采用柠檬酸-甘氨酸燃烧法合成了B位Ga元素掺杂的Sr₂Fe_1.5Mo_0.-xGa_xO_6-δ (SFMGx, x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)阴极材料,研究了Ga掺杂对材料晶体结构、电导率和电化学性能的影响。实验结果表明,Ga掺杂导致SFM晶格收缩,有效提高了电导率,掺杂后,氧空位浓度显著增加,导致氧还原反应催化活性增强。所有样品中SFMG0.3的极化阻抗值最小,在600 ℃时为0.624 Ω cm²,比SFM减小了80.57%,表现出最佳电化学性能。以上结果表明,在SFM中掺杂Ga可以显著提高其电化学性能。

在溶胶-凝胶法的基础上利用两种不同的方法制备了二氧化钛(TiO₂)颗粒,甲基橙降解实验表明两步乙醇法制备的TiO₂颗粒的催化降解性能优于一步法制备的TiO₂;通过扫描电子显微镜(SEM)对TiO₂的表面形貌进行了表征,并利用X射线衍射(XRD)以及钙钛矿光电器件性能的表征可知一步法制备的TiO₂颗粒主要呈现出锐钛矿相,在空气的环境下将其应用于钙钛矿太阳能电池中,电池的光电转化效率(PCE)达到12.7%,而两步法制备的TiO₂颗粒出现了锐钛矿、金红石两种衍射峰,混晶形式使得钙钛矿电池的PCE下降至9.4%,因此可得出一步法制备的TiO₂作为电子传输层时可以提高钙钛矿太阳能电池的性能。

采用电化学技术和镁空气电池放电测试系统地研究了Mg-xSr(x=0.2%,0.5%,1%,2%和4%)(质量分数)5种合金作为镁空气电池阳极材料的耐蚀性及放电性能。结果表明,在镁合金中添加适量的Sr元素时,可以有效的增强合金的耐蚀性和电化学活性。在所研究的阳极里,Mg-2Sr阳极在所有电流密度下都具有最高且相对稳定的放电电压且表现出最好的放电性能,在40 mA/cm²下具有最高的阳极效率,为68%。随着Sr含量的进一步增加,过量的第二相加速了自腐蚀,合金的耐蚀性和放电性能下降。

水系锌离子电池(AZIBs)因锌的氧化还原电位低、能量密度高而有巨大的应用前景,其中储存Zn²⁺的宿主正极决定了电池的放电性能和循环稳定性。以含有3个羧基的次氮基三乙酸(Nitrilotriacetic acid, NTA)为配体,通过简单的调整Mn²⁺: NTA的比例,制备了3种一维纳米线结构聚合物,并经煅烧处理中得到了3种氮掺杂碳纳米线负载不同粒径MnO材料MnO/NC-x。其中Mn²⁺∶NTA比例为0.5时制备的MnO/NC-0.5中MnO粒径最小,且均匀的分散于纳米线表面。该材料作为AZIBs正极展现了卓越的离子扩散性和导电性等动力学特征。在2 A/g的高电流密度下该材料显示出158 mAh/g的倍率性能,并在1 A/g的条件下经历1 000个循环后仍有96%的容量保持率,表现出卓越的循环稳定性。

高镍三元正极材料具有能量密度大,电压平台高,无记忆效应等优势,受到研究者们的广泛关注。但受限于其循环稳定性差,阳离子混排,热稳定性差等缺陷,高镍三元正极仍需进行广泛深入的研究。围绕高镍三元正极材料的不足,概括了近年来离子掺杂、表面包覆、共改性、浓度梯度、电解质改性和结构调控等改性策略的最新进展,并对未来的研究方向进行了探讨与展望。

Ruddlesden-Popper(RP)型钙钛矿氧化物具有独特的理化性质,被认为是一种极具潜力的固体氧化物燃料电池(SOFCs)阳极材料,但是多数现有RP型钙钛矿存在不耐还原、催化氧化活性或稳定性不足等问题。在简要介绍RP型氧化物的基础上,总结出其结构可调和性质特异的内在机理,基于材料微观结构的维度、离子取代位点、制备工艺特性等系统地介绍了近年其作为SOFCs阳极的研究进展,并对制备RP型材料使用的相转变法及提升催化活性的原位析出进行了梳理与探讨,重点分析了RP型钙钛矿氧化物用于SOFCs阳极的设计理念和目前仍然存在的问题。最后指出利用异价离子取代、理论实践结合、充分利用氧非计量比是开发耐还原且具有高催化活性和稳定性的新型RP阳极的重要策略。

