甲醇双氧水单腔体燃料电池II.不同阴极催化剂下的电池性能研究

分别以MnO₂和合成普鲁士蓝(PB/XC-72R)作为催化剂时，考察其对甲醇和双氧水的催化性能，发现两者均可以实现对双氧水的选择性催化。以开发的Z-NiPt为阳极催化剂，以MnO₂与PB/XC-72R为阴极催化剂，组成甲醇双氧水单腔体电池，并测试电池的性能。结果表明：以PB/XC-72R为阴极的单腔体燃料电池的最大功率可达9.1 mW。该研究验证了甲醇单腔体新型燃料电池的可行性，为后续甲醇双氧水单腔体燃料电池开发奠定了基础。     

生物质焦油衍生氮掺杂多孔碳负载Co3O4纳米晶的制备及双功能氧反应催化

以生物质焦油活化多级孔碳为骨架，通过一步水热合成同时实现氮掺杂和Co₃O₄纳米粒子负载，获得Co₃O₄@N/C复合催化剂。对比研究结果表明，凭借复合材料中活性Co₃O₄和N掺杂结构之间的协同效应，Co₃O₄@N/C复合催化剂对氧还原（ORR）和析氧反应（OER）均表现出较高的催化活性，ORR和OER启动电位电势差ΔE为0.99V；其中，ORR极限扩散电流密度为-5.10mA/cm²，与贵金属Pt/C相当。此外，Co₃O₄@N/C具有优异的氧还原稳定性，在经3000次循环伏安法扫描后，Co₃O₄@N/C的极限扩散电流密度仍能保持89.9%。这一生物质焦油衍生碳所构筑的N掺杂多孔碳负载Co₃O₄纳米晶复合材料在燃料电池和金属空气电池等领域具有巨大的应用潜力。     

MoO3/石墨烯/碳纳米管复合阴极在MFCs中的应用

采用简单的水热合成法制备了氧化钼（MoO₃）/石墨烯（GNS）/碳纳米管（CNT）复合材料。用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）表征了材料的形貌和结构。用循环伏安（CV）和线性扫描（LSV）测试了材料的氧还原催化性能,结果发现,复合材料的氧还原电流和起始电位均大大优于单一的MoO₃,表现出较好的催化性能。含有3 mg·cm^-2 MoO₃/GNS/CNT复合材料作为阴极催化剂的MFC最大功率密度为510 mW·m^-2,达到商业铂碳的83%。因此,廉价的MoO₃/GNS/CNT复合材料作为MFC阴极氧还原催化剂具有巨大的应用潜力。     

微生物燃料电池MnO2/S-AC泡沫镍空气阴极的制备及其性能

利用超级电容器活性炭(S-AC)直接还原KMnO₄制备出复合比例分别为1:3、1:1和3:1的MnO₂/S-AC复合催化剂, 进而负载于泡沫镍上制得MnO₂/S-AC泡沫镍空气阴极。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能量散射X 射线谱(EDX)和比表面积(BET)及孔分布测试对所制复合催化剂表征可知, 随复合比例的增加, 在S-AC表面的MnO₂由纳米薄片聚集成粒径为300～500 nm的颗粒, MnO₂/S-AC的内部及外部表面积都有所减少。基于线性扫描伏安曲线、功率密度曲线和极化曲线分析微生物燃料电池(MFC)的阴极性能和产电性能。复合比例为1:3时, MFC最大功率密度达到321.2 mW·m^-2, 比阴极负载S-AC时提高了约20%, 这与其较高的比表面积和MnO₂良好的催化活性相关。MnO₂/S-AC复合催化剂控制在一定的质量比时, 可以有效提高阴极性能及MFC的产电效果, 有助于空气阴极MFC的的放大和工程应用。     

锰氧化物的合成及在锂离子电池中的应用进展

能源是限制人类发展的重要因素,近年来随着新能源的发展,人们对于储能设备的要求也越来越高,其中,锂离子电池被认为是最具有发展前途的储能设备之一。目前,商用锂离子电池的负极材料以石墨为主,石墨虽然具有良好的导电性,但理论容量较低,已逐渐无法满足高能设备的大容量需求。过渡金属锰氧化物由于储量丰富、氧化形态多样、结构多元、理论比容量高、环境友好等特点,被认为是锂离子电池理想的替代负极材料之一。本文详细介绍了近年来4种锰氧化物（MnO、Mn₂O₃、Mn₃O₄和MnO₂）分别在纳米化和复合结构构筑两方面的材料设计及合成,总结比较了4种锰氧化物用作锂离子电池负极材料的性能,展望了锰氧化物在锂离子电池负极材料领域的发展前景和方向。     

