S/N共掺杂石墨烯的制备及其电催化性能

采用一步水热法制备了S/N共掺杂石墨烯催化剂材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱、红外光谱以及X射线衍射仪(XRD)对催化剂物理形貌、组成、物相等进行了分析,并利用电化学分析方法对催化剂的电催化性能进行了研究。通过不同的物理表征证明S和N成功地掺杂入石墨烯晶格,共掺杂石墨烯具有典型的石墨烯形貌。掺杂石墨烯的高电催化活性是源于对石墨烯进行S和N的掺杂后仍然具有高比表面积及石墨烯本身所特有的一些性质。该掺杂石墨烯在0.1 mol/L的KOH溶液中对氧进行催化还原时,无论是起始电位、半波电位、还是极限电流密度,都可与商业生产的贵金属催化剂相媲美,说明S/N共掺杂石墨烯在氧还原催化活性上可被用来替代当前所使用的贵金属催化剂。     

铁/氮共掺杂石墨烯的制备及氧还原催化活性

为提高直接甲醇燃料电池(DMFC)的氧还原反应动力学,减少商用Pt/C催化剂的使用,本工作提出将铁/氮共掺杂石墨烯(Fe/NG)作为DMFC的氧还原催化剂,并研究了Fe/NG的制备方法和催化活性。首先,通过水热法处理吸附有铁离子的聚苯胺/氧化石墨烯,并分别在700℃、800℃和900℃对其进行热处理,得到Fe/NG-700、Fe/NG-800和Fe/NG-900三种催化剂。然后,采用X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对三种Fe/NG催化剂进行表征,确定了铁元素以铁单质和四氧化三铁两种形式存在,氮元素以吡啶氮和石墨氮为主。最后,在氧饱和的0. 1 mol/L KOH碱性体系中,采用循环伏安法(CV)、旋转圆盘电极(RDE)、旋转环盘电极(RRDE)研究了三种Fe/NG催化剂的ORR催化机理,证明Fe/NG-700、Fe/NG-800、Fe/NG-900催化四电子过程中,双氧水产率保持接近0。Fe/NG-700、Fe/NG-800、Fe/NG-900具有与20%Pt/C相当的催化活性和循环稳定性,更优异的抗甲醇毒化能力,是一种潜在的直接甲醇燃料电池催化剂。     

一步法合成N,S共掺杂荧光碳量子点及其检测汞离子性能（英文）

采用简单一步水热法合成了高荧光量产率(FLQY,12.6%)的N,S共掺杂碳量子点(N,S-CQDs)。该碳量子点具有小的粒径,无定型结构,独特的表面态和依赖于激发光的荧光特性。N和S的共掺杂促进了N,S-CQDs和Hg~(2+)离子之间的电子传递和协调相互作用。结果表明,该N,S共掺杂碳量子点在湖水中检测Hg~(2+)离子展现出了较高的灵敏度和选择性。因此,该碳量子点作为荧光探针在环境监测中具有很好的应用前景。     

氮掺杂再生活性炭的制备及电催化氧还原反应性能研究

为解决危废活性炭传统回收方式带来的资源浪费和环境污染等问题,本工作以抗生素脱色废活性炭为原料、氨气为氮源,采用高温热解再生法将氮元素通过sp²杂化键合进入到活性炭骨架中,制备了氮掺杂再生废活性炭氧还原反应(ORR)催化剂,分析了氮掺杂再生活性炭的物相组成、微观形貌、电化学性能。结果表明,当温度为1 000℃、退火时间为1 h时,所制备的N-RWAC-1000-1氧还原电催化性能最佳。N-RWAC-1000-1具有丰富的微孔和介孔结构,比表面积可达908 m²/g,在碱性介质中的起始电位为0.92 V(vs.RHE),半波电位为0.82 V(vs.RHE),均接近商业20%(质量分数)的铂碳催化剂。此外,氮掺杂再生炭拥有优于商业化铂碳的循环稳定性和甲醇耐受性,有望成为新的氧还原催化剂以期为抗生素脱色废活性炭的高值化利用提供了新的方向。     

