摘要：纳米纤维复合材料因具有高孔隙率、高比表面积以及多样化的组成和结构可设计性被广泛应用于锂硫电池、锂空电池等新型锂金属电池储能体系中.电池的电化学性能主要依赖于充放电反应中的离子传输过程,而纳米纤维的结构形态以及表/界面性质对于离子传输动力学具有重要影响.因此,本文针对新型储能电池应用中离子传输动力学缓慢、中间产物如多硫阴离子等易穿梭,以及负极枝晶生长等关键科学与技术问题,综述了纳米纤维复合材料的创新性设计和制备方法;进一步结合本课题组近期工作重点,阐述了纳米纤维复合材料的组成与结构调控对锂电池中离子传输动力学的优化作用;最后,总结了纳米纤维复合材料在锂电池正负极、隔膜、电解质等领域的应用进展,并讨论了其在新型储能设备领域的挑战和未来发展前景.

摘要：过氧化氢(H_(2)O_(2))是一种重要的化工产品,广泛应用于污水处理、消毒杀菌和印染漂白等领域.在蒽醌法生产H_(2)O_(2)的过程中,易产生有毒气体并存在爆炸危险.因此,仅利用水、氧气和太阳光即可在合适的光催化剂上生成H_(2)O_(2)的光催化技术备受关注.本课题组报道了通过酸碱自组装法制备的四(4-羧基苯基)卟啉(SA-TCPP)光催化剂,用于生产H_(2)O_(2).该催化剂克服了大部分H_(2)O_(2)光催化剂存在的需要牺牲剂、活性低和光利用率不足等问题,但其性能仍受限于较高的复合率.晶面调控已被证实是改善许多无机催化剂电荷复合的有效策略,然而,对于有机光催化剂,关于暴露晶面与其活性关系的研究仍然较少.本文采用溶解-重结晶法在水和三种有机溶剂的混合物中成功合成了三种具有不同暴露晶面的卟啉光催化剂.即利用卟啉在有机溶剂和水中的溶解度差异,将卟啉先溶解在四氢呋喃(THF)、甲醇(MeOH)或乙二醇(EG)溶液中,随后在水溶液中重新结晶.X射线衍射、高分辨率透射电子显微镜及晶面模拟模型图的结果表明,三种催化剂具有相同的晶体结构,但分别暴露了(400)、(022)和(020)晶面.通过紫外分光光度计测量这些催化剂在氙灯(λ≥420 nm)照射下的光催化活性,结果表明,具有(400)暴露面的卟啉光催化剂的H_(2)O_(2)生产速率最高,可达29.33 mmol L h^(-1)g^(-1),分别是具有(022)暴露面和(020)暴露面的卟啉光催化剂的2.7倍和4.1倍,约是已报道的SA-TCPP光催化剂的1.3倍.通过紫外漫反射、莫特肖特基曲线分析以及LED灯照射下的光催化活性测试,排除了光吸收能力对这三种卟啉光催化剂活性的影响.开尔文探针力显微镜、光生电流密度谱图、晶面模拟模型图和密度泛函理论计算结果表明,活性的差异主要归因于(400)表面暴露的高羧基含量所引发的强内建电场,并且在该暴露面上的内建电场方向有利于空穴从吡咯氮向羧基碳的跃迁,因此阻碍了电荷的快速重组,促进了富有挑战性的水氧化过程,而(020)面由于暴露了最多的吡咯氮和最少的羧基碳,其产生的内建电场强度最弱,且内建电场方向阻碍了空穴向羧基碳的跃迁,因此H_(2)O_(2)生产速率最低.综上所述,本工作通过晶面调控产生强内建电场以加速空穴的迁移,降低了电子空穴复合速率,实现了高H_(2)O_(2)生产速率,为更高效的有机光催化剂的设计和开发提供了新思路.

摘要：通过改善制绒效果来降低反射率、提高光电转换效率是制备太阳能电池的核心问题。本文设计了一种制备多层金字塔结构的单晶硅制绒添加剂,考察了聚苯乙烯磺酸钠等组分对多层金字塔形成的作用和机理。考察了成核剂(聚苯乙烯磺酸钠)浓度、时间、温度等因素,筛选出了最佳制绒条件。在 KOH 浓度1.5%、反应温度80 ℃、制绒时间7 min的反应条件下,获得了基底尺寸 1.2-1.8 μm、均匀、密集的多层金字塔结构以及低至 8.2%的绒面平均反射率。本项目对开发绿色高效的单晶硅多层结构制绒添加剂提供一种新的方法和策略。

