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2023年  第30卷  第10期

可再生能源转换、利用和储存专刊

客座主编:赵海雷,鲁启鹏,曹文斌,Sanjay Mathur

封面故事随着化石能源的逐渐枯竭和环境污染问题的不断加剧,可再生能源的转换、利用和储存技术以及相关材料的研发,正成为研究的热点。通过利用太阳能、风能和地热能等可再生能源发电,已经成为减少温室气体排放和有效应对气候变化的首要战略之一。然而,这些能源的电力输出受制于自然因素的波动,使得对其可控利用相当困难。研发集成辅助储能装置,包括电池系统和超级电容器,辅助转换器和逆变器可实现电能的储存和使用。此外,利用可再生能源可生产化工原料和化学燃料,有望实现可再生能源多轮驱动、协调发展的能源供应新体系。因此,我们集中在能量转换、利用、储存和相关材料科学方向,希望明确功能材料、器件和装置的工作原理、性能提升机制以及材料结构与性能之间的关系,特别推出了本期专刊。本专刊共收录19篇论文,包括2篇综述和17篇研究论文,着重探讨了可再生能源相关材料的制备和应用技术。我们希望通过本期专刊,为从事相关研究的学者们提供广泛的交流平台,增进对这一领域的深入理解,为未来可持续清洁能源的发展提供有益的指导。

显示方式:
社论
可再生能源转换、利用和储存专刊
Qipeng Lu, Zhihong Du, Jie Wang, Wenbin Cao, and  Hailei Zhao
2023, 30(10): 1855-1858. doi: 10.1007/s12613-023-2746-y
摘要:

       随着化石能源的逐渐枯竭和环境污染问题的不断加剧,可再生能源的转换、利用和储存技术以及相关材料的研发,正成为研究的热点。通过利用太阳能、风能和地热能等可再生能源发电,已经成为减少温室气体排放和有效应对气候变化的首要战略之一。然而,这些能源的电力输出受制于自然因素的波动,使得对其可控利用相当困难。研发集成辅助储能装置,包括电池系统和超级电容器,辅助转换器和逆变器可实现电能的储存和使用。此外,利用可再生能源可生产化工原料和化学燃料,有望实现可再生能源多轮驱动、协调发展的能源供应新体系。

       因此,我们集中在能量转换、利用、储存和相关材料科学方向,希望明确功能材料、器件和装置的工作原理、性能提升机制以及材料结构与性能之间的关系,特别推出了本期专刊。本专刊共收录18篇论文,包括2篇综述和16篇研究论文,着重探讨了可再生能源相关材料的制备和应用技术。我们希望通过本期专刊,为从事相关研究的学者们提供广泛的交流平台,增进对这一领域的深入理解,为未来可持续清洁能源的发展提供有益的指导。


研究论文
晶格铌掺杂实现高性能钠离子电池Na3V2(PO4)2O2F正极材料
王捷, 袁一峰, 饶显慧, 杨民安, 王豆斗, 张爱羚, 陈妍, 李兆麟, 赵海雷
2023, 30(10): 1859-1867. doi: 10.1007/s12613-023-2666-x
摘要:
聚阴离子型正极材料Na3V2(PO4)2O2F因其较高的工作电压以及良好的结构稳定性和热稳定性受到了研究者的广泛关注。然而,其本征电子电导率低下的缺点直接造成电极反应动力学缓慢,制约其电化学性能发挥,进而限制其实用化发展。本文旨在开发出一种倍率性能优异的Na3V2(PO4)2O2F正极材料,通过溶剂热法结合后续热处理制备了不同Nb掺杂量的Na3V2−xNbx(PO4)2O2F/石墨烯复合正极材料(x = 0, 0.05, 0.1)。研究结果表明,相较于未掺杂样品(Na3V2(PO4)2O2F/石墨烯),晶格V位高价Nb5+元素掺杂(Na3V1.95Nb0.05(PO4)2O2F/石墨烯)能够产生V4+/V3+混合电价,降低了结构中电子跃迁禁带宽度,从而提高了材料的本征电子电导率。同时,扩展的晶格空间有利于结构中Na+迁移。此外,所制备的复合正极材料表现出活性颗粒紧密附着于石墨烯片层上的结构特点,电极内部所建立的高速电子导电网络进一步加速了电极反应动力学。因此,所制备的Na3V1.95Nb0.05(PO4)2O2F/石墨烯正极材料表现出优异的倍率性能和良好的长循环稳定性:10C电流密度下的循环可逆比容量可达~72 mAh·g−1(相较于0.5C电流密度下的容量保持率为65.2%);5C电流密度下500次循环,电极容量衰减率为~0.099%每循环。
