Phase Separation and Hydrothermal Degradation of 3 mol% Y2O3-ZrO2 Ceramics

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水热和流变相法合成3D“微纳结构”LiFeP04锂离子电池正极材料

水热和流变相法合成3D“微纳结构”LiFeP04锂离子电池正极材料

中图 分 类 号 : 06 0 4
文献标识码 : A
Hy d r o t h e r ma l a n d Rh e o l o g i c a l Pha s e Me t h o d S y nt h e s i s 0 f 3 D “ Mi c r o - n a n o -
摘 要 介 绍 了通 过 采 用 水 热 法 合 成 由纳 米 片 自组 装 的 类 球 形 3 D“ 微 纳 结构” F e P O 4・ 2 Hz O前驱体 , 再 通 过
流 变相锂化 方法在 6 5 0℃氩气气氛下加 热 1 0 h , 得到 3 D ‘ ‘ 微纳结构” L i F e P O 4 锂 离子电池正极 材料 。使 用 X R D、 S E M 对产物的晶型和形貌结构进行表征 , 表 明该 3 D . ‘ 微 纳结构 ” F e P O 4・ 2 Hz O是 由约 1 0 0 n l i l 长、 3 0 n i n厚的纳 米片 自组 装而成 。对该 L i F e P O4的电化 学性 能进行测试 , 结果显示该材料 在 I O C 、 2 0 C 、 3 0 C时比容量分别达到 1 1 6 mAh / g 、 9 6
( 1 Th e I n s t i t u t e o f C o n s t r u c t i o n Ma t e r i a I s ,S c h o o l o f Ma t e r i a l s a n d Ch e mi c a l E n g i n e e r i n g,H u n a n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y , He n g y a n g 4 2 1 0 0 2; 2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Hu n a n I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y,H e n g y a n g 4 2 1 0 0 2 ) Ab s t r a c t 3 D “ Mi c r o - n a n o - s t r u c t u r e ”Li Fe PO4 c a t h o d e ma t e r i a l s f o r I . i — i o n b a t t e r i e s we r e s y n t h e s i z e d v i a a h y —

分子动力学析出相

分子动力学析出相

分子动力学析出相分子动力学析出相是一种重要的物理理论,一般用于研究分子或原子的运动,也可以用于研究固态物质的相态。

史上,分子动力学析出相已经发挥了重要作用,因为它引发了数学、物理和其他领域的发展,并且已创造出许多新的实验结果和数据,为物理学的理论提供了一个新的方向。

第一部分:理论分子动力学析出相的基本思想是在具有一定形状的容器中,不同的原子和分子以一定的动能形式移动,这会导致系统的相变。

于析出相的研究,需要将稳定的时间均衡理论与瞬态研究结合起来,以求得具有实际意义的结果。

稳定时间均衡理论以Maxwell-Boltzmann分布为基础,它描述了不同动能下原子或分子的分布情况。

于这一理论,可以推算出在一定条件下,原子或分子之间在特定空间体积内的反应和分布规律。

瞬态研究是指在特定时间间隔内,原子或分子之间的反应和物质结构变化。

于这一理论,可以推算出原子或分子之间在各种条件下的相变,并以此为基础推断出适合局部相变的参数,从而可以预测整体的系统状态。

第二部分:方法为了探究分子动力学析出相的本质,必须使用有效的实验方法,并以此结果作为基础来分析和验证分子动力学析出相的理论。

前,许多实验室及研究机构都采用了以下几种实验方法来研究分子动力学析出相:(1)热力学分析法:通过热力学分析,可以确定分子析出的相的形状、尺寸、组成等,同时确定析出相的形状、尺寸、组成等参数;(2)控制变量法:可以调节温度、压力、添加剂等变量,来控制分子析出相的形状及结构;(3)系统性研究法:通过不同析出条件及析出时间、析出环境等变量,可以确定不同析出情况下的分子动力学析出相;(4)后处理法:通过对实验数据进行分析,可以获得分子析出相的相第三部分:成果经过多年的研究,分子动力学析出相已经取得了很大的成果,其中包括有关体系结构、组成、相变条件等的理论研究,也包括了对实验研究成果的验证和运用。

