特殊润湿性不锈钢网的制备及其油水分离应用研究

这是一篇关于超疏水,油水分离,MOF,可切换润湿性,不锈钢网的论文, 主要内容为随着中国工农业的快速发展,含油废水排放、油泄漏等问题对水环境造成了严重污染。因此,开发一种高效、经济的油水分离方法至关重要。与传统的油水分离材料相比,基于不锈钢网的分离技术具有高通量、性能稳定和节能等优点。沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)作为金属有机骨架材料(MOFs)的一种,具有低成本、易于制备、高热稳定性以及高化学稳定性等优点。因此,研究选用ZIFs成功制备出两种特殊润湿性不锈钢网材料,旨在实现高效的油水分离、减少二次污染以及保护生态环境。同时,本研究还将致力于解决当前油水分离材料的制备过程复杂、抗污性能差、润湿性单一等问题。主要的研究内容包括:(1)通过原位生长ZIF-zni及硬脂酸乙醇溶液改性处理,成功制备了一种耐用的超疏水不锈钢网(SH-SSM)。通过调控制备过程中硬脂酸乙醇溶液的改性时间,改变不锈钢网表面的润湿性。该材料的水接触角高达158°,具有优异的稳定性和自清洁性,且在强碱条件下(p H=14)仍然保持较高的疏水性。此外,SH-SSM在重力作用下即可实现油/水混合物的分离,分离效率高达99.99%,且经20次循环后,重油/水和轻油/水混合物的分离效率分别维持在97.00%和98.00%以上。本研究针对MOFs材料的不稳定性、不耐污、易在强碱条件下分解等缺点,提出了一种绿色、简便、低能耗的疏水改性方法。该方法为MOFs材料的疏水改性提供了新思路。(2)利用丹宁酸的亲水性将原位自组装形成的ZIF-zni固定到表面光滑的不锈钢网上,成功制备了一种可切换润湿性不锈钢网(ZIF-zni@SSM)。通过调控制备过程中氯化锌和咪唑的摩尔比,改变不锈钢网表面的润湿性。该材料可在三种油水体系中实现水下超疏油性和油下超疏水性的可逆切换,并能按需分离多种油水混合物。其分离效率高达99.97%,经40次循环后,重油/水和轻油/水混合物的分离效率分别为99.60%和98.68%,展现出极好的分离性能。同时,ZIF-zni@SSM在恶劣的环境条件下也展现出优异的耐油污性和化学稳定性。此外,该材料还可应用于油/油混合物的按需分离,分离效率和分离通量分别高达99.4%和12.2ⅹ104 L·m-2·h-1。本研究针对MOFs材料的不耐污、润湿性单一等缺点,提出了一种简便、低成本的制备方法。该方法解决了目前可切换润湿性材料制备过程复杂、能耗高等问题。SH-SSM与Zl F-zni@SSM均具有高效的油水分离效率和优异的稳定性。这项研究为油水分离领域提供了一种新的解决方案,同时也为MOFs材料在油水分离领域的应用提供了更多的理论和实践支持。

