“科教融合”背景下科研反哺教学探究——以Co_(3)O_(4)晶体结构表征及其电催化性能为例

在“科教融合”背景下,将科学研究的前沿创新成果融入教学环节,以高质量教学保障人才培养成效,对于培养新时代创新人才具有重要意义。本文针对《材料科学研究方法》专业必修课存在的理论与实践缺乏紧密联系的教学痛点,探究了科研反哺教学设计与实践的有效路径,设计了与理论知识紧密结合的且由典型科研成果转化的实验教学内容——“Co_(3)O_(4)晶体结构表征及其电催化性能”,采用案例型教学模式,引导学生深刻理解并掌握X射线衍射分析的基本原理、应用及数据分析方法,从而灵活运用材料分析表征方法。该教学实验设计对于促进学生实现“从学到用”的闭环、启发学生科研创新思维、提升学生自主学习能力具有极大的推动作用。

大颗粒掺铝四氧化三钴的制备条件优化

采用液相沉淀-热分解制备出电池级大颗粒掺铝四氧化三钴,考察了液相沉淀过程中钴液流量、反应温度、反应pH值对大颗粒掺铝碳酸钴中间品杂质S含量、振实密度、上清Co含量等的影响;探究了碳酸钴烧结过程预热温度、进料量对大颗粒掺铝四氧化三钴振实密度和开裂情况的影响。结果表明:钴液进料流量2.5 L/h、反应过程温度45℃、反应过程pH值7.4的条件为沉淀大颗粒掺铝碳酸钴较优条件;引风风量30 m^(3)/h、碳酸钴进料速度15 kg/h的条件为烧结较优条件。

Co_(3)O_(4)/碳复合超级电容器材料的研究进展

Co_(3)O_(4)作为超级电容器材料,因具有理论比容量高、价格成本低、无毒环保、储量丰富等优点而备受关注,但制备出电化学性能优异的Co_(3)O_(4)超级电容器材料仍是个巨大的挑战。通过与导电性突出的碳材料复合,增加了电子/离子的传输速度,提高了Co_(3)O_(4)超级电容器材料电化学性能。综述了Co_(3)O_(4)/碳复合超级电容器材料的合成方法,归纳了各个方法的优缺点,分析了影响Co_(3)O_(4)/碳复合超级电容器电化学性能的因素,最后,指出了Co_(3)O_(4)/碳复合超级电极材料所面临的问题和发展前景。

废旧钴酸锂材料中Co_(3)O_(4)水热反应机理

多次充放电循环后的废旧钴酸锂电池中,正极材料LiCoO_(2)会发生相变产生Co_(3)O_(4),导致锂离子的传导速率降低,电化学性能下降。为了研究Co_(3)O_(4)水热修复为LiCoO_(2)的机理,以纯Co_(3)O_(4)为试验对象,在LiOH溶液中进行水热反应试验。采用正交试验和单因素试验的方法来探索H_(2)O_(2)用量、水热温度、反应时间和初始Li+浓度四个因素对反应后LiCoO_(2)产率的影响规律,并借助SEM、XRD、XPS等手段对水热反应前后材料的微观形貌、物相组成和钴元素化合价态进行了综合分析。结果表明:Co_(3)O_(4)可以在LiOH溶液中发生水热合成反应,在加入H_(2)O_(2)溶液作为氧化剂的条件下生成LiCoO_(2)。各因素对水热合成LiCoO_(2)反应的影响顺序为:H_(2)O_(2)用量>水热温度>反应时间>初始Li+浓度。在水热温度220℃、反应时间6 h、H_(2)O_(2)用量0.3 mL/g、初始Li+浓度3 mol/L的条件下,LiCoO_(2)的产率为80.72%。

