MoS_(2)纳米片功能化PAN锂金属电池隔膜的制备及锂枝晶抑制作用

引导锂离子流的均匀分布可以有效抑制锂枝晶的形成-生长,推动锂金属电池的产业化应用.本文采用化学插层法制备出单层或少层、结构完整的MoS_(2)纳米片,将二维MoS_(2)纳米片喷涂到静电纺聚丙烯腈(PAN)纤维膜上,制得MoS_(2)@PAN复合隔膜.MoS_(2)涂层的引入不仅提高了离子电导率(1.02 mS/cm)、Li+迁移数(0.59)和电解液亲和性,而且降低了复合隔膜的孔径,使其孔径分布均一.这些特性协同作用,调控了通过MoS_(2)@PAN复合隔膜的Li+流分布,促进了Li+在锂金属表面的均匀沉积,抑制了锂枝晶的形成-生长.因此,MoS_(2)@PAN复合隔膜组装的Li/Li电池在1 mA/cm^(2)电流密度下以14 mV的超低过电位可稳定循环长达500 h,循环后的锂金属表面没有明显的枝晶生长.此外,MoS_(2)@PAN复合隔膜组装的LiFePO_(4)/Li电池在2C倍率下循环550次后保持92%的初始容量,表现出更稳定的循环性能.通过隔膜调节Li+通量实现了锂的均匀沉积,为抑制锂枝晶的形成-生长提供了一种可行的策略.

活性MoS_(2)纳米片剥离油膜机理研究

纳米材料可以提高原油采收率,但目前对于纳米材料的研究主要集中在球形纳米材料的性能上,对于二维片状纳米材料的研究甚少。自主合成了两亲性MoS_(2)片状纳米材料(活性MoS_(2)纳米片)用于大幅度提高水驱后原油采收率,针对活性MoS_(2)纳米片在固体表面上的铺展规律进行系列研究,阐明了活性MoS_(2)纳米片对固体表面油膜的作用机理。基于气-水-固相接触角的测量,明确了油湿性石英片在活性MoS_(2)纳米片驱油体系中浸泡120 h后,水滴平衡接触角保持90°不变,石英片表面由油湿转变成中性润湿;地层水和质量分数为0.15%的SiO_(2)纳米流体均无法使油膜在固体表面产生楔形膜,而质量分数为0.005%的活性MoS_(2)纳米片驱油体系可在油-水-固接触区域形成明显的楔形膜,产生结构分离压力,最终剥离固体表面油膜。研究发现,在质量分数为0.005%的活性MoS_(2)纳米片驱油体系中,油膜在固体表面的收缩过程中会形成内、外两条接触线,内、外接触线的收缩速度分别是0.6617×10^(-5)和8.5817×10^(-5)cm/s;从热力学角度计算出油膜在收缩过程中油-水-固混合体系Gibbs自由能的增量呈负增长,证明油膜在活性MoS_(2)纳米片驱油体系中的收缩是自发进行的。该项研究成果说明质量分数为0.005%的活性MoS_(2)纳米片驱油体系具有高效的驱油能力。