提出了一种利用锗和铟在镁中的固溶度差异调控Mg-1Ge-1In合金显微组织的策略。经过均匀化退火处理,合金中的Mg₂Ge相呈现出连续的网络状结构。Mg-1Ge-1In合金展现出优异的阳极放电性能,包括低至2.48 mm/y的腐蚀速率、在1 mA/cm²放电电流下达-1.70 V的放电电压,以及在10 mA/cm²放电1 h后高达59.49%的阳极利用率。此外,在5 mA/cm²的放电条件下,Mg-1Ge-1In合金能维持稳定电压,表面呈现层状剥落现象;但当放电电流增至10 mA/cm²时,其放电电压减小且放电稳定性降低。Mg-1Ge-1In合金的放电活化机理基于Mg₂Ge相的电偶效应与In原子的氧化-还原循环,放电活性位点正是源于Mg₂Ge相与镁基体间的连续网状界面,而In元素的加入则进一步增强了镁基体表面的活化,两者协同作用,确保了放电反应的稳定持续进行。

镁是众多固态储氢材料中一类深受关注的材料,具有很高的储氢容量(7.6%(质量分数))和可逆吸放氢等优点。但是Mg吸放氢所需温度高,放氢动力学缓慢等影响了其实用性。采用熔盐刻蚀法以n(Mg)∶n(MXene)=10∶1的比例制备了两种不同类型的MXene(Nb₂CCl_x和Ti₂CCl_x),并研究不同种类MXene的添加对金属Mg的微观结构和吸放氢性能的影响。结果表明,材料的相组成未发生改变,但球磨后材料的颗粒尺寸进一步减小,增大了其比表面积。Nb₂CCl_x和Ti₂CCl_x的引入则使Mg的性能得到明显提升,可以有效提高材料的吸放氢速率,Mg@Nb₂CCl_x在200 s内就可以放出5.0%(质量分数)的氢气,Mg@Ti₂CCl_x在250 s内也可以放出5.3%(质量分数)的氢气。同时也可以降低材料的初始吸放氢温度,10%(质量分数) Nb₂CCl_x使纯Mg的初始吸氢和放氢温度分别降低了125 ℃和175 ℃,10%(质量分数) Ti₂CCl_x则使纯Mg的初始吸氢和放氢温度分别降低了100和125 ℃。根据Chou模型进行吸放氢动力学拟合的结果表明,MXene的加入使Mg的控速步骤由表面渗透控制向扩散控制转变,从而提高了Mg的吸放氢动力学性能。

为解决MnO₂材料在水系锌离子电池(ZIBs)中存在的导电性差、材料利用率低等问题,以农业废弃物椰壳为原料,将低成本、来源丰富、绿色可再生的生物质资源引入到电极材料中,通过高温碳化得到导电性优异的椰壳碳,用水热法在椰壳碳表面生长MnO₂纳米粒子,获得椰壳碳@MnO₂复合纳米材料。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学技术等表征测试手段,分析该复合材料的形貌结构以及电化学性能。结果表明椰壳碳@MnO₂在100 mA g^-1的电流密度下,经过300次循环,比容量仍高达到344.6 mA h g^-1,性能远高于商用MnO₂材料(64.3 mA h g^-1);椰壳碳@MnO₂优异的导电性,纳米化的结构设计提高了材料利用率,减少了离子扩散路径,带来更快的离子扩散速率,提高了材料的倍率性能,具有良好的应用前景。

水系锌离子电池因其能量密度较高、成本低廉且环保等优点而备受关注。在目前常用的锌离子电池负极材料中,钒基复合材料由于其多种价态(V⁵⁺、V⁴⁺、V³⁺、V²⁺)和不同的结构特点,在扮演锌离子电池阴极材料时具备较高的比容量,因此具有广阔的研究前景。然而,钒基复合材料由于循环稳定性差和较低的导电率,在锌离子电池的应用中受到限制。为了解决这一问题,研究采用了简单的水热法制备了比商用五氧化二钒(V₂O₅)具有更大比表面积的纳米片。这种V₂O₅纳米颗粒作为锌离子电池的阴极材料,在较低电流密度下,其可提供364 mAh g^-1的优异比容量,在高电流密度下表现出156 mAh g^-1的高可逆比容量。经过200次循环后,其容量仍能保持初始容量的85%,不仅提供了比商用V₂O₅更好的循环稳定性,还具备较高的比容量。基于其制备方法简单并具有良好的电化学稳定性,该纳米颗粒展示出在锌离子电池负极材料上的应用潜力。

