直接甲醇燃料电池中碳基载体材料的研究进展

甲醇氧化电催化剂是决定直接甲醇燃料电池(DMFCs)性能、寿命与成本的关键。为获得高功率密度和低生产成本的DMFCs,设计合成组成、结构、形貌可控的阳极催化剂备受关注。阳极催化剂的颗粒尺寸、粒径分布、形貌结构、稳定性、分散性以及催化活性都与载体息息相关,而碳基载体材料由于其优异的性能已广泛应用于DMFCs中。首先,介绍了酸性环境和碱性环境中甲醇氧化反应的机理;然后,对不同形式的碳基载体材料,如炭黑、介孔碳、碳纳米材料、氧功能化碳、杂原子掺杂碳以及金属氧化物改性碳作为催化剂载体在DMFCs中的应用进行了综述;最后,对DMFCs的发展趋势进行了展望。

电容去离子碳基电极材料的研究进展

电容去离子(CDI)技术具有能耗低、再生效率高、无二次污染、易于操作等优点,在解决水资源短缺和水环境污染方面应用广泛。开发具有高电化学性能和盐吸附能力的电极材料是CDI脱盐的关键。碳材料因其高比表面积、丰富的孔隙结构、优异的导电性和良好的稳定性而被广泛用作CDI电极。本文在介绍CDI技术基本原理的基础上,综述了5类典型碳基电极材料的研究进展,重点是材料设计和改进的吸附性能。对比分析了不同种类电极材料之间的优缺点,探讨了工业化存在的问题及改进方向。

主题:碳基电子器件及应用

碳基电子技术被认为是“后摩尔时代的颠覆性技术之一”,以三维金刚石、二维石墨烯和一维碳纳米管等为典型代表的碳基电子材料各具优异特性,给新一代射频、太赫兹、高线性以及光电探测传感等器件领域带来了技术创新甚至变革性应用的希望,但是不同碳基材料和器件目前又面临系列的不同技术挑战和难题,远未发挥应有的性能潜力,仍需进一步探索和深入研究,共同寻求突破和解决方案。为探讨碳基电子从材料至芯片层面的关键技术与面临的实际问题,《固体电子学研究与进展》计划开展“碳基电子器件及应用”专题栏目组稿,现向相关专家学者征集该方向的研究论文及展望综述,以促进该领域的技术交流、创新与发展。

比较两种常见的前驱物合成的聚合物及碳基微球材料

聚合物/碳基微球材料以其独特的骨架结构、优异的物理化学性能及广阔的应用前景,成为当下纳米材料研究和开发的热点领域之一。近年来,人们发展了两种常见的前驱物——间苯二酚/甲醛和多巴胺,来相对容易地在实验室合成制备聚合物/碳基微球材料。对这两种前驱物的不同的组成、化学结构、聚合反应机理等进行了系统的比较。此外,围绕合成与应用,对该领域研究存在的机遇与挑战进行了合理的展望。

面向大电流密度电解水的碳基催化剂研究进展

电解水体系可以在温和条件下制备氢气。得益于高比表面积、高电子传输性和原料丰富等优点,碳基电催化剂备受关注。商业用电解水装置需要在较低过电位下实现较大交换电流,进而实现氢气的持续快速生产。然而当前实验室研究的重心大多放在小电流服役工况,对于大电流工况下的系列问题关注较少。研究表明,电解水体系在不同电流密度下表现出的问题差异较大,其影响因素包括气泡、电催化剂局域微环境和电极稳定性等。本综述,首先对碳基电解水催化剂的发展现状进行了总结,大电流模式下暴露出的问题与挑战进行了讨论,并提出可能有效的解决方法,以实现能满足大电流密度要求的高活性高稳定性碳基电催化剂的研发。