举例来说,根据分子动力学析出相的理论,研究人员通过实验发现,高压、高温条件下,海水中的某些离子可以凝结成“气液”的析出相。

N掺杂TiO2纳米晶:水热.热分解法制备及光催化活性

N掺杂TiO2纳米晶:水热.热分解法制备及光催化活性

N掺杂TiO2纳米晶:水热.热分解法制备及光催化活性第1期2007年1月无机化学CHINESEJOURNALOFINORGANICCHEMISTRYV o1.23No.1Jan.,2007N掺杂TiO2纳米晶:水热.热分解法制备及光催化活性包南孙剑张锋马志会刘峰(山东大学环境科学与工程学院,济南250100)摘要:以钛酸四丁酯和氨水为原料,通过水热法制得层状钛酸铵前驱体,并在400℃下对其进行热分解,制得了N掺杂的锐钛矿TiO纳米晶.紫外.可见漫反射谱图显示,N掺杂后产物的吸收边红移至550nm左右,禁带宽度减小至2.25ev.结合X射线衍射,x射线光电子能谱,红外光谱及热重分析等表征手段,分析了前驱体的制备和热分解条件,产物的晶型转化和表面结合态及其与光催化活性的关系,探讨了层状钛酸铵的形成条件和N掺杂作用机理.本工作条件下,以氙灯为光源,水中活性艳红x.3B为探针的光催化结果表明,辐射40minX.3B的降解率为99.4%;加装紫外滤光片后,辐射120min降解率为97.8%.关键词:二氧化钛;N掺杂;水热法;钛酸盐中图分类号:O613.61;O614.41;TB383文献标识码:A文章编号:1001-4861(2007)01.0101.08N-dopedTiO2:PreparationbyHydrothermalReaction-thermolysisProcessandPhotocatalyticActivityBAONanSUNJianZHANGFengMAZhi—HuiLIUFeng (SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShandongUniversity,2501oo) Abstract:N—dopednanocrystalTiO2anatase)powderswerepreparedbycalcininglayeredtitanateprecur sorat4OOoC.Theprecursorwasobtainedviaone.stephydrothermalreactionusingtetrabutyltitan ateandammoniawater.UV—Visdiffusereflectancespectroscopy(DRS)resultsshowthattheabsorptionbandoftheN.dop edproductsisshiftedto550nmandthebandgapisreducedto2.25eV.Thesamplewascharacteriz edbyX.raypowderdiffractometry(XRD),X—rayphotoelectronspectroscopy(XPS),}-T—Infraredspectroscopy(}-TIR),thermo gravimetricanddifferentialthermalanalysis(TG—DTA,f0rthepreparationandthermolysisconditionsoftheprecursor,thecrystalphasesandsurfacebindingstateofproducts,andtheircorrelationswithp hotocatalyticactivity.TheformationconditionsforlayeredammoniumtitanateandthemechanismforN.d opedprocesseswerealsodiscussed.111eXenon—lightphotocatalyticdegradationwithliquidX.3Basaprobereactiondemonstratesthat,afterirradiationfor40min,theremovalrateis99.4%;afterirradiationwithUVfilterfor12 0min.theremovalrateis97.8%.Keywords:titania;N—doping;hydrothermalprocess;titanate自从1972年.Fujishima和Honda发现在半导体TiO2电极上将水光解成H2和02之后【ll,TiO2因具有良好的化学稳定性,机械稳定性,耐光腐蚀,低廉无毒等特性而被广泛地应用于抗污涂料,杀菌,太阳能敏化电池和光催化处理环境污染物等众多领域【.然而,作为一种宽禁带半导体,传统的TiO:只有在波长不大于387nm的紫外光照射下才具有光激发活性.而太阳光中紫外波段部分的能量仅占全部太阳能的5%左右.绝大部分可见光的能量(45%左右)尚未得到充分利用.为此,拓宽TiO:可见收稿日期:2006—08.09.收修改稿日期:2006.10-05.国家高技术研究发展"863"计划课题(No.2oo3AA60lo6o.0l删及山东大学校青年基金(No.11440o53l87025)资助项目.通讯联系人.E.mail:**************.cn第一作者:包南,男,44岁,硕士,副教授;研究方向:水处理功能材料的制备与应用.无机化学第23卷光响应的制备与改性技术研究,已成为光催化技术突破实用化瓶颈的一大热点.不少研究者借助过渡金属离子的掺杂[4,51,贵金属沉积16,71,半导体复合嘲和半导体光敏化[91等手段将TiO,光响应范围拓展到了可见光区,但目前这些方法不同程度地存在着诸如光能利用率较低,载流子的复合中心增多以及成本较高等弊端.2001年,Asahi等【l01在Science上报道了非金属氮替代少量晶格氧并促使TiO,的带隙变窄.为具有较高可见光催化活性TiO,的制备提供了全新的思路.从此以N为代表的非金属TiO,掺杂开始引起国内外学者的普遍关注Ill~141.目前N掺杂TiO2制备研究较多的是气相法和液相法.Asahi等以NH/Ar的混合气体为氮源,商品TiO,做钛源,经过600oC高温氮化得到TiOz_~N粉末,该催化剂在波长为400~6OOnm范围内的光响应明显增强Ihara等则以浓氨水为氮源,将其加入到Ti(SO4)溶液中,形成沉淀后并清洗so?一.最后在400oC下加热1h.同样成功制得了N 掺杂TiO.此外,磁控溅射法,脉冲激光沉积法等掺N方式亦见诸报导近年来国内外的研究成果表明.广谱高效和宽频响应的掺N光催化剂制备新工艺的研究.