采用原位化学沉积法制备了一系列具有光催化产氢性能的Ag₂CrO₄/g-C₃N₄复合材料。利用X射线衍射、傅里叶变换红外、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱明确了复合物的物相组成、官能团结构、微观形貌、元素组成及其存在形态。采用紫外可见光漫反射、光致发光光谱和光电流测试探究了复合材料光吸收性能及光生载流子的分离情况,研究了光催化剂的产氢性能及其影响因素。结果表明,Ag₂CrO₄的引入不会改变g-C₃N₄原有的碳氮杂环结构,且Ag₂CrO₄以纳米颗粒形式分散于g-C₃N₄表面。虽然Ag₂CrO₄没有产氢效果,但随着Ag₂CrO₄含量的增加,复合材料的产氢速率先增大后减小。最优光催化剂Ag₂CrO₄/C₃N₄-4%的产氢速率是纯g-C₃N₄的2.7倍,其原因可能是Ag₂CrO₄和g-C₃N₄的耦合形成了Z型异质结,拓宽了g-C₃N₄的可见光响应范围,降低了电荷转移的阻抗,促进了光生载流子的迁移和分离。

碳基材料是目前锂离子电池最常用的电极材料,然而低温使基于碳基电极的锂离子电池(LIB)容量损失巨大。本文将农业废弃物——稻壳通过高温碳化制得多孔碳,多孔为锂离子(Li⁺)提供更多传输路径及活性位点,并促进Li⁺在低温下的传输与扩散。研究发现,不同碳化温度对稻壳衍生活性炭(RHC) 的微观结构有影响,基于不同RHC电极构建的电池性能也不同。其中,碳化温度为1 000 ℃获得的RHC-10负极具有最高的剩余可逆比容量,在0.2 C和2 C倍率下循环100圈后可达230和147 mAh/g;在不同倍率下循环10圈后再次在0.2C倍率下循环时,仍能保持最高的可逆比容量;在-20和-40 ℃可逆比容量分别可达175和98 mAh/g,表现出优异的低温充放电性能。

以四氯化钛为原料,在冰水浴,弱碱性条件下,将TiCl₄配制为0.5 mol/L水溶液,低温水解得到沉淀产物,将此沉淀在80 ℃的真空烘箱中干燥;低温400 ℃下焙烧12 h得到白色粉末。通过X射线衍射(XRD)进行结构表征;通过扫描电子显微镜(SEM)透射电镜(TEM)进行形貌表征。得到的烧结产物,结合金属锂对电极材料和聚乙稀隔膜搭建半电池系统,进行电池性能测试。结果表明,以四氯化钛为原料在低温的条件下实现缓慢水解,再经过长时间低温焙烧得到白色粉末为纳米级金红石型和锐钛矿型TiO₂的混合相,且具有粒径小、分散性好、粒径分布窄、球形度较好等优点;此产品在0.05充放电时首次放电比容量为370 mAh/g,5 C的放电比容量达到69 mAh/g,容量保持率分别为91.69%,电化学性能远高于商业化TiO₂。研究表明,基于缓慢水解低温烧结机制制备TiO₂的方法是一种简单、低成本、适用于大规模生产的工艺。

理想的锂硫电池正极用聚合物粘结剂不仅应具有良好的粘附性能,还应有丰富的极性基团以吸附多硫化物,抑制穿梭效应。通过壳聚糖(CS)与含大量氨基的聚乙烯亚胺(PEI)通过氢键作用结合,合成了一种富氮粘结剂(CS&PEI)。结果表明,与未改性的CS粘结剂相比,CS&PEI粘结剂具有更好的粘结性能和对多硫化物的吸附性能。使用CS&PEI粘结剂组装的锂硫电池具有更加优异的倍率性能和长循环稳定性。在0.2 C循环150次后,锂硫电池的比容量仍然保持为814 mAh/g。

镁空气电池因其高能量密度和环境友好性而备受关注,但镁阳极/电解质界面存在不可逆的电解-沉积、阳极自腐蚀和氢气析出等问题,严重影响电池的稳定性、安全性、寿命和功率密度。电解质调控是改善阳极/电解质界面的性质进而提高镁空气电池的综合性能的重要手段,综述了最近用于镁空气电池的电解质添加剂及新型电解质的研究和开发进展。电解质添加剂涉及无机、有机和复合型三大类,它们可以抑制阳极腐蚀、增强离子电导率、提高阳极效率等;新型电解质主要包括新型水系电解质和凝胶电解质,前者可以削弱析氢等有害副反应,后者可以规避漏液且具有高离子导电率和较低漏电流等优点。未来开发更多新型电解质添加剂及新型电解质是提升镁空气电池性能和稳定性的有效途径。