嵌入式四氧化三钴负极材料的赝电容性能研究

采用ZIF-67作为自牺牲模板,制备了嵌入式的四氧化三钴/碳布(Co_(3)O_(4)/CC)柔性自支撑负极材料。碳布基体中交错的导电网络结构以及Co_(3)O_(4)氧缺陷的存在,加速了锂离子的传输、改善了结构稳定性。Co_(3)O_(4)/CC负极材料表现出了卓越的电池性能,在5 A/g的大电流密度下循环1000次后放电比容量仍能达到518 mAh/g。Co_(3)O_(4)/CC负极的高容量主要来源于赝电容效应,而原位拉曼光谱中表面/近表面超快速氧化还原反应的发生佐证了赝电容的存在。

煅烧温度对四氧化三钴颗粒成型理化指标调控的影响

四氧化三钴是制备锂离子电池用钴酸锂正极材料的前驱物,其理化指标对最终产品的性能具有直接影响。本文以碳酸钴为原料,系统地研究了煅烧温度条件对生成球形四氧化三钴产品理化指标的影响。结果表明,随着煅烧温度的提高,总体上材料的振实密度逐渐提升,比表面积则逐渐减小。低和高温结合的分段煅烧时,能够节约煅烧时间,获得样品的钴含量约在72.0%、振实密度2.13~2.45 g·cm^(-3)、比表面积0.35~6.04 m^(2)·g^(-1)。这种能够使产品兼具振实密度和比表面积等需求的可控制备条件,能为后端钴酸锂材料生产的原料选择提供极大便利。

提高掺铝四氧化三钴小颗粒致密性的工艺研究

以氯化钴、氯化铝和氢氧化钠为原料,乙二胺四乙酸二钠(EDTA)为络合剂,在羟基氧化体系中合成掺铝氧化钴,通过煅烧后得到掺铝四氧化三钴小颗粒。结合羟基氧化体系中氧化反应和共沉淀反应的基本过程,研究不同温度、络合剂浓度和pH值对颗粒的致密性的影响。实验表明,通过控制温度、络合剂浓度、pH值,可以控制颗粒的形貌和生长速率,在最优组合工艺下可以制备致密性较高的掺铝四氧化三钴小颗粒(TD=2.5 g/cm^(3))。

四氧化三钴及掺杂材料电催化性能的研究进展

综述了Co_(3)O_(4)及掺杂材料的性质、结构和电催化性能。Co_(3)O_(4)中的钴离子是Co^(2+)和Co^(3+)的混合价。由于Co_(3)O_(4)具有独特的尖晶石晶体结构,有利于Co^(2+)和Co^(3+)离子之间的电子传导,具有空电子轨道且易实现晶格氧化可作为氧还原反应(ORR)催化剂。综述了Co_(3)O_(4)的电催化性能的影响因素主要由其表面积和电子态决定,表面积通过调整纳米结构的大小和形貌来调节,电子态可以通过掺入第三种元素或氧空位来调控。综述了Co_(3)O_(4)掺杂不同材料后均表现出优异的催化性能与良好甲醇耐受性。Co_(3)O_(4)与Pd掺杂可以提高金属Pd在载体表面的分散性,降低金属颗粒团聚;Co_(3)O_(4)与P的组合使催化剂的内在活性增强;Co_(3)O_(4)与Ni掺杂,在ORR方面表现比Pt/C更好的稳定性和甲醇耐受性;Co_(3)O_(4)掺杂氮原子,这种复合催化剂表现出良好的抗甲醇中毒能力与稳定性。

光电化学除草剂检测系统设计

我国农作物生产中化学除草剂被广泛使用,但除草剂的残留会威胁人们的生命健康。基于纳米技术和光电化学技术,研制的Au/ZnO/Co_(3)O_(4)/NF纳米复合材料除草剂残留传感器具有灵敏度高、检测限低等特点,以Au/ZnO/Co_(3)O_(4)/NF纳米复合材料除草剂残留传感器电极为基础,结合嵌入式技术设计的传感器样机成本低、制作工艺简便、操作简单,为新型光电化学除草剂残留传感器的研制提供了很好的研究案例,有一定的科研和应用价值,特别是在农业领域具有较大的应用前景。

