NiFe_(2)O_(4)/rGO电极材料的制备及电催化HMF氧化性能研究

利用五羟甲基糠醛(HMF)电合成的2,5-呋喃二甲酸(FDCA)具有与对苯二甲酸相似的结构和性质,为开发可降解性塑料、减少白色污染提供可能。利用CO_(2)激光成功合成了NiFe_(2)O_(4)/rGO电极材料,其微观形貌呈纳米颗粒镶嵌的氧化石墨烯结构。原位拉曼光谱表明,与Fe_(5)O_(12)/rGO电极材料相比,在HMF电催化氧化过程中NiFe_(2)O_(4)/rGO表面重构为NiOOH和FeOOH物种,证实了Ni的加入使材料更易发生表面重构。表面重构的NiFe_(2)O_(4)/rGO电极材料在100 mA·cm^(-2)时过电位降低至26 mV,且较制氧反应(OER)过电位降低约182 mV。表面重构后的电极材料拥有更大的比表面积,促进了反应物与电极材料的接触。反应物的转化率、目标产物的选择性及法拉第效率分别为99.8%、99.3%和87.6%。本研究为元素加入促进催化材料表面重构进而提高HMF的电催化氧化活性提供了有效途径。

PbO_(2)电极在电催化氧化领域中的应用

电催化氧化技术在废水处理方面拥有反应条件温和、自动化控制、稳定性好、降解迅速、无二次污染等优势,因而成为最有前景的废水处理技术之一。PbO_(2)电极因其制备简易、析氧电位高、导电性好、耐腐蚀强等特点在电催化领域备受青睐。PbO_(2)电极在制备过程中往往通过掺杂元素等手段来提高电极的电催化活性,以此来达到更高效的降解污染物。总结了近年来PbO_(2)电极的制备,重点讨论元素掺杂研究进展,整理不同元素对PbO_(2)电极的电催化性能改变,并且提出PbO_(2)电极在未来研究过程中的挑战及机遇。

SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极制备及其电催化还原CO_(2)产甲酸性能研究

【目的】电催化还原CO_(2)(CO_(2)RR)是降低大气中CO_(2)浓度的绿色可行方案,制备高催化性能和稳定性的催化剂尤为重要。【方法】以γ-Al_(2)O_(3)粒子为载体,采用浸渍-焙烧法制备了SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极用于电催化还原CO_(2)产甲酸来测试其性能,并结合物化分析、电化学测试及长周期实验等手段对粒子电极的微观结构、物相组成、电催化活性、产甲酸性能和稳定性进行了探讨。【结果】物化分析结果表明,负载SnO_(2)前后的形貌由孔洞和裂痕状为主转变为裂层状,比表面积自310.18m^(2)/g增加到352.70m^(2)/g,粒子电极中Sn含量占比48.32%,SnO_(2)成功分散负载到γ-Al_(2)O_(3)表面。据电化学测试所得,SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极的伏安电量(扫速50mV/s)、交换电流密度和析氢电阻分别为40mC、20.02μA/cm^(2)和96.86Ω,与γ-Al_(2)O_(3)相比分别提高了37.93%、75.46%和6.80%,大幅提升CO_(2)RR活性的同时有效抑制了析氢副反应。SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极表现出良好的CO_(2)RR特性,反应时间2h的产甲酸速率为70.35μmol·h-1·cm-2,电流密度为4.94mA/cm^(2),法拉第效率和能量效率分别为79.05%、24.51%;经过12h连续电解,产甲酸法拉第效率仍高于67.81%,说明制备的SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极具有较强稳定性。

介孔片层Ni_(2)FeS_(4)纳米结构修饰电极对尿酸的电催化研究

以硝酸镍、硝酸铁为金属源,硫代乙酰胺为硫源,以聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物(P123)为导向剂,与致孔剂的在不同金属比下用软模板法合成了介孔Ni_(2)FeS_(4)纳米片,在玻碳电极(GCE)上成膜构成尿酸传感器,通过循环伏安法(CV)、电流时间法(I-t)和差分脉冲伏安法(DPV)检测了修饰电极对尿酸的电催化性能,并将其应用于血清中的尿酸检测。探究了Ni_(2)FeS_(4)支持电解液的pH值及扫描速率的与峰电流的关系,研究结果表明,在最优条件下合成并修饰的电极对尿酸有较高的电化学活性、良好的选择性、稳定性和重现性,其线性范围和检出限分别为3~300和0.55μmol/L,用此方法对血清中的目标物进行测定,回收率为95.2%~103.8%。

