泡沫镍表面原位生长纳米花锌钴氢氧化物电极材料及电化学性能研究

层状双金属氢氧化物（LDH）由于其丰富的活性位点和双金属的协同效应等优点已得到广泛关注。然而,制备具有高倍率性能、低电阻的新颖LDH电极材料仍是一个挑战。通过共沉淀法,在泡沫镍（NF）集流体上原位生长三维纳米花层状锌钴氢氧化物（ZnCo LDHs）电极材料。ZnCo LDHs@NF有较大的可及表面积以及较低的固有电阻（0.56 Ω）。同时该电极材料有较高的比容量（1 A/g的电流密度下为1 583 F/g）,并且在20 A/g的电流密度下仍能保持81%的比容量（1 280 F/g）。这些优异的电化学性能表明制备的ZnCo LDHs@NF电极材料在储能设备中具有较大的应用前景。     

铁基层状双金属氢氧化物超级电容器电化学性能的研究

采用共沉淀法制备层状双金属氢氧化物(LDHs),通过X射线衍射(XRD),傅里叶变换红外光谱(FT-IR),扫描电镜(SEM)对其形貌与结构进行物理表征。采用循环伏安法,恒流充放电法等电化学常用方法系统地研究所组装成三电极体系超级电容器的电化学性能。该铁基超级电容器所需原料铁元素储备丰富、价格低廉,且制备方法简单,因而有望成为超级电容器制备中的备选材料。研究表明,当Ni~(2+)-Fe~(3+)层状双金属氢氧化物,镍和铁样品物质的量比为1∶1时,表现出较好的电容器性能;当电流密度为1A·g~(-1)时,其比容量达224.25F·g~(-1),并表现出良好的循环性能。     

柔性聚苯胺/氮化钛纳米线电极材料的制备与储能性能

利用高导电性的氮化钛纳米线作为聚苯胺的生长基质,有效减少电极材料的电荷传输电阻,提升聚苯胺的超级电容储能性能。以碳纤维作为柔性基底,采用晶种辅助水热结合电化学聚合法制备了柔性聚苯胺/氮化钛纳米线电极材料(PANI/Ti N),电极材料呈现高度有序的同轴核壳纳米线结构,且纳米线之间彼此分离,有利于电解液离子的传输,提升储能性能。电流密度为1 A/g时,比电容为403 F/g;电流密度从0.5 A/g增加到10.0 A/g时,比电容保持率为初始容量的53.4%,电流密度为5 A/g时,循环充放电1 000次后PANI/Ti N的电容保持率为79.1%,与PANI相比均有较大提升,表明PANI/Ti N具有较好的电化学储能性质。以PANI/Ti N电极材料为电极构建柔性全固态对称型超级电容器(PANI/Ti N//PANI/Ti N)考察其应用性。PANI/Ti N//PANI/Ti N柔性超级电容器在电流密度为1 A/g时,比电容可达100.2 F/g,且在不同角度弯曲后比电容无明显衰减。当功率密度为500 W/kg时,能量密度可达50.1 W·h/kg,且1个单元的该超级电容器可驱动红色...     

层状双金属氢氧化物的合成与应用

层状双金属氢氧化物（LDHs）是近来受到广泛关注的一类新型固体催化材料，具有碱性、氧化还原性和层间阴离子可交换性。本文综述了近年来层状双金属氢氧化物合成与应用方面的研究进展。主要包括LDHs及柱撑LDHs的合成方法，LDHs及其焙烧产物在碱催化、氧化还原催化和催化剂载体、功能材料、医药等领域的应用。     