基于少层MoS_(2)纳米片的光学生物传感器用于癌症标志物ctDNA的检测

癌症已成为威胁人类健康和生命的主要疾病之一。循环肿瘤DNA(ctDNA)检测作为一种实用的液体活检技术,在肿瘤诊断、靶向治疗和预后预测中具有重要的应用前景。因此,本课题研究了一种基于少层MoS_(2)纳米片的光学生物传感器用于癌症标志物ctDNA的高灵敏检测。首先,采用剪切剥离法制备少层MoS_(2)纳米片,并对制备条件进行优化,以制备横向尺寸较大、厚度均匀的少层MoS_(2)纳米片;其次,通过分散液吸光度的变化研究少层MoS_(2)纳米片在高浓度盐溶液中的加速聚集沉淀行为;然后,基于MoS_(2)纳米片对单链DNA的吸附力,研究了单链DNA对于盐诱导沉淀少层MoS_(2)纳米片的抑制作用;最后,利用杂交形成的双链DNA从少层MoS_(2)纳米片上脱落而导致的分散液吸光度的变化构建光学生物传感器,并通过cpDNA与不同浓度的ctDNA杂交对该传感器的性能进行检测。结果表明,当cpDNA浓度为100 nM时,浓度范围在25~100 nM的ctDNA与少层MoS_(2)纳米片分散液的吸光度呈反比线性关系。在401和448 nm波长处时,少层MoS_(2)纳米片分散液的吸光度与ctDNA浓度的线性回归方程分别为Y=0.23557-0.00070X,R^(2)=0.94222和Y=0.21253-0.00050X,R^(2)=0.95141。所构建的光学生物传感器成功地实现了对癌症标志物ctDNA的检测;为未来的体外癌症检测和诊断提供了一种有效的传感策略。

H_(2)O_(2)刻蚀MoS_(2)纳米片增强CO_(2)催化加氢性能

CO_(2)催化加氢制备高附加值化学品是缓解温室效应,实现人类社会可持续发展的关键技术之一。二维MoS_(2)材料由于其特殊的层状结构和表面丰富可调的S缺陷位,在CO_(2)活化与转化中被广泛关注,将MoS_(2)催化剂用于CO_(2)加氢的关键在于表面S空位的构建。为开发高效构建S空位工艺,以MoS_(2)纳米片为基础,利用H_(2)O_(2)刻蚀法在其表面引入S空位,对比了H_(2)O_(2)刻蚀前后CO_(2)在常压和高压下的反应性能。研究表明,H_(2)O_(2)刻蚀能显著提升S空位含量,且不会改变MoS_(2)的晶相结构,也未影响S空位的化学性质,从而明显提升CO_(2)催化加氢的转化率,但不影响产物分布。在常压条件下,S空位主要催化CO_(2)解离加氢为CO,选择性达96%以上;而在高压(5 MPa)低温(180℃)条件下能以较高的选择性(79%)催化CO_(2)加氢为甲醇,升高反应温度会提升CO_(2)转化率,但甲醇的选择性会显著降低,同时伴随甲烷的生成。本研究提供了一种简便高效的构造S空位的制备工艺,为MoS_(2)催化剂的工业化应用提供一定的理论和技术支撑。

理论和实验相结合研究NiCo_(2)O_(4)纳米片用于甘油电氧化反应机制

甘油是生物质精炼的主要副产物(约占10%),年过剩量与低利用率导致其市场价格(0.24-0.6 US kg^(-1))较低.甘油是具有三个活性羟基的多元醇,被认为是生产高价值产品的理想原料.甲酸作为甘油转化最重要的产品之一,广泛应用于农药、皮革、染料和医药行业,将甘油电氧化(EGOR)为甲酸(FA)不仅能有效避免资源过剩造成浪费,而且能满足未来对甲酸燃料电池的需求.然而甘油电催化氧化途径较为复杂,涉及反应中间产物的脱氢、吸附/解吸和C-C键裂解.本文将密度泛函理论(DFT)与实验相结合,研究了在精细构建的NiCo_(2)O_(4)纳米片上通过EGOR生产FA的反应机制.DFT计算结果表明,活性羟基(OH^(*))物种可以改变EGOR生产FA过程的决速步骤(RDS),通过调节吸附中间体的吸附能可获得理想的FA产率.其中,高度羟基化的NiCo_(2)O_(4)纳米片(311)-OH^(*)晶面上具有最低的吉布斯自由能,能显著提升反应过程动力学.在理论分析的基础上,通过简易的电沉积方法精准制备了超薄NiCo_(2)O_(4)纳米片(~1.7 nm),并采用X射线吸收精细结构谱和高分辨透射电镜对催化剂进行了结构分析.结果表明,NiCo_(2)O_(4)纳米片中四面体(A_(Td))和八面体(B_(Oh))配位具有内角共享的A_(Td)-O-B_(Oh)和边共享的B_(Oh)-O-B_(Oh)构型,金属间的协同作用有效改善了材料的电子效应,有利于提供更多的吸附位点并促进EGOR过程中的电荷转移.NiCo_(2)O_(4)纳米片在EGOR中的电荷转移电阻仅为0.94Ω,电化学活性表面积高达10.25 cm^(2).相比较电催化析氧反应,NiCo_(2)O_(4)纳米片表现出了较好的EGOR性能,在10 mA cm^(-2)的电流密度下阳极功耗降低了320 mV,在100 mA cm^(-2)的电流密度时的阳极电势仅为1.46 VRHE.此外,在120 h的稳定性测试中,甘油的转化率和FA的选择性可分别保持在89%和70%.多电位步骤实验、原位电化学阻抗谱和电子顺磁共振谱结果表明,NiCo_(2)O_(4)纳米片上原位产生的OH^(*)物种是EGOR过程中的直接活性中心,有利于将RDS从甘油酸脱氢裂解转化为甘油醛的脱氢步骤,并进一步促进C-C键的裂解.进一步结合理论预测,证实了OH^(*)物种是EGOR过程中的直接活性中心.综上,采用绿色高效的电催化手段促进甘油生产高附加值化学品是生物质链升级的重要举措,有效避免了传统的高温高压,以水为介质,原位利用OH^(*).本文为新型催化剂的未来设计和理解生物质基原料电氧化升级反应机制提供了新思路.

