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材料研究与应用
材料研究与应用

梁振锋

季刊

1673-9981

gdys6108@163.net

020-61086285 37239026

510650

广州市天河区长兴路363号

材料研究与应用/Journal Materials Research and Application
查看更多>>本刊主要刊登有色和稀有金属的选矿与冶炼、金属材料与加工、粉末冶金、选冶药剂、分析检测、焊接技术、自动控制、节能技术等学科的学术论文、科研成果、理论探讨、专题性或综合性的动态评述等。
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    等离子体技术在储能材料中的应用:从缺陷工程到性能优化

    姚嘉诺梁丽涛谭诗怡陈柔彤...
    849-865页
    查看更多>>摘要：随着全球对可再生能源需求的迅速增长,开发高效、环保的电化学储能技术已成为关键的研究课题.储能装置的性能高度依赖于电极材料的选择与改性,这直接决定了其能量密度、功率密度和循环寿命.然而,传统材料合成与改性方法通常伴随着高能耗、工艺复杂及环境污染等问题.等离子体技术作为一种新兴材料处理技术展示了独特的优势,通过引入氧空位、硫空位等缺陷结构,其可以精准调控材料的电子结构,显著提升导电性和电化学性能.同时,等离子体技术能够在低温下对材料实现快速合成与表面改性,简化传统工艺并有效降低能耗.因此,对等离子体技术在储能材料中的应用进行了系统地总结,重点分析了其在缺陷工程、元素掺杂和表面改性等方面的作用.研究表明,等离子体处理显著提高了材料的导电性、离子扩散能力及循环稳定性,特别是在锂离子电池、钠离子电池和超级电容器等储能装置中的应用,展示了优异的性能提升.此外,等离子体技术能够实现高效的杂质掺杂,确保材料结构的均匀性并增强其电化学活性.尽管等离子体技术在实验室中取得了显著的成果,但大规模应用仍面临设备成本、反应精度控制等挑战.未来的研究应聚焦于工艺优化、成本控制及结合其他先进技术,以推动等离子体技术在储能材料中的产业化应用,助力可再生能源系统的可持续发展.

    等离子体技术储能材料电化学性能缺陷工程表面改性元素掺杂锂离子电池超级电容器

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    类沸石咪唑酯骨架材料及其衍生物在锂离子电池负极材料中的应用

    左卫朋周健恩陈跃颖马国正...
    866-880页
    查看更多>>摘要：锂离子电池作为关键的能量存储装置,在可再生能源和电动汽车等领域中发挥着至关重要的作用.类沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs,Zeolitic imidazolate frameworks)是典型的有机框架(MOFs)材料,其可控的孔隙结构和丰富的表面功能性使之成为锂离子电池理想的负极材料之一.综述了ZIFs材料及其衍生物在锂离子电池负极材料中的应用.直接利用类沸石咪唑酯骨架作为锂离子电池负极材料,其多孔结构有利于锂离子的存储和传输,可以显著缓解电极材料在充放电过程中的体积膨胀压力,提高电池的循环寿命和稳定性.通过热处理和化学转化,ZIFs可以转化为衍生物形态,如多孔碳材料、金属氧化物、金属卤化物、金属磷化物及硅复合材料等,这些形态的衍生物不仅保留了ZIFs的结构优势,而且还拥有各自的化学特性,在电池应用方面展现出优异的性能.重点介绍ZIFs金属氧化物和金属卤化物的应用,由于其高理论容量和良好的电化学性能,已成为高能量密度负极材料的有力候选材料.此外,尽管ZIFs及其衍生材料在实际应用中面临一些挑战,如成本较高和制备工艺复杂,但随着研究深入和技术进步,这些问题有望逐步解决.通过优化制备工艺和材料设计,可以进一步提升ZIFs及其衍生材料的电化学性能和实际应用价值.类沸石咪唑酯骨架及其衍生材料在锂离子电池负极材料中的应用前景广阔.

    类沸石咪唑酯骨架衍生材料锂离子电池负极多孔碳材料金属氧化物金属卤化物金属磷化物

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    金属有机框架及其复合材料在葡萄糖无酶电化学传感器中的应用