镍/氮共掺杂自支撑泡沫碳电极的构建及电催化CO_(2)还原性能

以沥青为碳源、聚氨酯泡沫为模板,通过浸渍、固化和碳化等步骤制备了一系列镍/氮共掺杂自支撑泡沫碳电极,采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、氮气吸附-脱附分析、拉曼光谱和X射线光电子能谱等手段对材料进行了表征.结果表明,制备的泡沫碳电极为三维大孔骨架结构,表面具有缺陷位和Ni—N配位结构,通过改变碳化温度可调控N含量,进而实现对Ni—Nx活性位含量的调控.将该泡沫碳电极作为电还原CO_(2)的自支撑电极,可得到H_(2)/CO摩尔比稳定可控的合成气.在-0.9~-1.3 V(vs.RHE)电位窗口内,H_(2)/CO摩尔比可从1/2调整至2/1.反应10 h后,在900℃下得到的泡沫碳电极的电流密度为5.7 mA/cm^(2),H_(2)/CO摩尔比约为1/1.

多步法原位制备TiB2颗粒增强点焊电极用铜基复合材料及其应用

为提高点焊电极的使用寿命,采用多步法制备TiB2增强的铜基复合材料。采用X射线衍射(XRD)、金相显微技术、扫描电镜(SEM)等表征手段对多步法制备的TiB2增强的铜基复合材料物相、微观形貌进行分析。通过对复合材料力学性能指标测量发现,多步法制备所制备的铜基复合材料具有较好的综合力学性能,将多步法制备的铜基复合材料加工成点焊电极,其寿命测试结果相较于其它对比样最高,寿命达到1500个焊点,是普通铬锆铜点焊电极寿命的2.6倍。

新型Ti/Zr-SnO_(2)/β-PbO_(2)电极的构筑及高效降解亚甲基蓝

该文采用热分解法先制备Zr-SnO_(2)中间层,再电沉积β-PbO_(2)层,成功制备了Ti/Zr-SnO_(2)/β-PbO_(2)电极。利用扫描电镜(SEM)、能量散射谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)技术对电极形貌、晶体结构、元素组成等进行了分析。通过循环伏安法(CV)、电化学交流阻抗法(EIS)、加速寿命实验等测试其电化学性能,考察其电催化降解亚甲基蓝(Methylene Blue,MB)活性,优化电流密度和初始MB浓度。结果表明:Ti/Zr-SnO_(2)/β-PbO_(2)电极的表面为致密四棱锥结构,形成了非化学计量比的β-PbO_(2);与传统的Ti/β-PbO_(2)电极相比,Zr-SnO_(2)中间层可有效提高钛基涂层电极的析氧过电位;修饰电极阻抗为87.64Ω/cm2,电极加速寿命为439 min,是Ti/β-PbO_(2)电极的219.5倍,是Ti/SnO_(2)/β-PbO_(2)电极的1.71倍;在50 mA/cm2的电流密度下降解初始浓度为50.00 mg/L的MB时,180 min内MB去除率可达97%。

Bi_(2)WO_(6)-N-TiO_(2)纳米管电极的制备及性能分析

采用水热法与低温等离子体法制备了Bi_(2)WO_(6)-N-TiO_(2)纳米管电极,对其进行SEM、EDS、XRD、UV-VIS-DRS、CV和I-t等手段表征,并应用于环丙沙星抗生素废水的降解。结果表明,Bi_(2)WO_(6)纳米片成功的负载到TiO_(2)纳米管电极表面,Bi_(2)WO_(6)和N的共同改性显著增强了TiO_(2)对可见光的吸收。电化学分析结果表明经过改性后的TiO_(2)纳米管电极具有优异的光电转换性能,光电流密度约是改性前的5~9倍。Bi_(2)WO_(6)-N-TiO_(2)纳米管电极对环丙沙星污染物的降解过程遵循一级动力学反应方程,其中0.8 mmol Bi_(2)WO_(6)-N-TiO_(2)纳米管电极的降解速率最高,可以达到0.00683 min^(-1)。