等离子体制备的具有优异甲醇氧化电催化活性的Pt-Ni/N掺杂还原氧化石墨烯（英文）

贵金属铂是目前应用最广泛、最有效的催化剂之一,但其储量有限、价格昂贵、易中毒失去催化活性等缺点限制了它的应用。为了解决这些问题,研究人员提出了许多材料改进策略,如改变铂颗粒的大小和分布、控制铂的晶面、制造催化剂表面缺陷等以提高铂的利用率和催化活性。此外,铂基双金属催化剂也被证明是一种降低铂负载量非常有效的方法。基于双功能机理和电子效应,两种金属间存在协同作用,首先第二组分金属的存在可以使水在较低的电位下形成?OH中间体,从而更容易氧化和去除CO中间体。同时,电子从第二种金属转移到铂覆盖层,有效地降低了铂d带中心位置,减弱了铂与CO的相互作用,从而有效地增强了铂基双金属催化剂的抗中毒性。在常用的双金属催化剂中,PtNi催化剂因其成本低、催化活性高、稳定性好而受到广泛关注。此外,石墨烯作为一种独特的二维材料,由于其独特的电学性质、大的比表面积、良好的物理化学稳定性,是作为催化剂载体的理想材料。氮掺杂石墨烯是获得更好催化剂性能的有效途径。氮掺杂石墨烯可以有效改善材料的电子特性,并为催化剂颗粒的均匀分散提供更多锚定位点。更重要的是,氮掺杂石墨烯由于氮的引入增加了电子密度,从而加强了金属和载体之...     

硼氮双掺杂提升碳点电催化氧还原活性研究（英文）

碳点(CDs)因其较大的比表面积和较快的电子转移特性,已成为能量转换应用领域一种新兴的纳米炭材料。本文以低成本的石油焦为原料,通过简便的一步电化学刻蚀方法制备了硼氮双掺杂碳点(BN-CDs)。与单掺杂碳点B-CDs和N-CDs相比,双掺杂BN-CDs表现出更优异的四电子氧还原电催化活性,具有更正的起始电位(Eonset=0.958 V)和大的扩散极限电流密度(j D=-4.32 mA cm~(-2)),且长期稳定性和甲醇耐受性优于商用Pt/C催化剂。密度泛函理论计算(DFT)研究表明,B、N双掺杂的协同效应促进了O_2分子的吸附,有助于提高碳点的电催化活性。本研究为纳米炭材料的设计及其在能量转换领域的应用提供了新的思路。     

钴,氮共掺杂多孔炭用于高性能氧还原电催化剂

钴和氮共掺杂炭催化剂(Co-NC),由于成本低廉和资源丰富而备受关注,但其低的氧还原反应(ORR)活性和对氧气的双电子(2e-)还原生成H2O2的高选择性,进一步影响了其在燃料电池中的应用.因此,Co-NC催化剂是通过在650、750和850℃下热解CoCl2和壳聚糖的混合物(用ZnCl2预处理),然后用HNO3洗涤并...     

采用两步炭化法和熔盐模板法制备N、S共掺杂煤基硬炭及共储钠性能（英文）

硬炭因资源丰富、结构稳定及安全性高等优势,已成为钠离子电池常用阳极材料。其中,煤基衍生硬炭受到了广泛的关注。本工作以长焰煤为碳源,硫脲为氮硫源,NaCl为模板,通过两步炭化工艺和杂原子掺杂相结合的方法合成了N和S共掺杂的煤基硬炭(NSPC1200)。两步炭化过程在调节碳微晶结构和扩大层间距方面发挥了重要的作用。N和S的共掺杂调节了炭材料的电子结构,赋予其更多的活性位点;此外,引入NaCl作为模板有助于孔结构的构建,有利于电极和电解质之间的接触,从而实现Na⁺和电子的有效传输。在协同作用下,样品NSPC1200表现出优异的储钠能力,在20 mAg^-1电流密度下呈现314.2 mAhg^-1的可逆容量。即使在100 mAg^-1下循环200次,仍保持224.4 mAhg^-1的比容量。这项工作成功实现了策略性调整煤基炭材料微观结构的目标,最终获得了具有优异的电化学性能的硬炭阳极。     

Mo/S共掺杂的石墨烯用于合成氨:密度泛函理论研究（英文）

工业界普遍采用Haber-Bosch方法在高温(400～600℃)和高压(150～300 atm, 1 atm=0.101325 MPa)条件下催化氮气裂解和加氢而合成氨气(NH₃),这不仅消耗大量能源,也给环境造成很大污染。为改变这种状况,探索常温常压条件下合成NH3的全新途径已成为研究热点。电催化还原N₂合成NH₃是尚待探索的重点方向之一。本研究利用密度泛函理论计算,探讨了过渡金属元素(如Fe, Nb, Mo, W, Ru)和非金属元素(如B, P, S)共掺杂石墨烯作为该方向催化剂的可行性。结果表明, Mo和S(Mo/S)共掺杂石墨烯在NH₃合成中具有极低的电极电势(仅为0.47 V),其速率控制步骤涉及的中间产物为*NNH。NH₃合成电势比析氢反应的电势(0.51 V)低,说明N₂还原制备NH₃具有选择性。经从头算的分子动力学计算验证,Mo/S共掺杂石墨烯体系在室温下具有良好的热力学稳定性。电子结构分析进一步揭示,过渡金属电子...     