Co₃O₄由于较高的理论容量近年来被视为锂离子电池新型负极材料的热门候选之一,然而其较差的电导率和循环性能制约了其进一步发展。以ZIF-8@ZIF-67为自模板,三聚氰胺和g-C₃N₄为碳源,通过碳化和氧化处理制备了碳纳米管和石墨烯作为导电桥梁和外壳的Co₃O₄/C三维导电网络。颗粒纳米化的策略和锌的高温挥发造孔使其在0.5、2 A/g的电流密度下循环200、800圈后仍具有1 139.7、1 002.1 mAh/g的比容量,从0.2 A/g逐渐增大充放电的电流密度至10 A/g又恢复到0.2 A/g后比容量仍有初始容量的94.9%。该网络结构和同类材料相比表现出较为优异的循环和倍率性能。

可充电锌离子电池(RZIBs)因高安全性、低成本以及环境友好等优势广受关注。但传统水系电解液中水的高活性导致锌负极在循环过程中面临着枝晶和副反应问题,限制了RZIBs的发展。共晶电解液通过氢键和配位效应调节Zn²⁺离子溶剂化结构中水分子数量,有效解决了上述问题。此外,其具有合成简单、无腐蚀性和环境友好等优势,在RZIBs领域备受关注。介绍了共晶电解液的基本原理和定义,然后重点阐述了共晶电解液在RZIBs中的应用现状,最后对共晶电解液的发展前景进行了展望,为制备出优异的共晶电解液提供了重要思路。

空气取水技术具备搭建成本低、使用简便灵活等优势,成为应对淡水资源短缺危机的潜在解决方案。共价有机框架材料(COFs)具备大比表面积、永久孔隙率等特点,在气体吸附、存储领域受到广泛关注。采用溶剂热法制备出水稳定性良好的TpPa-1 COFs。TpPa-1呈现S型等温吸附曲线,在30% RH吸附量可达到0.27 g/g,并具备快速的吸附动力学行为。同时,TpPa-的解吸温度低,在一个标准太阳光下可达到91%解吸效率。此外,TpPa-1在潮湿条件(60% RH)下经过10次吸附—解吸循环(1 400 min)后,吸水率仅下降1.48%。采用TpPa-1作为吸附剂组装简易空气取水器件,在60% RH工况下一次取水循环中可收集到0.225 g/g淡水。这项工作意味着多孔TpPa-1具有高效率和快速循环的优点,在空气取水装置具有潜在的应用价值。

基于一步旋涂法制备了钙钛矿太阳能电池吸光层CH₃NH₃PbI₃薄膜,在吸光层制备过程中添加了尿素,研究了尿素掺杂量对CH₃NH₃PbI₃薄膜的物相结构、微观形貌及组装钙钛矿太阳能电池的光电性能的影响,通过XRD、SEM、UV-Vis、PL以及J-V曲线等对样品进行了表征。结果表明,适量尿素的添加提高了CH₃NH₃PbI₃薄膜的结晶度,改善了取向性,使薄膜的覆盖率得到改善,孔洞和裂缝的数量减少。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,薄膜的晶粒尺寸最为均匀,结晶性能最佳。所有CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸收边都在780 nm左右,带隙宽度为1.5 eV。适量尿素的添加提高了CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸光能力和发射峰的强度,随着尿素掺杂量的增加,CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸光性能和发射峰强度均先增大后减小。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸光性能最好,发射峰强度最高。将不同尿素掺杂量的CH₃NH₃PbI₃薄膜组装出30个钙钛矿太阳能电池,测试了J-V曲线,当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,电池具有最优的光电性能,其光电转换效率达到最大为20.61%。以上分析可知,尿素的最佳掺杂量为10%(摩尔分数)。

有机框架化合物因分子水平结构可控、大的比表面积、高孔隙率、分散的化学活性位点以及良好稳定性等优点,在光催化解水制氢方面具有较大的应用潜力。采用溶剂热法,在共价有机框架PyPD-COF的合成过程中引入金属有机框架NH₂-UiO-66,原位形成NH₂-UiO-66/PyPD-COF异质结。通过TEM、EDS、XPS、FTIR、UV-Vis和光电流测试分析,光催化性能测试等手段对样品进行表征,构筑的NH₂-UiO-66/PyPD-COF异质结不仅可以保留原始MOF及COF组分的优良特性,还可在异质界面形成键连,利于促进界面间电荷迁移,降低电子-空穴复合率,提升光催化产氢效率至20.68 mmol·h^-1·g^-1,分别为原始NH₂-UiO-66和PyPD-COF的86倍和3倍。同时,界面处的共价键键连使得复合样品具有良好的制氢稳定性,这为构筑高效光催化分解水产氢异质结光催化剂提供了一种新的策略。