无定型态Ni-MOF纳米片层结构的制备及其超级电容性能研究

作为一种新型层状结构电极材料,Ni-MOF已逐渐成为超级电容器领域的一个研究热点。本实验采用简单的水热法得到无定型态的Ni-MOF纳米片层材料,电化学测试表明该材料在电流密度为0. 5 Ag-1时可以展现出870 Fg-1的最大比容量,当电流密度增大至5Ag-1,比容量仍有429 Fg-1,表现出良好的高容量和大倍率性能,但其循环稳定性较差,2 Ag-1下循环1000次后的容量保持率仅为71%。与CNT复合后,Ni-MOF的循环稳定性得到了明显改善,同样倍率下循环1000次后的容量保持率为85%,同时比容量及倍率性能也得到了大幅提高。Ni-MOF/CNT复合材料电化学性能的提高主要得益于CNT良好的电子导电能力与Ni-MOF赝电容储存能力之间的协同作用。该复合材料未来有望成为一种新型赝电容超级电容器电极材料。     

基于密度泛函理论研究纳米纤维素/层状双金属氢氧化物复合材料的光热稳定性

从理论上研究了纤维素纳米纤维（CNFs）和纳米层状双金属氢氧化物（LDHs）结合的界面相互作用机制。通过密度泛函理论（DFT）计算，可以得到前线分子轨道、结合能、巴德电荷，并根据这些分析CNFs与LDHs相互作用。结果表明，结合过程中发生了电荷转移，CNFs由于具有总的负自然电荷而表现为电子受体，LDHs中金属离子是电子供体，结合能力与金属离子电负性强度成反相关。不同组分的LDHs和CNFs的结合能力由弱到强的顺序为：NiAl-LDHs相似文献   

基于阴离子交换反应的NiMn-LDH电极电容性能提升研究

采用一步水热法在泡沫镍网上原位生长镍锰基层状双氢氧化物（NiMn-LDH）纳米片阵列电极,并通过氢氧化钾溶液中浸泡的方式提升电极的容量。采用SEM、XRD、TEM和XPS等手段对浸泡前后的电极材料进行表征。结果表明,在浸泡前后NiMn-LDH电极的形貌没有变化,但在电极材料内部发生了明显的CO₃^2-和OH^-的交换反应,降低体积较大的CO₃^2-在LDH层间的分布数量,使层内空间成为OH^-的“蓄水池”,缩短了电荷存储过程中OH^-的迁移距离,因此电容性能有了明显提升。电化学测试结果表明,在5 mA/cm²电流密度下,电极的比电容从18.0 F/g增加至766.6 F/g（1.69 F/cm²）。将该电极与活性炭组装的全固态不对称超级电容器在功率密度为900 W/kg时,可呈现的能量密度为35.9 W·h/kg,并且器件的循环稳定性良好。     

LDHs功能材料在建筑领域的应用研究进展

层状双（或复合）金属氢氧化物（Layered Double Hydroxides，LDHs）是一类具有特殊结构与功能的新型层状材料，因其独特的组成结构可调变性及记忆效应等特性使其在诸多领域获得广泛的研究和应用。综述了LDHs材料的组成、结构和性质以及近年来LDHs功能材料在混凝土、涂料、保温材料及其他建材中的应用进展。讨论了LDHs材料的特点和应用机理，并分析了当前LDHs材料存在的制备成本高、制备工艺条件苛刻、剥离困难及插层组装定位取向和机理分析不够成熟、用途较单一等问题。最后对LDHs在超分子功能材料及剥离重组等方面的开发使用进行了展望。     

超薄氮硫掺杂碳包覆二硫化铁的制备及储钠性能

钠离子电池（SIBs）因元素丰度高、成本低,在大规模储能领域具有广阔的应用前景,因此探索潜在的适配钠离子电池电极材料具有重要的研究意义。其中,高容量转化型负极材料硫化铁因元素丰度高、成本低、环境友好等优点备受关注。以活性大红染料为碳源,通过溶剂除杂和高温退火过程合成了小于2 nm超薄氮、硫掺杂碳材料包裹二硫化铁（FeS₂/N,S-C）微米颗粒复合材料。三维连续的碳网络与杂原子掺杂,能够协同促进快速的电子传导,可有效缓解二硫化铁储钠过程中的体积膨胀;同时,质量分数低于4%的极低碳含量有助于提升电极和电池的质量及体积能量密度。研究结果表明,FeS₂/N,S-C电极具有较高的可逆比容量（在0.1 A/g电流密度下可逆比容量达到758 mA·h/g）和优异的倍率性能（在10 A/g电流密度下保持207 mA·h/g的可逆比容量）。该研究工作不仅提供了一种潜在的低成本钠离子电池复合负极材料的制备方法,同时探索了高效氮掺杂碳包覆的新思路。     