载荷对非晶碳基薄膜腐蚀磨损性能的影响

腐蚀环境条件下的动力件经受腐蚀和磨损的双重损伤,载荷的往复作用使得金属表面的钝化层失去作用而加速损伤,非晶碳基薄膜在腐蚀和摩擦领域展现出优异的防护性能。为了研究载荷对非晶碳基薄膜腐蚀磨损性能的影响,明确各个损失分量随载荷的变化关系,采用磁控溅射在304不锈钢表面制备了a-C薄膜、a-C:Cr薄膜和a-C:Si薄膜,通过动电位极化测试3种薄膜在5.0 mol/L HNO_(3)条件下的静态腐蚀行为,同时结合3种薄膜在去离子水和5.0 mol/L HNO_(3)环境下的不同载荷作用的磨损量,分析研究了载荷对腐蚀摩擦过程中各个分量的影响。结果表明:Si掺杂使a-C薄膜的腐蚀电流密度从1.11×10^(-6 )A/cm^(2)降低至3.96×10^(-7 )A/cm^(2),Cr掺杂后腐蚀电流密度略微降低;随着载荷的增加3种薄膜的腐蚀损伤分量降低,机械磨损分量相应增加,对应的腐蚀-磨损交互作用对薄膜的损伤作用减弱。

废弃生物质水热炭化衍生碳基光催化材料的研究进展

水热炭化是一种经济且环境友好的废弃生物质热化学转化技术.废弃生物质通过水热炭化制备碳基光催化材料,不仅可实现废弃物的高值利用,而且可通过光催化材料的的应用缓解环境污染和能源危机.本综述将水热炭化制备的废弃生物质碳基光催化材料分成水热炭、碳点和碳基复合材料三类,并系统总结其制备、光催化机理和应用方面的研究进展.首先,归纳了3种光催化剂的制备,包括形成机理和物化结构;然后分别阐述了各类催化剂的光催化过程和光催化性能提高途径,以及从有机污染物降解、重金属去除、消毒、产氢和CO_(2)还原等领域介绍了光催化应用;最后,对该领域未来的研究重点和发展方向进行了展望.

基于组分设计的MOFs衍生碳基吸波材料的研究进展

金属有机骨架(MOFs)具有孔隙率高、比表面积大等特点,其衍生物重量轻、带宽宽、损耗能力强,具有有序规整以及易设计性的组分结构而被广泛用于电磁波吸收研究。总结了单金属、双金属及金属氧化物MOFs碳基吸波材料作为微波吸收材料的性能、优势及其在电磁波吸收方面的应用等,分析了不同组分和组分设计对电磁波吸收性能的影响。尽管还面临许多的挑战,但MOFs衍生物作为电磁波吸收材料显示出广阔的发展潜力。

碳基复合材料修饰电化学传感器检测双酚A研究进展

双酚A作为一种应用最广泛的增塑剂,常用于食品的各类包装中。然而,食物和水源中双酚A的浸出以及在制造过程中双酚A的排放会危害人类健康。近年来,碳基复合材料因其独特的物理化学性质,在双酚A检测中展现出优异的性能,基于碳基复合材料修饰的电化学传感器快速检测双酚A已成为当前的研究热点。文章综述了双酚A以及碳基材料修饰电化学传感器在双酚A检测中的应用,并对双酚A电化学检测的发展方向进行了展望。

碳基材料应用的研究进展

碳基材料因结构多样、表面化学性质丰富、可调控性强、比表面积大、孔结构丰富、热稳定性好、机械强度高及吸附容量高等优点被广泛应用于催化及储能领域。分析了石墨烯、碳纳米管、碳纳米线及碳化硅等碳基材料的制备方法、改性方法及应用领域,综述了碳基材料的研究进展,对其未来发展方向进行了展望。

