基于氮掺杂碳材料光催化传感器对食品中重金属离子的检测

为克服当前食品重金属检测方法的不足,以食品中重金属Cu^(2+)检测为例,研究基于氮掺杂碳材料光催化传感器在食品中重金属离子检测中的应用。本文论述氮掺杂碳点的制备方法,探究氮掺杂碳点浓度、检测时间对Cu^(2+)检测效果及其荧光强度的影响;以Mg^(2+)、Hg^(2+)、Ca^(2+)、Fe^(3+)、Zn^(2+)、Ni^(2+)、Ba^(2+)、Pb^(2+)、Cd^(2+)和Mn^(2+)10种金属离子为干扰物,分析氮掺杂碳点检测法对Cu^(2+)的选择特异性。结果表明,氮掺杂碳材料光催化传感器可实现室温下对Cu^(2+)的即时检测,且具有检测灵敏度高(检出限Cu^(2+)为5.26 μmol·L^(-1))、抗干扰性强、检测要求低等特点,在食品铜污染检测、铜污染治理方面具有较强的应用价值。

二次热解优化的氮掺杂多孔碳催化氧还原反应研究

利用二次热解制备了氮掺杂碳基无金属催化剂。研究发现:制备的催化剂在碱性环境中,半波电位高达0.905V,且经10000圈加速耐久试验后,半波电位仅衰减8 mV;由该催化剂组装的锌-空电池表现出180 mW·cm^(-2)的功率密度。实验结果表明,二次热解一方面会形成更多微孔,增加材料的比表面积,促进活性位点的有效暴露。另一方面,二次热解可以促进催化剂石墨化程度提高,从而减缓了碳腐蚀,避免氧还原过程中掺杂氮的大量流失,进而提高催化剂的稳定性。

MOF衍生氮掺杂碳及其膜材料去除染料性能试验

以金属有机框架材料(MOFs)中的ZIF-67为模板剂,通过热解制备了具有较强偶氮染料吸附能力的MOF衍生碳材料(MDC)和氮掺杂碳材料(NDC),并使用共混复合将NDC材料引入聚偏氟乙烯(PVDF)膜基底中对偶氮染料进行过滤截留。结合材料表征结果与模型分析,探究其染料去除的机理,获得膜材料的最佳制备条件。结果表明,NDC对亚甲基蓝(MB)的最大吸附量为185.35 mg/g,吸附符合Langmuir模型。性能随着pH和离子强度的增加而增强,对罗丹明B(RhB)和孔雀石绿(MG)也具备可观的有较大的吸附量。混合基质膜在NDC添加量为4%时,膜的过滤性能最佳,在8次循环后仍保持90%截留率。研究成功制备了一种新型负载衍生碳材料的染料过滤膜,为染料污染物的去除提供新的实践方法。

氮硫共掺杂碳点的合成与土壤中重金属电化学检测的应用

基于微波法合成氮硫掺杂碳点(NS/CQDs),再合成氮硫掺杂碳点和氧化石墨烯的复合物(NS/CQDs-GO)。采用高分辨透射电镜(HRTEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)等手段表征合成材料的微观形貌和元素组成。用差分脉冲溶出伏安法检测电极表面修饰NS/CQDs-GO后的溶出伏安曲线,实现对重金属的识别和检测。检测发现,NS/CQDs和GO能够通过静电作用很好地结合,修饰到电极表面后,可以成功检测出重金属离子镉和铅,得到Cd^(2+)的线性方程为y=3.10944x+3.65691,Pb^(2+)的线性回归方程为y=3.44259x+3.87429,相关系数分别为0.996和0.993,Cd^(2+)和Pb^(2+)检出限分别为1.2μg/L和2μg/L,灵敏度高,可用于土壤中重金属离子的检测。

非贵金属氮碳材料在氧还原方向的研究进展

氧还原反应作为一种重要的电化学过程,在燃料电池、电解水和电池等能源转换器件中扮演关键的角色。随着对能源转换技术的不断探索和研究,氧还原反应已经引起了关注。目前,Pt碳催化剂是最有效的氧还原反应催化剂,但其高成本和稀缺性限制了商业化应用。通过以氮碳材料为载体,开发低成本、高效率的非贵金属催化剂替代Pt碳催化剂,成为氧还原反应研究的热点。聚焦制备低成本、高性能的非贵金属催化剂及在氧还原中的应用。

电弧放电制备氮和金属元素掺杂的碳纳米颗粒

在进气口氮气为800℃条件下,采用直流电弧放电方法制备了具有特殊结构的掺杂氮和金属元素的碳纳米颗粒(CNPs)。高分辨透射电镜(HRTEM)表征结果显示,此种CNPs中有许多弯弯曲曲的空隙或孔道,整体犹如缠绕的线团。实验发现这种CNPs在乙醇、丙酮以及蒸馏水中均可以形成稳定的悬浮液(浓度小于0.5wt%);在蒸馏水中形成的悬浮液的电导率随温度升高而增加的趋势明显增强。