    朱科达朱荣妹
    881-889页
    查看更多>>摘要：糖尿病是全球发病率上升最快的慢性病之一,有效监测糖尿病患者的血糖水平对于糖尿病的控制与治疗至关重要.电化学方法作为众多血糖监测技术中的一种,因其简便性、快速响应和高灵敏度而受到青睐.传统的贵金属材料具有独特的物理化学性质,在葡萄糖检测中表现出良好的传感能力,但高昂的成本阻碍了其用作基础电化学传感材料.相较而言,过渡金属在自然界中储备量大、化学性质稳定、制备工艺简单,因此在葡萄糖传感领域中表现出一定的应用潜力,现已成为主流的研究方向.金属有机框架(MOF)是由过渡金属离子和有机配体组成的多孔配位聚合物,其独特的结构多样性、高比表面积和生物相容性,使其在传感器领域中表现出巨大的潜力.特别是,近年来通过对MOF进行调节,如合成双金属MOF、MOF与导电材料相复合等,提高MOF及其复合材料的电化学活性,实现在无酶参与情况下对葡萄糖的电催化氧化,这在无酶传感器的研发中尤为重要.总结了近年来MOF及其复合材料在葡萄糖无酶传感器中的应用,包括单金属MOF、双金属MOF、MOF与金属相复合材料、MOF与碳材料相复合材料等.阐述了MOF及其复合材料检测葡萄糖的机理,讨论了各类MOF基葡萄糖传感器的优缺点.最后,指出了MOF葡萄糖无酶传感器材料存在的问题,同时对MOF在未来葡萄糖无酶传感器中的发展作出了展望.

    金属有机框架单金属双金属碳材料复合材料无酶传感器电催化葡萄糖检测

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    磷酸酯类非易燃电解质调控钠离子电池性能的研究进展

    王泷胡郑李志斌黎晋良...
    890-900页
    查看更多>>摘要：随着钠离子电池技术的不断发展,电池的能量密度显著提高,推动了移动电子设备、储能系统和电动汽车等领域的创新.然而,电池的安全性,尤其是高能量密度电池的安全性,成为了亟需解决的问题.近年来,随着储能电站和电动汽车的普及,由电池热失控引发的火灾事件屡见报道,进一步加强了社会对电池安全的关注.电池热失控通常源于电池内部电解质与电极材料的化学反应,尤其是在极端操作条件下,易燃的电解质和电极材料可能发生剧烈的放热反应并释放气体,从而引发电池热失控,导致火灾甚至爆炸.为解决这一安全隐患,研究人员提出了多种改善方案,其中最瞩目的方案之一是采用不可燃液体电解质.为此,磷酸酯类非易燃电解质备受关注,近年来在电池领域中的应用研究取得了显著进展.磷酸酯类电解质不仅具有较高的热稳定性、宽的电化学窗口和较低的蒸气压,而且还在高温条件下展现出良好的安全性,且对电池循环性能的负面影响较小,甚至在某些情况下可提升电池的整体性能.因此,对磷酸酯类非易燃电解质在钠离子电池领域的应用现状进行深入探讨,重点梳理了其在提升电池安全性方面的优势.通过对磷酸酯类非易燃电解质的物理化学性质、电化学性能及其与电极材料的相容性进行详细分析,总结了磷酸酯类电解质在钠离子电池中的作用,并提出了优化电解质组成、改善电解质与电极材料的界面相容性、提高电解质的热稳定性的策略.通过采用磷酸酯类添加剂或结合磷酸酯类非易燃溶剂的方式,能够有效提升钠离子电池的热稳定性,拓宽电池的工作温度范围,为在商业化储能应用中钠离子电池安全性的提升提供重要支持.

    钠离子电池电解质优化电解质组成磷酸酯电解质非易燃电解质界面相容性电化学性能提升安全电池

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    储能用水系钠离子电池电极材料研究进展

    陈永鑫单晓龙吴江涛王文俊...
    901-915页
    查看更多>>摘要：在全球能源日益加剧的背景下,开发与利用风能、太阳能、潮汐能等可再生能源成为当务之急.伴随绿色能源的迅猛发展,电化学储能技术中的二次电池,因其在储能领域中具有调节绿色能源电力输出的平稳性和稳定性而备受关注.其中,水系钠离子电池因具有资源丰富、高安全性、高离子电导率及制备工艺简便等优点,正逐渐成为未来储能系统中的重点研究方向.尽管水系钠离子电池的潜在优势显著,但其在实际运用中仍面临着诸多挑战(如循环稳定性不佳、可供选择的电极材料体系比较有限及电池容量较低等),这主要是因电极材料在水溶液中的电化学窗口过窄和化学稳定性不足,限制了电池的使用寿命,从而阻碍了其大规模应用.因此,优化现有电极材料及开发新型材料,成为提升水系钠离子电池性能的关键.简要概述了水系钠离子电池系统的特点,并对其正、负极材料的最新研究进展进行了详细的阐述,如材料的合成方法、结构设计、电化学性能及应用前景.同时,对水系钠离子电池的未来发展方向进行了展望.本研究旨在为新型电极材料的研发及水系钠离子电池技术的加快发展提供理论依据.

