Chem-E-Car竞赛驱动的化学综合实验设计——以“Ca3MnCoO6-MnCo2O4异质结纳米纤维的制备及锌-空气电池应用”为例

为了构筑兼备ORR/OER催化活性和稳定性的锌-空气电池电极,通过静电纺丝技术制备Ca3MnCoO6-MnCo2O4异质结纳米纤维,通过XRD、SEM、TEM等对纳米纤维进行物性表征,通过极化曲线测试其在碱性电解液中的ORR/OER性能,通过Chem-E-Car小车的实际应用判断锌-空气电池的应用潜力。研究结果表明:Ca3MnCoO6-MnCo2O4材料具有纺锤形貌,随着前驱体溶液中PVP/DMF浓度的增加,纳米纤维的直径均存在不同程度的粗化。复合催化剂对ORR和OER均表现出可观的电催化活性,在ORR过程中可以提供0.61@1600 rpm的极限电流密度 (20wt% Pt/C: 0.63@1600 rpm),在OER过程中可以提供1.65 V@10 mA cm-2的过电势 (RuO2: 1.60 V@10 mA cm-2)。本综合实验技术路线简单可行、效率高,可以有效提高学生的综合实践能力和科研创新能力。以此研究成果制造的新能源小车可以提供稳定的运行速度(0.2m/s)并持续至30m,成功在第7届全国大学生Chem-E-Car竞赛中取得性能二等奖的成绩。

水热法合成ZnGa2O4和Zn1-xCoxGa2O4的光催化性能研究

近年来,科技改善了人们生活,能源及环境污染问题也随之而来。通过研究发现,为了平衡好发展与环境之间的关系,人们不断发展绿色能源,太阳能的发展和利用进入了大众视野。通过对太阳能的有效利用以此来展开对半导体材料在光催化方面的研究,有效借助科学手段平衡环境与能源之间的冲突。文章通过水热法成功制得了方块状ZnGa2O4和不同量的Co掺杂Zn1-xCoxGa2O4纳米晶,在对所得样品进行表征的基础上,考察了实验参数对产物形貌和尺寸的影响。同时,以亚甲基蓝为典型污染物,探讨并对比了掺杂不同Co量的Zn1-xCoxGa2O4纳米晶的光催化降解性能。

CuFe2O4涂层电极材料制备及废水净化性能研究

本研究以泡沫镍集流体为阴极基体,采用电沉积法制备尖晶石涂层电极材料的前驱体,在700℃高温空气气氛下形成Ni基CuFe2O4尖晶石涂层电极材料(NF@CuFe2O4)。本研究考察了电沉积的镀液组成和工艺条件对电极材料性能的影响,确定Cu(NO3)2·3H2O:Fe(NO3)3·9H2O摩尔比1:2,电流密度20 mA/cm2,时间40 min为最佳工艺条件。研究以抗生素为模拟废水进行电化学降解实验,探究了Ni基CuFe2O4尖晶石涂层电极材料协同电化学高级氧化技术对抗生素处理效果的影响及作用机理,为电化学活化过硫酸盐净化废水体系的改进提供实践和理论基础。

掺杂元素La、F对尖晶石LiMn2O4材料结构及性能的影响

采用X-射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、电池测试系统等研究了掺杂元素La、F对高温固相合成尖晶石型LiMn2O4材料的相结构、形貌、活化性能、循环稳定性能的影响。结果表明：掺杂元素La、F可有效地提高LiMn2O4样品的充放电效率、循环稳定性能；随着掺杂元素F含量的增加，LiMn2O4。R样品的初始容量降低、循环稳定性能呈现出先增后减的变化规律；当掺杂元素La、F的含量较少时，LiLayMn2-yO4-x样品具有纯的尖晶石LiMn2O4结构，样品呈球形或近球形，粒径范围为0．5～2．5μm，LiLa0.02Mn1.98O3.95F0.05样品的初始放电容量为123．6mAh／g，经30次循环充放电后的容量为114．6mAh／g，容量保持率为92．7％，具有较好的活化性能和循环稳定性能。