铜锰氧化物催化低浓度甲醛动力学模型研究

选取典型空气净化材料铜锰氧化物(CuO/MnO₂)，参照ASHRAE标准搭建了测试实验系统，探究其去除低浓度甲醛的性能。并利用红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等方法对反应前后催化剂的理化性质及结构进行了表征。实验结果表明：CuO/MnO₂催化剂在室内典型环境[25℃，相对湿度(RH)为50%]下，对室内甲醛典型浓度水平[(0.3～1.0)×10^-6]的去除效率达到80%。CuO/MnO₂去除室内甲醛的效率受浓度、温度的影响显著，其中，反应温度对甲醛分解率的影响最大，温度越高，甲醛分解率越高。室温下在较长的一段时间内(20 h)，铜锰催化剂对室内甲醛典型浓度水平的去除效率能达60%，稳定性较好。挥发性有机化合物完全催化氧化机理Mars-van Krevelen(MVK)模型可以较好地描述铜锰催化剂催化氧化甲醛的反应过程。以上表明，CuO/MnO₂催化剂稳定性较好，再加上可再生的性质，该催化剂在室内等常温低浓度环境下的甲醛...     

新型Na/CFx可充电池催化剂的制备与性能

类似于锂/氟化碳（Li/CF_x）电池，钠/氟化碳（Na/CF_x）电池具有低廉的价格和较高的能量密度，是未来锂离子电池的理想替代选项。但是Na/CF_x电池目前还存在着极化大和循环性能差等问题。为解决以上问题，在CF_x阴极中加入催化剂成为改善电池电化学性能的一个重要途径。分别采用水热法和溶胶-凝胶法制备了催化剂材料Co₃O₄-TiO₂和ZrO₂，并对其进行了表征。分别将TiO₂、Co₃O₄、Co₃O₄-TiO₂以及ZrO₂ 4种催化剂材料按10%（质量比，下同）加入CF_x正极中并组装成电池，然后对电池进行了恒流充放电、交流阻抗以及循环伏安等电化学性能测试。实验结果表明，加入4种催化剂后，Na/CF_x电池的放电比容量得到明显提升。其中，ZrO₂催化剂表现出最佳的催化性能。经过100次后循环后，含有ZrO₂的Na/CF_x电池的放电比容量为167.3 mAh·g^-1，极大地改善了钠/氟化碳电池的循环性能。     

高导电三明治状MnO2/CNTs/MnO2介孔材料的制备及其赝电容性能

MnO₂具有低成本、无毒性、高天然丰度和优异的理论比电容等优点,被认为是一种极具前景的超级电容器(SC)电极材料。赝电容电极材料MnO₂仍然存在导电性差以及充放电过程中易剥落的问题。本文利用恒电流沉积的方法在硝酸预氧化处理的碳纸表面制备了一种MnO₂/CNTs/MnO₂复合电极材料。X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和氮吸附测试证明,所制备的复合材料具有一种三明治状的夹层结构,同时富含5 nm左右的介孔,介孔结构能够保证电解液离子的高效传输。采用三维立体的碳纸能够为MnO₂提供丰富的附着位点,而电沉积法合成的α-MnO₂生长在有效的导电位点上,具有蓬松多孔的形貌,在MnO₂发生膨胀/收缩过程中,这种海绵状形貌可以有效降低材料受到的膨胀应力。中间层碳纳米管(CNTs)相互搭接于内外两层MnO₂之间,作为一种导电中继,提高了复合材料的导电性。该复合材料具有优异的电化学性能：在0.1 A·g^-1的电流密度下,能够获得428.8 F·g^-1的可逆比电容,并在5 A·g^-1的高电流密度下仍能具有80%的电容保持率。同时,电极表现出优异的循环稳定性,在1 A·g^-1循环6000次之后比电容仅衰减5%。     