既是当前的研究热点也是未来应用的方向.本工作通过低温水热法首先制得层状的钛酸铵.经热分解后,制备了紫外一可见宽频及可见光响应俱佳的N掺杂锐钛矿型TiO,纳米晶.以水中活性艳红X一3B的光催化降解为探针.评价了其光催化活性:采用多种表征与测试手段对制备条件与前驱体的结构形态及产物的光催化活性进行了关联结果表明.在本实验条件下钛酸铵前驱体的形成是获得高活性光催化剂的关键所在.该前驱体具有避免N元素流失的"固氮作用"和热分解诱导晶化的双重功用.所提出的N掺杂工艺具有简单高效的特点1实验部分1.1N掺杂二氧化钛的制备量取一定量的钛酸四q-~(C.P.),磁力搅拌下,控制滴加速度1mL.min~,将25%的浓氨水(C.P.1按N/Ti=5:1(物质的量比1的比例缓慢滴入,将形成的白色乳浊液转移到以聚四氟乙烯为内衬的水热反应釜中(有效容积为50mL),填充度80%,于不同水热温度(120,150,180℃1下保温8h,产物用去离子水和无水乙醇离心洗涤数次.经80℃真空干燥4h后得到的白色粉末为焙烧前样品,标记为NT.HT,HT代表水热反应温度.将水热产物在不同温度下焙烧2h.形成的最终产物记为NT.HT.CT,CT代表焙烧温度.为比较.用去离子水替代浓氨水在相同条件下反应,制得了不掺氮的纯TiO2样品,记为PT.HT. CT.1.2N掺杂二氧化钛的表征采用D,IⅥAX.rA型X射线衍射仪(Rigaku, Japan)对样品进行物相分析,工作条件为:CuKot射线fA:0.15418nm1,Ni滤波片,激发衍射光的电压和电流分别为40kV和70mA.扫描角度5~-70o.扫描速度10~.min-1用PHI5300型X射线光电子能谱仪(PHI,USA)分析样品中N和O的结合态,激发源为A1Kct射线.功率为250W,工作时基础真空为2.7×10-7Pa.电子结合能用污染炭的C1s峰f284.6eV)校正.用UV.3100型紫外可见分光光度计在200~800nm范围内,以标准BaSO为参比,用积分球漫反射的方式测定粉体的漫反射谱.用Q600型SDT同步热分析仪(A)进行热性能测试,升温速度为10oC.min~,N2气氛.采用Aratar型红外光谱仪(Thermo.Nicolet,USA1,以KBr压片法测定样品的红外光谱图1.3光催化活性的评价采用LP一10o0A型氙灯f上海蓝晟电子有限公司)来模拟太阳光源,通过加装JB400型滤光片f上海有色光学玻璃厂1滤去40Onm以下的紫外光,分别测定并比较紫外可见光全波段和单纯可见光波段各样品的光催化活性实验在悬浮相反应器中进行,悬浮溶液150mL,催化剂投加量为1g.L~,以水中难生物降解的活性艳红X一3B(市售,为探针反应,起始浓度为30mg?L~.将X一3B溶液和催化剂混合后超声处理10min.于暗处静置10min.置于已开启并预热好的氙灯下照射.磁力搅拌下定时取样,经0.45m微孔滤膜过滤后,于最大吸收波长536nm处测定X一3B吸收.外标法定量,并用UV一1601型紫外可见分光光度计(Shimadzu.Japan)进行全波长扫描.同时还做了不加催化剂的光分解实验和与德I$1Degussa公司P25商品粉体的对比实验2结果与讨论2.1XRD分析图1是焙烧前样品和水热得到的NT.150经不第1期包南等:N掺杂TiO纳米晶:水热?热分解法制备及光催化活性lo3 同温度焙烧后的XRD图.由图1(A)看出,焙烧前样品的晶型受水热温度的影响很大:水热温度为120℃时.产物为无定型态,温度上升到150oC,产物为弱结晶度的层状钛酸盐[181(20~-9.4.1,温度继续升高到180℃时.产物则是高结晶度的锐钛矿TiO.Ihara等【认为.钛盐水解产物钛酸作为质子酸能够将NH质子化,使其以NH4+的形式吸附富集在产物表面.本工作中.这种结构经过一定条件的水热反应后.转变成层状的钛酸铵[18,19],这与Rhee等[191最近的研究结果类似.XRD结果表明,层状钛酸铵仅在实验中的150oC水热反应条件下才能形成按文献[201的计算方法.通过Bragg方程2dsin0=A可得到,该层状结构的层间距约0.95nm:由ScheIrer公式D=KA/~cosO估算出其层厚度约22nm由图1fB1则看出,样品NT一150的层状钛酸铵结构随焙烧温度升高而逐渐分解.该过程结束后,锐钛矿相开始形成.晶体逐渐长大,在焙烧温度达到400oC的时候已经完全转变为锐钛矿相.由ScheIrer公式计算得出.此时产物粒径约为15am.随后.焙烧温度升高到600oC时,开始出现少量的金红石相.而经800oC焙烧后,产物全部转化为金红石相.XRD分析表明,与NT一150相比,NT一120和NT.180经400℃焙烧同样可形成晶型完整的锐钛矿Ti()2(图略),但后两者在形成过程中却未见有层状钛酸盐生成.初步说明在120~180oC低温水热条件下.水热温度对N掺杂产物的形成机理有微妙而显着的影响20/(.)20/(.)(A)As'synthesizedsamplesatdifferenthydrothermaltemperatures;(B)NT-150calcinedatd ifferenttemperatures图1N掺杂样品的XRD图Fig.1XRDpatternsofN—dopedTiO22.2UV—VisDRS漫反射光谱分析.图2(A)给出了以NT-150为前驱体.分别经400,600及800oC焙烧后产物的DRS谱图不难看出,与NT一150及不掺N的PT一150-400相比.焙烧后掺N的产物出现了不同程度的红移现象.而其中尤以样品NT一150-400为甚.该样品在紫外区和可见光区均出现了具有相对最大吸收的新吸收带.最大吸收边扩展至550am左右.此时样品系黄色粉末.相比之下,经600oC和800oC焙烧后产物的吸收边仅在近紫外区有红移.且样品表观的颜色较浅,分别为浅黄色和白色.结合XRD分析结果.产物经400oC后,在由无定型转变为锐钛矿相的过程中,可形成具有可见光响应的某种含N的黄色结构物质[211,这可能是NH在整个制备过程中挥发流失少而大量参与有效掺N的外在表象反观600℃以上的高温条件下.则可能因伴随着金红石相的出现.使该结构受到破坏利用光量子能量方程E=hclA.推导出了带隙宽度Eg(eV)与入射光波长A(am)之间的关系式E= 1239.8/A,并将波长与反射率的关系图转换为带隙宽度与反射率的关系图[图2(B)].由图可知,掺N样品NT一150_40o的带隙宽度较之未掺N的样品一1O4无机化学第23卷图2N掺杂样品的漫反射谱图(A)与带隙宽度变化图(B) Fig.2DRS(A)andbandgapcurves(B)ofN-dopedTi02150-400明显降低,由3.2eV降低至2.25eV.