偏钒酸根掺杂的NiCo-LDH电极的制备及性能研究

超级电容器是近年来电化学储能器件研发的热点之一，其电极材料对其性能起决定性作用。为了合成具有优异超电容性能的NiCo基二维层状双氢氧化物(LDH)电极材料，首先通过一步水热法在泡沫镍网表面制备NiCo-LDH纳米阵列；然后在水-乙二醇体系下，通过二次溶剂热反应，制备偏钒酸根掺杂的NiCo-LDH纳米阵列；最后，通过碱转化得到性能优异的电极材料。用此电极与活性碳组装成全固态不对称超级电容器件，在电压为0～1.8 V、功率密度为9 mW/cm²时，器件的能量密度达0.416 mW·h/cm²，且具有良好的循环稳定性。     

Research progress of high-rate capacity layered double hydroxide supercapacitor materials

Layered double hydroxides （LDHs） are two-dimensional layered materials composed of positively charged metal hydroxide laminates, negatively charged anions between the layers, and water molecules, which can store and release charge through the reversible oxidation-reduction reaction between hydroxide and oxyhydroxide. LDHs have the advantages of high theoretical capacity, adjustable morphology and composition, low cost, and easy large-scale preparation, and have become the supercapacitor electrode materials with increasing attraction in recent years. To date, the rate capacities of LDHs are far from the expectation due to the low activity associated with low intrinsic activity and small active surface area, and the slow charge transport kinetics arising from the poor intrinsic conductivity to hinder electron transfer and the narrow interlayer distance to impede ion diffusion. Various strategies have developed to increase the activity, e.g., by regulating compositions, amorphizating, nanostructuring and constructing hierarchical structures, and to facilitate the charge transport kinetics, e.g., by compositing with carbon, depositing/growing on conductive substrates, expanding interlayer distance, exfoliation-self-assembly. This review starts with the structural characteristics and energy storage mechanism of LDHs, and then summarizes the strategies for improving the rate capacities of LDHs. The up-to-date progress in achieving the high-rate capacity by matching electron transfer with ion diffusion is also included, which suggests a new avenue to explore the advanced LDHs for energy storage.     

镁基水滑石催化材料的研究进展

我国盐湖镁资源丰富,合理利用镁资源制备高性能、高附加值的功能性材料,是镁资源可持续性开发与利用的重要导向标。镁基水滑石是指层板结构包含镁的二元、三元或多元水滑石,具有层板金属元素呈原子级分散、层板组成比例可调、插层阴离子可交换、结构拓扑转变以及记忆效应等结构特点,其在现代石油化工、煤化工、精细化工以及环境净化等领域具有广阔的应用前景。本文重点综述近几年基于镁基水滑石催化材料的研究进展,并总结其结构调控规律,为后续镁基水滑石催化材料的应用提供借鉴。     

Adsorption of 2,4-D on Mg/Al–NO3 layered double hydroxides with varying layer charge density