基于金属-氮-碳结构催化剂的质子交换膜燃料电池研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)可以直接将储存在氢中的化学能无污染地转化为电能,是实现碳减排和碳中和的关键新能源技术。目前的PEMFC技术,尤其是在发生氧还原反应的阴极,还严重依赖铂基贵金属催化剂,导致了燃料电池高昂的成本,限制了其大规模应用。因此,人们对于研究基于低成本非贵金属催化剂的PEMFC展现出了极大的兴趣。自从采用金属-氮-碳结构催化剂作为贵金属催化剂的替代品以来,非铂基PEMFC取得了很多突破,但是当前其在活性和稳定性的表现仍不能令人满意。本文总结了基于金属-氮-碳催化剂的PEMFC性能与活性位点、催化剂结构和催化层结构之间的关系,揭示了催化剂结构对于PEMFC中物质传输的重要作用。另外,为了满足实际需求,本文也总结并讨论了PEMFC可能的失活机理,包括脱金属作用,氮物种的质子化,碳载体腐蚀和孔道水淹等,以及目前发展的可能的解决方案。基于这些认识,本文最后介绍了在提升金属-氮-碳基PEMFC的活性和稳定性方面的最新进展与策略。

杭州市大气PM2.5中的碳氮氢和重金属

目的:探讨杭州市区大气PM2.5中重金属和碳氮氢的污染状况。方法:用中流量气溶胶采样器在市区采集了大气样品,以燃烧法和微波消解-电感耦合等离子体质谱法分别检测了PM2.5中碳氮氢和重金属的组成。结果:在杭州市中心和市区东北部大气PM2.5中,N、C、H的年平均浓度分别为13.9～14.7、30.3～30.8、7.9～8.9μg/m3。全市PM2.5中N、C、H的年平均质量含量分别为12.8%、27.8%、8.1%。IN/ON、OH/IH的年平均值分别为2.2～3.5、3.5～3.6。在市中心,IN的四季平均含量为8.0%～9.5%,IH为1.9%～2.1%,ON为3.6%～5.7%,OH为5.9%～8.7%。在城区东北部,IN的四季平均含量为7.8%～8.1%,IH为1.8%～1.9%,ON为3.0%～5.4%,OH为4.3%～7.5%。PM2.5中11种元素的含量较高,其中Zn、Pb、Cu、Mn的含量在0.1‰以上,Cr、Ni、Se、Mo、Cd、Sb的含量在0.01‰～0.1‰之间,Ag的含量最低,在0.01‰以下。这11种元素在PM2.5中的年平均质量含量为17‰～20‰。结论:碳是PM2.5的重要组成部分。氮、氢分别主要以无机氮和有机氢的形式存在。Zn、Pb、Cu、Mn是主要重金属污染元素。

碳基非贵金属电解水制氢催化剂合成策略的研究进展

与传统制氢技术相比,电催化水分解被认为是一种高效、环保、可持续的制氢方法,具有广阔的应用前景。碳基非贵金属材料具有价格低廉、制备条件温和以及良好的导电性等优势,成为潜在的电解水制氢催化剂。综述了近年来碳基非贵金属催化剂在电解水制氢领域的研究进展,总结了此类催化剂的制备方法,并讨论了碳基非贵金属催化剂在电解水制氢方面存在的挑战及发展前景。

金属材料表面改性技术——奥氏体氮碳共渗的进展

国际热处理联盟专用木语委员会已经将氮碳共渗正式定义为化学热处理(以前称为软氯化),它可用于金属零件,以形成表面氮碳富集的化合物层,并在该层下面形成富氮扩散区。铁素体氮碳共渗是在Fe-N-C三元系共析温度之下(即低于580℃)进行的,其扩散区处于铁素体状态,旨在使金属零件表面具有良好的耐磨性、抗疲劳与抗腐蚀性能。但是,普通碳钢经处理后,化合物层下面不具备明显硬化层。奥氏体氮碳共渗是在590～720℃进行的奥氏体状态处理。