碳基无金属纳米材料用于电催化合成小分子化学品

电催化是各种以化学品形式储存可再生电力能源技术的核心。目前,贵金属基催化剂广泛应用于提高电催化转化效率。然而,成本高、稳定性差等缺点严重阻碍了其在电合成和可持续能源器件中的大规模应用。碳基无金属催化剂(CMFCs)在提高催化性能方面展现出巨大潜力,且受到越来越多的关注。本文概述了用于电催化合成的CMFCs的最新研究进展,并讨论了其催化机理和设计策略。此外,简要总结了电催化合成过氧化氢、氨、氯以及各种碳基和氮基化合物的研究现状,并重点阐述了CMFCs目前面临的挑战和未来前景。

碳基电催化剂缺陷工程用于CO_(2)还原反应

电催化二氧化碳(CO_(2))还原是通过电能将温室气体CO_(2)转化为高附加值化学品。碳基材料因其成本低、活性高的特点,被广泛应用于包括电催化CO_(2)还原在内的多种电化学反应中。近年来,通过缺陷工程在碳基材料中构建不对称中心优化材料的物理化学性质,提高电催化活性这一策略引起了研究人员的广泛关注。本文综述了缺陷碳基材料的类型、构建方法和缺陷表征方法,并进一步梳理了缺陷工程的优势、各种缺陷构建方法和表征方法的优缺点。最后,对缺陷碳基材料在电催化CO_(2)还原中面临的挑战和机遇进行了展望。相信本文能为缺陷碳基材料在CO_(2)还原中的发展提供针对性的建议。

生物质碳基电解水催化剂定向构筑研究进展

生物质碳具有廉价易得、环境友好以及物化结构可调控的优点,是负载过渡金属的良好基底,在电解水方面应用前景广阔。碳基底的比表面积、孔隙分布等物化结构直接影响了催化活性位点的利用以及电解液离子扩散,是发挥过渡金属电解水催化潜力、决定催化剂性能的关键。介绍了不同生物质的热解机理,对高温热解法、水热碳化法以及微波热解法等生物质碳常见制备方法进行了归纳,并比较不同制备方法优缺点。总结了物理法、化学法及模板法等生物质碳物化结构定向调控策略,探讨了不同调控策略对生物质碳比表面积、孔容、平均孔径等物理化学性质的影响。归纳了杂原子掺杂及金属活性组分负载等常见生物质碳基电解水催化剂构筑策略,并对其在析氧反应、析氢反应、双功能催化及杂化电解水等方面的研究现状进行总结,详细阐述了其在电解水方面取得的进展。最后对生物质碳基电解水催化剂在微介孔比例调控、导电性提升、亲水性提升以及催化剂成型处理等方面面临的挑战进行了展望。

氮肥减量配施碳基营养肥对大白菜产量和品质及土壤养分的影响

【目的】阐明碳基营养肥和化肥对土壤养分及大白菜生长、产量和品质的影响,为大白菜生产中合理施肥提供参考。【方法】以大白菜品种春大白菜9号为研究对象,在西北农林科技大学太白蔬菜试验示范站和陕西杨凌的曹新庄试验农场2个试验点同时进行大白菜施肥试验。试验共设常规施肥(N、P_(2)O_(5)、K_(2)O的施用量分别为300,120和112.5 kg/hm^(2),CK)、有机-无机复混肥(N、P_(2)O_(5)、K_(2)O的施用量分别为360,240和120 kg/hm^(2),OF)、常规施肥基础上减施氮肥15%(N1)、常规施肥基础上减施氮肥30%(N2)、N1处理基础上配施碳基营养肥2250 kg/hm^(2)(CN1)、N2处理基础上配施碳基营养肥2250 kg/hm^(2)(CN2)6个施肥处理,每处理3次重复。分别采集2个试验点大白菜莲座期、结球期、采收期0~20 cm根围土壤,测定土壤养分含量,并于采收期测定大白菜农艺性状、产量和品质,分析不同施肥措施对大白菜种植区土壤养分及大白菜品质和产量的影响。【结果】2个试验点减施氮肥显著抑制了大白菜生长,降低了大白菜产量,而施用有机-无机复混肥和碳基营养肥对大白菜产量和品质有明显促进作用,其中太白试验点OF和CN1处理大白菜的产量较CK分别显著增加12.8%和7.6%。配施碳基营养肥处理可以显著提高大白菜的营养品质,2个试验点CN1处理大白菜的可溶性蛋白含量较CK分别显著增加了29.6%和29.1%,可溶性糖含量较CK分别显著增加了106.9%和60.6%,维生素C含量较CK分别显著增加了15.5%和25.3%。在大白菜的同一生育时期,2个试验点施肥处理土壤理化性质的变化趋势类似,在大白菜采收期,与CK相比,太白与杨凌试验点的CN1处理土壤EC分别显著下降19.9%和7.0%,而土壤铵态氮含量分别显著增加25.2%和33.1%,土壤硝态氮含量分别显著增加10.8%和17.1%,土壤有效磷含量分别显著增加23.7%和30.7%。【结论】在两种类型土壤上施用有机-无机复混肥与碳基营养肥均取得了较好的表现,其中OF和CN1处理能够增加土壤养分含量,提高土壤综合肥力水平,进而促进大白菜生长,改善大白菜营养品质。