Layered double hydroxides (LDHs) have high surface area and high anion exchange capacity, so they have been proposed to be an effective scavenger for contaminants. In this study, the adsorption of 2,4-dichlorophenoxyacetate (2,4-D) on Mg/Al–NO₃ LDHs with varying layer charge density was investigated with particular attention on the effect of the orientation of the interlayer nitrate. Three Mg/Al LDHs were synthesized with Al³⁺/(Al³⁺ + Mg²⁺) molar ratios of 3.3 (LDH3), 2.6 (LDH4) and 2.1 (LDH5). The results of adsorption experiments showed that LDH5 exhibited an S-type isotherm with a low 2,4-D adsorption capacity due to the low accessibility of 2,4-D to the interlayer space. The accessibility was restricted by the small basal spacing of LDH5 as a result of the parallel orientation of the interlayer nitrate with respect to the hydroxide sheet. Thus, the 2,4-D adsorption occurred mainly on the external surface of the material. On the contrary, LDH3, which has the highest layer charge density among the samples, contains nitrate with an orientation perpendicular to the hydroxide sheet of LDH3. The interlayer nitrate was readily exchanged by 2,4-D. Thus, in addition to the adsorption on the external surface, the replacement of the interlayer nitrate by 2,4-D contributed to a higher adsorbed amount of 2,4-D; the 2,4-D adsorption of LDH3 exhibited an L-type isotherm. For LDH4 that contained interlayer nitrate with both parallel and perpendicular orientations, the adsorption characteristics were between those of LDH3 and LDH5. This work has demonstrated the dependence of 2,4-D adsorption characteristics on the nitrate orientation in LDHs, as a consequence of changing layer charge density.     

Promotional effect for SCR of NO with CO over MnOx-doped Fe3O4 nanoparticles derived from metal-organic frameworks

MnO_x-Fe₃O₄ nanomaterials were fabricated by using the innovative scheme of pyrolyzing manganese-doped iron-based metal organic framework in inert atmosphere and exhibited extraordinary performance of NO reduction by CO (CO-SCR). Multi-technology characterizations were conducted to ascertain the properties of fabricated materials (e.g., TGA, XRD, SEM, FT-IR, XPS, BET, H₂-TPR and O₂-TPD). Moreover, the interaction between reactants and catalysts was ascertained by in situ FT-IR. Experimental results demonstrated that Mn was an ideal promoter for iron oxides, resulting in decrease of crystallite size, improve reducibility property, enhance the mobility and the amount of lattice O^2- species, as well as strength the adsorption ability of active NO and CO to form multiple species (e.g., nitrate and carbonate). The unprecedented enhancement of CO-SCR activity over Mn-Fe nanomaterials follows the Eley-Rideal (E-R) and Langmuir-Hinshelwood (L-H) reaction pathway.     

氧化石墨烯膜间距对电渗析空气除湿特性影响的分子动力学研究

电渗析空气除湿技术利用高压电场为气体分子荷电,通过多孔氧化石墨烯膜实现水分子和其他带电分子,如氧气分子的分离。双层膜间距将影响到气体分子的传输特性和热力学性质,本文采用分子动力学研究了带电后的水分子和氧气分子在不同膜间距下通过膜的扩散及吸附现象。结果表明：膜层间距主要影响层间氢键形成方式,继而影响多孔氧化石墨烯膜与气体分子间吸附能,存在最佳层间距离1.25 nm,水分子渗透效果最佳,气体选择性达到最高,为1.14,较无电场时扩大了3倍。     

除盐水系统建模与物料衡算分析

新鲜水的工业除盐系统通常涉及膜分离（例如超滤、反渗透等），阴阳离子交换树脂床和储罐等。其中离子交换和膜分离单元可看作单入口双出口的半连续过程单元，具有间歇用水过程的特征。然而，尚未有关于除盐水系统的间歇水网络综合的研究报告。对除盐水系统中双出口半连续单元和水箱分别建立流量衡算、杂质质量衡算模型和储罐模型。根据不同工况下除盐水的需求量，利用GAMS软件平台对建立的数学模型进行求解，得出除盐水系统中每个储罐的容量和对应的新鲜水用量。进一步根据储罐最大容量需求，设计出满足不同工况条件下储罐容量。简化的工业案例研究验证了所提出模型的有效性。     