    可再生能源电化学储能水系钠离子电池正极材料负极材料循环性能充放电容量未来发展方向

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    电催化CO2还原的原位谱学研究进展

    王俊陈腾飞巨文博
    916-933页
    查看更多>>摘要：可再生电力驱动的电催化二氧化碳还原反应(CO2RR)能将CO2转化为具有经济价值的燃料和化学品,是实现"碳闭环",达成"碳达峰"和"碳中和"的关键技术.CO2RR产物之一的甲酸(HCOOH)经济附加值是重要评价因素,以低耗能、高价值而获得学术和产业界的广泛关注.由于p区金属(如锡、铋、铟、和铅)能以高法拉第效率催化CO2RR而产生HCOOH,因此探究其催化机理和反应活性位点,能够为研发实用型催化剂和优化反应环境提供重要基础支撑.总结了原位观测技术在研究p区金属催化CO2RR机理和活性位点中的应用,常用的原位观测技术包括拉曼光谱、红外吸收光谱、X射线吸收谱和差分电化学质谱,借助原位观测技术不仅可以分析催化剂表面的化学成键、分子结构、结晶度等信息,还能在电位动态扫描过程中以毫秒的时间分辨对电化学反应产生的气态或易挥发产物,从而进行定性或定量分析.通过原位观测或工况条件下获取的实验数据确认CO2RR的催化成分,构建反应路径图,为进一步设计高性能、高稳定性的催化剂提供了必要条件.此外,合金化是改良催化剂性能的主要策略之一,简要讨论了p区金属合金化对电子结构、表面性质、催化效果的影响.通过总结原位观测技术对在p区金属催化研究的重要作用,为CO2RR工程化发展提供坚实基础和创新思路.

    p区金属二氧化碳还原甲酸原位观测技术拉曼光谱红外吸收光谱X射线吸收谱差分电化学质谱

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    缺陷型电催化剂在氧还原反应中的应用

    刘雨梅雪丽陈斌谢洪涛...
    934-945页
    查看更多>>摘要：氧还原反应(ORR)在现代能量转换和先进合成技术中扮演着至关重要的角色.对于燃料电池及金属-空气电池而言,ORR在提升能量效率和增强稳定性方面发挥着不可或缺的作用.此外,在绿色合成过氧化氢的过程中,ORR同样发挥着不可替代的作用.然而,ORR的缓慢动力学特性限制了这些技术的发展,因此需要合适的催化剂来调控和加速该反应变得尤为迫切.在众多催化剂中,贵金属催化剂因具有良好的导电性、高的电化学活性和优异的稳定性等优点而展现出较好的ORR性能,但这些催化剂因价格昂贵和地球储量低等限制了大规模应用的可行性.因此,探索和开发非贵金属基ORR催化剂,尤其是通过缺陷工程策略来对非贵金属催化剂的性能进行调控和优化至关重要.在深入阐述ORR机理的基础上,综述了含缺陷的非贵金属催化剂在ORR研究中的最新进展,分别探讨了边缘缺陷、空位、拓扑缺陷等本征缺陷及杂原子掺杂对催化活性的影响.同时,梳理了这些缺陷在促进特定电子转移路径中所起到的关键作用.此外,对单原子催化剂、双原子催化剂及金属氧化物中存在的缺陷在ORR中的应用潜力进行了综述.最后,对ORR催化剂的未来研究方向进行了展望,指出含缺陷非贵金属材料由于独特的结构和组成,在催化ORR中会展现出广阔的应用前景.