锂离子电池负极材料ZnMn2O4微米空心球的制备和电化学性能

通过溶剂热方法合成了ZnMn2O4微米空心球,并探讨了其形成机理。采用XRD,SEM,TEM等测试手段对产物的结构、形貌和组成进行了表征。实验结果表明,溶剂热反应条件如反应温度、反应介质对于产物的结构和形貌起着关键作用。在140℃,采用乙醇和水作为反应介质,反应6 h可以制备出直径约3μm的ZnMn2O4微米空心球;当以乙醇为溶剂,反应6 h可以得到团聚的尺寸约250 nm的ZnMn2O4纳米颗粒。将所制备的ZnMn2O4微米空心球/纳米颗粒组装成锂扣式模拟电池,考察其电化学脱嵌锂性能。电化学测试结果显示,与ZnMn2O4纳米颗粒相比,空心结构的ZnMn2O4微米球具有较高的初始放电容量(1335 mAh·g-1)和较好的倍率性能,有望作为锂离子电池的新型负极材料。

熔融盐法制备LiMn2O4材料的合成条件研究

采用熔融盐法制备锂离子电池正极材料LiMn2O4,对制备过程中熔融盐种类、焙烧时间和焙烧温度等影响因素进行了系统研究。通过XRD、SEM和充放电测试,研究了产物的组成结构、形貌及电化学性能。研究结果表明,合成的LiMn2O4样品具有完整的尖晶石结构;样品的粒径分布范围小,平均粒径为几百纳米;优化实验条件之后制备得到的材料,在电压范围3.3～4.3V,充放电电流值为60mA.g-1(0.5C)时,初始放电比容量约125mAh·g-1,最初50次0.5C充放电循环的比容量保持率约为95%,在后续50次1C循环中,比容量保持率为96%左右,循环性能优良。

六方柱状MgAl2O4纤维的合成机理初探

实验合成了六方柱状MgAl2O4纤维，长径比为100～200，这是文献中报道较少的尖晶石MgAl2O4晶体新形态。结合物相分析和微观形貌观察，推测尖晶石MgAl2O4纤维主要依照孪晶机制作用下VLS机理(同时存在有VS机理)发育成六方横截面长柱状纤维，并伴有扭结和分叉等现象。

CaTi2O4(OH)2片状结构向CaTiO3片状结构转化及其性能研究

通过控制水含量,用水热法制备了CaTi2O4(OH)2片状结构。通过对水含量为50 mol条件下所制备的CaTi2O4(OH)2片状结构煅烧来制备CaTiO3片状结构。当热处理温度≤400℃,CaTi2O4(OH)2纳米片状结构稳定存在。当热处理温度为650℃和750℃,制备了CaTiO3片状结构。采用XRD、SEM和TEM等测试方法对片状结构进行表征,并对CaTi2O4(OH)2片状结构向CaTiO3片状结构转化的反应过程和形成机理进行分析。在热处理温度400℃时,样品的首次放电比容量最大,可达到168.5 mAh/g。当热处理温度继续升高到650℃和750℃,样品的首次充放电容量分别为18.9 mAh/g和5 mAh/g。这说明发育完善的CaTi2O4(OH)2片状结构有利于电化学过程中离子的嵌入和脱出。

新半金属材料CrFe2O4的电子结构

基于第一性原理,优化了含Cr的高温相尖晶石结构材料(CrxFe1-x)A(CryFe2-y)BO4的几何结构,并对它们的磁电性能进行了计算.基于配位场理论分析了CrFe2O4的电子结构及其具有半金属性的微观机制.计算表明,仅当x=1.0、y=0.0时,(CrxFe1-x)A(CryFe2-y)BO4具有半金属性.CrFe2O4是典型的亚铁磁性耦合的IIB型半金属,其分子磁矩约为5.6μB,大于Fe3O4的4.0μB.在CrFe2O4的四面体晶体场中,中心离子的电子结构可近似写为Cr+t21g0↑t23g↓;八面体晶体场中,中心离子的电子结构可近似写为Fe2+t23g↑0eg2↑t21g↓.CrFe2O4具有半金属性的原因是在配合物ML4和ML6中,中心离子与周围O配体间存在强烈的共价键作用,该作用使中心离子与O配体间形成杂化轨道,导致自旋向上子带被撕裂,进一步使费米面正好处于自旋向上子带带隙中.

