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Ultrafast Synthesis of Metal-Layered Hydroxides in a Dozen Seconds for High-Performance Aqueous Zn(Micro-)Battery 被引量:2
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作者 Xiangyang Li fangshuai chen +9 位作者 Bo Zhao Shaohua Zhang Xiaoyu Zheng Ying Wang Xuting Jin Chunlong Dai Jiaqi Wang Jing Xie Zhipan Zhang Yang Zhao 《Nano-Micro Letters》 SCIE EI CAS CSCD 2023年第3期16-31,共16页
Efficient synthesis of transition metal hydroxides on conductive substrate is essential for enhancing their merits in industrialization of energy storage field.However,most of the synthetic routes at present mainly re... Efficient synthesis of transition metal hydroxides on conductive substrate is essential for enhancing their merits in industrialization of energy storage field.However,most of the synthetic routes at present mainly rely on traditional bottom-up method,which involves tedious steps,time-consuming treatments,or additional alkaline media,and is unfavorable for high-efficiency production.Herein,we present a facile,ultrafast and general avenue to synthesize transition metal hydroxides on carbon substrate within 13 s by Joule-heating method.With high reaction kinetics caused by the instantaneous high temperature,seven kinds of transition metal-layered hydroxides(TM-LDHs)are formed on carbon cloth.Therein,the fastest synthesis rate reaches~0.46 cm^(2)s^(-1).Density functional theory calculations further demonstrate the nucleation energy barriers and potential mechanism for the formation of metal-based hydroxides on carbon substrates.This efficient approach avoids the use of extra agents,multiple steps,and long production time and endows the LDHs@carbon cloth with outstanding flexibility and machinability,showing practical advantages in both common and micro-zinc ion-based energy storage devices.To prove its utility,as a cathode in rechargeable aqueous alkaline Zn(micro-)battery,the NiCo LDH@carbon cloth exhibits a high energy density,superior to most transition metal LDH materials reported so far. 展开更多
关键词 Ultrafast synthesis Thermal shock Metal-layered hydroxides Zn(micro-)battery
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少层氮化碳光催化剂合成太阳燃料和高附加值化学品:现状与展望 被引量:2
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作者 陈方帅 吴崇备 +2 位作者 郑耿锋 曲良体 韩庆 《Chinese Journal of Catalysis》 SCIE EI CAS CSCD 2022年第5期1216-1229,共14页
将太阳能直接转化为燃料和高附加值化学品是存储可再生能源非常有前景的策略.少层氮化碳材料因其比表面积大、电荷传输距离短、活性位点暴露多等优点,在合成太阳燃料和高附加值化学品方面展示出巨大潜力,而成为光催化领域的研究热点.本... 将太阳能直接转化为燃料和高附加值化学品是存储可再生能源非常有前景的策略.少层氮化碳材料因其比表面积大、电荷传输距离短、活性位点暴露多等优点,在合成太阳燃料和高附加值化学品方面展示出巨大潜力,而成为光催化领域的研究热点.本文总结了近年来少层氮化碳基光催化剂的合成、结构调控及其在合成太阳燃料和高附加值化学品领域的研究成果.首先简要介绍了用于少层氮化碳材料的合成方法,包括剥离、热氧化刻蚀、真空冷冻干燥、分子自组装、球磨以及化学气相沉积技术,并讨论了不同方法的优缺点.其次,深入分析了少层氮化碳的化学改性(杂原子掺杂、缺陷工程、异质结构)、微结构调控(零维量子点、一维纳米带、二维纳米网片、三维纳米组装体)对其电子结构、光学性质、电荷分离和迁移的影响.针对不同的改性策略,分别从光催化反应三个过程(光的捕集、光生电荷分离和迁移及表面催化反应)讨论其对于少层氮化碳基材光催化活性的促进作用以及存在的不足,涉及的反应包括光催化分解水、CO_(2)还原、氮气还原合成氨、光合成过氧化氢和光催化有机小分子合成.最后,从光催化剂设计、光催化反应体系、反应机理和反应器四个方面讨论了少层氮化碳基光催化剂在合成太阳燃料和高附加值化学品领域面临的挑战和发展前景.对于催化剂设计,其表面态决定光催化性能.目前定量研究催化剂表面缺陷和光催化活性之间的关系是一个巨大的挑战,未来在精确控制少层氮化碳基光催化剂的表面态方面需要更多的研究工作;另外,目前报道的助催化剂大多是大颗粒或者纳米粒子,未来应将具有高活性的单原子或单活性位点与少层氮化碳结合,以提高其光催化活性.对于光催化反应体系,目前报道的研究工作大部分需要利用使用牺牲剂消耗掉空穴,以实现高效分解水产氢、CO_(2)还原、合成氨,从而导致成本较高.将原本消耗牺牲剂端的氧化半反应替换为附加值更高的化学品同时产氢、CO_(2)还原或者N2还原则可以充分利用光生电子和空穴,减少浪费.目前报道的大部分反应机理和反应路径依赖于假设,缺少确凿的证据,可以利用先进的原位技术如时间分辨光谱、瞬态和稳态光谱应该用来研究少层氮化碳的激发态载流子动力学和反应中间物种,进而阐明反应路径.对于反应器,目前反应采用的都是罐子反应器,但存在传质受限和催化剂分离与回收成本问题,结合工业化需求,未来可开发流动反应器来解决上述问题.此外,大数据、机器学习、人工智能对于繁琐的催化剂筛选以及预测提供了快捷路径,这将是未来的研究重点. 展开更多