自支撑Bi@Cu纳米树电极高效电化学还原CO_(2)制甲酸

利用电化学方法将CO_(2)转化为高值化学品是实现碳中和目标的一条有效途径。制备高性能电极是实现CO_(2)高效转化的关键一环。常规喷涂法所制电极中催化层与集流体间的不良接触会严重影响电催化活性以及稳定性。为此,本研究结合电化学沉积和离子置换反应法,构建了一种原位生长的Bi@Cu纳米树(Bi@Cu NTs)自支撑电极。自支撑纳米树结构在降低界面电阻、确保空间结构稳定的同时,为反应提供了丰富的活性位点和发达的孔隙结构,进而实现CO_(2)分子、电解液离子以及电子的协同传输,并进一步促进电化学CO_(2)转化。实验结果表明,Bi@Cu NTs电极在电化学活性和长期运行稳定性方面表现出色。在–1.4~–0.8 V(vs.RHE)的宽工作电位窗口范围内,甲酸选择性均超过90%;在–1.2 V的工作电位下,该电极同时实现了高达97.9%的甲酸选择性和170.6 mA·cm^(–2)的电流密度。此外,该电极在–1.0 V下经过50 h持续电解,获得了超过90%的平均甲酸选择性及大于110 mA·cm^(–2)的平均电流密度,且性能未见明显衰减,稳定性优异。

Pt掺杂对Ti/SnO_(2)-Sb-Nd纳米球状电极性能的影响

采用一步水热法成功制备出不同Pt掺杂量下Ti/SnO_(2)-Sb-Nd-Pt纳米球状电极,通过SEM、XRD和XPS表征电极表面的形貌、结构和化学组成,LSV、CV和加速寿命(ALT)测试电极的电化学性能和稳定性,并通过降解硝基苯(NB)能力验证电极催化活性。结果表明,Pt掺杂不会改变电极的SnO_(2)晶型结构,适量Pt掺杂可以使电极表面涂层更加均匀致密,提高电极稳定性,但降低了涂层中吸附氧含量,使得电极催化活性降低。掺杂1.5%Pt后,电极ALT由28.0 min延长至78.2 h,虽然NB去除率由96.53%降至80.61%,但在电极实际使用寿命内,NB理论降解总量由62.6 mg/cm^(2)增至8 754.1 mg/cm^(2)。显示了该电极具有良好的应用潜力,为开发高效、稳定的电极材料提供了参考。

基于ZnO/CuO敏感电极的NO_(2)传感器性能

二氧化氮(NO_(2))是最常见的空气污染物之一,主要来源于化石燃料的燃烧,需要研制性能优良的NO_(2)气体传感器来对其体积分数进行实时监测。采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为固体电解质、ZnO/CuO为敏感电极,制备了阻抗型NO_(2)传感器。采用分步浸渍法将敏感材料原位引入到YSZ多孔骨架中,通过调整敏感材料ZnO/CuO摩尔比来优化传感器的敏感性能。用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对样品的组成和微观结构进行了表征。结果表明,ZnO/CuO颗粒均匀分散在YSZ多孔层中。以相角(Θ)作为响应信号来评价传感器敏感性能。实验结果表明,与单一氧化物ZnO相比,ZnO和CuO摩尔比为8∶2制备的传感器对NO_(2)气体具有更好的敏感性能。在400~500℃,Θ响应值与5×10^(-5)~5×10^(-4)NO_(2)体积分数呈良好的线性关系。450℃时,传感器有最低检测下限5×10^(-5)。此外,该传感器表现出最大响应值(5×10^(-4)NO_(2)的Θ响应值为18°)、最佳灵敏度(0.039°/10^(-6))、良好的稳定性以及对其他气体的抗干扰能力。

Fe_(3)O_(4)掺杂改性电极电化学去除Pb^(2+)的效能研究

为了实现水体中Pb^(2+)的高效电化学去除,采用涂覆法将Fe_(3)O_(4)、粉末活性炭、乙炔黑和聚乙烯醇混合后负载于石墨纸上,制备得到了Fe_(3)O_(4)掺杂改性电极。采用差分柱批式反应器模式进行电化学去除Pb^(2+)实验,考察了电压、温度、运行时间、Pb^(2+)质量浓度对去除Pb^(2+)的影响并评估了电极的重复利用性和稳定性。结果表明,所制备的电极表面孔隙丰富,孔径均匀。电压为1.4 V时,运行150 min后电化学体系对Pb^(2+)的去除率达到了98.73%,延长运行时间可以显著强化Pb^(2+)的去除率。在10~35℃的温度范围内,温度升高有利于Pb^(2+)的电化学去除,电化学体系在不同的Pb^(2+)浓度下均有较好的适用性和适应性,随着Pb^(2+)初始浓度的升高,处理单位体积含Pb^(2+)废水的能耗逐渐增加,但去除单位质量Pb^(2+)的能耗反而降低,拟合结果表明Pb^(2+)的去除过程符合准一级动力学。经过8次循环后,电化学体系仍保持原有的Pb^(2+)去除效果。