目前关于TiO,的N掺杂机理尚存在很大争论,大致可概括为3种观点:(1)轨道杂化说【删:N与O的轨道杂化,形成新的杂化轨道并取代了原来的价带,使禁带宽度变小;(2)独立能级说:由于氮的掺杂.在原导带和价带之间形成了新能级,使光激发过程转变成2个连续过程.且每个过程需要的能量大大降低,从而响应可见光;(31氧空位说【?5】: TiO,在含氮的还原性气氛中焙烧产生了可见光活性源氧空位,掺杂可以保持TiO的稳定性.我们认为.在本工作的实验条件下氧空位结构的形成有可能是N进入TiO的晶格的重要前提.焙烧过程使得钛酸铵前驱体在诱导晶化的同时.热分解重新生成N,继而后者分解为和H【,H分解产生的活性H原子发挥还原剂的作用[251,将TiO部分还原并产生表面氧空位.为了保持TiO结构上的稳定性,N元素吸附在TiO表面之后,在一定焙烧温度下易占据TiO晶格中的氧空位,从而实现N的有效掺杂.图2(B)进一步说明,在N掺杂的过程中.带隙能的减小与氧空位的形成是同时进行的.2.3XPS分析图3给出了样品NT.150.4OO及其前驱体NT.150的XPS谱图.由图可知,NT.150样品的Nls特征峰以及NT-150-400的O1s特征峰均为非对称的宽峰.说明粒子表面N和O的物种并非是单一形式.对N,O元素分别进行了Gaussian多峰拟合处理,结果发现.Nls谱图中较强处的峰位于401.8eV,它对应于NH4+中的N原子的结合能,而位于399.7eV较弱的峰则可归属于由Ti与N结合形成的Ti.N键中N原子的特征峰[261.说明铵盐是焙烧前样品表面N的主要存在形式【.而焙烧400oC后,图3N掺杂样品表面N和O的X射线光电子能谱图Pig.3XPSspectraofNand0forthesurfaceofN-dopedTiO2一.0置Is薯口一^.0扫Is口口一第1期包南等:N掺杂TiO:纳米晶:水热一热分解法制备及光催化活性105 NH4+的N1s特征峰消失,与Ti结合的N(399.3eV)成为表面N的主要存在形式.XPS半定量结果显示.N与Ti的物质的量比约为5_4%,即N原子在TiO2~N中的物质的量分数约为1.8%.Nls谱图证实.经400℃钛酸盐热分解得到的TiO样品确实形成了N的有效掺杂.NT-150—400样品的Ols谱图则显示.位于530.3eV处的Ols特征峰可分解为位于530.1eV和532.3eV的两个特征峰.二者分别归属于TiO和TiO中的氧,且大部分的氧存在于TiO中,仅有少量的氧以Ti2o的形式存在,Ti2o的出现也证明了氧空位的存在.综上.在样品NT一150—400的制备过程中,水热和焙烧阶段均因氨的分解产生了含H,的缺氧环境.相继分步产生了少量Tia+~与N原子结合形成Ti—N键.而钛酸铵前驱体的存在及其热分解有利于N元素高度分散于结晶良好的锐钛矿TiO的晶格中.2.41-G—DTA及FTIR分析焙烧前后样品的红外光谱如图4(A1所示.谱图中3400cm和1630cnl处的2个吸收峰.分别归属于TiO,结合水中O—H键的伸缩振动和弯曲振动而3145cnl和1400cm处的2个特征峰.分别对应于NH4+的伸缩振动和弯曲振动.焙烧前NT一150中N元素主要以NH:的形式存在于水热生成的钛酸铵中.随焙烧温度升高,O—H与NH4+的上述特征峰同步减弱,标志着二者逐渐减少.焙烧温度达到40O℃时,钛酸铵完全分解,NH4+的特征峰已基本消失谱图中750~400cm—i处的峰包是TiO和Ti—O—Ti键的伸缩振动特征峰.其中焙烧前的曲线a.峰形相对尖锐.这是样品富含钛酸盐的一个旁昌氤'g≥证[271.而200~400oE之间,随温度升高响应的b,C,d 曲线依次宽化.进一步解释了钛酸盐的逐步分解.至400oE.该低频吸收峰明显宽化,同样表明钛酸盐业已完全分解而得到N掺杂TiO.图4(B)为NT150的TG—DTA曲线,从TG曲线上看.样品失重过程大致分为3个阶段.第一个失重阶段(22~165℃1失重较快.对应于DTA曲线上95cC左右有一个较大的吸热峰.表示包括水和氨等小分子吸附质的脱除.失重率约18%:第二个失重阶段(165~340℃1则相对平缓.对应于钛酸铵的缓慢分解过程.失重率约4.8%.这与红外谱图分析结果一致;最后一个失重阶段(340~450oE1已不明显,失重率仅1%.此阶段可归结为2个过程:剩余NH]热分解为和H,对应于DTA曲线上390oE左右有一个较小的放热峰,则将部分TiO还原,产生氧空位并形成非化学计量的氧化钛TiOf3](~llTi20 TiO等1,N进人其晶格并完成掺杂过程.此外,铵盐的热分解逐渐诱导无定型TiO,晶化为锐钛矿晶型.450oC附近出现的明显放热峰揭示晶化过程基本完成DTA曲线上锐钛矿向金红石相转变的放热变化依稀可辨.说明此相变热效应较小且相变温度较宽【l3J.结合XRD可知.前驱体的焙烧温度控制在400~450oE可望获得结晶完好的掺N锐钛矿TiO. 依据红外谱图和热分析结果.我们判断钛酸铵的受热分解首先是其层状结构的破坏.同时缓慢释放出NH,.虽然非封闭的加热体系容易使NH挥发逸失.但钛酸铵的形成则可将大量来源于原料分子态NH1的N元素以NH4+的形式富集于其固相中, 热分解过程中伴随着铵盐的分解,在诱导TiO,晶化【的同时又重新释放出NH.从而有效防止了N图4样品的红外光谱与热分析图Fig.4grIRspectraandTG-DTAcurvesofN-dopedTiO2106无机化学第23卷源的过早逸失.与前驱体NT一150相比.NT一120为无定型态.作为氮源的分子态NH只能部分吸附在其表面.随温度升高逸失较快.可能还未达到N的分解温度即大量逸失;NT一180为锐钛矿TiO,原料分子态NH难以吸附在其晶体表面而N元素同样难以进入其晶格.对比以上不同水热温度下的实验结果.我们认为钛酸盐的形成起到了中途的"固氮"作用.对有效的N掺杂十分有利.本文试图通过图5示意样品NT一150—400的掺N过程.即以150℃水热产物为前驱体.通过焙烧处理.在终温为40O℃的升温过程中.产物依次历经层状钛酸盐,非层状钛酸盐,无定型TjO和N掺杂锐钛矿TiO.其制备过程中可能存在如下反应:(NH4)2Ti3O72NH3T+H2TiO7H2TiO7—3TiO2+H2O2NH3N2t+3H2tTiO2+H2_+Ti5O9Ti4O7_+Ti3O5Ti203)TiO+N2—TiO2—LowCalcinationtemperatureHighRoomtemperature165℃340℃390℃4o0℃图5样品NT-15O.400的N掺杂过程示意图Fig.5SchematicforNT一150-400N—dopingpmcesses 2.5光催化活性评价控制反应液表面可见光光强490mW.cm'2r台湾产tIES一1339型照度计测定1.