摘要：Janus纳米粒子的结构设计和简易合成是Pickering乳液界面催化的关键.本文通过在Pickering乳液保护法中操纵共轭亚油酸的自组装、自交联性和弱还原性,合成了Janus型自交联吸附胶束修饰的纳米Fe_(3)O_(4)(SCA-Fe_(3)O_(4)),并在其表面原位还原金后,合成了Janus型催化剂Au-SCA-Fe_(3)O_(4),考察其同时作为乳化剂和催化剂在乳液界面催化苯甲醇氧化生成苯甲醛的性能.结果表明,该Janus纳米粒子的金修饰量(质量分数)仅为0.66%,兼具乳化性、催化性和磁响应性.Au-SCA-Fe_(3)O_(4)可制备外观稳定(100μm)和热稳定(90℃)的苯甲醇/水型Pickering乳液,可显著提高互不相溶反应物与催化剂间的接触面积,使其催化活性达到均匀纳米催化剂的2倍和非乳液催化时的3倍,其在界面的不可转动性使苯甲醛的选择性高于99.9%,避免了苯甲醛被过度氧化成苯甲酸.

摘要：针对甲壳素光子晶体材料无法呈现可视化颜色的问题,设计构筑了一种具有向列型结构的甲壳素液晶薄膜材料.该液晶薄膜材料由羧基化甲壳素纳米晶体(T-ChNC)通过羧基基团间的静电排斥作用和空间位阻作用在水相中自组装形成的向列型液晶干燥而成.在自然光下,液晶薄膜表现高透明度,而由于高度取向排列的结构对光具有干涉作用,正交偏光镜下的薄膜呈现鲜亮的蓝色.T-ChNC表面羧基基团的密度显著影响T-ChNC在水相中的静电作用范围,进而影响薄膜中T-ChNC的取向度,当羧基含量高于0.6 mmol/g且T-ChNC分散液的浓度高于5%时,干燥的T-ChNC液晶薄膜可表现均匀的颜色.实验表明,强亲水性的T-ChNC薄膜对湿度和溶剂具有敏感的响应性,在高湿度环境中发生润胀并转变颜色,在不同浓度乙醇溶液中表现不同的颜色变化.与传统的甲壳素手性光子晶体材料相比,向列型T-ChNC液晶薄膜具有肉眼可见的颜色且色彩可设计调控,在生物光学防伪和加密材料方面具有广阔的应用前景.

摘要：设计合成了一种以聚苯乙烯光子晶体为模板的聚(N-异丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸羟乙酯)光子凝胶,引入不同长径比的金纳米棒赋予凝胶近红外致变色能力.响应时间及变色性能随凝胶中甲基丙烯酸羟乙酯的含量变化,其含量为30%时凝胶结构色变化达到峰值(34 nm).通过改变聚苯乙烯微球直径可以调控光子凝胶变色范围,颜色变化可覆盖从红色到蓝色.以聚对苯二甲酸乙二醇酯包覆可制得近红外响应性器件,在近红外光照射下区域会发生颜色变化,循环稳定性良好,有望应用于显示器、近红外检测器和彩色复写纸等领域.

摘要：金属有机框架及其衍生物在催化领域显示出巨大的应用潜力.利用表面工程方法制备了ZIF-L-Co@phytate-iron(ZIF-L-Co@PA-Fe)异质金属-有机框架(MOF)衍生物.首先,通过植酸(PA)与ZIF-L-Co框架中的有机配体交换,制备植酸功能化的ZIF-L-Co@PA材料.然后,通过Fe^(3+)与配体的配位合成了具有独特异质结构的ZIF-L-Co@PA-Fe.得益于金属-配体相互作用的改进,所设计的ZIF-L-Co@PA-Fe杂化物对氢转移反应表现出优异的催化活性.以ZIF-L-Co@PA-Fe为催化剂,在无溶剂条件下成功地实现了邻硝基苯酚与醇的转移氢环化反应,得到2-取代苯并噁唑衍生物.该催化反应不需要氧化剂、还原剂或碱等额外的添加剂.此外,ZIF-L-Co@PA-Fe配合物具有良好的催化循环稳定性,可重复使用5次而催化活性无明显下降.本工作可为优化其他系列MOF衍生物的催化性能提供有效的指导.

摘要：设计合成了一种多氮唑类三齿配体,并将其与铱配合物成功负载至MoS_(2)纳米片上,制备出了非均相催化剂IPQ-Ir@MoS_(2).利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线光电能谱(XPS),对该催化剂进行表征与分析.该催化剂能够实现2-氨基苯并噻唑与苯甲醇的无溶剂N-烷基化反应,在反应中表现出优异的催化活性和良好的底物普适性,对反应机理进行了探索.