多孔硅是通过对单晶硅片进行电化学腐蚀或适当的化学腐蚀而形成的一种纳米结构半导体材料。多孔硅纳米材料因其巨大的表面积、可调谐的光学性质和良好的相容性,被广泛应用于电子器件、生物传感、化学传感、药物传递、生物芯片等诸多领域。当前研究的挑战主要在于开发更简单高效的多孔硅纳米材料合成方法以及提高其在实际应用中的表现。综述了多孔硅纳米材料的制备方法及其光致发光在太阳能电池领域中的应用。

采用流化床法,把硅烷和乙烯混合物作为原料气相沉积在导电碳黑的表面,然后固相烧结制备了循环性能优良的锂离子电池硅碳共包覆导电碳黑负极材料。利用流化床优化了硅烷与乙烯共沉积的工艺参数,得到硅烷与乙烯的进气料比,硅烷浓度,共沉积温度和固相烧结温度,并对样品物相和微观形貌以及电化学性能进行表征。测试表明,在硅烷和乙烯进料比为2∶1,共沉积温度为500 ℃,固相烧结温度为800 ℃时,共包覆导电碳黑作为锂离子电池负极材料性能最优,其首圈充放电效率为88.19%,首圈充放电比容量达到2 205.0 mAh/g,在25圈循环后充放电比容量均在1010.0 mAh/g。

对于钙钛矿太阳能电池而言,制备高质量的钙钛矿薄膜尤为关键。以N-二甲基甲酰胺(DMF)作为有机溶剂,基于一步旋涂法制备了钙钛矿太阳能电池吸光层CH₃NH₃PbI₃薄膜,研究了不同退火温度对CH₃NH₃PbI₃薄膜的晶体结构、微观形貌及吸光性能的影响,并以此制备出太阳能电池,测试了电池的光电性能。结果表明,退火温度的变化没有改变CH₃NH₃PbI₃薄膜的主相结构,但退火温度超过100 ℃后,DMF的挥发速率加快,残余PbI₂的量增多,使得薄膜的纯度降低。随着退火温度的增加,CH₃NH₃PbI₃薄膜的晶粒尺寸持续增大,吸光度先增大后减小。当退火温度为100 ℃时,薄膜的晶粒尺寸分布均匀性最佳,具有较高的覆盖率,且吸光度达到最大,吸光性能最佳。CH₃NH₃PbI₃薄膜组装的钙钛矿太阳能电池的光电转换效率随退火温度的增加先增大后降低,当退火温度为100 ℃时,电池的短路电流密度(J_sc)、填充因子(FF)和光电转换效率(PCE)均为最大值,分别为20.04 mA/cm²、70.58%和15.38%,电池的光电性能最优。

电解水制氢是极具发展应用前景的绿色技术,使用低成本碳材料负载贵金属作为催化剂基底,是减小析氢催化剂贵金属负载量和优化其性能的有效手段。采用配位聚合法,通过调控pH得到了由纳米片自组装形成的具有高比表面积的前驱体微球,再通过离子交换和高温焙烧将Pt纳米颗粒均匀负载在氮掺杂碳化钼表面,制备出了Pt/N-Mo₂C NFs。因Pt纳米颗粒具有多层级结构的N-Mo₂C上的高度分散以及Pt与N-Mo₂C基底之间的协同作用,它展现出十分优异的析氢性能。Pt/N-Mo₂C NFs拥有较低的过电位(44 mV/η₁₀和137 mV/η₁₀₀),和Tafel斜率为46.2 mV/dec,同时具有良好的稳定性。研究结果对于设计低负载量的贵金属催化剂具有一定的借鉴意义。