    氧还原反应缺陷工程过氧化氢杂原子掺杂碳基催化剂金属氧化物绿色合成燃料电池

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    过渡金属LDH材料电解水析氧性能研究进展

    王清清袁嘉璐孙豫胡文清...
    946-952页
    查看更多>>摘要：氢能作为一种清洁能源,具有解决环境污染和能源短缺问题的巨大潜力.电催化水分解是一种可持续的制氢技术,因其高效性和环境友好性而备受关注.然而,水分解过程中析氧反应(Oxygen evolution re-action,OER)动力学迟缓,通常成为限制整体水分解速率的瓶颈.因此,开发高效的OER催化剂是提高水分解效率的关键.过渡金属基层状双氢氧化物(Layered double hydroxides,LDH)材料,因其丰富的活性金属位点和可调的结构特性,在电催化水分解领域中展现出巨大潜力.研究表明,通过优化和修饰LDH结构,可以显著增强其在OER中的催化效能和稳定性.镍、钴、铁过渡金属基材料,因具有丰富的活性位点、高表面积和优异的电子传输特性,在水分解过程中表现出独特的优势.采用钨酸硼(BWO)阴离子插层的方法,诱导 NiFe LDH发生不可逆的晶格畸变,从而提升其 OER活性.D-NiFe LDH材料在10 mA∙cm-2电流密度下的过电势为209 mV,在500 mA∙cm-2电流密度下过电势为276 mV.此外,通过构建异质结构调节活性位点的电子结构,可进一步提高电催化性能.S掺杂的Co3Se4/Fe3Se4(S-Co3Se4/Fe3Se4)由CoFe-LDH纳米线-纳米片阵列构成,硫的掺杂不仅优化了电子结构,还增加了活性位点的数量.S-Co3Se4/Fe3Se4 在1.0 mol∙L-1 的KOH溶液中表现出优异的OER性能,在100 mA∙cm-2 的电流密度下过电势为255 mV,且稳定性良好.采用不同修饰方法,LDH材料的电催化性能均可得到显著提升,为实现高效、低成本的电催化水分解技术提供了新的可能性.

    层状双氢氧化物二维材料异质结构缺陷工程杂原子掺杂形貌控制水制氢OER

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    层状双金属氢氧化物的改性及其在电解水中的研究进展

    贾彦明解玉龙
    953-968页
    查看更多>>摘要：随着环境污染和能源危机的日益严重,寻找清洁、高效、可持续的能源已成为一个紧迫的问题.近年来,氢能作为一种高能量密度的绿色能源备受瞩目.电解水技术因具有操作简单、效率高、环境污染小等优点,成为最引人关注的大规模制氢的方法.然而,电解水技术面临反应过电位高和反应动力学缓慢的问题,降低电解水反应所需电压是实现高效制氢的关键.贵金属(如铂、铱、钌等)作为阴阳两极的基准催化剂,在电解水过程中表现出优异的催化性能,但其稀缺性和高成本严重阻碍了电解水的工业化发展.因此,开发高效、廉价且储量丰富的非贵金属基阴阳两极催化剂,对电解水技术的发展具有重要意义.层状双金属氢氧化物(LDH)是具有层状结构的新型无机功能材料,因其具有组成易调节、制备难度低、反应表面较大等优点,在电催化分解水中发挥了重要的作用.然而,LDH也存在稳定性差、层状结构易卷曲及电催化反应机理不清等问题.为解决上述问题,对LDH的层状结构和电解水的机理进行了总结,重点探讨了LDH的改性方法,包括元素掺杂、构建异质结构和杂化工程等,同时阐述了改性方法在电解水中的应用.最后,对电解水催化剂未来的发展方向进行了展望.

    层状双金属氢氧化物电解水改性析氢析氧电催化异质结构掺杂

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    氮掺杂碳层包覆椭球状多孔微米硅负极材料的制备及储能研究

    旋瀚霖孙京菲郑昕睿王晟懿...
    969-976页
    查看更多>>摘要：硅(Si)材料因高的理论比容量(4 200 mAh∙g-1)和优异的嵌锂容量,被广泛认为是下一代锂离子电池最具有潜力的负极材料.近年来,各种纳米和微米尺度的硅材料被设计和合成,如纳米硅线、空心球等.相比于昂贵的纳米硅材料,微米硅材料因容量高和成本低,逐渐成为锂离子电池负极材料的重要研究方向.然而,微米硅负极材料在脱嵌锂的过程中存在严重的体积膨胀和粉化问题,导致其首次库伦效率低,循环稳定性差.为此,采用两次酸刻蚀法和原位聚合反应,以微米铝硅合金球为原料,制备了氮掺杂碳层包覆的椭球状多孔微米硅(CPSi@CN)复合材料.结果表明,CPSi@CN的多孔结构有效缓解了硅在循环中的体积膨胀,促进了离子传输.说明,表面纳米碳层能调控CPSi@CN复合材料的体积膨胀,减少副反应,从而提高了循环稳定性.同时,氮元素的掺杂进一步提升了碳层的离子传输性能和导电性,增加了活性位点.作为锂离子电池负极材料CPSi@CN,其在 2.4 mg∙cm-2 的负载量和 1.0 A∙g-1 的电流密度下循环100次,比容量仍保持为 705.16 mAh∙g-1、首次库伦效率达到 80%,在 5.0 A∙g-1 的电流密度下比容量为429.97 mAh∙g-1,当恢复至小电流0.2 A∙g-1时容量恢复率达92%.表明,所制备的CPSi@CN负极材料,具有高的首次库伦效率、优良的倍率性能和循环稳定性,在电动汽车和储能设备等领域的应用前景广阔.

    微米硅负极材料酸刻蚀原位聚合多孔结构纳米碳层氮掺杂锂离子电池

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