三维g-C_(3)N_(4)泡沫负载Cu(OH)2纳米片的制备及其光催化还原CO_(2)性能

为了改善g-C_(3)N_(4)光催化还原CO_(2)过程中的气体传质、吸附和光生电荷分离效率,分别从泡沫孔结构构筑和构建异质结两方面进行光催化材料设计。采用表面活性剂发泡法制备g-C_(3)N_(4)泡沫(g-C_(3)N_(4)Foam),以此为基体通过化学镀铜和氢氧化处理制备g-C_(3)N_(4)泡沫负载Cu(OH)2纳米片(Cu(OH)_(2)/CNF)复合材料,对其结构和光催化性能进行分析。结果表明:g-C_(3)N_(4)Foam和Cu(OH)_(2)/CNF均展现出发达的三维微米孔网络结构,这种结构可从动力学层面优化CO_(2)在气-固催化反应中的传质和吸附,使CO_(2)吸附容量分别达到3.97 cm^(3)/g和3.59 cm^(3)/g,为g-C_(3)N_(4)粉末的2.96倍和2.68倍;同时,Cu(OH)_(2)/CNF样品中还形成大量二维Cu(OH)_(2)纳米片结构,不仅可以拓宽复合材料的光利用范围,还可通过g-C_(3)N_(4)/Cu(OH)_(2)异质结的构建促进光生电子向Cu(OH)_(2)表面转移,提升光生电荷分离效率;制备的Cu(OH)_(2)/CNF复合样品CO产率达到11.041μmol·g^(-1)·h^(-1),为g-C_(3)N_(4)Foam和g-C_(3)N_(4)粉末样品的2.76倍和6.83倍。

基于MoS_(2)纳米片固定的发夹结构求解特殊整数规划问题的计算模型

MoS_(2)纳米片作为新兴的纳米载体,具有出色的荧光猝灭功能,可将发夹结构的茎秆末端荧光猝灭。文章将MoS_(2)纳米片固定的三分支催化发夹组件应用于求解一类特殊整数规划问题。构造约束条件中相应变量的引发链,触发发夹结构发生链置换反应形成“Y”型三分支双链纳米结构,产生放大的荧光信号,根据荧光情况排除非解,求得问题的可行解。该模型具有灵敏度高、特异性强、检测方法简单的优点,可以解决特殊的整数规划问题。

