表面電荷工程
關注創建者：匿名 創建時間：2021-09-16
表面電荷工程的實例教程
然而，高濕環境中水分子形成的導電通路引起的表面電荷耗散，顯著降低TENG的輸出性能，從而影響其能量收集和長期穩定運行。課題組前期通過電荷快速積累技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2100050)及雙電容增強技術(Advanced Energy Materials, 2021, 2101958)，已顯著提升TENG高濕環境下輸出性能。但環境濕度對TENG表面電荷的影響機制尚不清楚。因此，需要一種有效的策略來提高TENG在高濕環境下的輸出性能，并進一步研究高濕環境下表面電荷的衰減機理。
近日，中國科學院北京納米能源與系統研究所王杰研究員與王中林院士領導的科研團隊提出通過介電材料選擇和表面電荷工程，提出了一種新型抗高濕度TENG。以接觸-分離模式TENG為測量工具，系統地研究了相對濕度對常用介電材料表面電荷衰減的影響。結果表明，介電材料表面剩余電荷量隨介電材料疏水性的增加而增加，高濕環境下更為明顯。此外，表面電荷的衰減與電荷種類有關，濕度條件下離子電荷比電子電荷更穩定。通過耦合高疏水介電材料聚四氟乙烯和離子注入法，TENG在90%相對濕度的極端環境下連續運行50000次，仍保持了高達91%的輸出性能。本工作的提出不僅為抗高濕度TENG的設計提供了一種范例，而且在不同環境條件和海洋能源采集等方面具有廣闊的應用前景。
圖1. 高濕環境下電荷衰減。（a）濕度環境下表面電荷耗散示意圖。（b）通過表面電荷工程在介電材料表面引入負電荷示意圖。（c）常用介電材料在90%濕度下連續運行4500次前后的表面剩余電荷。
展開 圖三：光催化產氫活性
圖3 CN和溫度調制的純水水熱羥基化氮化碳OH-CNx （x=1、2、3、4）樣品可見光（λ > 420nm）下的（A）產氫曲線圖和（B）產氫速率圖；（C）產氫循環曲線；（D）CN和等離子體機處理CN樣品產氫曲線；（E）銨鹽輔助pH調節的表面羥基修飾樣品的產氫曲線和速率圖；（F）OH-CN3 和磷酸銨輔助水熱的OH-CN樣品 Ar+刻蝕前后的O 1s XPS譜圖。
圖四：光電化學性能
圖4 CN和溫度調制的純水水熱羥基化氮化碳OH-CNx樣品可見光（λ> 420nm）下的光電流（A）和阻抗譜（B）；（C）CN和OH-CN3樣品在含有MV2+溶液中的I-V曲線; （D）CN和OH-CNx樣品表面光電壓譜。
圖五：密度泛函理論計算
圖5 表面羥基化氮化碳電子局域函數（A）和差分電荷（B）；（C）CN、O-CN和OH-CN質子吸附查分（藍色為電荷富集，黃色為電荷消耗）。
圖六：電荷分離和質子活化示意圖
圖6 表面羥基修飾聚合物氮化碳的電荷分離和質子活化示意圖
【小結】
通過溫度調制的純水水熱以及銨鹽輔助pH調控的水熱后處理實現了氮化碳表面深度羥基化，在不改變原有光吸收、能帶結構及比表面積的情況下大幅度提高了氮化碳光解水產氫效率。實驗和理論計算發現表面羥基接枝在氮化碳結構中的碳原子上，其局域極化作用增強了局部載流子分離效率，提高了體相電荷分離效率、界面電荷傳遞效率和載流子密度。同時發現表面羥基能活化鄰位的二配位氮原子，加速了對質子的吸附作用。在以上雙重作用的促進下氮化碳光解水產氫效率得到了大幅提高。該工作有望為催化劑表面極化設計增強光催化活性提供更多參考。
文獻鏈接：S. Yu, J. Li, Y. Zhang, M. Li, F. Dong, T. Zhang, H.