以纳米Fe₂O₃和乙炔炭黑为原料,通过加入不同质量分数(25%,35%,45%,55%)的乙炔炭黑制备出了Fe₂O₃/C负极材料,研究了乙炔炭黑占比对Fe₂O₃/C负极材料的晶体结构、微观形貌及电化学性能的影响。结果表明,Fe₂O₃/C负极材料具有较高的结晶度,属于六方晶系结构,呈现出微球状颗粒,掺入适量的乙炔炭黑后改善了Fe₂O₃颗粒分布的均匀性,Fe₂O₃纳米颗粒被乙炔炭黑连接起来,形成了致密均匀的网格结构。以Fe₂O₃/C为负极材料制备了CR2025型纽扣电池,随着乙炔炭黑掺杂量的增大,Fe₂O₃/C负极材料的首次放电容量表现出先增大后降低的趋势,当乙炔炭黑的掺杂量为45%(质量分数)时,Fe₂O₃/C负极材料的首次放电容量达到最大值483.6 mAh/g。随着循环次数的增加,电池放电比容量衰减逐渐增大,放电过程中电压在0.15 V附近出现了较宽的放电平台,在达到30次充放电循环时,当乙炔炭黑的掺杂量为45%(质量分数)时,Fe₂O₃/C负极材料的放电比容量降低至115.6 mAh/g,保持率最高为23.91%,经过0.5,1.0,2.0和3.0 C的电流密度放电后,再将电流密度给定到0.5 C时,电池的放电容量变化较小,具有优异的倍率性能。

近些年,纳米纤维被用于燃料电池材料时具有优异的性能,引起了人们的广泛关注。静电纺丝技术是一种低成本,高效可控,操作简单的纤维制备方法。电极材料的微观形貌对于电池性能具有显著影响。将静电纺丝技术的影响因素归纳为内部参数、工艺参数和环境参数三类,分别讨论其对材料微观形貌的影响。同时对于静电纺丝所形成电池纤维结构进行了相关归纳,并对比了不同微观结构所获得的性能。此外,总结归纳了静电纺丝应用于固体氧化物燃料电池材料的最新研究进展,特别强调了复合电极材料的发展现状,以及其微观形成机理,为相关研究者提供研究思路。

研究了苹果酸作为浸出剂和还原剂,H₂O₂作为辅助还原剂,还原浸出废旧锂电池中的Ni、Co、Mn等有价金属,并探讨了不同反应条件对有价金属浸出效率的影响。同时,采用溶胶-凝胶法,以浸出液为原料,原位合成了LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂三元正极材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和电化学测试对再合成三元正极材料进行结构和电化学性能的表征。结果表明,在苹果酸浓度为2.5 mol/L、固液比120 g/L、浸出时间80 min、浸出温度90 ℃、H₂O₂用量10%(体积分数)的浸出条件下,有价金属的复合浸出率达到97.5%。同时,再合成材料具有良好的结晶性能,且再合成材料在1C充放电100次后比容量为103.4 mAh/g,容量保持率85.5%,经倍率充放电后,容量恢复率为 92.32%。

二氧化锰(MnO₂)具有储量丰富、成本低廉等优点,被广泛应用于水系锌锰电池中。液流电池可以实现能量组件与功率组件的解耦,在长时规模储能领域受到研究者们的广泛关注。研究以MnO₂为活性物质设计了半固态电极,实现了高体积比容量的液流电池。首先以黄原胶为悬浮介质、科琴黑为导电剂制备了半固态电极,并通过表征电极的电化学性能与流变性能来确定MnO₂半固态电极的最佳配比。科琴黑导电渗透的临界浓度为9 g/L,以此浓度制备的半固态电极具有良好的倍率性能和循环稳定性,MnO₂添加浓度为300 g/L时,半固态电极体积比容量达到32.5 Ah/L。半固态电极表现出非牛顿流变性,屈服应力约为2 Pa,保证悬浮液具有机械稳定性的同时降低了泵送的机械能损失。应用了半固态电极的锌锰液流电池体积比容量可达22.3 Ah/L,具有良好的发展前景。

锌离子电池因其安全性高和成本低而备受关注,然而严重的锌枝晶生长损害了电池性能的稳定性。在此,提出了将离子液体加入到聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)(PVDF-HFP)基体中制备离子凝胶电解质,离子液体的阳离子能吸附在锌尖端形成屏蔽层达到使Zn²⁺均匀沉积的目的。选用了咪唑类离子液体1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(EMIM(OTf))、1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(BMIM(OTf))和1-己基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐(HMIM(OTf)),探究其阳离子侧链长度对锌枝晶生长的抑制效果。实验证明,由阳离子侧链长度适中的BMIM(OTf)制备出的离子凝胶电解质不仅具有1.87 mS/cm的高离子电导率,还能有效抑制锌枝晶生长,实现了2 500 h锌金属负极的长循环稳定性,99.30%的高库伦效率,以及200次循环后全电池83.9%的容量保持率。该工作展示了离子液体凝胶聚合物电解质在高性能的锌离子电池领域的潜在应用价值。