MnO2/NaY复合材料的制备及其对SO2脱除性能

以NaY分子筛为载体，MnO₂为活性组分，采用沉淀法制备MnO₂/NaY复合脱硫材料；通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、氮气吸附脱附法（N₂-吸附脱附）、X射线光电子能谱（XPS）、热重分析（TG）等手段进行材料的物理化学结构表征；使用容量法装置测试复合材料的脱硫性能；考察MnO₂不同负载量及不同反应温度对MnO₂/NaY复合材料脱硫性能的影响。结果表明：MnO₂/NaY复合材料的孔容越大，其脱硫性能越好；多孔珊瑚状MnO₂脱硫性能优于棒状MnO₂；随着MnO₂负载量及反应温度的增加，MnO₂/NaY的脱硫性能先增加后降低，MnO₂/NaY-41%在400℃时的脱硫性能最好，第1h脱硫量达到114.56mg {{}_{\mathrm{S}\mathrm{O}}}_{{}_2} /g_材料；500℃时复合材料脱硫性能下降，是由于脱硫反应过程中MnO₂分解生成Mn₃O₄；MnO₂/NaY比纯MnO₂拥有更好的脱硫性能，反应温度为300℃和400℃时，MnO₂/NaY-41%较纯MnO₂的第1h脱硫量分别提高28.3%和56.1%。MnO₂/NaY-41%复合材料在中低温下的高效脱硫性能有望应用于船舶尾气的深度脱硫。     

NaOH改性MnO2/γ-Al2O3催化尿素醇解合成碳酸丙烯酯

采用超声浸渍法制备了MnO₂/γ-Al₂O₃催化剂,并用碱和盐对其进行了改性.采用X射线衍射仪(XRD)、CO₂-TPD对改性后的MnO₂/γ-Al₂O₃催化剂进行了表征,研究了改性后催化剂在尿素醇解合成碳酸丙烯酯(PC)反应中的催化性能.研究结果表明,NaOH改性MnO₂/γ-Al₂O₃催化剂具有最好的催化性能;同时催化剂的焙烧时间、焙烧温度以及NaOH改性量影响催化剂表面碱性活性中心的数量和强度,其中中强碱的增加是改性后催化剂活性提高的主要原因.在NaOH用量为MnO₂质量的10%,400℃焙烧2h后,改性MnO₂/γ-Al₂O₃催化剂表面的中强碱量最大,催化活性最高,PC收率与选择性分别达86.9%、91.8%.     

不同水热条件下MnO_2的制备及其催化炭烟颗粒燃烧性能

采用简单的水热法,通过控制不同锰源、酸碱性及水热温度等条件制备一系列MnO_2催化剂,利用SEM、XRD、N_2吸附-脱附和H_2-TPR等对MnO_2催化剂的物化性能进行表征,考察MnO_2催化剂催化炭烟颗粒燃烧的性能。结果表明,制备的纳米棒状MnO_2催化剂均具有良好的催化燃烧炭烟活性,在水热温度120℃、锰源为硝酸锰和酸性条件下,制备的MnO_2催化剂具有最佳催化燃烧炭烟颗粒的性能。     

Three-dimensional strutted graphene loading manganese oxide for supercapacitor

Graphene has shown superiority for advanced carbon electrodes in supercapacitors, characterized by high power density but limited energy density. Combining pseudocapacitive materials with graphene can alleviate the problem. This work synthesized the three-dimensional strutted graphene (SG) via the ammonium-salt-assisted sugar-blowing method, and the self-supporting MnO₂/SG porous monolith was then constructed via growing manganese oxide (MnO₂) nanorod array on the SG support in hydrothermal process. When tested in supercapacitor, the MnO₂/SG hybrid electrode achieved a high specific capacitance of 343.6 F·g^-1 at a current density of 0.5 A·g^-1, exhibiting excellent cycling stability with 83.8% capacitance retention after 5000 cycles. The symmetric supercapacitor further showed a high energy density of 11.93 W·h·kg^-1 at a power density of 500 W·kg^-1. The impressive result indicates a promising prospect of the excellent MnO₂/SG hybrid to be applied to electrochemical energy storage.     