关键词 少层氮化碳 光催化剂 合成技术 结构调控 太阳燃料和化学品
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Heterogeneous lamellar-edged Fe-Ni(OH)_(2)/Ni_(3)S_(2)nanoarray for efficient and stable seawater oxidation 被引量:9
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作者 Baihua Cui Zheng Hu +11 位作者 Chang Liu Siliang Liu fangshuai chen Shi Hu Jinfeng Zhang Wei Zhou Yida Deng Zhenbo Qin Zhong Wu Yanan chen Lifeng Cui Wenbin Hu 《Nano Research》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第4期1149-1155,共7页
Development of efficient non-precious catalysts for seawater electrolysis is of great significance but challenging due to the sluggish kinetics of oxygen evolution reaction(OER)and the impairment of chlorine electroch... Development of efficient non-precious catalysts for seawater electrolysis is of great significance but challenging due to the sluggish kinetics of oxygen evolution reaction(OER)and the impairment of chlorine electrochemistry at anode.Herein,we report a heterostructure of Ni_(3)S_(2)nanoarray with secondary Fe-Ni(OH)_(2)lamellar edges that exposes abundant active sites towards seawater oxidation.The resultant Fe-Ni(OH)_(2)/Ni_(3)S_(2)nanoarray works directly as a free-standing anodic electrode in alkaline artificial seawater.It only requires an overpotential of 269 mV to afford a current density of 10 mA·cm^(-2)and the Tafel slope is as low as 46 m V·dec^(-1).The 27-hour chronopotentiometry operated at high current density of 100 mA·cm^(-2)shows negligible deterioration,suggesting good stability of the Fe-Ni(OH)_(2)/Ni_(3)S_(2)@NF electrode.Faraday efficiency for oxygen evolution is up to〜95%,revealing decent selectivity of the catalyst in saline water.Such desirable catalytic performance could be benefitted from the introduction of Fe activator and the heterostructure that offers massive active and selective sites.The density functional theory(DFT)calculations indicate that the OER has lower theoretical overpotential than Cl_(2) evolution reaction in Fe sites,which is contrary to that of Ni sites.The experimental and theoretical study provides a strong support for the rational design of high-performance Fe-based electrodes for industrial seawater electrolysis. 展开更多
关键词 lamellar edges Fe-Ni(OH)_(2)/Ni_(3)S_(2) seaw ater oxidation chlorine electrochem istry electrocatalysis
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变废为宝:富缺陷镍掺杂磷酸铁锂用于高效电催化析氧反应 被引量:3
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作者 崔柏桦 刘畅 +9 位作者 张金凤 陆继军 刘丝靓 陈方帅 周伟 钱国余 王志 邓意达 陈亚楠 胡文彬 《Science China Materials》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第11期2710-2718,共9页
在电池废弃物可持续管理中,锂离子电池(LIB)电极材料的高效回收是一个重要而又具有挑战性的工作.本文报道了一种简单且经济有效的方法,将废旧电池正极材料磷酸铁锂(LiFePO_(4))转化为高性能的镍铁氧/氢氧化物(NiFeOxHy)催化剂用于析氧反... 在电池废弃物可持续管理中,锂离子电池(LIB)电极材料的高效回收是一个重要而又具有挑战性的工作.本文报道了一种简单且经济有效的方法,将废旧电池正极材料磷酸铁锂(LiFePO_(4))转化为高性能的镍铁氧/氢氧化物(NiFeOxHy)催化剂用于析氧反应(oxygen evolution reaction,OER).采用湿法浸渍合成的Ni-LiFePO_(4)在电化学氧化过程中进一步转变成了富缺陷的NiFeOxHy纳米片.镍促进剂的引入和前驱物形貌的原位转化增强了金属位点之间的电子相互作用,同时产生了大量的缺陷.电化学测试结果表明,转化后的Ni-LiFePO_(4)在10 mA cm^(-2)电流密度下的过电位仅为285 mV,Tafel斜率为45 mV dec^(-1),优于前驱物LiFePO_(4),甚至优于基准贵金属催化剂RuO_(2).密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算表明,Ni的引入优化了*OOH中间体的自由能,从而有效激活了Fe位点;而丰富的氧缺陷促进了氧解吸步骤,二者协同提高了LiFePO_(4)的催化析氧反应性能.作为一种绿色和通用的方法,该研究为基于废旧电池材料规模化制备优良电催化剂提供了新的机遇. 展开更多