摘要：氢能是实现碳中和目标的关键能源之一.光催化分解水制氢是一项绿色制氢技术,自从20世纪80年代日本科学家Honda和Fujishima首次发现了TiO_(2)电极上的光电解水产氢以来,该技术已成为了全世界关注的研究方向.负载助催化剂能够提高电荷分离、降低过电势/活化能和加快表面反应,作为一种有效的改性策略被广泛地用于提高光催化分解水制氢效率.助催化剂的性能在很大程度上依赖其沉积方式,光沉积有助于加快光生电子-空穴对从光催化剂向助催化剂的转移,大幅改善了电荷的分离和传输效率,显著提升了催化剂的光催化性能.同时,该策略操作简单、条件温和以及无需额外添加氧化还原试剂来实现助催化剂的生成.从目前报道的助催化剂光沉积研究中可以发现,贵金属基助催化剂的光沉积在光催化分解水反应中已被广泛研究,然而贵金属价格昂贵、储量稀少,极大限制了其在大规模能源生产中的应用.为此,光沉积地球储量丰富的非贵金属助催化剂受到了研究者高度重视,近年来也取得了一些重要的进展,但尚未有综述进行报道.本文综述了近年来光沉积非贵金属光催化分解水助催化剂的研究进展.总结了非贵金属水分解助催化剂光沉积的基础,包括光沉积的原理、光沉积的优势、助催化剂的种类、助催化剂的作用、影响光沉积的因素、光沉积改性策略以及设计助催化剂光沉积的考虑因素.从制备方法、催化性能和作用机制等方面,详细讨论了不同非贵金属助催化剂光沉积在光催化分解水中的应用,包括制氢半反应(过渡金属、过渡金属硫化物、过渡金属磷化物、过渡金属氧化物和过渡金属氢氧化物)、制氧半反应(钴基氧化物、磷酸盐和羟基氧化物以及其他过渡金属氧化物)和全分解水反应(沉积产氢助催化剂、沉积产氧助催化剂和产氢-产氧双助催化剂共沉积).提出了非贵金属助催化剂光沉积在光催化水分解应用中面临的挑战和可能的未来研究方向.本综述不仅展现出光沉积策略在高效、稳定、低成本的非贵金属基水分解助催化剂开发中的巨大潜力,而且对深入理解非贵金属助催化剂诱导加快光催化分解水反应的机制具有重要意义.

摘要：实现碳氮循环是人类社会发展的迫切要求,也是催化领域的热门研究课题。在可再生能源的推动下,电催化技术引起了人们的广泛关注,且可以通过改变反应电压获得不同的目标产品。基于此,电催化技术被认为是缓解当前能源危机和环境问题的有效策略,对实现碳中和具有重要意义。其中,电催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)和N_(2)还原反应(N_(2)RR)是一种有前途的小分子转化策略。然而,CO_(2)和N_(2)均为线性分子,其中C=O和N≡N键的高解离能导致了它们高的化学惰性。此外,最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)之间的巨大能量间隙使它们具有高的化学稳定性;且CO_(2)和N_(2)的低质子亲和力使它们难以被直接质子化。另一方面,由于CO_(2)RR和N_(2)RR与析氢反应(HER)具有相近的氧化还原电位,造成其与HER之间存在竞争性关系,这也是致使催化剂在CO_(2)RR和N_(2)RR转化效率低的重要影响因素。因此,CO_(2)RR和N_(2)RR仍然面临着过电位高及法拉第效率低等问题。为了克服这些瓶颈,人们为提升CO_(2)RR和N_(2)RR电催化剂性能做出了很多努力。众所周知,电催化过程发生在催化剂表面,主要涉及质量传递和电子转移等过程。由此可见,催化剂的性能与其质量和电子传输能力密切相关,而调控催化剂表面结构可以优化活性点的质量和电子转移行为。电催化剂的缺陷和界面工程可通过表面原子工程来实现电子结构调控,对于提高气体吸附能力、抑制HER、富集气体及稳定中间产物等具有重要意义。到目前为止,所报道的各种缺陷和复合电催化剂在提高CO_(2)RR和N_(2)RR催化性能等方面均表现出巨大的潜力。在此,我们综述了CO_(2)RR和N_(2)RR中催化剂缺陷工程及界面工程的最新进展;首先讨论了四种不同的缺陷(空位、高指数晶面、晶格应变和晶格无序)对CO_(2)RR和N_(2)RR性能的影响;然后,总结了界面工程在聚合物-无机复合材料催化剂中的重要作用,并给出了典型实例;最后,展望了原子级电催化剂工程的发展前景,提出了开发和设计高效CO_(2)RR和N_(2)RR电催化剂的未来发展方向。