在紫外可见全波段的氙灯光源照射和不同催化剂作用下.水中X一3B的光催化降解结果如图6fA1所示.图中的空白实验是相同条件而未加催化剂的情况.表明X一3B的自身光分解很不明显.显而易见的是.经过400℃焙烧处理的掺N样品.其光催化活性均高于未掺N的g纯TiO2.其中又以样品NT一150—400的活性最高.光催化反应40min后.即可达99.4%的降解率.与商品P25粉体相仿.表明在与太阳光有效光谱接近的全谱氙灯照射下.水热150℃制得的样品光催化活性优良且光谱适应性宽泛:控制反应液表面"剩余"紫外光光强10mW?cm-2(台湾产TN一2340型照度计测定),在滤去紫外光的可见光源和不同催化剂作用下,水中X一3B的光催化降解结果如图6fB1所示.可(A)X-3BDegradationcurvesunderXenon—light;(B)X一3BDegradationcurvesundervisiblelight图6不同样品对X.3B的光催化降解曲线Fig.6PhotocatalyticactivityofdifferentN-dopedTiO2samples0U\U.皇譬鼻=0∞n.)(第1期包南等:N掺杂TiO纳米晶:水热一热分解法制备及光催化活性107以看出,上述样品的光催化活性顺序与图6(A1完全一致尽管可见光下因加装紫外滤光片而使光强减弱.但具有最佳光催化活性的NT一150—400样品在历经120min光催化后,降解率仍可达97.8%,从而进一步说明水热150oC保温8h.并经400oC焙烧2h是本文最佳的掺N制备条件.其在可见光区同样具有很高的光催化活性由于可见光几乎不能使纯TiO,激发,因而NT一150—400所具有的可见光活性是由于N的有效掺杂所致,这与前述表征一致.为进一步探讨N掺杂TiO,的光催化反应机理,以NT一150--400为光催化剂,对X一3B溶液的降解过程进行了紫外可见全波段扫描.图7为可见光光催化反应不同时刻溶液吸收光谱.可以看出,X一3B水溶液主要有5个吸收峰.其中450~580nin处宽化的吸收峰是由其分子中的共轭结构引起的.它使X一3B呈现特有的红色:370nm附近微弱的吸收峰归属于分子结构中氮一氮双键的吸收:其余短波紫外区的3个峰则对应于苯环和萘环的吸收随着反应的进行,X一3B的光谱吸收同步下降.反应2h 后.其在可见区及近紫外区的两个特征吸收峰接近消失.且长波区吸收降低的幅度更大,说明X一3B光催化的脱色反应基本完成尽管溶液在200~350nIn处的几个吸收峰强度也相应减弱但却并未彻底消失,说明在实验条件下.X一3B的共轭结构和氮一氮双键首先被光催化过程中产生的.OH等强氧化剂所破坏.但完全矿化前可能生成了一些更难降解的无色中间产物.这与文献[292o1等报道的纯锐钛矿TiO, 在紫外光辐照下光催化降解规律一致.但本文在最佳工艺条件下制备的光催化剂不仅对宽频的全波段光谱,而且对可见光激发均有良好的响应.图7X.3B在可见光催化氧化过程中的吸收光谱Fig.7UV—VisspectraofX-3Bundervisiblelight3结论(11采用水热一热分解法制备了N掺杂TiO纳米晶.焙烧前的前驱体物质形态与水热温度密切相关:较低时的120oC形成无定型结构,较高时的180℃则直接得到锐钛矿TiO,只有在150oC时生成层状钛酸铵f21钛酸铵前驱体经400oC热处理后可获得黄色的N掺杂TiO纳米晶.其吸收边自未掺N时的387nm红移至可见区的约550nm.主要原因可能是N掺杂形成的氧空位导致TiO,禁带宽度变窄(31层状钛酸铵前驱体的形成对TiO的N掺杂至关重要.一方面可以起到"固氮作用",使焙烧前的N源以NH4+的形式固定其中;另一方面,在焙烧过程中可通过诱导晶化和热分解缓慢释放N元素.并促其有效地掺人到TiO,晶格中.水中X一3B的光催化降解实验表明.经该前驱体所制备的锐钛矿型N掺杂TiO的光催化活性最高,是一种宽频和可见光响应俱佳的光催化剂参考文献:【1】FujishumaA,HondaK.Nature,1972,238(5358):37-38 【2】OReganB,GratzelM.Nature,1991,353(6346):737-740 【3】WangR,HashimotoK,FujishumaA,eta1.Nature,1997,388 (664o~I:431-432[4]WangJ,UmaS,KlabundeKJ.App1.Catd.:Environ,21104,48(2):151-154【5】Y amashitaH,HaradaM,MisakaJ,eta1.Catd.Today,21103, 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GongnengCailiaoYuQ{『帆Xnebao(』Func.Mater.Devi.), 2005,11(2):223-227『24]WeiHY,wuYs,LunN,eta1.上Mater.Sci.,2004,39(4): 1305-1308【25]ZhangYW,DingWZ,LUXG,eta1.Trans.NonferrousMet. Soc.China,2005,15(3):594-599【26]GoleJL,StoutJD,BurdaC,eta1.J=Phys.Chem.B,2004,108(4):123O~124o【27]W ANGBao.Yu(王保玉),WUJian-Mei(~建梅),LIGuan- Feng(李冠峰1.HuaxueYingyongYuY anjiu(Chem.Res.App1.),2006,18(3):316-319【281LIDao-Rong(~道荣),SUNLing-Na(~b灵娜),HUChang- Wen(胡长文1.GaodengXuexiaoHuaxueXuebao(Chem.上ChineseUniv.),2006,27(5):797-700【291LIYu-Hao(李昱吴),MAOLi-Qun(毛立群),ZHANGShun. u(张顺利),eta1.GanguangKexueYuGu硼瑚(to-gra.Sci.Photoch.),2004,220):383-39[30]DaiQ,ShiLY,LuoYG,eta1.上Photoch.Photobio.A:Chem., 2002,148(1-3):295-301。