纳米CaCO_3模板法合成石油沥青基多孔类石墨烯炭材料（英文）

利用纳米CaCO_3模板耦合原位KOH活化方法合成出超级电容器用多孔类石墨烯炭材料(PGCMs)。采用透射电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱和N_2吸脱附技术对PGCMs进行了表征。结果表明,PGCMs的比表面积为1 542～2 305 m~2 g~(-1),其取决于模板、KOH/沥青的比例和活化温度。当模板/沥青比为1.5、KOH/沥青比为1.5,在850℃恒温1 h所得PGCM的超电容性能最佳。同时,PGCMs具有相互连接的类石墨烯炭层和丰富的分级短孔。在6 M KOH电解液中,0.05A g~(-1)电流密度下,超级电容器用PGCMs电极的比容高达293 F g~(-1);在20 A g~(-1)电流密度下,其电容保持为231 F g~(-1),显示了良好的倍率性能;经7 000次循环充放电后,其电容保持率为97.4%,展现了优异的循环稳定性。此外,在BMIMPF_6离子液体电解液中,0.05 A g~(-1)电流密度下,PGCMs电极的比容高达267 F g~(-1)。PGCMs超级电容器的能量密度达148.3 Wh kg~(-1),其相应的平均功率密度为204.2 W kg~(-1)。本工作为利用廉价的纳米CaCO_3模板合成高性能超级电容器用石油沥青基多孔类石墨烯炭材料提供了一种可行的方法。     

氮掺杂石墨烯墨水的制备及理化特性（英文）

氮掺杂石墨烯墨水浓度低、缺陷多、易发生团聚,制约了功能器件的发展。本文利用化学氧化还原法与溶剂热法制备出氮掺杂含量为8． 58 at%、电导率为257． 2 S·m~（-1 ）的石墨烯。通过添加不同比例的表面活性剂SLS、SDS、SDBS,使得所制墨水Zeta 电位为－ 50 ～ － 90 mV,分散稳定性良好。最后,利用氮掺杂石墨烯墨水打印出线宽约为250 μm 的直线,线条内部氮掺杂石墨烯分布均匀、成膜性好,为功能器件的制备奠定了基础。     

低温CVD法制备石墨烯的研究进展（英文）

石墨烯是一种由sp~2杂化碳原子组成的二维碳纳米材料。由于其特殊的性质,在世界范围内引起了广泛的关注和研究。化学气相沉积法(CVD)是制备石墨烯最有效、最常用的方法。然而,传统的CVD石墨烯生长温度非常高(1 000℃),这不仅使得石墨烯制备成本高,而且限制了其在某些领域的应用。因此,低温下石墨烯的合成是目前研究者关注的焦点。前驱体类型(气态、液态、固态)和衬底类型(过渡金属、合金、介质衬底)是影响石墨烯合成温度的重要因素。本文将从以上几个方面对低温条件下CVD合成石墨烯的研究结果进行综述。     

氮掺杂稻壳基多孔炭的制备及其氧气还原反应的电催化性能（英文）

本文发展了一种氮掺杂稻壳基多孔炭(N-RHPC)的制备方法,即将RHPC在氨气氛围下进行高温处理,操作简单,有利于大规模制备。结果表明,N-RHPC的介孔体积、石墨化程度明显提高,XPS N 1s谱证实了N原子在RHPC结构上的有效掺杂。N-RHPC作为ORR电催化剂具有与商用Pt/C接近的电催化活性,并具有较好的稳定性以及耐甲醇毒性,这主要是由于氨气氛围下对RHPC的高温处理使N原子进入RHPC中而引入了大量的催化位点所致。N-RHPC制备方法简单,性价比高,作为电催化剂具有很好的应用前景。     

氮掺杂石墨烯@碳纳米纤维的原位制备及其电催化氧还原性能

结合静电纺丝和热处理技术, 在含钴碳纳米纤维上原位生长了氮掺杂石墨烯, 制备了三维互通纤维网结构。研究了钴含量对产物氧还原活性的影响。结果表明: 氮掺杂石墨烯的生成和钴的引入均显著提高了电催化活性。纺丝液中六水合硝酸钴与聚丙烯腈的质量比为1: 10时, 获得的催化剂活性最优, 起始电势为0.84 V(vs RHE), 反应为近四电子路径, 具有比铂碳更好的稳定性和耐甲醇毒化能力。三维互通结构促进了电子和质子传输, 并能提供更多的活性位点, 提高电催化活性。这种方法也可用于设计其它三维互通的纤维复合物, 在能源与环境领域具有更广泛的应用前景。     