展開 然而由于光催化過程中的電荷快速重組問題，使得當前絕大多數光催化劑的性能無法滿足實際應用要求。構建薄層結構是一種促進光催化活性的有效措施，在體相電荷快速轉移至材料表面參與氧化還原反應過程中發揮著重要作用。相比于塊狀結構，在薄層結構中層間電荷遷移阻力減小，光生電荷的擴散距離大幅縮短，使得載流子快速遷移至表面參與反應。同時，構建各向異性共暴露晶面被認為是一種使光生電子和空穴實現晶面選擇性高效空間分離的新手段，電子和空穴沿不同方向向表面遷移可以有效抑制其在體相和表面的復合程度，極大促進光催化性能。然而目前這兩種手段還很少被同時用于調節光生電荷遷移與空間分離。能否利用層結構調控與暴露晶面協同作用促進CO2還原性能增強是一項很值得探索的課題。
【成果簡介】
中國地質大學（北京）材料科學與工程學院資源綜合利用與環境能源新材料創新團隊黃洪偉教授、張以河教授與紐卡索大學馬天翼博士指導博士生陳芳，以層狀鉍系材料BiOIO3單晶納米片為研究對象【之前該課題組已經通過增強宏觀極化來提高此材料的電荷分離和光催化以及壓電催化性能（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 11860–11864）】，可控制備了厚度可調的BiOIO3{010}/{100}晶面結，用于高效光催化轉化CO2氣體。通過控制合成條件，實現了BiOIO3單晶納米片沿[010]方向（層堆積方向）厚度的逐漸減小，從而縮短了體相電荷向表面的遷移距離，增強了光催化性能。然而研究人員發現該納米片并不是厚度越薄性能越高，當{010}面暴露比例為77.4%時，BiOIO3納米片光催化性能最高， 其CO2還原制CO產率達到其塊體的300%。
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展開 研究發現，通過在MXene表面吸附過渡金屬原子使得材料的氫吸附自由能更加接近于零，可以大大提升MXene材料的HER催化性能。在HER實驗研究方面，喬世璋課題組[5]合成了金屬硫化物/Ti3C2（金屬硫化物：CdS、ZnS和ZnxCd1-xS）納米雜化光催化劑。這種光催化劑的性能十分優異，在420 nm波長下，表觀量子速率達到了40.1%，可見光下產氫速率達到了14,342 μmol h-1 g-1。
圖7. MXene復合體系HER研究
在電催化方面，研究表明不同官能團對于MXene電催化性能有著十分顯著的影響，其課題組通過實驗和理論兩方面進行驗證發現表面覆蓋氟官能團的MXene材料對于產氫催化有著積極地影響。在實驗上，Mo2C是一種最為常見的電催化MXene材料，諸如Mo2C/2D-NPCs、氮摻雜的Mo2C[8]納米片都表現出了很好的電催化性能。
2.3 MXene在CO2RR催化方面的研究
圖8. MXene在
CO2
RR方面的理論研究
李能教授課題組從新型二維材料MXene 的表界面結構的結構計算設計出發、深入研究CO2捕獲與光催化還原的電子輸運物理機制，提出實現新型的高效光催化還原CO2材料體系的策略；研究了在酸性條件下，MXene-Tx(T=OH)中的羥基還原成H2O 的電化學機理，從理論上證明了形成干凈的MXene 表面的可行性。同時，武漢理工大學余家國課題組合成了2D/2D超薄Ti3C2/Bi2WO6異質結納米復合材料，發現其在CO2RR方面催化性能有有明顯的提升。
2.4.
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2023 Shenzhen International Automobile Surface Engineering and Anti-corrosion Technology Exhibition
時間：2023年12月06-08日
地點：深圳國際會展中心
展會負責人:金女士137 6181
（b）通過表面電荷工程在介電材料表面引入負電荷示意圖。（c）常用介電材料在90%濕度下連續運行4500次前后的表面剩余電荷。基于離子注入聚四氟乙烯薄膜的TENG在90%濕度下連續運行4500次前后的（d）電荷密度、（e）電流密度和（f）開路電壓。
圖2. 濕度和溫度對不同介電材料表面電荷衰減的影響。
海洋微生物、動植物在海洋設施表面的粘附、生長形成海洋生物污損，它給海洋工業和海洋工程裝備帶來嚴重影響。海洋防污是一個與能源、環境、國防等國家重大戰略需求相關的課題。由于海洋環境的復雜性和污損生物的多樣性，海洋生物污損的防治一直是一個國際性難題。
華南理工大學海洋工程材料團隊面向國家海洋經濟戰略需要，針對海洋工程裝備和船舶在海洋環境下的腐蝕和生物污損問題，長期從事海洋防護高分子材料的基礎及應用研究
【引言】
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【引言】
利用太陽能將CO2轉化為可再生燃料是一種理想的綠色能源獲得途徑，對于緩解溫室效應和化石能源短缺具有重要的意義。因此，開發高效的半導體光催化劑用于CO2還原引起了國內外的廣泛關注。然而由于光催化過程中的電荷快速重組問題，使得當前絕大多數光催化劑的性能無法滿足實際應用要求。構建薄層結構是一種促進光催化活性的有效措施，在體相電荷快速轉移至材料表面參與氧化還原反應過程中發揮著重要作用
【引言】
隨著科學技術的發展，日益嚴重的環境污染問題及能源短缺成為我們亟待解決的難題，而催化被認為是解決這些難題的關鍵性技術之一。傳統的催化劑廣泛存在催化選擇性差、催化劑穩定性不好及催化效率低的缺點，尋找高效，穩定性好的新型催化劑有非常重要的意義。新型過渡金屬碳化物(MXene)以其具有本征納米級層狀結構
【引言】
微/納米顆粒在諸如催化、傳感器、涂層、光電材料以及生物醫學等領域具有廣泛的應用價值。顆粒的表面物理化學性質被認為是決定其穩定性、生物活性和相容性的一個關鍵因素，因此粒子表面工程是材料設計和應用中的一個重要發展方向。目前，包括Stober涂層、層層吸附和接枝聚合策略等在內的多種表面功能化方法已經成功開發出來，然而能夠低成本、一步實現在水相中對具有不同化學組成
【引言】
能源是人類賴以生存的物質基礎，是社會和經濟可持續發展的重要物質保障。光催化技術通過直接利用太陽能驅動一系列重要的化學反應，能將低能量密度的太陽能轉化為高能量密度的化學能，從而在解決能源短缺問題上表現出巨大的潛力。相對于二氧化鈦、氧化鋅等半導體光催化劑，聚合物氮化碳由于其獨特的二維結構、能帶結構、優異的化學穩定性以及不含金屬元素等優點，在可見光驅動分解水產氫、有機物選擇性合成以及污染物降解等領域受到廣泛關注
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