hydrochar水热法

hydrochar水热法

hydrochar水热法
水热法是一种将有机废弃物转化为高附加值产品的绿色技术。

其中,hydrochar是指在高温高压水热条件下制备的炭质产物。


种方法利用水热条件下的热解和碳化作用,将有机废弃物转化为稳
定的碳质产物。

水热法的过程包括有机物在高温高压水热条件下发
生水解、脱氧、脱氢和聚合等反应,最终形成hydrochar。

这种产
物具有较高的碳含量和稳定性,可用作土壤改良剂、吸附剂、能源
原料等。

从环境保护的角度来看,水热法可以有效处理有机废弃物,减
少对环境的污染,同时将废弃物转化为有用的产品,实现资源的循
环利用。

此外,水热法还可以降低温室气体排放,对于减缓气候变
化具有积极意义。

从能源利用的角度来看,hydrochar作为一种含碳产物,具有
较高的热值,可作为生物质能源的替代品,用于发电、供热等领域,有助于减少对化石能源的依赖,推动可持续能源的发展。

从经济效益的角度来看,水热法可以将废弃物转化为具有经济
价值的产品,创造就业机会,促进循环经济的发展,对于提升资源
利用效率和推动可持续发展具有重要意义。

综上所述,水热法制备hydrochar是一种环保、能源利用和经济效益相结合的绿色技术,具有广阔的应用前景和发展空间。

生化分离工程第4讲 膜分离技术

生化分离工程第4讲 膜分离技术

Pont
业、造纸工业等
Enka/AKZO,Gambro,Asahi Chemical
血液渗析、工业 废液等
Amicon Corp.,Koch Eng.Inc., 制药工业、乳品
Nittl Denko
工业等
Permea/Air Prod.,Ube Ind., Hoechst/Celanese
医疗、燃烧过程 等
膜分离优点和缺点
➢ 在常温下进行 ➢ 有效成分损失极少,特别适用于热敏性物质,如抗生素等医药、果汁、酶、蛋白的分离与浓缩
➢ 无相态变化 保持原有的风味,能耗极低,其费用约为蒸发浓缩或冷冻浓缩的1/3-1/8
➢ 无化学变化 典型的物理分离过程,不用化学试剂和添加剂,产品不受二次污染
➢ 选择性好 可在分子级内进行物质分离,具有普遍滤材无法取代的卓越性能
10. 亲和膜分离技术概念及特点 • 11 . 电渗析的工作原理 • 12.膜的污染与处理?
膜科学的发展史
年代
科学家
主要内容
1748 1827
Abbe Nollet Dutrochet
水能自发地穿过猪膀胱进入酒精溶液,发生 渗透现象
名词渗透作用(Osmosis)的引入
1831
J.V.Mitchell 气体透过橡胶膜的研究
硝酸纤维膜的出现。
初次成功使用了人工肾 合成膜的研究,发明了电渗析,微孔过滤和血液透析等 分离工程 相转化法制出了非对称反渗透膜 发明了液膜 制出了界面反应聚合复合膜
膜工业的发展史
分离过程 年代
目前主要厂商
应用
微滤 电渗析 反渗透
渗析 超滤 气体分离 渗透汽化
1925 1960 1965 1965 1970 1980 1990

电导弛豫法测材料的氧表面交换系数和体相扩散系数

电导弛豫法测材料的氧表面交换系数和体相扩散系数

电导弛豫法测材料的氧表面交换系数和体相扩散系数感谢网友yiqieke整理此文背景:钙钛矿混合导体氧化物同时具有氧离子导电性和电子导电性, 因此已被广泛地用作固体氧化物燃料电池的阴极和透氧膜。

这类材料的性能主要由氧在其表面的交换速率以及氧在其体内的扩散速率决定。

如果可以提高这两个速率, 固体氧化物燃料电池和透氧膜的操作温度将会降低, 而在较低温度下工作的燃料电池其材料的老化程度将会有所降低, 并且寿命会更长。

因此, 如何提高这两个速率就成为了很多燃料电池和透氧膜材料研究者所感兴趣的问题。

为此, 对不同的材料我们需要测量其氧表面交换系数和体相扩散系数。

目前测定氧表面交换系数和体相扩散系数的方法主要有同位素交换法和电导弛豫法(ECR,Electrical Conductivity Relaxation)。

由于电导弛豫法所需仪器相对简单, 故应用广泛。

原理:由于钙钛矿混合导体氧化物中存在多价态的过渡金属离子(Fe、Co等), 在一定温度下突然改变氧化物所处环境的氧分压会造成过渡金属离子的变价, 同时氧化物中的氧(离子)浓度也发生变化。

若在初始时刻(t=0t=0)时氧的平衡浓度是C0C0,当外界氧分压发生突变后, 氧在t时刻的浓度为C t Ct。

C0C0到C t Ct的变化是通过氧扩散进出氧化物来实现的, 这种扩散会引起体系电导率sigma sigma的变化。

假定体系电导率和氧浓度之间存在线性关系, 则C0−C i nftyoverC t−C i nfty=sigma0−sigma i nftyoversigma t−sigma i nfty C0−CinftyoverCt−Cinfty=sigma0−sigmainftyoversig mat−sigmainfty其中, sigma0sigma0为初值时刻(t=0t=0)电导率, sigma t sigmat为氧分压突变后t时刻的电导率, sigma i nfty sigmainfty为氧浓度重新达到平衡稳定后电导率。