基于金属酞菁/碳点的室温NO_(2)气体传感器研究

以金属氧化物为主的传统半导体气体传感器存在诸如工作温度高、功率大、灵敏度低、抗干扰能力差和选择性差等问题。本文研究利用金属酞菁(MPc,分子直径约1.3 nm)和碳点(CDs,直径分布在1~10 nm)尺寸级别相似,容易构建共轭平面结构,实现电荷在材料内快速转移,从而实现传感器对特定气体分子的室温超灵敏响应。本文通过L-谷氨酸水热合成CDs,与四羧基钴酞菁(CoPc-COOH)复合,并在带有叉指电极的硅片上成膜组装成传感器件。该传感器在室温工作下对5×10^(-5)的NO_(2)气体在100 s内响应值可以达到12.3,在激光辅助恢复的前提下,具有良好的重复性、最低检测极限和长期稳定性。该成果对于以有机半导体和碳纳米材料为基底的气体传感器发展提供了一条新的思路。

基于双金属MOFs衍生的NiCo/NC多孔碳催化材料的电化学性能研究

通过普通溶液法制备了双金属NiCo-ZIF-67纳米晶体,并将其作为前驱体,通过采用不同温度的高温热解得到氮掺杂双金属基碳材料。利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)对材料的表面形貌、物相、化学元素分布以及表面化学键价态等进行表征分析;采用线性扫描伏安法(LSV)等电化学测试方法对材料的ORR/OER电催化性能和稳定性进行了研究。结果表明,相比于其他热解温度,在800℃下热解产物NiCo/NC-800的极限电流密度为4.26 mA·cm^(-2),具有接近商用Pt/C的ORR性能;在10 mA·cm^(-2)时NiCo/NC-800的过电势为469.6 mV,且相对应的塔菲尔斜率为98.68 mV·dec^(-1),具有优于商用RuO_(2)的OER性能,且具有良好的稳定性。

长春应化所金属氮碳氧还原催化剂的研究进展

氧还原反应是燃料电池的核心,开发高性能催化剂一直是燃料电池技术面临的严峻挑战.近年来,热解M-N-C催化剂的发展和以金属有机骨架材料为前驱体的运用让非贵金属氧还原催化剂的性能大幅度提升,但催化活性位点、反应机理等方面仍不甚清晰,需要分子水平上进一步的研究.在这里,作者总结了本课题组近些年来在氧还原方向上的研究成果,首先是对催化剂活性位点进行的相关探索,提出了新的活性位点结构,为开发新型催化剂提供了帮助,并对金属氮碳催化剂进行了细致的微观调控,探讨了最佳的合成方法;其次开发了高效的双原子Co2N5催化剂,并在理论计算的指导下合成出了更为高效的FeCo双原子催化剂,具备了替代铂基催化剂的性能;最后针对芬顿反应引发的稳定性问题而开发的低芬顿反应活性的单原子Cr和单原子Ru催化剂,表现出了较高的活性和稳定性,为解决催化剂实际应用问题开辟了新的研究思路与方向.作者相信,通过对催化剂活性位点的不断认知和对新型催化剂的不断开发,终会让非贵金属催化的商业化应用成为现实.

ZIF-8派生含氮多孔碳作为吸附剂固相萃取茶叶样品中6种痕量金属离子

以金属有机骨架化合物(ZIF-8)派生含氮纳米多孔碳(ZIF-8-NC)为固相萃取吸附剂,建立了火焰原子吸收光谱法测定茶叶样品中痕量Cu^(2+)、Pb^(2+)、Cd^(2+)、Cr^(3+)、Ni^(2+)、Co^(2+)的分析方法。ZIF-8-NC具有较大的比表面积(1239.8 m^2/g),既存在微孔又存在介孔,且材料表面存在可与金属离子配位的含氮基团,所以此材料对金属离子有很好的吸附性能。对影响金属离子富集效率的主要因素,如配位剂的种类、样品溶液pH值、样品体积、解吸剂种类、解吸剂体积等进行了优化。在优化条件下,6种金属离子的检出限为0.05~0.07μg/kg,线性相关系数在0.9988~0.9993范围内。各金属离子的加标回收率为76.8%~101%,RSD在5.9%~11.3%之间。本方法适用于复杂基质样品中金属离子的测定,具有操作简便、灵敏度高和环境友好的特点。

含氮中孔碳负载的Au-Pd双金属催化剂在甲酸分解制氢中的催化性能

以SBA-15作为硬模板剂,吡咯作为碳源和氮源,制得的含氮中孔碳作为载体,采用吸附还原法分别制备了单Pd和Au-Pd双金属催化剂,并考察其在甲酸分解制氢反应中的催化性能。结果发现,Au-Pd/N-C比Au-Pd/C催化剂具有更高的甲酸分解活性,这可能是因为N的亲核作用促进了甲酸中H质子的脱除。由于Au-Pd之间的强相互作用,使Au的加入显著提高了Pd/N-C催化剂甲酸分解活性及其抗CO中毒能力,在50℃条件下,分解1 mol·L-1的甲酸初始转换频率(TOF)达到2 221 h-1。

