种以间苯三酚为碳源、硼酸为硼元素掺杂剂、尿素为氮元素掺杂剂,采用固相法,微波一步直接制备的氮硼共掺杂固态荧光碳点。随着氮和硼元素含量的变化,所得固态碳点的发光颜色经历黄色、绿色到蓝色的变化。表征分析发现氮和硼元素的掺杂在碳点表面形成了不同的结构和表面官能团,随着氮和硼元素掺杂含量的提高,其中石墨氮、N—C以及B—O/B—N基团的协同作用导致了碳点发光颜色蓝移,且荧光发光效率增强。此外,鉴于这些固体碳点材料呈现出优异的多色发光性能,选择发光性能最佳的黄色、绿色和蓝色固态荧光碳点作为固态荧光粉末,制备得到了白光发光二极管(WLED)器件。这些器件均具有优良的色度指标,暖白光区发光和个别器件节能高效的工作特性表明这些发光材料在照明领域具有潜在应用前景。

硼氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体

中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室许智、王文龙、白雪冬、王恩哥等人提出了一种新的方法，在生长单壁碳纳米管过程中，原位进行硼（B）、氮（N）共掺杂，实验和理论研究发现，硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体。该工作得到了国家科技部、中科院和同家自然科学基金委的资助。本相关研究结果发表在近期的Advanced Materials 20，3615（2008）上。Asia Materials对该成果以标题“Doping carbon nanotubes”作为研究亮点进行了报道。

氮/硫共掺杂对纤水镁石模板碳纳米管电化学性能的影响

以天然矿物纤水镁石为模板、蔗糖为碳源制备多孔碳纳米管,并以硫脲为氮、硫源,采用水热法制备氮/硫共掺杂的碳纳米管。结果表明,掺杂碳纳米管继承了纤水镁石模板的柱状结构,呈现中空管状,增大了模板炭的比表面积和孔容。在6 mol·L^(-1) KOH电解液中,电流密度为1 A·g^(-1)时,未掺杂碳纳米管的比电容为62.2 F·g^(-1),氮掺杂之后碳纳米管的比电容为97.0 F·g^(-1),氮/硫共掺杂的碳纳米管比电容为172.0 F·g^(-1),氮/硫共掺杂后碳纳米管的电化学性能比未掺杂的提高近3倍;循环1000次电容保持率达89%,说明掺/硫共掺杂碳纳米管具有良好的电化学性能。此外,组装的对称型超级电容器同样展示了良好的电容性能。

基于纳米碳化钼/硼氮共掺杂二维碳复合结构催化剂制备及电化学析氢反应性能研究

基于可再生生物质在二维层状晶体表面的组装,开发了一种内嵌纳米碳化钼的超薄硼氮共掺杂二维碳复合结构催化剂。此催化剂在碱性条件下电化学析氢反应中,表现出类铂的催化活性、更优的电化学反应动力学速率及良好的反应稳定性。

热处理温度对沥青基硼氮共掺杂多孔炭结构与电化学性能的影响

以煤液化沥青质为碳源、硝酸为氮源、硼酸为硼源和造孔剂制备硼氮共掺杂多孔炭,研究了热处理温度对其孔结构和表面性质的影响,测试了产品作为超级电容器电极材料的性能.用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、N2吸附、元素分析、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)、X射线光电子能谱(XPS)、电化学工作站等对材料的结构、组成及电化学性能进行了表征.结果表明:随着热处理温度的升高,产品的石墨化程度逐渐升高;比表面积、总孔容呈先增加后减小的趋势;氮含量随着热处理温度的升高逐渐降低,而硼含量则随着热处理温度的升高逐渐增加;材料的比电容随着热处理温度的升高先逐渐增加后减小.其中900°C热处理的样品比表面积达到1103 m2·g-1,总孔容为0.921 cm3·g-1,氮含量为5.256%(w),硼含量为1.703%(w),在6 mol·L-1KOH电解液中当电流密度为100 mA·g-1时质量比电容为349 F·g-1;而经过1000°C热处理的样品表现出最好的倍率特性,电流密度从100 mA·g-1增加到10A·g-1时比电容保持率为75%.

硼氮共掺杂碳管门压输运特性第一性原理研究

利用结合第一性原理的密度泛函理论的非平衡格林函数数值方法,计算了硼氮共掺杂(5,5)单壁碳纳米管的电子透射特征和电流电压曲线。结果表明,硼氮共掺杂使得金属型(5,5)单壁碳管转变为半导体性,硼氮共掺杂使得体系透射峰值随偏压发生非线性变换。门电压较小时对体系的输运特性的调制才属于线性关系。

离子液体介质中氮-硼共掺杂TiO_2催化剂制备及其光催化活性

在[Bmim]PF_6离子液体介质中,用微波辐射加热方法制备了氮-硼共掺杂的纳米TiO_2-N-B光催化剂,并以甲基橙为模拟污染物,紫外灯为光源,考察了离子液体用量、氮-硼掺杂量、微波功率、微波干燥时间及微波焙烧等因素对其光催化活性的影响。结果表明,制备TiO_2-N-B催化剂的最佳条件:[Bmim]PF_6的加入量为5.6 mL,n(B)∶n(N)∶n(Ti)=4∶1.5∶1;微波炉210 W干燥18min,600℃焙烧1.5 h;或真空干燥2 h,微波辐射分三段(350 W→560 W→210 W)焙烧19 min(10.0 min→3.0 min→6.0 min)。与单一掺杂的TiO_2-B或TiO_2-N催化剂相比,氮-硼共掺杂的TiO_2-N-B催化剂催化活性明显提高,这是因为氮-硼共掺杂能够抑制TiO_2粒径的生长。