氢燃料电池氢水分离

氢燃料电池氢水分离

氢燃料电池氢水分离英文回答:Hydrogen fuel cells are a promising technology for clean and efficient energy production. However, one of the challenges in using hydrogen fuel cells is the separation of hydrogen from water. This process, known as hydrogen water splitting, is crucial for the production of pure hydrogen gas that can be used in fuel cells.There are several methods for hydrogen water splitting, including electrolysis and thermochemical processes. Electrolysis involves passing an electric current through water to separate it into hydrogen and oxygen gases. Thermochemical processes, on the other hand, use heat to drive the separation of hydrogen from water.One example of electrolysis is the proton exchange membrane (PEM) electrolysis. In this process, an electric current is passed through a PEM to split water intohydrogen and oxygen gases. The PEM acts as a selective barrier, allowing only protons to pass through while blocking the passage of electrons. This allows for the separation of hydrogen gas from water.Another example of hydrogen water splitting is the thermochemical process called high-temperature electrolysis (HTE). In HTE, water is heated to high temperatures and then passed over a solid oxide electrolyte. The heat causes the water molecules to dissociate into hydrogen and oxygen gases. The solid oxide electrolyte allows for the separation of the gases, with hydrogen being collected for use in fuel cells.中文回答:氢燃料电池是一种清洁高效的能源生产技术。

高温超导材料中的破对称相与自旋液体

高温超导材料中的破对称相与自旋液体

高温超导材料中的破对称相与自旋液体高温超导材料是近年来材料科学领域的一大研究热点。

在这些材料中,一个引人注目的现象是破对称相的出现以及自旋液体态的形成。

本文将深入探讨高温超导材料中的破对称相与自旋液体的性质和研究进展。

破对称相是高温超导材料中的一种普遍存在的现象。

所谓破对称,指的是在材料中某种原有的对称性不再成立。

在高温超导材料中,起草最常见的破对称相是自旋密度波(Spin-density wave,简称SDW)相。

在SDW相中,材料的自旋在空间上呈现周期性的变化,而电子的运动是有序的,形成了一种强烈的自旋序。

这种破对称相的出现对于高温超导的机制和理解具有重要意义。

自旋液体态是另一种在高温超导材料中观察到的现象。

所谓自旋液体,是指在材料中自旋自由度的动力学行为类似于液体的一种态。

与破对称相不同,自旋液体中的自旋没有确定的有序排列,而是呈现出无规律的、类似于液体的运动。

自旋液体态的形成在高温超导的研究中也具有重要意义,它为探索高温超导的机制提供了新的思路。

要理解高温超导材料中的破对称相和自旋液体态,我们需要从材料的基本结构和电子的行为入手。

高温超导材料通常由复杂的晶格结构和多种原子组成,如铜氧化物和铁基超导体等。

在这些材料中,电子之间的相互作用起着决定性的作用。

在铜氧化物超导体中,由于电子之间的库仑排斥作用和晶格畸变等因素的影响,导致了不同的自旋序和电荷序的出现。

这种破对称相的形成是由材料内部各种相互作用的竞争和平衡所决定的。

而在铁基超导体中,由于Fe离子的自旋效应和电子之间的费米液体行为,导致材料中的自旋金属态和破对称相的出现。

对于自旋液体态的形成,主要是由于材料中的自旋自由度之间存在一定的反铁磁交换相互作用。

这种相互作用会导致材料中自旋自由度的涨落增大,从而形成类似于液体的自旋运动。

研究人员发现,自旋液体态的形成与高温超导之间存在一定的联系,这为理解高温超导提供了一个新的研究方向。

值得一提的是,研究高温超导材料中的破对称相与自旋液体态并不仅限于实验方面,理论模型和计算方法也发挥着重要的作用。

SPWLA-2004-陈瀚 - 03162328

SPWLA-2004-陈瀚 - 03162328

完全及部分饱和碳酸盐岩的介质混合法则美国康涅狄格州里奇菲尔德,斯价贝谢 - 道尔研究中心,N.谢列兹尼奥夫, A.博伊德,T.哈巴希S.M. 吕蒂,荷兰代尔夫特理工大学2004年版权,由岩石物理学家和测井分析家协会(SPWLA) 及提交作者们共同所有。

本文是为在位于荷兰诺德韦克举行的SPWLA第45届年度研讨会上的演讲所做的准备,2004年6月6 –9日。

摘要电介质电缆测井传统上被用于在冲洗带确定含水孔隙度。

在碳酸盐里,冲洗带含水饱和度通常用于退出一个变量“m”插入到阿奇定律以计算未被浸入地层的含水饱和度。

使用介质测井技术的优点之一是它们能计算相当独立于盐度的地层水饱和度。

然而,在十几个不同的适用混合定律。

使用最广泛的混合法则是复折射率测量法(CRIM)。

本文中,对大范围的完全和部分饱和心进行一个广泛的研究,来确定最合适的碳酸盐的介质混合法。

本研究着重于碳酸盐,由于它们矿物学范围有限,减少了混合法则中的变量数。

构建一个新的coaxial-circular介质单元,来测量直径1.5英寸及长度1.5英寸的标准核心。

这个新单元代表介电研究向前迈出的重要一步,因为早期的设备只能测量薄圆盘或同轴钻孔芯,在控制条件下更难部分浸透。

使用新的测量单元,核心通过离心分离可以被部分浸透,到不同油水饱和度。

通过测重,及独立的实验室核磁共振测量,对饱和值进行双重检查。

在一个从300 KHz到3 GHz宽频率范围内,测量完全和部分饱和核的介电常数。

然后,把核心测量结果与几种混合法则做比较。

这些混合法是基于模型的,需要知道成分介电常数的依赖性。

我们测试了只包含体积参数作为变量的模型。

这些模型是最实用的单频介电测井工具。

简介用岩层电阻率测量法估算含烃饱和度,自从石油行业早期就一直被使用,直到现在仍然是一个广泛使用的方法。

最常见的关系式是阿奇定律及其各种衍生物。

尽管这种方法长期的经验,一些关键问题仍有待解决。

最重要的是,如果地层水电阻率未知或者是非常高,传统的电阻率解释方法会失效。

半导体光电催化分解水制氢的基本装置

半导体光电催化分解水制氢的基本装置

半导体光电催化分解水制氢的基本装置下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。

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最新电化学水处理技术.