超薄的硫铟锌纳米片合成及其光催化水分解制氢

通过胶体化学法制备硫铟锌(ZnIn_(2)S_(4))纳米片,用原子力显微镜(AFM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等对纳米片进行了表征。将纳米片配体交换后用于可见光催化制氢反应,用气相色谱仪(GC)进行产氢量测试,评价催化剂性能。结果表明,合成了超薄的ZnIn_(2)S_(4)纳米片,厚度仅为1.8nm;其产氢速率为600μmol/(h·g),并具有良好的循环稳定性,表现出了较好的光催化水分解制氢性能。该实验对设计光催化制氢催化剂有一定的启发。

二维WS_(2)纳米片的规模化可控制备及其摩擦学性能

以微米级WS_(2)为原料、异丙醇为剥离介质,通过超声辅助液相剥离、液相级联离心和固液分离的策略制备二维WS_(2)纳米片,采用X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、热重-差示扫描量热联用分析仪等对二维WS_(2)纳米片的微观结构、形貌和热稳定性进行表征。借助四球摩擦磨损试验机考察二维WS_(2)纳米片作为锂基润滑脂添加剂的极压、减摩和抗磨性能,利用电子显微镜对钢球磨斑表面进行分析。结果表明,实现了不同片径二维WS_(2)纳米片的规模化制备,且所制备的样品晶型无破坏、晶格完整,具有较好的热稳定性;二维WS_(2)纳米片的片径对锂基润滑脂的摩擦学性能有显著影响,随着片径减小,其极压、减摩和抗磨性能均明显提升;当WS_(2)-3纳米片质量分数添加量为2.0%时,最大无卡咬负荷和烧结负荷较锂基脂分别提升63.3%和86.1%,摩擦系数和磨斑直径减小19.3%和34%。

共轭亚油酸钠修饰TiO_(2)纳米片稳定双水相Pickering乳液

采用水热法制备超薄TiO_(2)纳米片(TiO_(2) NSs),以共轭亚油酸钠(SCL)在TiO_(2) NSs表面吸附并引发SCL自交联制备共轭亚油酸钠修饰的TiO_(2)纳米片SCL@TiO_(2) NSs,用紫外、红外、热重等手段证实SCL双层吸附在TiO_(2) NSs表面上。以SCL@TiO_(2) NSs稳定聚乙二醇20000(PEG 20000)-葡聚糖500000(DEX500000)双水相Pickering乳液,结果表明,以0.5%(质量分数)的SCL@TiO_(2) NSs即可稳定乳液,当控制乳化剂浓度不变时,改变两相比例可以使乳液发生相反转。该双水相Pickering乳液具有pH响应性。

二维碳化钛(Ti_(3)C_(2))纳米片的合成研究

二维碳化钛(Ti_(3)C_(2))纳米片是一种二维过渡金属碳化物MXene材料,由于其自身优异的光学、电学以及生物相容性能,使其成为MXene家族中最有应用前景的成员之一。但在合成过程中剥离程度上存在缺陷,产品产率低。为了提高产品的产率,以钛碳化铝为原料,用氢氟酸对其前驱体Ti_(3)AlC_(2)中的Al层进行选择性刻蚀剥离,用四甲基氢氧化铵和二甲基亚砜分别进行插层,最后在外部剪刀力(超声)作用下,最终剥离出单层的Ti_(3)C_(2)纳米片。研究结果表明,用HF进行刻蚀,四甲基氢氧化铵进行插层,合成出高产率的Ti_(3)C_(2)纳米片,产率高达19.35%。