Component analysis and risk assessment of biogas slurry from biogas plants

Massive amounts of biogas slurry are produced due to the development of biogas plants. The pollution features and the risk of biogas slurry were fully evaluated in this work. Thirty-one biogas slurry samples were collected from sixteen different cities and five different raw materials biogas plants (e.g. cattle manure, swine manure, straw-manure mixture, kitchen waste and chicken manure). The chemical oxygen demand (COD), ammonia nitrogen (NH₄⁺ - N), anions (e.g. Cl^-,SO₄^2-, NO₃^- and PO₄^-3), antibiotics (e.g. sulphonamides, quinolones, β₂-receptor agonists, macrolides, tetracyclines and crystal violet) and heavy metals (e.g. Cu, Cd, As, Cr, Hg, Zn and Pb) contents from these biogas slurry samples were systematically investigated. On this basis, risk assessment of biogas slurry was also performed. The concentrations of COD, NH₄⁺ and PO₄^-3 in biogas slurry samples with chicken manure as raw material were significantly higher than those of other raw materials. Therefore, the biogas slurry from chicken manure raw material demonstrated the most serious eutrophication threat. The antibiotic contents in biogas slurry samples from swine manure were the highest among five raw materials, mostly sulphonamides, quinolones and tetracyclines. Biogas slurry revealed particularly serious arsenic contamination and moderate potential ecological risk. The quadratic polynomial stepwise regression model can quantitatively describe the correlation among NH₄⁺ - N, PO₄^-3 and heavy metals concentration of biogas slurry. This work demonstrated a universal potential threat from biogas slurry that can provide supporting data and theoretical basis for harmless treatment and reuse of biogas slurry.     

密度泛函理论在高电压电解液设计中的应用

基于密度泛函理论的量子化学计算为高电压电解液的配方设计提供了理论基础。运用Gaussian软件可以有效模拟电解液中某一成分的分子构型和溶剂化状态,计算出化合物的分解路径与分解产物,进而大幅缩短电解液研发周期。本文回顾了近年来该计算方法在锂离子电池电解液研究中的相关进展,并以高电压电解液为例,介绍了该理论在溶剂氧化电位计算方面的应用,结合分子模型的优化,实现了计算值与实验值的基本统一。此外,详细阐述了砜类、氟类、离子液体等几种新型高电压溶剂和磷酸酯类、硼类、腈类等几种成膜添加剂的应用。相信今后随着动力学理论的完善和计算机技术的优化,该方法在高浓度电解液、固液界面作用机理等当前难以实现的理论模拟问题方面的应用指日可待。     

离子液体在纳米材料合成中的应用

室温离子液体（ionic liquids, ILs）作为一种新型的绿色环保溶剂，由于其特殊的功能化结构及热稳定性好、挥发度低和溶解能力强等特点，目前被广泛应用于纳米材料的制备领域。本文重点介绍了离子液体在纳米材料制备中的应用及相关研究的最新进展，结合一些示例对本领域进行了概述，其中包括离子液体作为溶剂，例如作为反应介质和稳定剂；模板剂，例如利用离子液体的微结构（胶束和囊泡、液晶凝胶、乳液和微乳液）作为纳米材料合成中的模板和软模板；反应物，例如作为反应中的还原剂和反应组分；以及离子液体微乳液在纳米材料制备中的特殊用法进行了总结，并讨论了离子液体在快速发展的纳米材料制备领域中的存在挑战和机遇。     

基于介尺度稳定性条件的多相流曳力与群体平衡模型

介尺度结构和介尺度机制是化工、冶金、能源等过程工程中的重要科学问题。尽管多相流数理模型在过去的几十年中已取得长足进展，但仍存在准确性依赖可调参数、模型适用性有限、计算量大等问题，难以适应当前快速发展的新工艺和新过程开发的需求。实际上，基于平均化方法的多流体方程组需要若干子模型封闭，如相间作用力、聚并/破碎核函数以及湍流模型等；这些子模型决定了多流体模型的模拟准确性。从介科学角度发展介尺度物理模型为解决这些问题提供了新的思路。模型可以解析多相流非均匀结构演化的控制机制，进而改进或重构子模型。总结了基于介尺度稳定条件的两类介尺度封闭模型：一类用于封闭相间动量传递，如介尺度曳力；另一类用于封闭离散相特征参数的演化，如介尺度群体平衡模型，计算气泡或液滴尺寸。进而综述了这些模型在流化床、鼓泡塔、气升式环流反应器、搅拌槽、转定子乳化器等多相流设备中的应用，并展望了未来发展方向和关键科学问题。