碳基燃料燃烧的温室气体在线监测实验

为加深学生对“双碳”理念和碳基燃料清洁高效利用技术的理解,设计了半焦及烟煤两种燃料燃烧的温室气体在线监测实验。模拟燃煤锅炉工况,搭建燃烧反应系统,采用便携式傅里叶红外气体分析仪研究碳基燃料燃烧的温室气体释放特征。结果表明,CH_(4)与CO_(2)、N_(2)O的起始和终止释放时间不同,单位质量半焦和烟煤释放出的CO_(2)量均远高于CH_(4)和N_(2)O的释放量;燃烧温度升高,CO_(2)释放量均先升高后降低,CH_(4)和N_(2)O的释放量逐渐降低;1000℃以上燃烧时,半焦释放的CO_(2)较多,CH_(4)较少,两种燃料的N_(2)O释放量都接近0。该综合实验中,教师以学科前沿知识为基奠,引导学生自主实践,旨在于培养学生分析解决问题的能力,提升学生的工程实践综合素质。

Fe-MOFs衍生碳基吸波材料研究进展

随着社会的快速发展和电子设备的普及,电磁辐射污染问题变得尤为突出,也带来了潜在的危害。因此,开发高效的电磁波吸收材料以解决电磁辐射污染问题迫在眉睫。铁基金属有机框架(Fe-MOFs)具有高度不饱和的铁金属中心离子和多样的结构类型。通过将Fe-MOFs作为前驱体进行碳化,可以制备出铁/铁氧化物/铁碳化物均匀分布的衍生碳基化合物。这些Fe-MOFs衍生碳基化合物表现出较高的介电损耗和磁损耗能力,可有效克服当前吸波材料存在的吸收频带窄、阻抗匹配性差等问题,成为近年来备受关注的一种新型吸波材料。首先简要介绍了电磁波吸收机制,然后综述了近年来关于单金属、双金属、三金属Fe-MOFs以及由Fe-MOFs与其他材料(包括碳材料、导电聚合物、MXene和生物质)复合制备的衍生碳基吸波材料的研究进展,最后对MOFs衍生碳基吸波材料的未来发展方向进行了展望。