三维筋撑石墨烯负载氧化锰的超级电容器

石墨烯基超级电容器，其功率密度较高，但能量密度受限。开发以三维石墨烯材料为载体的复合型赝电容多孔电极，是解决方案之一。本文采用铵盐辅助化学发泡法，制备了三维筋撑石墨烯泡沫体（SG）；以SG为载体，采用水热还原法在其表面生长二氧化锰（MnO₂）纳米棒阵列，从而构建了MnO₂/SG自支撑多孔材料。利用MnO₂/SG复合电极，组装了超级电容器，在0.5 A·g^-1的电流密度下，比电容达343.6 F·g^-1；经5000次循环，其容量保持率为83.8%；在500 W·kg^-1的功率密度下，其能量密度达11.93 W·h·kg^-1。因此，MnO₂/SG复合电极是一种性能优异的赝电容材料，在电化学储能领域有良好的应用前景。     

Ti/MnO2电极制备及对甲醇催化氧化

钛基二氧化锰涂层电极（Ti/MnO₂）被认为是一种有发展前途的阳极材料。本文采用电沉积方法制备了Ti/MnO₂催化电极,并用SEM对电极涂层进行了表征,利用循环伏安、阳极极化和塔菲尔图等电化学方法测试Ti/MnO₂电极的性能,以制备的Ti/MnO₂电极对甲醇进行电催化氧化,探究了电流大小、甲醇浓度、电解时间对甲醇电解率的影响。结果表明：Ti/MnO₂催化电极晶粒分布均匀,裂缝少,能够很好的覆盖钛基体,当电流强度控制在1mA,电解液浓度为0.4mg/mL,电解时间50min时,电极对甲醇的催化氧化活性最高,电解率达85.16%。     

中空硫球-MoS2/rGO材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池凭借高理论能量密度和高理论比容量的优势成为极具发展前景的储能设备。然而,单质硫和硫化锂的绝缘性、放电过程中产生的体积膨胀及多硫化物溶解导致的“穿梭效应”等问题,限制其商业化发展。为解决上述问题,采用低温液相法合成中空硫球（HS）,通过水热法制备纳米花状MoS₂/还原氧化石墨烯（MoS₂/rGO）,随后将MoS₂/rGO包覆在HS表面获得HS-MoS₂/rGO复合正极材料。利用XRD、SEM、TEM、XPS等对该材料的晶体结构、形貌等性质进行表征,采用循环伏安法、交流阻抗法以及恒流充放电对复合正极进行电化学测试。研究表明,MoS₂/rGO对多硫化物具有强吸附能力和高催化活性,能够有效限制多硫化物的穿梭;同时硫球的中空结构能够缓解体积膨胀,保持正极结构稳定。HS-MoS₂/rGO正极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。     

中空硫球-MoS2/rGO材料的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池凭借高理论能量密度和高理论比容量的优势成为极具发展前景的储能设备。然而,单质硫和硫化锂的绝缘性、放电过程中产生的体积膨胀及多硫化物溶解导致的“穿梭效应”等问题,限制其商业化发展。为解决上述问题,采用低温液相法合成中空硫球（HS）,通过水热法制备纳米花状MoS₂/还原氧化石墨烯（MoS₂/rGO）,随后将MoS₂/rGO包覆在HS表面获得HS-MoS₂/rGO复合正极材料。利用XRD、SEM、TEM、XPS等对该材料的晶体结构、形貌等性质进行表征,采用循环伏安法、交流阻抗法以及恒流充放电对复合正极进行电化学测试。研究表明,MoS₂/rGO对多硫化物具有强吸附能力和高催化活性,能够有效限制多硫化物的穿梭;同时硫球的中空结构能够缓解体积膨胀,保持正极结构稳定。HS-MoS₂/rGO正极展现出优异的倍率性能和循环稳定性。     

CO2 utilization as an oxidant in the dehydrogenation of ethylbenzene to styrene over MnO2-ZrO2 catalysts

MnO₂-ZrO₂ binary oxide catalytic system was applied for the effective utilization of CO₂ as an oxidant in the ethylbenzene dehydrogenation (EBD) to styrene monomer (SM). MnO₂-ZrO₂ oxides were prepared by co-precipitation method and characterized as solid solution mixture having surface area more than 100² g⁻¹. 10% MnO₂-ZrO₂ mixed oxide catalyst exhibited conversion of 73% with the selectivity of 98% at 650 °C. The MnO₂-ZrO₂ binary oxides were X-ray amorphous whereas the individual oxides (MnO₂ and ZrO₂) having much lower surface areas were crystalline in nature. As a result, MnO₂-ZrO₂ binary oxides exhibited greatly elevated catalytic activity for the conversion of ethylbenzene (EB) than those of individual oxides in the presence of CO₂. However, in the absence of CO₂ poor catalytic activity and stabilities were observed. Gradual enhancement of activities were demonstrated in the higher CO₂ to EB ratios. Hence, CO₂ had a profound role as a soft oxidant by improving both activity and stability in the EBD over MnO₂-ZrO₂ mixed oxide catalysts.