研究论文
金属镁纳米薄膜电镀修饰的二氧化钛纳米管及其作为可逆钠金属负极沉积骨架研究
王锦山, 李锋, 赵思, 郑力拓, 黄艺吟, 洪振生
2023, 30(10): 1868-1877. doi: 10.1007/s12613-023-2685-7
摘要:
为了实现低成本的钠金属负极,这篇文章报道一种利用离子液体作为电解液的脉冲电沉积技术,在间隙型二氧化钛纳米管阵列上进行均匀的约20 nm厚的纳米电镀镁金属薄膜。镁金属镀膜具有良好亲钠特性和低成本优势,可以有效地降低钠金属的成核能。在Na||Na对称电池中,三维结构的间隙二氧化钛纳米管能有效限制钠沉积与溶解过程中的体积变化,实现超稳定的金属可逆沉积/溶解和高达99.5%的库伦效率,以及仅为5 mV的电压极化。另外,对同样式样方法制得的镀铜样品进行对比研究表明,镁金属确实能够引导钠金属的均匀沉积并抑制枝晶生长。最后,将镀镁的间隙二氧化钛沉积金属钠负极后与商业的磷酸钒钠正极组装成全电池,可得到放电容量110.2 mAh⋅g−1的全电池,并在1C的倍率下循环110圈后仍有95.6%的容量保持率。本研究为低成本的镁金属纳米电镀和高性能的钠金属负极开发提供了切实可行的方法和科研依据。
研究论文
低成本钠离子电池玻璃纤维隔膜的高效利用
马小航, 陈志杰, 张天文, 张雪倩, 马元, 郭雁青, 魏义永, 葛梦缘, 候之国, 訾振发
2023, 30(10): 1878-1886. doi: 10.1007/s12613-023-2691-9
摘要:
隔膜是钠离子电池的关键组成部分,其性能极大影响着钠离子电池的电化学性能和安全特性。常规使用的玻璃纤维滤纸因高成本和差的机械性能而不能满足钠离子电池大规模应用的要求。本文以玻璃纤维隔膜边角料和普通定性滤纸为原料,通过简单的流浆过筛工艺制备出了一系列新型复合隔膜。当玻璃纤维与滤纸复合质量比例为1:1时,复合隔膜获得了优异的综合性能,其拉伸强度达到15.8 MPa,孔隙率为74.3%,离子电导率为1.57 × 10−3 S·cm−1,并且该隔膜可在210°C保持良好的尺寸稳定性。组装的钠离子电池同样显示出了良好的循环性能(1C下500次循环后容量保持率为94.1%)和倍率性能(10C下放电比容量保持率为87.3%),并与电极保持了良好的界面稳定性。以上结果为高性能、低成本钠离子电池的隔膜设计提供了一些新思路。
研究论文
对比溶胶–凝胶法和静电纺丝法制备的混合P2/O′3型层状镍锰酸钠正极材料的结构和电化学性能:Na过剩量的影响
Thongsuk Sichumsaeng, Atchara Chinnakorn, Ornuma Kalawa, Jintara Padchasri, Pinit Kidkhunthod, and Santi Maensiri
2023, 30(10): 1887-1896. doi: 10.1007/s12613-023-2702-x
摘要:
研究论文
IL@UiO-66-NH2作为凝胶聚合物电解质的有效填料及其在高性能全固态锂金属电池中的应用
魏涛, 张琪, 王思佳, 王梦婷, 刘野, 孙成, 周艳艳, 黄青, 邱祥云, 田芳
2023, 30(10): 1897-1905. doi: 10.1007/s12613-023-2639-0
摘要:
随着电动汽车领域和各种储能系统的飞速发展,既具有高能量密度又具备高安全性的新型全固态锂离子电池映入了研究人员的眼帘。然而,固体电极与固态电解质之间的固-固接触可能会导致较大的界面电阻。近年来,离子液体由于具有较宽的电化学窗口(~6 V)和较高的离子电导率,也常常被用来作为固态电解质膜中的添加剂或溶剂以进一步制备凝胶聚合物电解质。本文旨在开发一种以适量离子液体加入MOFs孔内作为有效填料的凝胶聚合物电解质。本文制备了不同离子液体含量的MOFs纳米颗粒,并采用简单的流延法制备了新型凝胶聚合物电解质。同时对其进行了电化学测试,最后还将其与商业正极组装成全固态电池以进行恒电流充放电试验。研究了不同离子液体含量的MOFs纳米颗粒对固态电池电化学性能的影响。研究结果表明, 适量添加离子液体可以有效地提升凝胶聚合物电解质的电化学性能(离子电导率、锂离子迁移数、电化学窗口等),UPP-5在60°C下的离子电导率为4.842 × 10−4 S·cm−1,离子迁移数为0.52,电化学窗口可高达5.5 V。此外,Li/UPP-5/LiFePO4的全固态电池在0.2C的倍率下可稳定循环超过100个周期,且几乎没有任何容量衰减。这项研究可以为未来开发新一代全固态锂离子电池(ASSLB)创造更为有效的Li+ 导电网络提供新的见解。
研究论文
将铜和银机械混合成自支撑电催化剂用于析氢
胡心卓, 刘喆, 冯意, 张永锋, 李喆, 陈镇南, 毛晶, 杨静, 刘辉, 尹鹏飞, 崔雷, 杜希文
2023, 30(10): 1906-1913. doi: 10.1007/s12613-023-2695-5
摘要:
到目前为止,合成具有高Ag溶解度的自支撑Cu电极仍然是一个巨大的挑战,而且难互溶合金对酸性介质中析氢反应(HER)的影响尚未阐明。在这项工作中,我们采用搅拌摩擦处理(FSP)将铜条和银条混合成自支撑电极,其中银原子均匀分布在铜基体中。在酸性溶液中,自支撑CuAg电极表现出优异的催化活性,其周转频率(TOF)是FSP纯铜的12倍。此外,CuAg电极具有良好的稳定性,连续测试180 h后,初始电流密度(−0.835 V,可逆氢电极电位下)仅降低了1.57%。X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)分析表明Cu基体存在拉伸应变,X光电子能谱(XPS)结果表明从Cu向Ag的电子转移,两个因素共同导致d带上移,并改善氢吸附。密度泛函理论(DFT)计算表明在CuAg合金中的Cu位点上的氢吸附能得到优化,证实了拉伸应变和电子转移共同增强了CuAg合金的d带中心,提高了氢的吸附性,最终促进了催化活性。综上,难互溶金属的合金化是优化催化活性的可行途径。FSP在制备具有高催化性能的难互溶合金自支撑催化剂方面具有明显优势。
研究论文
MOF衍生NiFe2O4/FeNi3@C复合材料的高效电催化析氧反应
戴昉纳, 王智飞, 许化凯, 蒋传海, 欧阳雨果, 卢春宇, 井源, 姚世伟, 魏晓飞
2023, 30(10): 1914-1921. doi: 10.1007/s12613-023-2721-7
摘要:
金属有机框架(Metal-organic framework,MOF)材料作为一种由金属节点和有机配体结合而成的配位化合物,由于其多孔,比表面积大等特点,在催化领域有着相当不错的应用前景。但由于其导电性和稳定性差等缺点,MOF基催化剂在OER催化方面的实际应用并不深入。本文以镍铁基MOF为研究基础,以优化镍铁基MOF的OER催化性能为目的,通过组分优化,离子掺杂,界面复合等调控策略提升镍铁基MOF材料的OER催化性能,制备出高效的镍铁基MOF衍生催化材料。本文通过溶剂热法制备了双金属镍铁基MOF,并以镍铁基MOF为前驱体,通过热解制备了镍铁基MOF衍生材料,研究不同的金属配比、不同的热解温度对样品结构与OER催化性能的影响。实验结果表明,金属配比为Fe : Ni = 1:5,热解温度为450℃时,样品具备碳包覆的镍铁合金与氧化物(NiFe2O4/FeNi3@C)的复合结构,并且具有最佳的催化性能。当电流密度为10和100 mA·cm−2时,样品的OER过电位分别为307和377 mV,催化性能优于商用RuO2。因此,组分优化等调控方法能够有效的提升镍铁基MOF衍生材料的OER催化性能。