氮掺杂氧化石墨烯的制备及其氧还原催化性能研究

以腺嘌呤为掺杂氮源,以均苯三酸为辅助碳源,采用水热法对多层氧化石墨烯进行氮掺杂,在惰性气氛下煅烧得到氮掺杂氧化石墨烯(NGO),重点研究了腺嘌呤用量对产物的氧还原催化性能的影响。利用上海辰华电化学工作站,采用线性扫描伏安法对其氧还原催化性能进行测试分析,并利用Koutecky-Levich方程对其氧还原电子转移数进行计算。结果表明,以腺嘌呤作为氮源能够大幅度地提高氧化石墨烯的催化性能,当腺嘌呤用量为6 mmol时,所制得的氮掺杂氧化石墨烯NGO-3的催化性能最好,催化氧气还原以4e~-途径进行。     

生物质衍生石墨烯和类石墨烯炭用于能源储存与转换的研究进展（英文）

石墨烯和类石墨烯炭材料(G炭)具有高比表面积、优异的导电性和导热性等性质,很多原料可以被用来制备石墨烯和类石墨烯炭材料。该文介绍了近年来多种自然资源作为碳前体合成高质量G炭的方法,包括高温处理、基底上生长、模板辅助合成、无模板的自生催化、g-C_3N_4衍生、等离子体辅助合成、激光诱导等,分析了生物质合成石墨烯量子点的特点,讨论了G炭在电化学储存与转化、灵敏传感器等领域中的应用。这篇综述将有助于研究人员理解生物质高效利用并制备G炭,有利于大规模工业化生产的研究。     

炭负载铁系元素催化剂在氧还原反应中的应用研究进展（英文）

金属-空气电池作为新兴的能源装置受到了人们的关注。氧还原反应(ORR)是金属-空气电池的关键电化学过程。由于氧还原反应缓慢的动力学速率和铂基ORR催化剂高昂的价格严重阻碍了金属-空气电池的规模化应用。铁系元素不但地球储量丰富而且具有多样的杂化轨道,将铁系元素引入到炭骨架中可以实现与铂相近的催化性能,非常有希望取代铂基催化剂成为商用ORR催化剂。本文根据活性位点的分类,对铁系元素基炭催化剂在ORR中的应用进行了综述,并系统总结了各中活性位点在ORR过程中的作用机理。本文在系统论述炭负载铁系元素催化剂结构和性能间构效关系的基础上,充分认识铁系元素在ORR中的作用,为今后设计具有高效ORR催化性能的廉价催化剂提供技术支撑和理论指导。     

铁氮共掺杂介孔碳材料的简易制备及其氧还原反应催化性能

氧还原反应(ORR)是燃料电池阴极重要的电化学反应过程,其自发反应进程缓慢,对氧还原反应起高效催化作用的催化剂面临价格昂贵、合成流程复杂、污染环境等问题,因此探索合成简单、环境友好的氧还原催化剂制备方法具有重要意义。铁氮共掺杂介孔碳材料(Fe-N/MC)是一种有巨大应用价值的非贵金属氧还原反应催化剂。本工作通过在马弗炉中的半封闭体系内高温碳化小分子前驱体得到介孔碳材料(MC_M),再把获得的MC_M与铁盐混合在管式炉中高温处理制备得到铁氮共掺杂介孔碳材料(Fe-N/MC_MT)。该方法热解条件简单,无需模板剂和NH₃、HF等有毒物质。由于MC_M含有较高的氮和氧元素,有利于提升介孔碳材料表面的亲水性和配位能力,通过MC_M和铁盐制备出的Fe-N/MC_MT含有丰富的、催化ORR的Fe-N_x活性位点,其起始电位和半波电位分别为0.941和0.831 V(vs RHE),比商业化Pt/C催化剂的起始电位和半波电位分别正34和16...     

熔盐法制备氮掺杂多孔炭及其催化脱硫性能（英文）

采用熔融盐合成技术,以生物质葡萄糖和富氮三聚氰胺为前驱体,成功制备得到具有发达孔隙结构(BET表面积:1355 m~2/g)和极高氮掺杂量(20.73wt%)的氮掺杂多孔炭材料。X射线光电子能谱(XPS)分析表明,多孔炭材料中的氮原子主要以吡咯及吡啶构型存在,这两种形态的氮原子有利于硫化氢的吸附及催化氧化。在常温、常压下,所制备氮掺杂多孔炭对硫化氢非金属催化转化为单质硫的脱除硫容高达1.10 g/g。该合成方法简便易行,有望实现氮掺杂多孔炭材料的批量和廉价制备,合成的氮掺杂多孔炭在污染物控制领域应用潜能巨大。