MoS2界面调控锂沉积行为及电化学性能研究

这是一篇关于金属锂负极,锂枝晶,人工SEI膜,二硫化钼,不锈钢网的论文, 主要内容为随着人类对能源需求量的增加和新能源体系开发的迫切需要,具有高能量密度和长循环寿命的储能系统得到了人们的广泛关注。金属锂具有极高的比容量被当做新一代锂电池体系的研究热点。然而在实际应用过程中,金属锂表面存在枝晶生长等严重影响使用的问题,使得金属锂作为电池体系中的负极被限制。目前,针对金属锂负极在循环过程中,表面与电解液反应生成的固体电解质界面膜(SEI)机械强度不够,无法承受巨大的体积变化,也无法有效地抑制锂枝晶问题,本文提出使用三维不锈钢网(SSM)作为集流体,并在其表面通过原位电化学转化反应,构建同时具有电子和离子通道的三维复合阵列结构作为人造SEI膜抑制锂枝晶的形成和生长行为。本工作对制备的人工SEI膜进行了全面的物理化学性质表征,并通过一系列电化学测试研究了其电化学性能,探究其作为金属锂负极改性的作用机理。通过一步水热法在不锈钢网表面原位负载二硫化钼(MoS2)纳米片阵列,通过原位的电化学转化反应转变为硫化锂/钼(Li2S/Mo)结构作为人造SEI膜。具有良好导电性的不锈钢网具有一定的机械强度和规则的网状结构,起到了三维集流体的作用,有利于电子快速传输,表面电场分布均匀,不仅能承受和缓解在循环过程中的体积变化引起的电极粉碎,还可以让金属锂填充到不锈钢网纤维交织出的网格结构空间中形成连续的相,这不但可以缩短电极间的迁移距离,还降低了电极间的欧姆阻抗,最终有效提高电池的循环稳定性。片状结构阵列电极具有大的比表面积,可以为离子/电子的传输提供更多的电化学活性中心和大的电解质/电极接触面积。在锂枝晶的成核时间和生长速率相同的情况下,垂直排列的纳米通道可有效调节锂离子(Li+)通量。高离子电导率的Li2S可以有效地均匀离子流和诱导锂沿着基底骨架结构均匀沉积,大量均匀分布的Mo原子具有良好的导电性,为Li+的沉积提供电子,允许在大电流下以最小过电位传输Li+,促进锂离子的一致流动。高离子电导率纳米片层与不锈钢网紧密结合,很好的调控了锂的沉积行为,从源头上抑制了锂枝晶的生长,极大地减小了锂沉积电位。MoS2@SSM作为金属锂负极在1 m A·cm-2,1 m Ah·cm-2条件下,可以稳定循环400 h,库仑效率保持在96%以上。与磷酸铁锂(LiFePO4)组成的全电池在4.2 V的充电电压,1 C电流密度条件下,首圈放电容量高达160 m Ah g-1,表现出了显著地循环稳定性,经过了150圈循环后,放电容量仍可达130 m Ah g-1。

特殊润湿性不锈钢网的制备及其油水分离应用研究

这是一篇关于超疏水,油水分离,MOF,可切换润湿性,不锈钢网的论文, 主要内容为随着中国工农业的快速发展,含油废水排放、油泄漏等问题对水环境造成了严重污染。因此,开发一种高效、经济的油水分离方法至关重要。与传统的油水分离材料相比,基于不锈钢网的分离技术具有高通量、性能稳定和节能等优点。沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)作为金属有机骨架材料(MOFs)的一种,具有低成本、易于制备、高热稳定性以及高化学稳定性等优点。因此,研究选用ZIFs成功制备出两种特殊润湿性不锈钢网材料,旨在实现高效的油水分离、减少二次污染以及保护生态环境。同时,本研究还将致力于解决当前油水分离材料的制备过程复杂、抗污性能差、润湿性单一等问题。主要的研究内容包括:(1)通过原位生长ZIF-zni及硬脂酸乙醇溶液改性处理,成功制备了一种耐用的超疏水不锈钢网(SH-SSM)。通过调控制备过程中硬脂酸乙醇溶液的改性时间,改变不锈钢网表面的润湿性。该材料的水接触角高达158°,具有优异的稳定性和自清洁性,且在强碱条件下(p H=14)仍然保持较高的疏水性。此外,SH-SSM在重力作用下即可实现油/水混合物的分离,分离效率高达99.99%,且经20次循环后,重油/水和轻油/水混合物的分离效率分别维持在97.00%和98.00%以上。本研究针对MOFs材料的不稳定性、不耐污、易在强碱条件下分解等缺点,提出了一种绿色、简便、低能耗的疏水改性方法。该方法为MOFs材料的疏水改性提供了新思路。(2)利用丹宁酸的亲水性将原位自组装形成的ZIF-zni固定到表面光滑的不锈钢网上,成功制备了一种可切换润湿性不锈钢网(ZIF-zni@SSM)。通过调控制备过程中氯化锌和咪唑的摩尔比,改变不锈钢网表面的润湿性。该材料可在三种油水体系中实现水下超疏油性和油下超疏水性的可逆切换,并能按需分离多种油水混合物。其分离效率高达99.97%,经40次循环后,重油/水和轻油/水混合物的分离效率分别为99.60%和98.68%,展现出极好的分离性能。同时,ZIF-zni@SSM在恶劣的环境条件下也展现出优异的耐油污性和化学稳定性。此外,该材料还可应用于油/油混合物的按需分离,分离效率和分离通量分别高达99.4%和12.2ⅹ104 L·m-2·h-1。本研究针对MOFs材料的不耐污、润湿性单一等缺点,提出了一种简便、低成本的制备方法。该方法解决了目前可切换润湿性材料制备过程复杂、能耗高等问题。SH-SSM与Zl F-zni@SSM均具有高效的油水分离效率和优异的稳定性。这项研究为油水分离领域提供了一种新的解决方案,同时也为MOFs材料在油水分离领域的应用提供了更多的理论和实践支持。