研究论文
AlCoCrFeNi高熵合金的腐蚀工程制备高效电催化剂用于碱性海水析氧
陈质彬, 黄康, 张博威, 夏久阳, 吴俊升, 张泽群, 黄一中
2023, 30(10): 1922-1932. doi: 10.1007/s12613-023-2624-7
摘要:
海水裂解是产生可再生和可持续氢能的一种前瞻性方法。目前,复杂的制备工艺和较差的可重复性被认为是阻碍大规模生产和应用电催化剂的不可逾越的障碍。腐蚀工程可避免使用复杂的仪器,是一种降低成本的有趣策略,并为具有催化性能的电极提供了巨大的潜力。本文通过一步腐蚀的方法,提出了一种在AlCoCrFeNi高熵合金上均匀装饰的由五元AlCoCrFeNi层状双氢氧化物(AlCoCrFeNi-LDHs)组成的阳极,该阳极可直接用作促进碱性海水中析氧反应(OER)的活性催化剂。系统地研究出合适的工艺参数:温度150°C,3 M NaOH水热溶液,水热8 h。该条件下制备的AlCoCrFeNi-LDHs中Ni与Al为主要构成元素。电化学测试结果表明,在碱性海水(0.5 M NaCl + 1 M KOH)介质中,AlCoCrFeNi-LDHs达到10和100 mA·cm−2的电流密度时仅分别需要272.3与343.4 mV的过电位,相比于AlCoCrFeNi高熵合金(349.8与455.4 mV),过电位分别降低了77.5与112 mV。同时,AlCoCrFeNi-LDHs具有较低的Tafel斜率(48.87 mV·dec−1)、相对较大的电化学活性表面积、较好的电荷转移动力学,并且在10 h的稳定性测试中展现出优异的稳定性。研究发现,AlCoCrFeNi-LDHs表面生长的LDHs在工作72 h后仍保持片状结构,过程中没有新物质生成,稳定性测试前后各元素的化学状态没有产生较大改变,然而,在电流的持续作用下,构成高效活性位点的元素发生溶解,因此导致LDHs的粗糙表面,其电催化性能衰退。
特约综述
开发对称固体氧化物燃料电池电极材料的最新进展和影响参数
Wan Yusoff Wan Nor Anasuhah, Nurul Akidah Baharuddin, Mahendra Rao Somalu, Andanastuti Muchtar, Nigel P. Brandon, 樊慧庆
2023, 30(10): 1933-1956. doi: 10.1007/s12613-023-2694-6
摘要:
对称固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种相对较新的 SOFC 技术,本文对对称固体氧化物燃料电池中可能使用的电极材料进行了详尽的概述。为此,本文全面回顾了用于 S-SOFC 的电极材料的最新进展和进步,讨论了材料的选择和选择过程中遇到的挑战。我们将回顾开发纳米/微结构电极所涉及的相关因素。纳米复合材料,如非钴和锂化材料,只是目前正在研究的电极类型中的一小部分。此外,所生产材料的相结构和微观结构在很大程度上受到合成过程的影响。本文讨论了材料的可能性和困难。为了获得理想的微观结构特征,本文重点讨论了最新的合成技术或现有工艺的更好迭代。本文分析的最关键部分是制造 S-SOFC 时与制造相关的风险以及材料带来的挑战。本文还为电极材料研究人员的战略设计提供了重要而有用的建议。
研究论文
金属防腐蚀的ZrB2/PDMS摩擦纳米发电机
王修才, 胡乃健, 杨家, 陈建文, 于昕梅, 朱文博, 赵超超, 王挺, 陈旻
2023, 30(10): 1957-1964. doi: 10.1007/s12613-023-2626-5