基于碳基结构增敏型肥料中缩二脲检测的电化学传感器设计与评估

肥料通过调控植物生长发育而直接影响农作物产量,是推动现代集约化农业实现作物高产优质的重要因素;然而,尿素、含尿素复合肥生产过程中极易产生副产物缩二脲,目前由于肥料中缩二脲含量过高造成农田作物毒害问题不容忽视。建立高效的肥料中缩二脲检测方法对保障肥料生产安全、促进我国农业绿色高质量发展具有现实意义。本研究立足于我国现代农业发展对优质肥料的迫切需求,构建基于碳基结构材料敏感响应的电化学传感界面,实现肥料中缩二脲的在线快速评估,有效克服液相色谱法、紫外分光光度法存在的样品预处理繁琐、分析成本高、样品浊度干扰大等不足。首先,制备了兼具碳基结构表面特性和纳米金优良导电性质的石墨烯—纳米金复合物,并将其作为传感界面修饰材料固定于电极表面;其次,利用缩二脲对铜离子电化学信号的抑制作用,建立了铜离子响应电流随缩二脲浓度变化的线性回归方程,借助智能手机获取信号,进而实现缩二脲的电化学快速分析。实验结果表明,铜离子产生的响应电流与缩二脲浓度在1~80 mmol/L范围内呈良好的线性关系,检出限为0.50 mmol/L(S/N=3);利用该电化学传感体系用于肥料样品中缩二脲的分析,检测结果与高效液相色谱法分析结果相对误差不超过6.9%。该电化学分析方法应用于肥料中缩二脲的在线检测便携程度高、可靠性好、准确度高,为肥料中缩二脲快速评估提供了新方法,科技创新赋能农作物高产优质。

碳基复合材料去除水中PPCPs研究进展

近几年来,药品和个人护理产品(PPCPs)的广泛和不当使用导致了严重的水体污染,对生态系统造成了严重影响。碳基复合材料吸附技术是解决水体PPCPs污染问题的重要技术之一,多孔碳材料孔隙结构发达、比表面积大、表面官能团丰富,同时高度芳香族结构使其具有优异的吸附性能。本文总结了用于去除水中PPCPs的碳基吸附剂种类、制备方法和相关的吸附机制。

碳基吸附剂去除水体中磺胺类抗生素研究进展

近年来,抗生素类新污染物治理备受关注,开发环境中抗生素高效去除技术是环境、化学领域的研究热点之一。吸附作为一种高效、绿色环保的污染物去除技术,在抗生素去除中发挥了重要作用。磺胺类抗生素是一类广谱抗生素,性质稳定,具有较高的环境持久性。文中简要介绍了水体中磺胺类抗生素的污染特征,系统综述了碳基吸附剂和碳基复合吸附剂对水体中磺胺类抗生素的吸附效果,并分析了吸附剂的吸附机理及其优缺点,其中,生物炭及负载磁性的吸附剂均具有较好的应用前景。针对抗生素吸附去除技术中存在的问题,提出未来的研究重点为微量抗生素的去除及低成本高效复合吸附剂的开发,同时,应关注吸附剂的再生与生态效应。

磺酸钙/油酸改性碳基二硫化钼的制备及在乳化油中的摩擦学性能

为了研究MoS_(2)/C复合粉体的改性及其对乳化油润滑性能的影响,以膨胀石墨和MoS_(2)为原料、油酸和高碱值磺酸钙为修饰剂,通过等离子体辅助球磨原位完成粉体的制备及改性,利用扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱及红外光谱仪对粉体进行表征。结果表明:等离子体辅助球磨20 h后,在等离子体的热爆协同作用下,膨胀石墨被不断剪切剥离形成了近石墨烯片层结构,部分MoS_(2)被细化为20 nm左右的鳞片状,部分MoS_(2)由于热爆飞溅到石墨层上并冷凝形成石墨烯包覆的球状结构,这些MoS_(2)微粒均匀附着在碳基石墨片层上;同时,在辅助球磨过程中,油酸中的羧基与膨胀石墨和磺酸钙的羟基基团发生酯化反应,完成对粉体的表面改性,粉体具有较大的亲油化度值,并可抑制MoS_(2)/C的氧化。将制备的改性MoS_(2)/C添加在乳化油中进行摩擦学性能测试,发现改性后的MoS_(2)/C沉积吸附在表面磨痕上,同时在摩擦副表面生成一层硫酸/磺酸盐化学膜,有效抑制了水分对MoS_(2)/C减摩自修复性能的影响,使乳化油保持良好的润滑性能。