Ti/SnO_(2)-Sb-Ni电极电化学氧化去除水中BIT

1,2-苯并异噻唑啉-3-酮(BIT)是一种新型广谱工业杀菌剂,因其强杀菌能力而难以直接通过传统生化法处理,电化学氧化是一种有效的预处理方法。通过实验对比不同典型阳极对BIT去除率的影响;以锑镍共掺杂钛基二氧化锡电极(Ti/SnO_(2)-Sb-Ni)为阳极电化学氧化BIT,考察BIT电化学氧化过程中不同初始BIT浓度、初始pH、电流密度和硫酸钠浓度等操作参数对BIT去除率的影响,结合紫外-可见吸收光谱和荧光光谱分析,探究BIT降解过程中的结构变化。结果表明:相较于商业电极,Ti/SnO_(2)-Sb-Ni电极可高效电化学氧化BIT及其产物,消除其生物毒性;Ti/SnO_(2)-Sb-Ni电极电化学氧化BIT过程中,最佳电流密度为15 mA/cm^(2),pH和初始硫酸钠浓度对BIT降解影响较小,最佳BIT初始浓度15 mg/L,BIT降解过程中杂环先被破坏,苯环再被破坏。

电沉积法制备Cu(OH)_(2)/Ni-Co-S复合电极及储能特性研究

本文采用两步电沉积技术,以泡沫铜为基底,原位制备了Cu(OH)_(2)/镍钴双金属硫化物(Ni-Co-S)复合电极材料。先采用恒电流沉积技术将泡沫铜表面氧化,得到Cu(OH)_(2),泡沫铜同时作为电极基底和铜的唯一来源,再通过恒电位沉积,将Ni-Co-S均匀覆盖在Cu(OH)_(2)表面。Cu(OH)_(2)一方面作为活性电极组分参与氧化还原反应,同时作为底层材料,为顶层Ni-Co-S的沉积提供较大的沉积空间,进而形成了更丰富的电化学活性位。基于这种原位电沉积技术以及Cu(OH)_(2)与Ni-Co-S组分的协同作用,Cu(OH)_(2)/Ni-Co-S复合电极表现出增强的赝电容特性,在2mA·cm^(-2)的放电电流密度下,比容量为4.88 F·cm^(-2),库伦效率为88.12%,5000次充放电循环后,比容量保持在初始值的86.38%。

微生物-电极修饰及影响电合成转化CO_(2)过程的研究进展

微生物电合成(microbial electrosynthesis,MES)是一种利用电活性微生物摄取胞外电子,将CO_(2)或有机废料转化为可再生化学品的技术。首先,文中阐述了电极的改性方式,碳基材料以其多样的形态、优异的化学稳定性和高比表面积等优点,在电极改性中发挥着重要作用,其主要是通过提供更多的微生物附着点和增强电子传递效率改善MES;而非碳基材料如金属材料等,因其优异的导电性和催化活性,则被广泛用于提升电极性能,其作用机制在于加速电极上的催化反应和促进特定产品的生成。其次,从电活性微生物角度入手,揭示了在电极材料修饰和微生物细胞修饰上的共同点都是能够提高微生物的电子传递能力,不同点在于微生物细胞修饰可以直接作用于微生物的生理和遗传特性,以增强其电子传递能力和底物转化效率。此外,分析了纳米材料与高附加值产品之间的关系,认为合理选择和制备电极材料及微生物细胞修饰策略,对于提高MES系统的效率和产物选择性至关重要。最后,对MES技术面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。

多孔Ti/SnO_(2)-Sb-Ni电极的制备及电催化产臭氧性能研究

采用溶胶凝胶法制备了多孔Ti/SnO_(2)-Sb-Ni电极,并研究了所制备电极的电催化产臭氧性能。采用SEM与XRD等方法对电极涂层的表面形貌及结构进行了表征;考察了不同电极基体条件对电催化产臭氧性能的影响。实验结果表明:多孔Ti/SnO_(2)-Sb-Ni电极表面呈现为密集粗糙颗粒状结构;当电极涂层中Sn∶Sb∶Ni摩尔比为500∶8∶5、泡沫钛基体孔径为20μm时,制备出的电极有最佳的电催化产臭氧性能。多孔Ti/SnO_(2)-Sb-Ni电极可为新型电化学生成臭氧技术的研究和应用提供支撑。