摘要:
金属腐蚀每年造成数十亿美元的经济损失。因此,寻找一种高效且成本低廉的方法解决这一问题成为当前研究的热点。作为一种智能的新型能量收集装置,摩擦电纳米发电机(TENGs)能够将几乎所有的机械能转化为电能,在金属防腐、阴极保护等方面具有广阔的前景。在本工作中,我们合成了具有高介电常数的ZrB2纳米颗粒,通过将其与PDMS相混合后,制成了具有高性能的柔性ZrB2/PDMS薄膜。利用ZrB2/PDMS薄膜设计了能够有效收集的机械能的摩擦纳米发电机(ZB–TENGs)。结果表明,在3.5 Hz和10 N的条件下,开路电压和短路电流分别达到264 V和22.9 μA,ZB–TENGs的功率密度达到6 W·m−2,并成功地为商用计算器供电40秒。在手动轻拍的情况下,可以同时点亮108个蓝色LED灯。此外,将整流电路与ZB–TENGs集成,设计了一种自供电防腐系统,通过对于开路电位和塔菲尔曲线的测试表明该系统对碳钢具有良好的防腐效果。这项研究表明了该系统在金属文物、海洋工程、工业等领域具有广阔的应用前景。
研究论文
丙胺氢溴酸盐钝化高效锡基钙钛矿太阳能电池
李晓萌, 贾鹏程, 孟繁雯, 张星宇, 唐阳, 宋博, 高畅, 秦亮, 滕枫, 侯延冰
2023, 30(10): 1965-1972. doi: 10.1007/s12613-023-2604-y
摘要:
钙钛矿太阳能电池由于其较高的光电转换效率、简单的制造工艺和低廉的生产成本,已成为最有前途的第三代太阳能电池之一。然而,铅元素的毒性极大程度上限制了其商业价值,因此,开发低毒性的锡基器件对钙钛矿太阳能电池的商业可行性至关重要。由于卤化锡是一种更强的路易斯酸,其结晶速率极快,导致形成大量缺陷,影响锡基钙钛矿太阳能电池的器件性能。在此,将丙胺氢溴酸盐(propylamine hydrobromide, PABr)作为添加剂添加到钙钛矿前驱体溶液中,以钝化缺陷并制备更均匀、致密的钙钛矿薄膜。由于丙胺阳离子尺寸较大而无法进入钙钛矿晶格,因此,它们仅存在于晶界处以钝化表面缺陷并促进晶体在优选方向上生长。PABr添加剂通过减少缺陷引起的载流子复合,将平均短路电流密度从19.45 mA·cm−2 提高到25.47 mA·cm−2。此外,经过丙胺氢溴酸盐钝化后,器件的长期光照稳定性得到了提升,滞后效应可忽略不计,PABr的加入使光电转换效率达到9.35%。
研究论文
增强型功能梯度和螺旋三周期极小曲面点阵结构的吸能和吸声性能
赵淼, 李振东, JunWei Chua, ChongHeng Lim, Li Xinwei
2023, 30(10): 1973-1985. doi: 10.1007/s12613-023-2684-8
摘要:
点阵结构具有轻质高强的结构性能,同时还兼顾良好的吸能和吸声等功能特性,在工程领域中具有广阔的应用潜力。为了进一步提高点阵结构的吸能和吸声性能,本文基于三周期极小曲面提出了一种功能梯度和螺旋点阵结构的设计方法。在此基础上,采用增材制造技术制备了均匀、螺旋、功能梯度和螺旋与功能梯度结合的四种点阵结构,并系统地研究了点阵结构的变形模式、力学性能、吸能和吸声特性。研究结果表明,螺旋结构减小了点阵单胞内的结构间隙并提高了结构的抗断裂性能,使其承载能力在平台阶段逐渐提高。与均匀结构相比,螺旋结构的平台应力和总能量吸收分别提高了26.9%和21.2%。此外,螺旋结构可降低系统共振频率并提高吸收峰峰值,而功能梯度结构则可以实现吸声系数曲线峰值调控。在1000–6300 Hz的频率范围内,将螺旋与功能梯度结构结合,点阵结构的吸收峰峰值提高了18.6%–30%,吸声系数高于0.6的吸声频带拓宽了55.2%–61.7%。
特约综述
作为功能材料平台的晶体骨架纳米片
范韵, 陈成, 张思峣, 张所瀛, 霍峰蔚, 张伟娜
2023, 30(10): 1986-2005. doi: 10.1007/s12613-023-2696-4
摘要:
通过整合具有独特性能的有机和无机材料而产生的新兴功能纳米材料已被广泛应用于诸多领域。近年来,由于功能晶体骨架纳米片兼具功能物种和晶体骨架纳米片材料的优点及具有协同效应,其得到了广泛的探索和研究。晶体骨架纳米片是一种由单体通过配位或共价键组装而成的多孔晶体材料,优势包括高度可接近的活性位点、大的横向尺寸、超薄的厚度和柔性,在诸多应用中表现出优异的性能。将晶体骨架纳米片与功能物种如手性分子、荧光分子、酶、聚合物和纳米颗粒等结合制备功能晶体骨架纳米片,可提高晶体骨架纳米片的性能和扩大其应用范围。因此,本文重点介绍了功能晶体骨架纳米片的制备方法和应用。首先,我们介绍了晶体骨架纳米片的优点和性质,并讨论了将功能物种与纳米片结合以形成功能晶体骨架纳米片的重要性。然后,从原位合成和合成后修饰两个方面综述了功能晶体骨架纳米片的制备方法。随后,讨论了与各种功能物种结合赋予晶体骨架纳米片的性质,并总结了它们在催化、分离、传感和能源存储方面的应用。最后,我们对目前功能晶体骨架纳米片研究领域存在的挑战提出了自己的见解,希望为优化制备方法、扩大类别、提高稳定性和探索潜在应用提供启示。
研究论文
碱金属助剂对钴纳米颗粒形貌调控的理论研究
耿孝彬, 杨卉, 郭文平, 刘晓彤, 杨涛, 刘金家
2023, 30(10): 2006-2013. doi: 10.1007/s12613-023-2634-5
摘要:
金属钴纳米颗粒(NPs)作为多相催化反应中的重要催化剂,其性能的调控常常借助碱金属助剂的添加。金属钴的表面结构和形貌对碱金属助剂的添加非常敏感,但助剂对表面结构的调控机制目前仍不清楚。本研究利用密度泛函理论系统地研究了碱金属助剂(钠和钾)在面心立方(FCC)和六方最密堆积(HCP)钴晶体表面上的吸附结构及其吸附能。通过Wulff理论,揭示了碱金属助剂对不同表面的表面能和纳米颗粒形貌的调控效应。我们的研究发现,在FCC结构的钴晶体中,随着碱金属吸附覆盖度的增加,(111)晶面的暴露面积逐渐增加。然而,在较高的碱金属吸附覆盖度下,(311)、(110)和(100)晶面在纳米颗粒上不再暴露。与此不同的是,在HCP结构的钴晶体中,其Wulff形貌的主要暴露面为(0001)和$ \left(10\bar{1}1\right) $晶面,且该形貌受碱金属吸附覆盖度的影响较小。本研究为了解碱金属助剂对金属钴纳米颗粒形貌的调控机制提供了重要见解,为设计合成具有特定晶面和形貌的钴基纳米材料提供了理论指导。
研究论文
结合键价和体相电荷加速预测碳化铁上C–O键解离活化能
何育荣, 路宽, 刘金家, 高新华, 刘晓彤, 李永旺, 霍春芳, James P. Lewis, 温晓东, 李宁
2023, 30(10): 2014-2024. doi: 10.1007/s12613-023-2612-y
摘要:
CO分子在铁基材料上的活化是许多化学过程的关键基元反应。我们通过密度泛函理论计算,研究了CO在一系列Fe、Fe3C、Fe5C2和Fe2C催化剂上的吸附和解离。我们发现在不同的表面和位点上CO的吸附和活化性能有很大的不同。CO的活化取决于分子与表面的局部配位环境和催化剂的体相性质。体相性质和不同的局部键合环境的差异导致吸附的CO分子与表面之间不同的相互作用,从而产生不同的C–O键活化水平。我们还通过线性回归模型进行了不同类型铁基催化剂上吸附的CO活化能预测。我们结合来自表面和体相的特征来增强活化能的预测,并利用多项式表示的特征工程进行了八种不同的线性回归。其中,采用2次多项式特征生成的脊状线性回归模型预测CO的活化能表现最佳,平均绝对误差为0.269 eV。
研究论文
铁掺杂二氧化钛中的氧空位诱导生成机制及其光催化性能研究
孙芃, 韩素梅, 刘锦华, 张晶晶, 杨烁, 王法国, 刘文秀, Shu Yin, 宁占武, 曹文斌
2023, 30(10): 2025-2035. doi: 10.1007/s12613-023-2611-z