磷掺杂钼基氧化物及改性不锈钢的析氢和全分解水性能研究

这是一篇关于钼基双氧化物,不锈钢网,析氢反应,双功能电催化剂,全分解水的论文, 主要内容为能源危机和环境污染是目前最具挑战的两大难题,亟待开发清洁、高效和可持续的新能源。氢能是能量密度高、产物无污染、可重复利用的新型能源,是未来取代化石燃料的最佳候选者。电解水是最清洁、高效和可再生的制氢技术,但总效率受到高电位的限制,能耗高成本大,极大地限制了其推广应用。为此,需开发高效的电催化剂以降低过电位。Pt是目前最理想的电催化剂,但因稀缺和昂贵的价格限制了其大规模应用。故开发低成本、资源丰富和高效的非贵金属催化剂具有重要的意义。本文基于地球资源丰富,价格低廉,易于获得的过渡金属氧化物和不锈钢,通过磷掺杂对钼基氧化物和304不锈钢的HER性能进行研究,采用XPS,Raman,SEM,TEM,EDX等表征方法对材料的微观形貌、晶体结构、元素价态和物质成分进行了分析。并利用LSV,Tafel,EIS,恒电位稳定性测试法(i-t)对材料的电化学性能进行了全面的研究。获得了在HER和OER上性能优异的双功能电催化剂NiMoO4/MoO2/P和ESSM/Ni-OH/P,将其分别设计了相应的全分解水试验,具体内容有三个方面:(1)通过水热法和热处理法相结合制备了NiMoO4/MoO2/P纳米棒材料。其在泡沫镍表面有序地排列,形成三维立体的表面结构增加活性位点暴露,及P原子掺杂改善了NiMoO4/MoO2的电子结构,使NiMoO4/MoO2的HER性能显著提升并具有优异的稳定性。在10 mA cm-2的过电位为43 mV,比NiMoO4/MoO2提升了181 mV,Tafel斜率为62.84 mV dec-1。(2)通过对不锈钢进行盐酸腐蚀,浸泡镍的盐溶液、磷化处理,获得了P和Ni-OH共改性的ESSM/Ni-OH/P电催化剂,其粗糙的表面结构利于活性位点暴露,P原子掺杂可活化Ni-OH,使改性后的不锈钢HER性能显著提升。10mA cm-2处的过电位比空白不锈钢SSM提升了208 mV,比磷化前的ESSM/Ni-OH提升了149mV。Tafel斜率为87.41 mV dec-1。(3)基于NiMoO4/MoO2/P和ESSM/Ni-OH/P优异的HER性能,进一步研究了其OER性能,获得优良的双功能电催化剂。将其分别组装成全分解水装置,NiMoO4/MoO2/P作为全分解水阴极和阳极材料时,在10 mA cm-2的电流密度下全分解水电压为1.56 V,ESSM/Ni-OH/P的为1.66 V。