基于硼氮共掺杂荧光碳点定量分析吡罗昔康

以邻苯二胺、谷氨酸及硼酸为前驱体,通过简单的一步水热法成功制备水溶性极好的硼氮共掺杂荧光碳点(B,N-CDs)。该B,N-CDs粒径约为20 nm,在吡罗昔康(PRX)的存在下,由于B,N-CDs和PRX之间存在强烈的电子或能量转移导致发生了强烈的荧光淬灭效应。据此,应用荧光碳点B,N-CDs作为荧光探针成功构建了高选择性、高灵敏性的PRX检测荧光传感器。实验数据显示,该传感器具有响应速度快、线性范围宽和检测限低等优点。检测PRX的线性范围为2×10^-5~1.5×10^-4 mol/L,LOD为5.7×10^-8 mol/L。该传感器用于实际样品检测得到了较好的回收率(94.3%~103.3%),充分说明B,N-CDs在药物检测领域具有很好的潜在应用价值。

硼氮共掺杂TiO_2粉末制备及光催化活性研究

采用溶胶-凝胶法制备硼氮共掺杂TiO2光催化剂,利用X射线衍射、X射线光电子能谱及紫外-可见光漫反射光谱手段对制备的催化剂进行表征。结果表明,硼和氮均以间隙方式进入TiO2晶格中,形成Ti—O—B、Ti—O—N和Ti—O—B—N结构,提高了催化剂活性;B-N-TiO2吸收带边明显红移,表明催化剂对可见光吸收增强。可见光降解甲基橙结果表明,B-N-TiO2的活性明显高于B-TiO2和N-TiO2,说明硼氮共掺杂改性对提高TiO2可见光活性具有协同作用。

镍-氮掺杂型碳纳米管材料的制备及其储钠性能研究

本工作以四水合醋酸镍和二氰二胺为原料,利用简单热解法制备出镍金属与氮元素共掺杂型碳纳米管状材料。借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射测试(XRD)、X射线光电子能谱测试(XPS)、氮气吸脱附测试(BET-BJH)和电化学技术等表征手段,对比分析了商业化碳纳米管(CNT)、商业化氮掺杂碳纳米管(NCNT)和镍-氮掺杂型碳纳米管(Ni-NCNT)三种电极活性材料的形貌、结构和电化学性能。结果表明,Ni-NCNT材料拥有中空管状结构,比表面达160.75 m^(2)·g^(-1),电极循环250次后,容量依旧保持在306 mAh·g^(-1),不同倍率测试后继续循环1000次,容量仍保持为100.3 mAh·g^(-1),循环性能与倍率性能均优于CNT和NCNT,该材料在钠离子电池负极领域中拥有巨大的应用前景。

第一性原理研究铝氮掺杂小半径碳纳米管

基于第一性原理的密度泛函理论,计算并分析了铝氮共掺杂小半径碳纳米管的电子结构.结果表明,铝氮共掺杂的情况下,更容易形成相邻的铝氮对.在掺杂的七种位置中,电子性质都发生了很大的变化,原来的金属性碳纳米管转变为半导体性质.为了更好的理解其电子性质的变化,我们分析其能带结构和态密度.

硼、氮共掺杂金刚石的高温高压退火研究

本文通过温度梯度法在5.5 GPa和1300℃的条件下合成了硼、氮共掺杂金刚石单晶。随后分别在5.0 GPa,2000℃和2100℃的条件下对合成金刚石进行了高温高压(HPHT)退火处理。傅里叶红外光谱(FT-IR)测试表明高温高压退火后晶体内部单一替代形式的C心氮转变成了聚集态A心氮,且随着退火温度的升高A心氮的含量提高。晶体内部带正电荷的氮离子N+的含量并未受到退火处理的影响。经过高温退火后晶体内部出现了NV0和NV-色心,但是继续提高退火温度时NV色心消失。高温高压退火并未对金刚石晶体的结构及内应力产生明显的影响。高温高压退火处理后金刚石晶体的热稳定性能提高,其起始氧化温度、剧烈氧化温度以及质量急剧减少的温度点分别提高了65℃、55℃以及61℃。本文对高温高压退火处理应用到硼、氮共掺杂金刚石提供了指导。

硼/氮共掺杂使金属性单壁碳纳米管转变成半导体

本研究小组利用硼和氮共掺杂碳纳米管构筑了大量的场效应晶体管,并对其电学性质进行了统计分析研究。结果表明,通过对单壁碳纳米管进行硼和氮共掺杂,样品中半导体性纳米管的比例由67%提升到高于97%。为了深入理解这一重要实验发现,我们利用第一性原理,计算了掺杂对单壁碳纳米管能带结构的调制作用。结果证明,硼和氮共掺杂可使金属性单壁碳纳米管的能隙被打开,转变为半导体性纳米管,但并不改变半导体性碳纳米管的导电属性,从而在理论上解释了硼和氮共掺杂调节碳纳米管能带结构的物理机制。这项工作为纳米管电子和光电子器件走向实际应用提供了一条新途径。