CeO_(2)修饰Ni_(3)S_(2)纳米片用于高效电催化析氧

电化学水分解制氢作为重要的生产氢能的新能源技术,包括氢气析出反应(HER)和氧气析出反应(OER).然而,OER进行的是多步电子转移过程,动力学过程缓慢且过电位高,严重制约了电解水制氢的发展.因此开发低成本、高效稳定的非贵金属催化剂替代贵金属催化剂(RuO2,IrO2)来降低过电位,减少能源消耗十分必要.Ni_(3)S_(2)由于其高导电性、高活性、低成本等优点,具有作为贵金属催化剂替代品的广阔应用前景,但其OER性能仍需进一步提高.对已有的有效OER催化剂进行表界面调控是提高催化剂性能的一种有效策略.CeO_(2)中的Ce3+和Ce4+价态之间可以灵活过渡,使其具有良好的电子/离子导电性、可逆的表面氧离子交换和较高的储氧能力.CeO_(2)的多价性使其有机会与其它基质产生强烈的电子相互作用,良好的电子/离子导电性和较高的储氧能力是提高催化剂析氧活性的有利因素.因此,用CeO_(2)对Ni_(3)S_(2)进行修饰是提高其析氧活性的有效途径.基于此,本文运用水热和电沉积相结合的方法将CeO_(2)修饰到Ni_(3)S_(2)纳米片上,制备得到生长于泡沫镍上的Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)纳米片阵列(Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF),并运用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)等手段进行了表征,以三电极系统测试了其电催化析氧性能及稳定性,并通过密度泛函理论计算进行了验证.XRD结果表明,复合材料中确实存在Ni_(3)S_(2)和CeO_(2).通过SEM发现,泡沫镍基底上均匀分布着Ni_(3)S_(2)纳米片阵列;电沉积CeO_(2)后,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)仍保持其纳米片特性,但表面变得粗糙.Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)的TEM结果也证实了纳米片结构的形成,高分辨率TEM图像清晰的显示出Ni_(3)S_(2)和CeO_(2)之间具有明显的界面.XPS结果表明,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)的Ni 2p的结合能与Ni_(3)S_(2)相比出现负位移.与纯CeO_(2)的Ce 3d谱图相比,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)杂化体系中Ce4+的比例明显增加,表明Ce的价态发生了重排,部分电子转移给了Ni元素.这些结果均说明Ni_(3)S_(2)与CeO_(2)之间存在着较强的电子相互作用.相应的电催化测试结果显示,在1.0 M KOH中,当电流密度达到20 mA cm^(–2)时,Ni_(3)S_(2)/NF需提供356 mV的过电位,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF只需264 mV的过电位,仅次于RuO2/NF.而且,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF在中性条件下也显示出了较理想的析氧活性.Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF的Tafel斜率明显低于CeO_(2)/NF和Ni_(3)S_(2)/NF,表明其具有良好的OER反应动力学.循环伏安法和计时电位法结果均表明,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF具有良好的电化学稳定性.电化学阻抗谱测试结果表明,与Ni_(3)S_(2)/NF和CeO_(2)/NF相比,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF明显具有更小的半圆直径,说明其电荷转移阻抗更小,进一步表明CeO_(2)的修饰有助于催化过程中电子的快速转移.在非法拉第区域的循环伏安扫描曲线以及拟合扫描速度对电容电流曲线结果显示,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF的最大电容值大于CeO_(2)/NF和Ni_(3)S_(2)/NF,表明其暴露了更多的活性位点,具有更大的电化学活性表面积;而且,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF在400和500 mV时的电催化析氧转换频率明显高于Ni_(3)S_(2)/NF和CeO_(2)/NF,进一步说明Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF具有更高的本征催化活性.密度泛函理论计算表明,由于^(*)OH,^(*)O和^(*)OOH与Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)中的Ni和Ce原子相互作用的存在,使得反应中间产物与Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)之间的结合强度较纯Ni_(3)S_(2)或CeO_(2)强,使其显示出了更高的OER性能.在经过24 h连续电解后,SEM和TEM结果均表明,Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)/NF材料仍保持了其纳米片形貌.稳定性测试后的XPS结果表明,Ni 2p对应的峰强度降低,而与氧化镍物种对应的峰强度增强;S元素在Ni_(3)S_(2)-CeO_(2)表面的信号强度明显降低.根据文献报道,在强烈的氧化环境下,过渡金属硫化物会部分转化为氧化物或氢氧化物,这通常被认为是OER过程的实际催化物种.