超润湿性不锈钢网的制备及其在油水分离方面的应用

这是一篇关于油水分离,超亲水,Janus,不锈钢网的论文, 主要内容为现代工业中含油废水的大量排放以及经常性的油泄漏造成了严重的油污染,对水资源及环境带来了巨大的破坏。因此,解决油污染是十分重要的问题。相对于传统的油水分离方法,采用超润湿性材料进行油水分离的方法,能够快速低能高效地对油水混合物进行分离,逐渐成为油水分离研究的热点。本论文采用孔径大、强度高、无污染、经济易得的不锈钢网(SSM)作为基底,通过简单的原位生长的方法制备出了一种超亲水不锈钢网,并且在此基础上利用单面沉积法制备得到了高疏水-超亲水的Janus不锈钢网(Janus-SSM),可用于分离不混溶油水混合物;进一步地将超亲水不锈钢网与Janus-SSM组装形成三维的Janus不锈钢网层,并实现了乳化油水混合物的高效分离。本论文研究内容如下:(1)首先在不锈钢网上通过原位生长多巴胺和二氧化硅粒子的方法成功制备得到超亲水不锈钢网。该超亲水不锈钢网对于水的接触角为0°,水下油(正己烷、正戊烷、石油醚、异辛烷)的接触角高于150°,具有很好的水下疏油性。该超亲水不锈钢网能够用于分离轻油和水的混合物,油水分离效率达到99.80%,分离通量达45000 L·m-2·h-1,并且在20个分离循环之后仍能保持较高分离效率,表现出出色的油水分离性能;在经过强酸、强碱、高浓度盐溶液、有机溶剂的处理及砂子冲击之后仍能保持很好的润湿性能及分离效率,展现了出色的化学和机械稳定性能。(2)将所获得的超亲水不锈钢网在重油和水的相界面上单面接枝全氟硅氧烷实现单面疏水改性,然后单面沉积多巴胺而获得超亲水/高疏水Janus-SSM。该Janus-SSM的高疏水侧的水接触角为135°,超亲水侧水的接触角为0°,并且超亲水侧在水下对于正己烷、正戊烷、石油醚、异辛烷、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷等油的接触角均高于150°,具有水下超疏油性。相比于超亲水不锈钢网,该Janus-SSM既能分离重油/水的混合物,又能分离轻油/水的混合物,分离效率均高于99.50%,分离通量最高可达45000 L·m-2·h-1,在20次分离循环之后仍能保持较高的分离效率;在经过强酸、强碱、高浓度盐溶液、有机溶剂及砂子冲击等处理之后仍能够保持良好的润湿性能,具有出色的化学、机械稳定性能。(3)将所获得的单层Janus-SSM与多片超亲水不锈钢网叠加组合,得到三维Janus不锈钢网层。该三维Janus网层,不仅能够分离不混溶的重油、轻油与水的混合物,而且由于层状结构中的特殊三维通道,可以实现乳化油水混合物的高效破乳与分离,对于水包油和油包水的乳液的分离效率均大于99.30%,分离通量最高可达7000 L·m-2·h-1。