通过化学方法制备了一种高比表面和多孔的Ni MOF,并通过X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM)以及Sievert等体积方法系统地研究了不同含量的Ni MOF对Mg₉₀Ce₅Y₅合金储氢动力学的催化作用。结果表明,Ni MOF的添加大幅提高了Mg₉₀Ce₅Y₅的球磨效率,颗粒减小至其一半以下。此外,有效改善了合金的吸放氢动力学,降低合金的吸放氢活化能。当添加3%(质量分数)Ni MOF时,在3 MPa,473 K下吸氢量达到最大值的90 %仅需2 min;573 K下完全放氢仅需30 min,是Mg₉₀Ce₅Y₅放氢速度的10倍,活化能减小至69.1 kJ/mol。然而,随着添加含量的增多,会降低复合材料的最大储氢容量。

基于水热法和旋涂法制备了不同Eu掺杂浓度(0,0.05,0.10和0.15 mol/L)的ZnO量子点,在Eu掺杂ZnO量子点的基础上制备了光阳极薄膜,并以此为光阳极制备出量子点敏化太阳能电池。研究了Eu掺杂浓度对ZnO薄膜微观形貌、晶体结构、光谱性能及电池光电性能的影响。结果表明,水热法制备出的Eu掺杂ZnO纳米棒属于六方纤锌矿结构,Eu的掺杂未生成新的产物,但细化了ZnO纳米棒阵列的直径,直径分布为45~60 nm,高度约为1.2 μm,ZnO纳米棒的取向性和均匀性得到了改善。Eu掺杂后缩小了ZnO的禁带宽度,降低了ZnO的光致发光强度,提高了电子对的分离能力。当Eu掺杂浓度为0.10 mol/L时,ZnO的禁带宽度最小为3.09,且光致发光强度最低。Eu的掺杂改善了基于ZnO为对电极组装的量子点敏化太阳能电池的光电性能,当Eu掺杂浓度为0.10 mol/L时,光电转换效率最高可达4.03%,对电极的电荷传递阻抗最低为1.38 Ω,对应对电极的交换电流密度最大为9.92 mA/cm²,光电性能最佳。

直接甲醇燃料电池(DMFCs)是解决能源短缺和环境污染问题的清洁能源之一。甲醇氧化反应(MOR)和氧还原反应(ORR)是DMFCs重要的电极反应,然而其迟缓的动力学过程严重制约其商业化进程。碳材料因具有低成本、高比表面积、发达的孔结构而备受关注。杂原子(氮、硫、磷、硼等)掺杂不仅有助于改善碳的表面惰性来提高导电性能和增加缺陷位点,还能通过强化金属-载体间相互作用提高电化学活性。因此,研发杂原子掺杂碳材料作为ORR催化剂和MOR催化剂载体对推动DMFCs的商业化具有重要意义。综述了杂原子掺杂碳材料常见的制备方法及其在ORR和MOR领域的研究进展,并展望多组分共掺杂、材料稳定性的提升及催化机制的深入剖析是未来研究的方向。

铜锌锡硫硒(Cu₂ZnSn(S,Se)₄,简称CZTSSe)薄膜太阳能电池因其组成元素地壳含量丰富,低毒环保等优点被科学家们认为是适合未来大面积发展的一类太阳能电池。当前,该类太阳能电池的效率一直受到吸收层中高的阳离子无序度和器件的低开路电压的限制。为此,科学家们提出“阳离子掺杂措施”,即:通过引入其他阳离子,减少本身的阳离子无序度,从而提高电池器件的光电转换效率。事实也证明,阳离子掺杂措施在提升电池器件性能方面有着重大的意义。基于此,详细阐述了阳离子掺杂措施在优化铜锌锡硫硒电池器件性能方面的研究进展,包括:阳离子(如:钠、钾、锑)的额外添加和阳离子取代(如:锂/银取代铜、锰/镁/钡/镉取代锌、锗取代锡)措施,并得出结论:最有前景的阳离子是镉和锗离子,考虑到镉的有毒性,所以锗应该是优化CZTSSe电池性能方面最有应用前景的一种元素。

设计并合成了两种亚硫酸甘油酯衍生物:(1,2-环亚硫酸甘油酯)苯磺酸酯(ODMB)和(1,2-环亚硫酸甘油酯)对甲苯磺酸酯(ODMM),通过库伦效率、恒流充放电,交流阻抗和扫描电子显微镜等测试研究了其作为电解质添加剂对LiCoO₂/Li电池电化学性能的影响。结果表明,ODMB和ODMM均具有良好的热稳定性,分解温度分别为256和255 ℃。掺杂0.7%(质量分数) ODMB的电池放电容量为147.98 mAh·g^-1,在50次循环后仍保持其初始放电容量(151.76 mAh·g^-1)的97.51%。与空白电解液相比,添加了ODMB和ODMM的电解液的电极表面具有更致密和稳定的膜结构,显著降低了电极的电荷转移阻抗。浸润性测量结果表明,0.7%(质量分数) ODMB电解液比空白电解液具有更好的浸润性,可以有效改善电池的组装过程。