检测SF_(6)分解特征组分的MoS_(2)纳米片气敏特性与机理研究

通过水热法结合高温固相法合成片状纳米MoS_(2)结构,并用场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscopy,FESEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)与拉曼光谱对MoS_(2)微观形貌、晶体结构、元素组成与振动模式进行表征,将纳米MoS_(2)通过丝网印刷法均匀涂覆于叉指电极表面制备电阻式气体传感器,测试SO2、SOF2、SO2F2和H2S共4种SF_(6)分解特征组分的气敏响应特性,用第一性原理密度泛函理论,分析MoS_(2)微观结构的物理化学特性,探索SF_(6)分解组分别在MoS_(2)表面与边缘结构的吸附性能,包括吸附能、电荷转移、吸附距离与范德华力比率等。结果显示,基于片状纳米MoS_(2)的气体传感器对4种SF_(6)分解组分的最佳工作温度均为200℃。在最佳工作温度下,传感器对4种SF_(6)分解组分在0~50×10^(-6)响应–浓度关系有高线性度(R^(2)>0.959),理论检测极限排序为H_(2)S<SO_(2)<SOF_(2)<SO_(2)F_(2),大小分别为531×10^(-9)、622×10^(-9)、1.55×10^(-6)与2.89×10^(-6)。同时理论计算结果表明,MoS_(2)边缘结构对气敏响应贡献占主导作用,且对不同SF_(6)分解组分的不同灵敏度来源于分子与MoS_(2)边缘结构的不同化学相互作用能与电荷转移。该研究为基于过渡金属硫化物的气敏传感器(transition metal dichalcogenides,TMDCs)检测SF_(6)分解组分提供实验和理论支持。

V_(2)O_(5)纳米片固载Pt纳米粒子催化剂的构建及其增强催化空气氧化脱硫性能

以铂系金属为代表的贵金属催化剂在工业反应中通常表现出优异的催化性能,这是因为其具有独特的d带电子结构和较高的价电子比.近年来,由于大气排放法规愈发严苛,铂系贵金属催化剂在催化空气氧化燃油脱硫方面的研究引起了广泛关注.在该催化反应中,铂系金属纳米粒子可以有效活化空气中的氧气,产生的活性氧物种可以将油品中的噻吩类硫化物氧化为其对应的强极性砜类物质,从而可以将其从非极性的油品中分离出来,有效实现油品中硫化物的深度氧化脱除.然而,在反应过程中铂系贵金属纳米粒子易发生流失和烧结,从而导致催化剂的失活.因此,急需寻找一类可以有效固载铂系贵金属纳米粒子的载体.在目前已报道的众多载体中,以ZrO_(2)、TiO_(2)、CeO_(2)、ZnO等为代表的过渡金属氧化物引起了广泛的关注.通常认为,铂系贵金属纳米粒子的d轨道电子和过渡金属氧化物之间可形成金属-载体强相互作用.然而,目前所使用的过渡金属氧化物载体的比表面积较小,从而导致铂系贵金属纳米粒子难以有效且均匀地分散于其表面.本文采用热膨胀气相剥离法制备了超薄V2O5纳米片,并通过超声辅助沉积法将Pt纳米粒子固载于其表面,从而得到一系列可高效活化空气氧化脱硫的催化剂(Pt NPs-n/V_(2)O_(5)纳米片).通过电感耦合等离子体光谱、高倍透射电镜、原子力显微镜、X射线光电子能谱、X射线衍射、拉曼光谱和氮气吸附脱附等方法对催化剂的结构和形貌进行了表征.结果表明,尺寸为4-5 nm的Pt纳米粒子可有效均匀分散于层数约为6层的V2O5纳米片表面;在空气氧化脱硫反应中,当催化剂中Pt理论负载量为2 wt%时,反应5 h后,油品的脱硫率可达99.1%,实现了硫化物的深度氧化脱除.该反应体系对不同硫浓度、不同含硫底物的油品均有较好的脱除效果,但对含有烯烃、芳烃的油品脱除效果较差.此外,催化剂循环使用7次后,其脱硫活性仍无明显下降,表现出优异的重复使用性能.对反应后的催化剂进行表征,发现Pt几乎不发生流失,这可能是由于Pt纳米粒子和V_(2)O_(5)纳米片之间形成了金属-载体强相互作用.该结果为其他空气氧化反应的有效进行提供了新思路.

在Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene上原位生长2D TiO_(2)纳米片的异质结构用于改善电催化氮气还原

氨作为一种必不可少的活性氮源,在聚合物、纺织工业、工业制造和农业种植中发挥了至关重要的作用.目前,大规模的氨合成主要依靠传统Haber-Bosch法,但该工艺能耗高且造对环境有危害,如排放大量的二氧化碳.电催化氮还原合成氨被认为是传统Haber-Bosch法的潜在替代技术,该技术可以在环境条件下进行且使用可再生的氮气和水为原料.贵金属表现出优异的电催化氮还原活性,但高成本和低丰度限制了它们的广泛应用.最近,氮还原电催化剂的研究已转向廉价且丰富的过渡金属基材料.MXene是一种新兴的过渡金属碳/氮/碳氮化合物衍生的二维层状材料,其化学式可记为M_(n+1)X_(n)T_(x)(n=1,2或3),其中“M”代表过渡金属(如V,Ta,Mo,Ti,Nb),“X”代表N或C或CN,“T_(x)”代表表面官能团(如–O,–F和–OH).其中,Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene由于独特的层状结构、较好的导电性和稳定性,而被理论计算和实验结果证明是一种很有前景的氮还原催化剂.然而,Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene电催化合成氨的产率及选择性仍需进一步提高.MXene的层状结构容易堆叠,降低了比表面积,影响了层间离子的扩散,导致电化学性能下降.减少层堆叠的一种有效方法是与其他材料复合.Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene表面的边缘钛原子可以作为成核位点生成相对稳定的二氧化钛,从而很容易生成TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene异质结结构.本文提出了在Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene上原位生长TiO_(2)纳米片,形成具有丰富活性位点的TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene复合材料,以有效地实现电催化氨合成.复合材料中,高导电性的Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene可以促进电子转移,同时,原位生成的TiO_(2)纳米片不仅可以避免Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene的堆积,还可以提高Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene的表面积.在电催化氮还原实验中,TiO_(2)/Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene催化剂的产氨率为44.17µg h^(-1) mg^(-1) cat.(–0.95 V vs.RHE),法拉第效率为44.68%(–0.75 V vs.RHE),并表现出很强的电化学稳定性.15N同位素标记实验结果表明,生成物氨中的氮来自于氮气的电解还原.理论计算表明,Ti_(3)C_(2)T_(x) MXene上负载的TiO_(2)纳米片由于其更强的吸附性和更低的反应能垒而有效地增强了氮还原性能.综上,本文为开发高活性的新型氮还原电催化剂开辟了一条新途径.

基于火焰退火多孔CeO_(2)纳米片的环境监测用超快CO气体传感器

CO作为一种高毒性的气体,既是污染空气的元凶之一,长时间吸入也会对人体造成极大的伤害,甚至致死。如何实现CO的快速监测是传感领域面临的重要挑战。CO监测对保护人类健康和环境来说是一项必要的工作。在该研究中,多孔CeO_(2)纳米片(CeO_(2) NSs)通过火焰退火用简单水热法合成的中间产物CeOHCO3纳米片而得到。通过控制火焰退火时间,可将氧空位引入到CeO_(2)纳米片中。结果表明,退火2 min得到的CeO_(2)纳米片(CeO_(2)-2min NSs)对CO气体表现出优异的重复性和选择性。尤其是,CeO_(2)-2min NSs在450℃对500μL/L CO的相应/恢复时间极快(2 s/2 s),在宽范围内(10~10000μL/L)CO浓度与响应值之间存在良好的函数关系。CeO_(2)-2min NSs优秀的气敏性能可归因于多孔二维结构高的比表面积和晶体内丰富的氧空位。这项工作对设计检测宽范围气体的快响应气体传感器提供了借鉴。