以氮碳共渗为例在液体介质内热处理金属和合金的再生机理

本文列出了在不同温度规范下金属和合金氮碳共渗用再生槽的成分。列出了M_2OζSiO_2类高模量硅酸盐(为Na,K;ζ=3,4)在渗碳剂SiC,SiN_4和它们的混合物作用下分解的机理。业已表明,液体硅酸盐介质无毒性以及在工业中采用再生槽进行氮磷共渗的经济效益。

应用于氧还原反应的非贵金属原子分散级金属-氮-碳催化剂的设计

为了进一步实现质子交换膜燃料电池(PEMFC)能量转化技术的大规模开发和应用,提高催化剂的成本效益是先决条件.目前,与铂族等贵金属基催化剂相比,原子分散的金属-氮-碳(M-N-C)催化剂也在提高活性位点密度、原子利用率和催化活性等方面表现出巨大的潜力,是最有望代替铂基催化剂的首选材料.在原子分散M-N-C催化剂的制备过程中,获得活性位点均匀分散且结构体系最优化是挑战性问题.基于此,我们重点研究了各种有利于原子分散的M-N-C催化剂的制备方法,以及不同催化剂中原子的化学环境调控对催化位点的影响.本文从M-N-C催化剂的合成与表征、反应机理、密度泛函理论计算等方面进行了深入的探讨,着重讨论了双金属位点、原子簇结构和杂原子对催化位点的化学环境调控.最后,提出了原子分散M-N-C催化剂大规模应用存在的问题及进一步优化的发展方向.

过渡金属氮碳复合阴极材料研究进展

过渡金属氮碳复合材料具有优异的电催化性能,被广泛应用于燃料电池阴极。综述了过渡金属氮碳复合阴极材料的研究现状和制备方法,讨论了热处理工艺对过渡金属氮碳复合阴极材料电化学性能的影响和可能的催化机理,指出了过渡金属氮碳复合阴极材料目前存在的问题和今后的研究方向。

pH及蒙脱石投加量对其吸附沼液中碳氮磷和重金属的影响

以蒙脱石为吸附材料,研究了蒙脱石投加量、pH对其吸附沼液中COD、TN、TP、NH_4^+-N、Zn、Cu、Cr、As、Mn、Ni的影响,并阐述了吸附过程中沼液理化性质与重金属之间的关系。结果表明:蒙脱石投加量为0～50g/L时,COD、TN、NH_4^+-N、TP、Zn、Cu的吸附量随投加量增加逐渐降低,去除率先增加后趋于平衡,投加量为30g/L时吸附效果较好,为适宜投加量。pH为6.5～9.5时,蒙脱石对沼液中TP、Zn、Cu吸附作用较显著,最大去除率可达84.3%、86.8%、94.5%,但对TN、NH_4^+-N、Cr的吸附作用较差,综合吸附量和去除率,7.5～8.5是蒙脱石吸附沼液的适宜pH。Zata电位与电导率、COD、TP、TN、NH_4^+-N、Zn、Cu、Ni之间呈显著负相关,Zn与Cu和Cr与pH呈显著正相关,Cr与TP呈显著负相关,Cr与As不相关。

二维过渡金属碳(氮)化物在生物传感器、抗菌载药和生物成像等领域的应用

背景:新兴的二维材料在众多研究领域已经成为了研究热点,过渡金属碳(氮)化物(MXene)二维材料具有优异的物理化学性质,其在能源、催化、生物等相关领域有了广泛的应用。目的:针对过渡金属碳(氮)化物在生物领域的目前发展及未来前景做一综述。方法:应用计算机在Web of Science、CNKI中国期刊全文数据库和中国万方数据库检索涉及过渡金属碳(氮)化物生物领域的相关研究,检索关键词为“Biomedical MXene,MXene Biosensor,MXene Synergistic Therapy;生物医用MXene;MXene生物传感器;MXene协同治疗”,检索时间设置为2011年3月至2020年5月。结果与结论:低细胞毒性、高比表面积、强而宽的近红外吸收使过渡金属碳(氮)化物家族成为生物医学应用中最有前景的材料之一。过渡金属碳(氮)化物结构中含有丰富的含氧基团,具有高度的功能化潜力,使过渡金属碳(氮)化物纳米片在生物医学领域表现出良好的性能。因此,过渡金属碳(氮)化物目前正在将其应用领域从机械、光学和电子领域扩展到生物医学领域。过渡金属碳(氮)化物在诊断成像、抗菌制剂、生物传感、药物传递等方面具有独特的潜力。虽然有研究表明过渡金属碳(氮)化物具有理想的短期生物相容性,但系统评估长期体内生物安全性对于扩大其生物医学应用至关重要。通过未来的研究,有望观察到过渡金属碳(氮)化物新家族的合成及其在生物医学科学中的光明前景。