为了降低燃料电池空压机箔片气体轴承启停阶段的磨损,需在顶箔表面制备自润滑软涂层,但现有的聚四氟乙烯(PTFE)基或环氧树脂基软涂层仍存在摩擦系数较大或磨损率较高的问题。为此,在镍基高温合金箔片上制备聚酰亚胺(PI)基固体润滑涂层,研究涂层厚度、MoS₂纳米粒子掺杂含量和温度对涂层摩擦学性能的影响,并与商用PTFE涂层进行对比。结果表明,随着PI涂层厚度增加,其摩擦系数呈现先基本不变后增大的规律,且存在使摩擦系数最低的最佳涂层厚度。随着MoS₂纳米粒子掺杂含量增大,PI复合涂层摩擦系数和磨损率均呈现先减小后增大的规律,当掺杂含量为2.5%时,PI复合涂层摩擦系数低至0.173,磨损率低至9.14×10^-6 mm³/(Nm)。随着温度增加,PI复合涂层摩擦系数和磨损率呈现先减小后增大的规律,其摩擦系数在0.081~0.173范围,磨损率在3.77×10^-6~9.14×10^-6 mm³/(Nm)范围,相较于商用PTFE涂层,PI复合涂层摩擦系数最大降低幅度为43.4%,而磨损率更是降低了近两个数量级。

基于四吡咯化合物的有机多孔材料,具有可调的孔隙度、可修饰骨架、均匀的活性位点等优点。由于其电子结构可控优势,四吡咯基有机多孔材料在各种电化学储能器件的电子/离子存储和传输方面的性能引起了广泛关注。对四吡咯基有机多孔材料的分类及其制备方法进行了总结,并对其在提升电池电化学性能方面的应用进行了综述。

电极/电解液界面作为制约锂离子电池高比能量和电化学稳定性的关键因素,其高温稳定性对电池的电化学性能有着重要影响。综述了近几年来改善锂离子电池高温稳定性的研究进展;介绍了高温环境对锂离子电池电极材料和电解液的主要影响;主要从电解液组成角度出发分析了如何设计高温条件下可稳定存在的电极/电解液界面膜,进而有效地改善锂离子电池的高温性能;最后对锂离子电池高温电解液未来的发展和研究方向进行了展望。

连接体是固体氧化物燃料电池(SOFC)中的关键组件,对连接体的高性能需求一直制约着SOFC的商业化发展。随着SOFC的运行温度降低到800 ℃以下,廉价的高温抗氧化金属连接体材料取代掺杂铬酸镧(LaCrO₃)陶瓷的可能性大大增加。此外,为了优化连接体的性能,大量的导电/保护性涂层及新的复合材料也不断地涌现。综述了迄今为止连接体材料的发展现状,在对各种连接体材料以及涂层材料的性能和优缺点进行比较的同时,重点介绍了新开发连接体材料的研究进展,并对连接体材料的发展趋势进行了展望。

新型纳米材料黑磷呈二维折叠层状结构,具有独特的光电特性,其理论容量大、载流子迁移率高、氧化还原电位低、带隙可调,在电化学储能、光催化制氢、癌症靶向治疗等领域应用前景广阔。尤其是在电化学储能领域,因其高达2 596 mAh/g的理论比容量,已被作为锂离子电池与钠离子电池的负极材料得到了广泛的应用,是可充电电池理想的负极材料之一。综述了黑磷在离子电池领域的应用,旨在为后续黑磷的结构设计奠定基础,为储能领域蓬勃发展铺平道路。

全固态锂电池具有安全可靠性高、能量密度大、循环寿命长、电化学窗口宽、高温适应性强等优点,制约其实际应用的主要瓶颈在于电极与固态电解质之间的界面问题,包括负极界面区的锂枝晶、体积膨胀,正极界面区的结构变化、空间电荷层、界面反应等。石墨烯因其特殊的二维结构,优良的导电、导热及力学性能而广泛应用于电化学储能领域。综述了石墨烯在电极/固态电解质界面改性方面的研究进展,并对石墨烯在固态电池领域的应用前景进行了展望。