最新电化学水处理技术.
电化学水处理技术
绪论




电化学是研究化学能和电能之间相互转化的一门学科,是 物理化学的一个重要分支 电化学工程是国民经济种一大支柱行业(氯碱、电镀……) 电化学与环境科学相结合,形成了环境电化学或环境电化 学工程的研究领域 在环境监测、环境污染物治理、清洁生产、清洁能源等方 面的应用研究快速发展 作为难降解有机物处理方面的高级氧化技术近年来成为研 究热点
发展历史


1799年Valta的Cu-Zn原电池是世界上第一个将化学能转化为电能 的化学电源 1833年建立电流和化学反应关系的法拉第定律 19世纪70年代Helmholtz提出双电层概念 1887年Arrhenius提出电离学说 1889年Nernst提出电极电位与电极反应组分浓度关系的能斯特方 程 1905年提出Tafel 公式,揭示电流密度和氢过电位之间的关系 20世纪50年代Bochris等发展的电极过程动力学 近几十年半导体电极过程特性研究和量子理论解释溶液界面电子 转移等研究
电极种类
石墨、玻碳、铂、镍、铅基合金、钛基涂层 (RuO2、IrO2)电极
辅助电极


与工作电极组成回路,使工作电极电流 通畅,保证电极反应进行 辅助电极基本要求:
不影响工作电极上的电极反应; 要求有较大的表面积,使工作电极上具有 较大的电流密度; 辅助电极本身电阻小
参比电极


已知电极电位、接近理论不极化的电极, 用于测定工作电极的电极电位 参比电极的基本要求:
与环境问题相关的电化学应用领域
应用领域 内 容
电合成
二次能源 环境监测和传 感器 污染物的电化 学处理 腐蚀防护
无机和有机化学品、金属和合金、半导体、导电聚 合物、复合物
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Tokyo Research Laboratory, Tosoh Corporation, 2743–1, Hayakawa, Ayase-shi, Kanagawa 252–1123
3 mol! Y2O 3–ZrO2 óďċíñ
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2743–1
Key-words : Zirconia, Phase separation, Hydrothermal degradation, Rietveld analysis
1. Introduction Numerous studies of Y2O3-stabilized tetragonal ZrO2 polycrystal Y-TZP have been made in the past last several decades. Especially, 3 mol! Y2O3 doped systems 3Y-TZP have been studied extensively because of its high toughness and high strength.1 The tetragonal structure in sintered body is strongly related to such mechanical property because the enhanced toughness and strength are attributed to the stress-induced phase transition of tetragonal phase.2 Tetragonal to monoclinic phase transition is accelerated under hydrothermal condition. This phenomenon is called hydrothermal degradation of tetragonal zirconia. Although many attempts have been taken to explain hydrothermal degradation, the mechanism is still controversial. So far, roughly two major theories have been proposed to explain the degradation mechanism. The first theory is drawing out of yttrium from Y-TZP by means of formation of other compound, such as Y OH 3,3 or direct leaching.4 The second mechanism is termination of Zr–O–Zr bond near the surface due to attack of H2O molecule. Sato and Shimada.5 reported that the termination of Zr–O–Zr bonds leads to reduce strain near surface. The reduction of lattice strain reduces the difference of Gibbs free energy between tetragonal and monoclinic phase. Yoshimura et al.6 suggested that terminations of Zr–O–Zr bonds allow penetrating OH ion into tetragonal lattice, consequently, lattice strain reduce an energy barrier of nucleation for tetragonal to monoclinic phase transition. Although tetragonal to monoclinic phase transition socalled martensitic phase transition plays an important rule for not only the high toughness mechanism but also the hydrothermal degradation mechanism, few studies on the crystal structure of sintered body have been made so far. Recently, a heterogeneity caused by yttrium segregation and cubic formation were reported in 3Y-TZP ceramics with highresolution TEM.7 ,8 Matsui et al.8 reported that enrichment
530
of yttrium exclusively occurs near the grain boundary and solute drag effect of yttrium play an important rule for the grain-growth mechanism. In this study, the structural changes of the sintered body were analyzed with the Rietveld analysis as a function of sintering temperature. Aging kinetics of tetragonal to monoclinic phase transition was also analyzed with the equation for nucleation-growth mechanism. The correlation between phase separated state of the sintered body and hydrothermal degradation phenomena was discussed.
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ʃபைடு நூலகம்
Phase separation and hydrothermal degradation in 3 mol! Y2O3-stabilized tetragonal ZrO2 polycrystal 3YTZP were studied by X-ray diffractometry. The Rietveld analysis showed that crystal structure of sintered body remarkably changes at high temperature. The sintered body is phase separated into high and low yttrium region with increasing sintering temperature. Both regions are assigned to the tetragonal phase. The high yttrium region can be analyzed using tetragonal phase model with c a೾1. The amount of monoclinic phase induced by hydrothermal degradation increased with increasing degradation time. Aging kinetics of tetragonal to monoclinic phase transition was analyzed with Johnson–Mehl–Avrami equation. Fraction of transformable phase evaluated with the equation is in good agreement with the fraction of low yttrium region determined with the Rietveld analysis. The quantitative analyses clearly show that the low yttrium region selectively transforms into monoclinic phase under the hydrothermal condition, while the high yttrium region does not transform. Transformable fraction during the hydrothermal condition in 3Y-TZP ceramics is governed by the amount of low yttrium region. The formation of low yttrium region due to phase separation is responsible for hydrothermal =Received February 27, 2005; Accepted May 19, 2005? degradation in sintered body.
Journal of the Ceramic Society of Japan
113 [ 8 ] 530–533 (2005)
Paper
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Isao YAMASHITA and Koji TSUKUMA
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