针对微生物燃料电池扩大化的新型空气阴极开发研究

这是一篇关于微生物燃料电池,空气阴极,石墨毡,不锈钢网,粘结剂,水压,双层催化层结构的论文, 主要内容为能源与环境问题已经成为当今社会人们最受关注的话题之一,微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)作为一种新型污水处理及能量回收技术,获得了广泛的关注。MFC扩大化应用有两种途径:(1)堆叠型扩大化,通过多个小、中型MFC堆叠连接实现扩大化应用;(2)单体大尺寸MFC扩大化,即扩大单个MFC体积实现扩大化应用。空气阴极MFC是扩大化的最佳选择,其中空气阴极是整个MFC系统性能和成本的限制因素。因此,针对两种MFC扩大化途径分别设计和优化阴极种类及结构具有重要意义。针对堆叠型MFC扩大化,以石墨毡为集电体、活性炭为催化剂制作石墨毡-活性炭阴极,在典型小型MFC中优化催化剂负载、扩散层负载,通过耐水压测试及中型MFC考察了石墨毡-活性炭阴极用于堆叠型MFC扩大化的可行性。结果表明:石墨毡-活性炭阴极最佳制作条件为催化剂活性炭负载20 mg·cm-2、扩散层PTFE负载80 mg·cm-2。以 28mL 小型 MFC 测得的最大功率密度(Maximum Power Density,MPD)为 1472.3 ± 10.6 mW·m-2,运行3个月后产电功率仅下降6.0%,初始(第4个周期)产电功率比泡沬镍-活性炭阴极高28.7%,单位产电成本为220.9 ￥·M-1,比泡沫镍-活性炭阴极低6.6%,具有良好的产电性能、稳定性和经济可行性。在中型MFC中阴极具有良好的长期运行稳定性,340mL中型MFC运行4个月后MPD达到136.2 W·m-3;4.5L中型MFC运行2个月后MPD达到6.5W·m-3。由此可知,石墨毡-活性炭阴极可用于堆叠型MFC扩大化。针对单体大尺寸MFC扩大化,以不锈钢网为集电体、活性炭为催化剂制作不锈钢网-活性炭阴极,并在28mL小型MFC上连接水管构建模拟大尺寸MFC水压的柱状水压反应器,研究了水压及粘结剂量对阴极性能的共同影响。结果表明:适当提高阴极PTFE粘结剂量可提高阴极在高水压下的产电性能进而提高MFC产电功率,但不影响MFC的启动过程及阳极性能;随着水压增加,阴极产电性能呈先增加而后降低,水压对阴极产电性能的影响与阴极氧气传质系数、基质消耗速率、阴极水淹等多个因素有关。此外,水压增加延长MFC启动时间、降低MFC阳极性能,这可能与产电微生物受环境变化影响、阴极透氧量、微生物代谢及电化学活性、基质浓度等有关。在单层催化层阴极研究的基础上,通过改变阴极厚度方向粘结剂含量开发了双层催化层结构的阴极,结果表明:双层催化层阴极有效降低了水压对阴极性能的影响,提高了 MFC的产电功率和长期运行的稳定型。研究发现:减少外层催化层(靠近溶液侧)的PTFE粘结剂同时增加内层催化层(靠近不锈钢网侧)的PTFE粘结剂时,双层催化层结构可提高不锈钢网-活性炭阴极的产电性能和运行稳定性。当外层催化层的活性炭与PTFE质量比为12:2、内层催化层的活性炭与PTFE质量比为12:3时,双层催化层阴极(DP3P2)MFC在第12天的平均MPD达到1502.7±52.1 mW·m-2,比单层催化层阴极MFC的高1.7%。运行3个月后,双层催化层阴极MFC的产电功率下降15.8%,而单层催化层阴极MFC的产电功率下降21.7%,此时双层催化层阴极MFC的产电功率比单层催化层阴极MFC的高9.5%。DP3P2阴极MFC在250mmH2O水压时运行至第12天的MPD达到1564.8±47.8mW·m-2。双层催化层不锈钢网-活性炭阴极能够在2000 mmH2O下长期稳定运行,且产电功率和稳定性高,适合用于单体大尺寸MFC。