关键词 磷酸铁锂 锂离子电池 电催化剂 Tafel斜率 贵金属催化剂 析氧反应 氧缺陷 密度泛函理论
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NiS/Ni_(3)S_(2)@NiWO_(4)纳米阵列用于构造能量密度创新高的全固态混合超级电容器 被引量:2
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作者 陈方帅 崔晓亚 +8 位作者 刘畅 崔柏桦 窦树明 许洁 刘丝靓 张鸿 邓意达 陈亚楠 胡文彬 《Science China Materials》 SCIE EI CAS CSCD 2021年第4期852-860,共9页
混合型纳米电极材料的合理设计及合成对于其不同的应用具有重要意义,尤其是对于可用于下一代电动汽车和电子设备供电的高效纳米结构超级电容器(SCs)储能器件.本文报道了一种简便可控合成核-壳Ni_(3)S_(2)@NiWO_(4)纳米阵列的方法,并将... 混合型纳米电极材料的合理设计及合成对于其不同的应用具有重要意义,尤其是对于可用于下一代电动汽车和电子设备供电的高效纳米结构超级电容器(SCs)储能器件.本文报道了一种简便可控合成核-壳Ni_(3)S_(2)@NiWO_(4)纳米阵列的方法,并将其用于混合超级电容器的独立电极.在5 mA cm^(-2)的条件下,所制备的Ni_(3)S_(2)@NiWO_(4)独立电极表现出高达2032μA h cm^(-2)的面积容量;即使电流密度增至50 mA cm^(-2),其容量保留率仍为63.6%.更重要的是,在功率密度为3.128 mW cm^(-2)时,该Ni_(3)S_(2)@NiWO_(4)纳米阵列混合超级电容器仍表现出1.283 mW h cm^(-2)的最大能量密度;而在能量密度为0.753 mW h cm^(-2)时,该超级电容器表现出的最大功率密度为41.105 mW cm^(-2).此外,该混合超级电容器在连续10,000次循环后仍能保持89.6%的原始容量,从而进一步证明其优异的稳定性.本研究为合理设计各种核壳金属纳米结构提供了便捷途径,有助于促进其在高性能储能器件领域的广泛应用. 展开更多
关键词 混合超级电容器 储能器件 纳米电极材料 能量密度 纳米阵列 设备供电 金属纳米结构 电动汽车
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One-step synthesis of hierarchical Ni_(3)Se_(2)nanosheet-on-nanorods/Ni foam electrodes for hybrid supercapacitors
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作者 fangshuai chen Yanan chen +1 位作者 Qing Han Liangti Qu 《Chinese Chemical Letters》 SCIE CAS CSCD 2022年第1期475-479,共5页
Transitional metal selenides have high conductivity,even metal quality,which makes them great for using as electrode materials for fabricating supercapacitors.Here,hierarchical Ni_(3)Se_(2)nanosheet-on-nanorods on Ni ... Transitional metal selenides have high conductivity,even metal quality,which makes them great for using as electrode materials for fabricating supercapacitors.Here,hierarchical Ni_(3)Se_(2)nanosheet-on-nanorods on Ni foam(NSR-Ni_(3)Se_(2)/Ni)was fabricated by a facile three-dimensional(3D)substrate-assisted confinement assembly method,and used as a freestanding electrode material for hybrid supercapacitors(HSCs).In this design,metallic Ni_(3)Se_(2)with hybrid 1D/2D architecture could effectively enhance the active specific surface area of electrode and improve space utilization,as well as significantly facilitate electrons transport,while Ni foam served as the Ni source of Ni_(3)Se_(2)and provided 3D multi-electron transport channels,thus boosting the specific capacity.The constructed hierarchical NSR-Ni_(3)Se_(2)electrode delivered a superior areal specific capacity of 1.068 mAh/cm^(2)(7.69 F/cm^(2))at 2 mA/cm^(2)and retained 68.2%of the initial capacity when the current density increases by 15 times.Furthermore,the as-assembled NSR-Ni_(3)Se_(2)device exhibited an ultrahigh energy density of 56.4 Wh/kg and high power density of 4640.3 W/kg,and a capacity retention of 92.6%even after 6000 cycles. 展开更多
关键词 Hybrid supercapacitors Hierarchical Ni_(3)Se_(2)nanosheet-on-nanorods Freestanding electrode Ni foam-assisted confinement assembly Microstructure
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