硼酸掺量对SrAl2O4长余辉发光材料的发光性能影响

用燃烧法制备了Eu2+,Dy3+共掺杂SrAl2O4长余辉发光材料,研究了不同硼酸掺量对Eu2+,Dy3+共掺杂SrAl2O4长余辉发光材料发光性能的影响。为了分析B2O3在材料制备中的作用,用XRD对所合成材料进行物相分析,用荧光光谱仪记录其发射光谱,并在暗室里拍摄紫外激发下的发光照片。结果表明:硼酸掺量为0.8的样品的发光光谱,其发射峰峰值位于518 nm,是典型的Eu2+的4f5d→4f的特征发射,为一宽谱带发光光谱。硼酸掺量为2的样品的发光光谱,其在518 nm位置的峰十分弱,而在487 nm处同时出现了一个弱峰,整个谱线呈一斜坡状。随着硼酸加入量的不同,Eu2+,Dy3+共掺杂铝酸锶的发光效果、形貌特征均不同。在某一范围内,随着硼酸添加量的增加,合成了发光主晶相,烧结温度有所降低,材料的发光性能和发光亮度均有所提高。

活性碳/CoFe2O4复合物的制备及其对亚甲基蓝的吸附性能

通过低温回流法制备了具有磁分离响应的活性碳(AC)与CoFe2O4的复合物AC/CoFe2O4(MAC)。采用批式吸附实验法对MAC吸附溶液中偶氮染料亚甲基蓝(MB)的吸附动力学过程及吸附平衡进行了研究,考察了溶液初始pH值对MAC吸附MB的影响。结果表明,MAC吸附MB的过程很快,20min几乎达到平衡。MAC吸附MB过程可以用准二级动力学方程描述。等温吸附过程服从Langmuir方程,MAC对MB的饱和吸附容量为120.48mg/g。在较低pH值时,MB吸附量较小。随着pH值的升高,MAC对MB的吸附量增大。

空心ZnMn2O4纳米球和纳米立方体的室温合成及氧还原催化性能

室温下在含有Zn2+的溶液中,以空心结构的MnO2为前驱体,使用NaBH4还原剂合成了尖晶石型ZnMn2O4纳米空心球和纳米空心立方体.通过XRD,SEM,TEM和BET等测试手段对合成产物的结构、形貌、组成和表面积进行表征.结果表明,所制备的空心结构ZnMn2O4纳米球和纳米立方体的尺寸为400～700 nm,空心结构的壳层是由粒径为5～7 nm的颗粒紧密堆积而形成的,厚度约为40 nm.研究了所制备的空心结构纳米ZnMn2O4在碱性溶液中的氧还原电催化性能,结果显示,相对于ZnMn2O4纳米空心立方体,ZnMn2O4纳米空心球在氧还原反应中具有较大的电流密度和较高的电子转移数(n=3.5),表现出较好的氧还原电催化性能.

原位尖晶石引入量对MgAl2O4-SiC材料性能的影响

在以预合成镁铝尖晶石、碳化硅和水性氨基树脂为原料制备MgAl2O4-SiC复合材料的配方中,以不同量的MgO、α-Al 2O3混合粉(MgO、Al2O3物质的量比为1∶1)等量替代其中的预合成镁铝尖晶石粉,设计替代量(w)分别为0、1%、2%、3%、4%、6%、8%、10%。经配料、混练、成型、干燥后,在埋碳条件下于1650℃保温5 h烧成,然后检测烧后试样的显气孔率、体积密度、常温耐压强度、常温抗折强度和高温抗折强度,并进行XRD和SEM分析。结果表明:1)随着原位MgAl2O4引入量的增加,试样的致密度和强度均呈先增大后减小的变化趋势,原位镁铝尖晶石引入量为3%(w)的试样的致密度最大,原位镁铝尖晶石引入量为4%(w)的试样的强度最大。2)各试样的物相组成基本相同,主要物相为MgAl2O4和SiC。

导电氧化物AZO对尖晶石型LiMn2O4高温性能的改善及研究

采用溶胶凝胶法对尖晶石型LiMn2O4正极材料进行铝掺杂氧化锌(AZO)包覆改性,并通过XRD、SEM、EDS、TEM、EIS、ICP-AES和充放电测试等手段对其结构,形貌及电化学性能进行表征。研究结果表明,AZO包覆层有效的阻止了LiMn2O4颗粒和电解液的直接接触,抑制了高温下锰溶解,明显改善了LiMn2O4的高温循环性能。1.5wt%AZO包覆的LiMn2O4正极材料在高温(55℃)1C时,首次放电比容量为114 mAh·g-1,经过100次循环后,容量保持率仍高达95.4%,远高于未包覆LiMn2O4的70.6%。此外,1.5wt%AZO包覆的LiMn2O4表现出了优越的大倍率放电性能,在10C下放电比容量能达到99 mAh·g-1。