MoS2界面调控锂沉积行为及电化学性能研究

这是一篇关于金属锂负极,锂枝晶,人工SEI膜,二硫化钼,不锈钢网的论文, 主要内容为随着人类对能源需求量的增加和新能源体系开发的迫切需要,具有高能量密度和长循环寿命的储能系统得到了人们的广泛关注。金属锂具有极高的比容量被当做新一代锂电池体系的研究热点。然而在实际应用过程中,金属锂表面存在枝晶生长等严重影响使用的问题,使得金属锂作为电池体系中的负极被限制。目前,针对金属锂负极在循环过程中,表面与电解液反应生成的固体电解质界面膜(SEI)机械强度不够,无法承受巨大的体积变化,也无法有效地抑制锂枝晶问题,本文提出使用三维不锈钢网(SSM)作为集流体,并在其表面通过原位电化学转化反应,构建同时具有电子和离子通道的三维复合阵列结构作为人造SEI膜抑制锂枝晶的形成和生长行为。本工作对制备的人工SEI膜进行了全面的物理化学性质表征,并通过一系列电化学测试研究了其电化学性能,探究其作为金属锂负极改性的作用机理。通过一步水热法在不锈钢网表面原位负载二硫化钼(MoS2)纳米片阵列,通过原位的电化学转化反应转变为硫化锂/钼(Li2S/Mo)结构作为人造SEI膜。具有良好导电性的不锈钢网具有一定的机械强度和规则的网状结构,起到了三维集流体的作用,有利于电子快速传输,表面电场分布均匀,不仅能承受和缓解在循环过程中的体积变化引起的电极粉碎,还可以让金属锂填充到不锈钢网纤维交织出的网格结构空间中形成连续的相,这不但可以缩短电极间的迁移距离,还降低了电极间的欧姆阻抗,最终有效提高电池的循环稳定性。片状结构阵列电极具有大的比表面积,可以为离子/电子的传输提供更多的电化学活性中心和大的电解质/电极接触面积。在锂枝晶的成核时间和生长速率相同的情况下,垂直排列的纳米通道可有效调节锂离子(Li+)通量。高离子电导率的Li2S可以有效地均匀离子流和诱导锂沿着基底骨架结构均匀沉积,大量均匀分布的Mo原子具有良好的导电性,为Li+的沉积提供电子,允许在大电流下以最小过电位传输Li+,促进锂离子的一致流动。高离子电导率纳米片层与不锈钢网紧密结合,很好的调控了锂的沉积行为,从源头上抑制了锂枝晶的生长,极大地减小了锂沉积电位。MoS2@SSM作为金属锂负极在1 m A·cm-2,1 m Ah·cm-2条件下,可以稳定循环400 h,库仑效率保持在96%以上。与磷酸铁锂(LiFePO4)组成的全电池在4.2 V的充电电压,1 C电流密度条件下,首圈放电容量高达160 m Ah g-1,表现出了显著地循环稳定性,经过了150圈循环后,放电容量仍可达130 m Ah g-1。