放电等离子烧结制备MoS_(2)@Ni电极及其析氢反应性能

为了解决水分解制氢电极制备步骤复杂和周期长的问题,以镍粉和不同类型硫化钼粉末作为原始材料,采用一步放电等离子烧结工艺制备出MoS_(2)@Ni电极。当使用细小均匀的MoS_(2)粉末和镍粉烧结时,0.03HS@C-Ni电极在50 mA cm^(-2)、100 mA cm^(-2)和150 mA cm^(-2)电流密度下过电位仅为251 mV、322 mV和379 mV。而当使用商用大块的MoS_(2)粉末和镍粉烧结时,0.03C@C-Ni电极在50 mA cm^(-2)、100 mA cm^(-2)和150 mA·cm^(-2)的电流密度下过电位分别为425 mV、488 mV和542 mV,说明使用细小均匀的MoS_(2)粉末和镍粉烧结时电极的催化性能好。对0.03HS@C-Ni电极进行循环稳定性和持久性测试可知,5000循环前后,电极的极化曲线几乎没有任何变化,电极能在约130 mA·cm^(-2)的电流密度下稳定运行超过130 h。

TNTs结构强化TNTs/SnO_(2)-Sb电极电催化活性的影响机制

采用溶剂热法制备了TNTs/SnO_(2)-Sb电极,通过调整氧化电压和氧化时间构建出不同结构的二氧化钛纳米管(TNTs)阵列,以探究其对电极结构和电化学性能的影响。SEM和接触角测试表明,相较于阳极氧化时间,阳极氧化电压是影响TNTs阵列形貌和表面亲水性的主要因素。SEM、XRD、LSV和EIS结果表明,TNTs阵列孔径的大小影响了催化涂层的形貌、晶粒尺寸以及电极的析氧电位。XPS、EPR和羟基自由基(·OH)生成测试表明,涂层表面致密且粒径较小有利于电极表面获得更多的氧空位,且氧空位浓度越高,吸附氧物种越多,从而增强了活性自由基的形成以及对有机物的降解。以长度950 nm,孔径100 nm的TNTs阵列层为基底时,所制备的电极TNTs(25 V)/SnO_(2)-Sb展现出了最佳的苯酚处理效果(92%±4.6%,2 h)。

Ti/PbO_(2)电极与Ti/IrO_(2)+Ta_(2)O_(5)电极催化体系降解酸性大红染料废水的比较研究

为比较Ti/PbO_(2)电极和Ti/IrO_(2)+Ta_(2)O_(5)电极催化体系降解酸性大红(GR)染料废水的处理效果,并确定体系最佳工艺参数。分别对Ti/PbO_(2)电极和Ti/IrO_(2)+Ta_(2)O_(5)电极催化体系内初始pH、染料初始浓度、电流密度、电解质浓度对GR染料降解率的影响进行了探索,比较工艺参数优化后两催化体系的GR降解率、电极形貌及TOC去除率。结果表明,工艺参数优化后(初始pH 6.38,染料初始浓度100 mg/L,电流密度50 mA/cm^(2),电解质浓度0.1 mg/L),Ti/PbO_(2)电极和Ti/IrO_(2)+Ta_(2)O_(5)电极催化体系GR去除率分别可达98.3%和61.1%,TOC去除率为25.4%和13.5%;结合电极表面形貌分析,Ti/IrO_(2)+Ta_(2)O_(5)电极表面损毁较明显,而Ti/PbO_(2)电极表面变化不大。因此,Ti/PbO_(2)电极催化体系GR降解率、TOC去除率均较高,且电极稳定性较好。研究结果为进一步推动电催化法在染料废水处理实际应用领域提供了理论参考。

干法制备LiCoO_(2)电极的电化学性能

电极的制备工艺对性能有重要的影响。采用干法电极工艺制备钴酸锂(LiCoO_(2))电极,通过SEM、X射线能谱、电阻率测试、电化学阻抗谱(EIS)和恒流充放电等方法研究干法电极的微观形貌、元素分布、导电性以及电化学性能。纤维化的聚四氟乙烯(PTFE)广泛、均匀地分布在LiCoO_(2)活性物质颗粒的周围,在干法电极内部形成一个完整、致密的三维网状结构;电阻率和EIS测试表明,干法电极具有更好的导电性;以1.0 C在2.5~4.2 V循环200次,容量保持率为80.28%,优于湿法电极的72.85%,表明由纤维状的PTFE形成的三维网络结构可改善电池的循环稳定性,提升电化学性能。