纳米四氧化三钴的合成表征及各自在电化学性能的研究

以六水合硝酸钴(Ⅱ)、六水合氯化钴(Ⅱ)为原料制备纳米级别的棒状四氧化三钴、管状四氧化三钴及片状四氧化三钴。利用XRD对制备的产物与原料、中间体进行对比研究,利用SEM观察产物形貌,并利用电化学工作站对不同产物的电化学性能进行研究。经研究发现,在以2 mol/L KOH溶液为电解液的条件下,四氧化三钴纳米棒的电化学性能最为优异。

二次水热法制备Co3O4@MnO2复合材料及其电化学性能研究

在泡沫镍基底上,以氯化钴(CoCl2·6H2O,分析纯)和尿素为原料,利用二次水热法制备了Co3O4@MnO2复合材料。通过X射线衍射仪(XRD)和场发射扫描电子显微镜(FESEM)分别对样品的结构和形貌进行表征,并使用循环伏安法(CV)、恒流充放电测试(GCD)和交流阻抗测试(EIS)研究了样品的电化学性能。实验结果表明,随着水热温度的增加,复合材料结构由纳米片状向纳米团状转变;充放电测试中,将不同水热温度下制备的Co3O4@MnO2复合材料的电容量进行对比,水热温度160℃,电流密度为0.3A g^-1反应条件下制备的电极材料比电容为2747.3 F g^-1,比电容最大,电化学性能优异。

关于四氧化三钴纳米粉体显现手印的研究

四氧化三钴纳米粉体是众多纳米粉体之一,通过对其在打印纸、单光纸、胶版纸、牛皮纸、钱币、平板玻璃、塑料、油漆物面等客体、按照新鲜、1小时、4小时、12小时、24小时、48小时、96小时时段进行捺印的汗液手印的显现,发现它的显现效果较好,值得推广使用。

制备新型PEI@Co_3O_4复合材料及对Cr(Ⅵ)吸附行为的探究

利用简单一步交联法成功制备高度蓬松的吸附剂PEI@Co_3O_4。通过SEM、FT-IR、XRD对该复合材料的结构进行了表征。在六价铬水溶液中探讨了其吸附性能,并对吸附影响因素进行探究,如初始溶液pH,吸附剂用量,接触时间,初始Cr(Ⅵ)浓度和共存离子等。结果表明,在室温下,PEI@Co_3O_4对Cr(Ⅵ)的最大吸附量高达691.88 mg/g。吸附过程符合伪二阶动力学和Freundlich等温模型。PEI@Co_3O_4对Cr(Ⅵ)具有优越的吸附性能。

金属有机骨架衍生的层状Co_(3)O_(4)/C在锂硫电池中的应用

通过对层状金属有机骨架(Metal-organic framework 71,MOF-71)前驱体先碳化后氧化的方法合成了四氧化三钴/碳复合纳米颗粒。将制得的纳米颗粒与硫复合后借助四氧化三钴的极性优势能对多硫化锂产生很强的亲和力,可以抑制穿梭效应。通过对材料进行物理表征和电化学测试发现,氧化温度对Co_(3)O_(4)/C结构形貌有较大的影响,高温氧化所制备的Co_(3)O_(4)/C材料粒径约50 nm,平均孔径为17.44 nm,多层网状结构有利于提升电池容量和稳定性。以Co_(3)O_(4)/C为正极基质负载硫组装的锂硫电池,在0.2C放电倍率下,首圈放电比容量为1 142.2 mAh·g^(-1);在0.5C电流密度下循环300圈,其库仑效率仍保持在98%以上,该锂硫电池表现出优异的电化学性能。

四氧化三钴碳含量对超细钴粉品质的影响

以工业碳酸钴为原料,将其在马弗炉中煅烧成不同碳含量的四氧化三钴,再通过单管试验炉还原成钴粉。采用费氏粒度仪、激光粒度测定仪、氧含量测量仪、碳硫测量仪和扫描电子显微镜等设备表征粉末。结果表明:通过调整煅烧工艺可获得碳含量为0.033%~0.195%的四氧化三钴;随着四氧化三钴碳含量的增加,钴粉粒度逐渐增大,当四氧化三钴碳含量为0.033%时,钴粉费氏粒度为0.94μm,当四氧化三钴碳含量为0.195%时,钴粉费氏粒度为1.13μm,增幅达20%。随着四氧化三钴碳含量的增加,钴粉孔隙度略有增加,松装密度有增大趋势,氧含量较小,碳含量波动不大。四氧化三钴的气流分级工序可降低还原钴粉的粒度。高碳四氧化三钴还原出的钴粉表面较光滑,球形度略差。