摘要:
氧空位(OVs)由于可有效提高二氧化钛(TiO2)光催化性能而成为近年研究热点。然而,氧空位修饰二氧化钛(OVs-TiO2)仍面临合成温度高、成本高等问题,温和条件下实现OVs-TiO2的合成仍是较大的挑战。本文通过掺杂三价铁离子(Fe3+)在水热条件下实现了TiO2晶格中OVs的诱导生成,并通过理论计算和实验方法研究了铁掺杂二氧化钛(Fe–TiO2)中OVs的形成机制以及其光催化机理。结果表明:Fe–TiO2中的OVs形成能(1.12 eV)仅为TiO2(4.74 eV)的23.6%,阐明了TiO2晶格中OVs的Fe3+掺杂诱导生成机制;Fe3+和OVs可在TiO2能带中引入杂质态,增强了TiO2的光吸收活性;1%Fe–TiO2、2%Fe–TiO2和3%Fe–TiO2的载流子寿命分别为4.00、4.10和3.34 ns,高于未掺杂TiO2中的载流子寿命(3.22 ns),表明Fe3+和OVs可以促进电荷载流子分离。因此,由于具有较强的光吸收活性和较高的载流子分离效率,Fe–TiO2具有比其他光催化剂更高的室内一氧化氮光催化去除性能。
研究论文
晶相和颜色可调控阴离子共掺杂二氧化钛的合成及其可控的光催化活性
Jingdi Cao, Takuya Hhasegawa, Yusuke Asakura, Akira Yamakata, 孙芃, 曹文斌, 殷澍
2023, 30(10): 2036-2043. doi: 10.1007/s12613-022-2573-6
摘要:
二氧化钛除了具有优良的光触媒性能之外,也是不可替代的传统白色颜料和重要的化妆品原料。 为了满足其在各种新型材料领域的应用,通常二氧化钛的可见光吸收及着色可以通过添加过各种不同的过渡金属元素得以实现,但是过渡金属元素一般多具有生物毒性,这会限制着色二氧化钛在化妆品等相关领域的应用。 本研究通过水热反应制备了锐钛矿、金红石和板钛矿相硼掺杂二氧化钛,再通过氨气气氛中进行氮化处理,成功地选择性合成了具有上述不同晶相的硼氮共掺杂二氧化钛粉体(BN-TiO2)。通过本文方法,除了白色和黄色之外,我们还成功的制备了具有灰色,绿色,红色,黄绿色,橙色等多种颜色粉体,实现了非过渡金属元素添加二氧化钛的多彩着色。硼氮等阴离子元素共掺杂元素含量及二氧化钛的晶相组成对粉体着色具有显著影响。氮化时间及氮化温度等也均对二氧化钛粉体的颜色调控具有明显作用。锐钛矿、金红石相硼氮共掺杂材料具有较低的光催化活性,可作为无毒彩色颜料或新型化妆品原料使用,而板钛矿相的硼氮共掺杂具有良好的光催化活性,成为良好的环境净化催化材料候选。
研究论文
通过铁电极化和缺陷协同增强环境友好型(K0.52Na0.48)NbO3的压电催化性能
周敏, 梁来军, 卢定泽, 吕笑梅, 王政, 黄凤珍, 成鹏飞, 刘冬冬, 田孟琪, 王秋萍, 张云婕
2023, 30(10): 2044-2054. doi: 10.1007/s12613-023-2671-0
摘要:
压电催化作为一种新兴的催化技术引起了广泛关注。然而,铁电材料本身具有的优异的绝缘特性导致其振动-电转换能力较差。本文报道了FeCo改性(K0.52Na0.48)NbO3铁电陶瓷 (KNNFCx)。适量FeCo (x = 0.015) 取代Nb位,不仅优化了(K0.52Na0.48)NbO3的铁电性,而且产生了有益的缺陷,显著提高了对罗丹明B的降解效率,最高可达95%。在相同功率的超声作用下,KNNFC0.015对罗丹明B的降解效率分别是纯的KNNFC0的4倍以及铁电极化最大的KNNFC1的2倍。研究表明,适量的一价氧空位对铁电畴的钉扎效应导致KNNFC0.015样品可保留优异的铁电剩余极化。这促进了载流子分离,减少载流子复合。重要的是,伴随产生的电子载流子具有较低的激活能,可以很容易地迁移到材料表面并参与氧化还原反应。因此,优异的铁电性和恰当的缺陷在提高压电催化性能方面起着协同作用。