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作品名称:面向人工光合作用的新型纳米超晶格材料
大类:自然科学类学术论文
小类:能源化工
简介:作品通过合成可模拟自然界绿叶光合作用的新型纳米超晶格材料,合理高效廉价的利用可再生清洁能源太阳能的巨大优势,以实现高效太阳能分解水制氢超长寿命能源存储和高灵敏度环境监测,提供了提高器件应用竞争力的新思路,协同解决了能源高效清洁循环使用的挑战与环境的现实问题。
详细介绍:面向人工光合作用的新型纳米超晶格材料李君1,全映州2指导教师:郑耿锋3(1药学院;2化学系;3先进材料实验室)摘要:作品通过合成可模拟自然界绿叶光合作用的新型纳米超晶格材料,合理高效廉价的利用可再生清洁能源太阳能的巨大优势,以实现高效太阳能分解水制氢超长寿命能源存储和高灵敏度环境监测,提供了提高器件应用竞争力的新思路,协同解决了能源高效清洁循环使用的挑战与环境的现实问题。关键词:分解水制氢,能源存储,环境监测一研究背景在经济社会文化科技等多种因素共同影响下,人类社会正飞速发展,与此同时也带来一系列能源短缺,环境污染和人类健康的问题,这对人类的生存和发展构成了威胁[1]。所以,开发可再生能源以及有效的能量储存和转换技术是21世纪的一个巨大挑战[2]。本项目开展的研究工作面向大众广泛关注的能源存储与转化问题,设计与创制面向人工光合作用的新型纳米超晶格结构,将能源存储与转化应用有效结合在一起,协同解决了能源高效清洁循环使用的挑战[3]。二研究现状与进展1超晶格材料介绍超晶格材料指的是两种或多种材料构成的周期性交替结构。20世纪初期,人们首次通过XRD发现了超晶格现象。超晶格材料通常可被应用于异质结激光器,光电探测器或雪崩二极管等器件的制作中。超晶格也是材料改性的方法之一,例如通过对石墨烯进行超晶格周期性的调控,可以使其能带结构及化学性质进行调整[4]。2分解水制氢分解水产能也是当今科学研究重点之一。在化石能源日趋减少的威胁之下,人们正在全力开发可再生能源。自从钴氧化合物在1971年第一次被发现可用于产氢催化后,钴化合物在水分解领域就收到了大量的关注。例如Wang等人利用掺杂了La的CoO/SrTiO3复合结构纳米材料进行了还原水产氢催化,随着复合结构中氧化钴含量的提升,其产氢催化效率会得到明显的提高[22]。除了无机钴氧化物以外,钴肟配合物等放生氢化酶也是优良的产氢催化剂[23]。除了还原水产氢半反应,含钴化合物对于产氧半反应也有着良好的催化效果。例如利用CoOx作为助催化剂负载于Zn2xGeO4x3yN2y半导体上时,产氧速率相对于纯ZGON半导体效率可以有接近三倍的提升[24]。Qiao等人利用MOF作为前驱体合成制得了基于多孔碳纳米线阵列,负载有四氧化三钴的产氧催化剂,其启动电位低至147V(参比可逆氢电极),而稳定电流密度可达到10mA/cm2,并保持至少30小时五明显衰减[25]。基于石墨烯的材料也是水产氧半反应的优良催化剂之一。Qiao等人研究了掺杂有不同非金属元素的石墨烯的催化产氧效率[26]。通过向单层石墨烯中掺杂如氮磷硫等元素能有效地提高其催化效率,甚至能超过金属铂。3能源存储超级电容器(Supercapacitor)是近年来出现的一种新型能源器件,它是连接传统介质电容器和电池之间的重要桥梁,因此近年来受到世界范围内越来越多的重视[5]。与常规电容器不同,其容量可达法拉级甚至数千法拉。它兼有常规电容器功率密度大充电电池能量密度高的优点。可快速充放电,而且寿命长,今后很有可能发展成为一种新型高效实用的能量储存装置,因此有人认为它是介于充电电池和电容器之间的一种新型的能源器件[6]。超级电容器在许多领域都有广阔的应用前景,如:储备太阳能风能及其它再生能源用于电动交通工具的制动便携式仪器设备数据记忆存储系统应急后备电源等方面[7]。超级电容器的电容主要来源于电极材料的表面反应,包括在电极与电解质界面的表面电荷分离(即双电层电容特性)和表面法拉第氧化还原反应(即赝电容特性)[8]。双电层电容是由高比表面的电极物质和电解液界面上发生的离子电荷及电子的分离提供能量[9],目前用于双电层电容器的电极材料主要是各种高比表面积的碳材料[10]。在金属氧化物中,以RuO2等贵重金属氧化物作为电极材料的法拉第准电容器已经应用于军事航天等领域[],但昂贵的价格限制了其更加广泛的应用。目前的研究主要集中在寻求某些廉价同时具有一定准法拉第电容的过渡金属来提高活性炭比电容上,从而为金属利用提供一条新途径[12]。而电子器件柔性化是当今的发展趋势之一。其中,以碳基材料为基底的柔性超级电容器得到了人们广泛的关注,Wang等通过对普通的打印纸表面进行化学功能化修饰,利用电子束蒸发向其上镀一层金薄膜作为电极,再利用电化学沉积法沉积聚
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