超润湿性不锈钢网的制备及其在油水分离方面的应用

这是一篇关于油水分离,超亲水,Janus,不锈钢网的论文, 主要内容为现代工业中含油废水的大量排放以及经常性的油泄漏造成了严重的油污染,对水资源及环境带来了巨大的破坏。因此,解决油污染是十分重要的问题。相对于传统的油水分离方法,采用超润湿性材料进行油水分离的方法,能够快速低能高效地对油水混合物进行分离,逐渐成为油水分离研究的热点。本论文采用孔径大、强度高、无污染、经济易得的不锈钢网(SSM)作为基底,通过简单的原位生长的方法制备出了一种超亲水不锈钢网,并且在此基础上利用单面沉积法制备得到了高疏水-超亲水的Janus不锈钢网(Janus-SSM),可用于分离不混溶油水混合物;进一步地将超亲水不锈钢网与Janus-SSM组装形成三维的Janus不锈钢网层,并实现了乳化油水混合物的高效分离。本论文研究内容如下:(1)首先在不锈钢网上通过原位生长多巴胺和二氧化硅粒子的方法成功制备得到超亲水不锈钢网。该超亲水不锈钢网对于水的接触角为0°,水下油(正己烷、正戊烷、石油醚、异辛烷)的接触角高于150°,具有很好的水下疏油性。该超亲水不锈钢网能够用于分离轻油和水的混合物,油水分离效率达到99.80%,分离通量达45000 L·m-2·h-1,并且在20个分离循环之后仍能保持较高分离效率,表现出出色的油水分离性能;在经过强酸、强碱、高浓度盐溶液、有机溶剂的处理及砂子冲击之后仍能保持很好的润湿性能及分离效率,展现了出色的化学和机械稳定性能。(2)将所获得的超亲水不锈钢网在重油和水的相界面上单面接枝全氟硅氧烷实现单面疏水改性,然后单面沉积多巴胺而获得超亲水/高疏水Janus-SSM。该Janus-SSM的高疏水侧的水接触角为135°,超亲水侧水的接触角为0°,并且超亲水侧在水下对于正己烷、正戊烷、石油醚、异辛烷、二氯甲烷、1,2-二氯乙烷等油的接触角均高于150°,具有水下超疏油性。相比于超亲水不锈钢网,该Janus-SSM既能分离重油/水的混合物,又能分离轻油/水的混合物,分离效率均高于99.50%,分离通量最高可达45000 L·m-2·h-1,在20次分离循环之后仍能保持较高的分离效率;在经过强酸、强碱、高浓度盐溶液、有机溶剂及砂子冲击等处理之后仍能够保持良好的润湿性能,具有出色的化学、机械稳定性能。(3)将所获得的单层Janus-SSM与多片超亲水不锈钢网叠加组合,得到三维Janus不锈钢网层。该三维Janus网层,不仅能够分离不混溶的重油、轻油与水的混合物,而且由于层状结构中的特殊三维通道,可以实现乳化油水混合物的高效破乳与分离,对于水包油和油包水的乳液的分离效率均大于99.30%,分离通量最高可达7000 L·m-2·h-1。

MoS2界面调控锂沉积行为及电化学性能研究

这是一篇关于金属锂负极,锂枝晶,人工SEI膜,二硫化钼,不锈钢网的论文, 主要内容为随着人类对能源需求量的增加和新能源体系开发的迫切需要,具有高能量密度和长循环寿命的储能系统得到了人们的广泛关注。金属锂具有极高的比容量被当做新一代锂电池体系的研究热点。然而在实际应用过程中,金属锂表面存在枝晶生长等严重影响使用的问题,使得金属锂作为电池体系中的负极被限制。目前,针对金属锂负极在循环过程中,表面与电解液反应生成的固体电解质界面膜(SEI)机械强度不够,无法承受巨大的体积变化,也无法有效地抑制锂枝晶问题,本文提出使用三维不锈钢网(SSM)作为集流体,并在其表面通过原位电化学转化反应,构建同时具有电子和离子通道的三维复合阵列结构作为人造SEI膜抑制锂枝晶的形成和生长行为。本工作对制备的人工SEI膜进行了全面的物理化学性质表征,并通过一系列电化学测试研究了其电化学性能,探究其作为金属锂负极改性的作用机理。通过一步水热法在不锈钢网表面原位负载二硫化钼(MoS2)纳米片阵列,通过原位的电化学转化反应转变为硫化锂/钼(Li2S/Mo)结构作为人造SEI膜。具有良好导电性的不锈钢网具有一定的机械强度和规则的网状结构,起到了三维集流体的作用,有利于电子快速传输,表面电场分布均匀,不仅能承受和缓解在循环过程中的体积变化引起的电极粉碎,还可以让金属锂填充到不锈钢网纤维交织出的网格结构空间中形成连续的相,这不但可以缩短电极间的迁移距离,还降低了电极间的欧姆阻抗,最终有效提高电池的循环稳定性。片状结构阵列电极具有大的比表面积,可以为离子/电子的传输提供更多的电化学活性中心和大的电解质/电极接触面积。在锂枝晶的成核时间和生长速率相同的情况下,垂直排列的纳米通道可有效调节锂离子(Li+)通量。高离子电导率的Li2S可以有效地均匀离子流和诱导锂沿着基底骨架结构均匀沉积,大量均匀分布的Mo原子具有良好的导电性,为Li+的沉积提供电子,允许在大电流下以最小过电位传输Li+,促进锂离子的一致流动。高离子电导率纳米片层与不锈钢网紧密结合,很好的调控了锂的沉积行为,从源头上抑制了锂枝晶的生长,极大地减小了锂沉积电位。MoS2@SSM作为金属锂负极在1 m A·cm-2,1 m Ah·cm-2条件下,可以稳定循环400 h,库仑效率保持在96%以上。与磷酸铁锂(LiFePO4)组成的全电池在4.2 V的充电电压,1 C电流密度条件下,首圈放电容量高达160 m Ah g-1,表现出了显著地循环稳定性,经过了150圈循环后,放电容量仍可达130 m Ah g-1。