锂离子电池镍掺杂尖晶石LiMn2O4正极材料的电子结构

采用密度泛函平面波赝势方法对LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4的几何结构进行了优化,并计算了相应的电子结构。计算的结果表明:在Li+脱嵌前后,LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4均为导体,且锂元素主要以离子形式存在于两种材料中,O2p轨道与Mn(Ni)的3d轨道形成了较强的共价键。Li+嵌入导致Mn(Ni)3d轨道的态密度峰发生移动。Ni的掺杂导致Mn(Ni)和O2p轨道的成键作用得以加强,电子在Mn(Ni)3d轨道的填充发生变化,从而提高了电池的充放电电压。

反应物浓度对CoFe2O4前驱体粒度的影响

利用共沉淀法制备了CoFe2O4的前驱体粉末。结果表明:反应物浓度对前驱体粉末粒度影响显著。当反应物铁钴离子总浓度小于0.6mol·L-1时,前驱体粉末粒度在3～9μm,颗粒发生聚集生长;随着反应物浓度增加,粉末粒度减小。当浓度升高到大于1.2mol·L-1,颗粒严重团聚,粒子之间聚合程度大,形成网状结构的团聚体,团聚体粒度大于8μm。选择合适的反应物浓度,可以得到粒度较细、粒度分布窄、粉末分散性较好的前驱体粉末。

Ni^2＋含量对纳米晶NixZn1-xFe2O4电磁性能的影响

以丙烯酰胺为聚合单体,N,N′-亚甲基双丙烯酰胺为网络剂,通过高分子凝胶法制备了尖晶石型Ni_xZn_(1-x)Fe_zO_4(x=0,0.2,0.5,0.8和1)纳米晶.采用FT-IR,XRD,TEM和波导法对产物进行表征.结果表明,纳米晶Ni_xZn_(1-x)Fe_2O_4红外吸收峰的晶格常数和电磁性能强烈地依赖于Ni^(2+)含量,随着Ni^(2+)含量增加,红外光谱显示金属一氧离子(M-O)化学键的特征吸收峰出现了蓝移,该峰蓝移60 cm^(-1).通过TEM照片可知Ni_xZn_(1-x)Fe_2O_4的平均粒径随x的变化较小,x分别为0,0.5和1时,粒子的平均粒径分别为12,17和15 nm.通过XRD数据计算得出纳米晶Ni_xZn_(1-x)Fe_2O_4的晶格常数从0.8456 nm减小到0.8327 nm,在8.2～11 GHz测试频率范围内纳米晶Ni_xZn_(1-x)Fe_2O_4的介电损耗和磁损耗明显增大.

尖晶石型LiMn2O4酸洗提锂机理研究

以高温固相法合成的尖晶石型LiMn2O4前驱体为研究对象,通过对离子筛和离子筛吸附产物的化学分析、X射线衍射图谱分析、热重分析、红外分析和滤液中锂交换量与锰损失量分析,提出并验证了离子筛和吸附产物化学组成式可由LixMn2O4(0≤x≤1)表达,其结构依然保持尖晶石结构,阐明了以盐酸为洗脱剂离子筛提锂过程的氧化还原反应机理,给出了完善的洗脱过程与吸附过程反应式。实验结果表明,洗脱和吸附过程不彻底是导致离子筛吸附量与饱和吸附量相差较大的原因,离子筛中Mn3+歧化是离子筛发生溶损的主因;提出了关于尖晶石型离子筛提锂深入研究关键问题的建议。

氮气氛下CaC2O4·H2O热分解过程的综合研究

介绍了对化学专业大三学生提高型实验--氮气氛下CaC2O4·H2O热分解过程的综合研究,对所得TG/DSC谱进行解析,并求出热分解过程各步变化的△H,n,E,A和k.

ZnAl2O4：Eu^3＋红色发光材料的燃烧法合成与光谱性能研究

采用燃烧法在550℃合成了红色纳米发光材料ZnAl2O4：Eu^3＋，并用X射线粉末衍射对其结构进行了表征。XRD分析证实样品具有尖晶石结构的ZnAl2O4相。测定了样品的激发光谱和发射光谱，光谱数据表明：对应于Eu^3＋的。^5D0→^7F2跃迁的发射强度。^5D0→^7F0,1,3,4跃迁的发射强度，ZnAl2O4：Eu^3＋ 形成红色发光材料,推测是由于基质结构的不对称性，Eu^3＋在基质ZnAl2O4中占据非对称中心的格位所致。并考察了不同退火温度处理后，样品Eu^3＋的^5D0→^7Fj跃迁辐射变化情况。