TiO_(2)纳米片薄膜的制备及光电性能研究

为了提高TiO_(2)薄膜的光学与电化学性能,文章利用一步水热法在P25纳米晶薄膜(P-film)的基础上制备了新颖的三维网络结构TiO_(2)纳米片薄膜(S-film)。通过场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscope,FESEM)和场发射透射电子显微镜(field emission transmission electron microscope,FETEM)表征揭示S-film由P25颗粒转化而来,并可以通过水热时间调控S-film的厚度。紫外-可见漫反射光谱显示,在300~800 nm波长范围内S-film的引入有利于薄膜光散射性能的提升,且散射能力随着S-film薄膜厚度的增加而增强。光伏性能测试表明,一定厚度的S-film有利于提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率,电化学阻抗谱进一步揭示S-film能够提高光生电子-空穴对的分离效率。

In_(2)Se_(3)纳米片改性的GO/WS_(2)/Mg-ZnO复合材料光催化性能的研究

二维纳米材料由于其结构和性能的独特性受到广泛的关注,各类二维纳米材料合成方法和表面改性的研究也得到了快速发展,在光催化性能提升和能源环境领域等方面发挥着重要作用。本文通过在复合物GO/WS;/MgZnO(rGOWMZ)中添加直接带隙半导体In_(2)Se_(3)纳米片,合成rGOWMZ+In_(2)Se_(3)复合材料。并研究其光催化性能,发现性能得到了明显的改善,其中In_(2)Se_(3)纳米片质量分数为0.5%经过600℃热处理的复合物,在自然光照射下对罗丹明B的降解率为99.6%。本报道中In_(2)Se_(3)纳米片是通过液相超声剥离法制备的,大小为100 nm,厚度约为5层。并采用透射电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜对复合材料进行了物相分析。发现rGOWMZ+In_(2)Se_(3)复合材料对有机颜料罗丹明B具有优异的光催化性能,此复合材料将在光催化领域中具有巨大的应用潜力。

基于三金属Au@PdPt纳米颗粒修饰花状MnO_(2)纳米片的无标记电化学免疫传感器应用于NT-proBNP的高灵敏度检测

N-末端脑利钠肽前体(NT-proBNP)的灵敏检测是降低心力衰竭死亡率的重要先决条件。在这项研究中,开发了一种无标记电流免疫传感器来灵敏地检测NT-proBNP。它基于三金属Au@PdPt纳米颗粒修饰花状MnO_(2)纳米片的复合纳米材料。三金属Au@PdPt纳米颗粒提高了催化活性,花状MnO_(2)纳米片具有大的活性表面积能有效阻止Au@PdPt纳米颗粒聚集。因此,该纳米复合材料表现出较高的催化活性,增强的电子转移能力并有效地固定了抗体,从而放大了电流信号。基于上述优点,制备的免疫传感器表现出从1 pg·mL^(-1)到100 ng·mL^(-1)的宽浓度范围和0.76 pg·mL^(-1)的低检测限。此外,这种无标记免疫传感器具有高灵敏度、良好的选择性和长期稳定性,在生物测定分析中具有广阔的应用前景。

锐钛矿TiO_(2)促进纳米Pd催化甲酸盐室温析氢

随着氢气的大规模生产和利用,氢气的高效安全存储及运输成为人们关注的重点问题之一。近年来,新型氢气储运技术特别是化学储氢备受关注。通过甲酸盐分解制氢,理论上可以获得超纯氢,被认为是极具潜力的储氢方式。研究制备了锐钛矿TiO_(2)纳米片负载Pd纳米颗粒的催化剂,测试了其催化甲酸盐分解制氢及储氢活性。结果表明:锐钛矿TiO_(2)负载纳米Pd展现出优异的室温催化甲酸盐析氢性能,其催化性能受到甲酸盐种类及反应温度影响,而反应温度是产生高活性的关键因素,同时Pd/TiO_(2)催化剂展现出显著的储氢性能。研究结果对进一步设计合成高性能的析氢催化剂具有指导意义。