稀土掺杂Co3O4基超级电容器研究进展

由于Co 3O 4具有易于制备、环境友好、成本低廉并且具有相对较高的比电容等优点,被认为是一种很有潜力的超级电容器材料,但是由于Co 3O 4电极材料导电性差,所以导致其电化学性质受到一定的限制。然而,稀土是一组具有独特性质的元素,发现稀土元素在先进储能领域的应用,是将稀土化学与储能技术联系起来的重要契机。因此本文综述了稀土掺杂四氧化三钴在超级电容器的研究进展,讨论了稀土元素在超级电容器的研究现状。

纳米四氧化三钴催化剂的制备及其电催化性能

四氧化三钴(Co_(3)O_(4))作为一种重要的电极催化材料,具有催化活性高,稳定性好且价格低廉等特点,有望解决过度依赖储量少、成本高的Pt系贵金属催化剂等问题。实验采用化学沉淀法结合热分解法制备出块状、球状及杆状的Co_(3)O_(4),其中球状的最小粒径达8.54nm。将制备的均相高纯度的Co_(3)O_(4)作为直接甲醇燃料电池阴极催化剂来测试电催化活性,结果显示Co_(3)O_(4)具有良好的电催化性能,在1mol/L KOH中氧还原峰电位1.34V,比商用Pt/C(20(wt)%)的高0.05V。在氧气饱和的1mol/L KOH电介质溶液中加入2%无水甲醇,250s后两种材料的电流密度衰减为0.0051和0.0136 mA/cm^(2),半波电位分别为1.025和1.113 V,虽然Co_(3)O_(4)的催化活性不及Pt/C(20(wt)%)材料,但对甲醇的耐受性及稳定性要优于商用Pt/C(20(wt)%)材料。

碳布负载的Co_(3)O_(4)纳米片阵列阳极对微生物燃料电池产电性能的影响

微生物燃料电池(MFCs)是一种在处理废水的同时产生电能的新型装置,阳极作为产电微生物富集、电子产生和传递的区域对提高MFCs的性能具有至关重要的作用。以碳布负载的四氧化三钴多孔纳米片阵列(Co_(3)O_(4)/CC)作为阳极,探究了可调控的纳米片孔缺陷对MFCs产电性能的影响。结果表明:Co_(3)O_(4)/CC阳极的产电性能显著优于碳布,且正比于Co_(3)O_(4)纳米片的孔隙率;液固界面处的电荷传递电阻(R_(ct))由729.20Ω降至43.48Ω,所获得的最大功率密度由1275 mW·m^(-2)增加至1547 mW·m^(-2)。本研究开发了一种孔结构可控的金属氧化物负载碳布策略,所制备的高性能阳极材料可为MFCs的性能提升提供参考。

单质Ag修饰Co_(3)O_(4)的高活性Li-O_(2)电池催化剂的制备及性能

以金属有机框架-74为模板制备了仿锤体状Co_(3)O_(4),然后与单质Ag复合,通过界面工程提高了材料电导率,制备出Li-O_(2)电池的高活性催化剂Ag/Co_(3)O_(4)。在100 m A/g电流密度,使用Ag/Co_(3)O_(4)催化剂的Li-O_(2)电池的放电比容量达到了13945 m A·h/g,即使在1000 m A/g高电流密度,依然可以保持4476.3 m A·h/g的放电比容量,证明其具有出色的倍率性能。同时,循环性能也得到了大幅提高,在电流密度为500 m A/g,限制比容量为1000 m A·h/g,使用Ag/Co_(3)O_(4)催化剂的电池可以稳定循环195圈,而使用Co_(3)O_(4)催化剂的电池只能循环42圈。