超亲水/水下超疏油不锈钢网制备及其油水分离性能研究

这是一篇关于油水分离,超亲水,不锈钢网,耐用性,金属有机框架的论文, 主要内容为油水分离网膜材料因分离效率高、无二次污染、操作简单等特点,受到当今学者的广泛关注。然而在现实环境中,油水分离网膜材料寿命短、耐用性差,因此难以投入实际应用。为提高其耐用性和使用寿命,制备具有较高实际应用价值的油水分离网膜材料,本文通过氧化转化法和金属有机框架化合物(MOF)改性制备超亲水油水分离不锈钢网膜,实现了长期耐用性、耐腐蚀性以及耐摩擦性油水分离材料的制备。首先,以1400目不锈钢网(SSM)作为基底,通过过硫酸铵-氢氧化钠溶液氧化和单宁酸-磷酸溶液转化,制备超亲水不锈钢网膜(SHM),并对改性前后不锈钢网膜进行了一系列研究。与未改性不锈钢网相比,SHM表面粗糙度增加,亲水性及水下疏油性空气中静态水(WCA)接触角由112°降至0°,水下静态油接触角(UWOCA)由119°升至159°,证明氧化转化法改性后不锈钢网表面具有超亲水/水下超疏油性能。油水分离实验证明,SHM在分离不同类型的油水混合物的过程中,渗透通量达到40k～60k L.m-2.h-1;分离效率达到99.9%,且循环分离次数达百次以上。耐摩擦性测试结果表明,在1000-g砝码下,经过80 m磨损,SHM分离效率保持稳定。长期稳定性及耐腐蚀性测试结果表明,SHM浸泡在人工海水300天的时间里,水下静态油接触角与分离效率保持不变;浸泡在强酸或强碱性水溶液(pH 1和pH 14)15天内,分离效率保持不变。其次,以碱性过硫酸铵氧化过的不锈钢网为基底,通过NH2-MIL-101与1,3,5-苯三甲酰氯(TMC)自组装改性制备MOF-SHM。与未改性不锈钢网相比,SHM表面粗糙度增加,亲水性及水下疏油性空气中静态水(WCA)接触角由112°降至0°,水下静态油接触角(UWOCA)由119°升至160°,证明MOF改性不锈钢网表面具有超亲水/水下超疏油性能。油水分离实验证明,SHM在分离不同类型的油水混合物的过程中,渗透通量达到45k～50k L.m-2.h-1;分离效率达到99.9%,且循环分离次数达百次以上。耐摩擦性测试结果表明,在100-g砝码下,经过10m磨损,SHM分离效率保持稳定。耐腐蚀性测试结果表明,SHM浸泡在强酸或强碱性水溶液(pH 1和pH 14)10 h内,分离效率保持不变。此外,润湿后MOF-SHM被颗粒灰尘和油污污染后具有自清洁能力。