本研究以空腔细胞组成的栓皮栎为原料, KOH为活化剂制备了具有多孔结构的栓皮栎软木基多孔活性炭。以此方法制得的活性炭呈薄片状外形, 最大比表面积达到2312 m ²/g, 具有特殊的微孔-介孔结构。在呈碱性的KOH三电极体系中, 0.1 A/g电流密度时比电容达296 F/g; 两电极体系中, 5 A/g时的比电容达到201 F/g, 循环5000次后电容保持率达99.5%。在呈中性的Na₂SO₄两电极体系中, 电流密度0.5 A/g (174 F/g)至50 A/g (140 F/g)时电容保持率达80.5%, 倍率性能良好, 能量密度高达19.62 Wh/kg。

从废弃的太阳能电池片中回收多晶硅原材料对于环境保护和材料的循环再利用具有重要意义。本文研究了用化学溶解和超声清洗回收电池片的最佳条件。分别对实验样品进行EDS、SEM、XPS分析, 得出结论: 电池片与质量分数为10%的氢氧化钠溶液反应18 min完全去除铝电极, 且硅晶片的损失率较小; 将完全去除铝电极的电池片在40 kHz超声清洗20 min后银电极完全剥落; 电池片与40%氢氟酸溶液反应10 min可以去除氮化硅膜。本研究对质量为8.9068 g的单片电池片进行了定量分析, 除去的铝电极质量为1.1102 g, 回收得到了0.0766 g的银电极和7.7169 g的硅晶片。

热电器件的界面稳定性是决定其服役可靠性和寿命的关键因素。对于方钴矿热电器件, 为了抑制高温电极与方钴矿材料之间的相互扩散, 需要在两者之间加入阻挡层。本工作选用Ti₈₈Al₁₂作为阻挡层, 利用一步法热压烧结制备n型Yb_0.3Co₄Sb₁₂/Ti₈₈Al₁₂/Yb_0.3Co₄Sb₁₂和p型CeFe_3.85Mn_0.15Sb₁₂/Ti₈₈Al₁₂/CeFe_3.85Mn_0.15Sb₁₂样品, 研究Ti₈₈Al₁₂阻挡层与热电材料间的界面接触电阻率及微结构在加速老化实验中的演化规律。结果表明: 在相同的老化条件下, n型样品的界面接触电阻率增加速度比p型样品慢, 其激活能分别为84.1 kJ/mol和68.8 kJ/mol。对于n型样品, 由元素扩散反应生成的金属间化合物中间层的增长及最终AlCo/TiCoSb层的开裂是导致界面接触电阻率增加的主要原因; 而p型热电材料与Ti₈₈Al₁₂的热膨胀系数的差异加速了p型样品中界面裂纹的产生。

以硝酸镍、钼酸钠和多壁碳纳米管为原料, 通过水热反应法制备了钼酸镍/多壁碳纳米管(NiMoO₄/MWCNTs)复合材料。采用扫描电子显微镜、X射线能谱和X射线衍射对材料组成和形貌进行表征。结果表明: MWCNTs 很好地包覆在球状NiMoO₄外表面, 且各元素均匀地分布在材料中。循环伏安和电化学阻抗实验证实MWCNTs显著增强了NiMoO₄的氧化还原信号和电荷转移动力学特性。电容测试实验进一步表明, 复合材料较NiMoO₄单一材料具有更高的比电容、倍率特性及循环稳定性, 且当MWCNT含量为40 mg时, 所得产物(NiMoO₄/MWCNTs-40)具有最佳的电化学性能。电流密度为2 A/g时, NiMoO₄/MWCNTs-40复合材料的比电容高达1071 F/g; 当电流密度增大到10 A/g时, 比电容仍能保持原来的66.10%。在10 A/g的电流密度下, 经过2500次循环充放电后, NiMoO₄/ MWCNTs-40复合材料的比电容保持率高达95.85%, 表明该材料具有出色的循环稳定性。

量子点敏化太阳能电池(Quantum Dot-Sensitized Solar cells, QDSCs)制备工艺简单, 制造成本低廉, 是一种有希望的新型太阳能电池。QDSCs利用量子点具有光谱吸收强、尺寸可调和多激子效应等优点, 能够提高其光电转换效率; 同时, 利用无机量子点替代染料作为敏化剂, 能够解决染料敏化太阳能电池(DSCs)的稳定性问题。但是, QDSCs光电转换效率较低是制约其应用的主要问题。近年来, 通过改变和调控对电极的材料和电子特性提高QDSCs的光电效率的方法受到了广泛关注。本文综述了QDSCs对电极材料的制备方法、微观形貌和晶体结构; 重点分析了金属化合物、复合材料、杂化材料、多元金属硫族化合物、导电聚合物和碳材料对电极对量子点敏化太阳能电池的电荷转移阻抗、光电性能等参数的影响; 并分析影响其电催化活性和电子传输性能的主要因素。最后, 提出通过表面修饰、复合和杂化等方法构筑新型对电极材料, 进而改善和提高QDSCs转换效率和稳定性, 是今后的研究重点和研究方向。

通过溶胶-凝胶法制备了孔径小于1 μm的多级孔径新型石墨烯气凝胶。制备过程中, 首先通过Nafion对氧化石墨烯(GO)表面进行化学修饰, 并利用乙二胺还原制备石墨烯水凝胶, 最终通过冷冻干燥形成石墨烯气凝胶。实验发现Nafion可以有效减少制备过程中氧化石墨烯的团聚, 使石墨烯气凝胶形成多级孔径形貌。所得石墨烯气凝胶的孔径可控制在1 μm以内, 远小于传统石墨烯气凝胶材料的孔径(20~100 μm)。这种具有独特结构的石墨烯气凝胶表现出优异的性能, 例如高比表面积, 高孔隙率, 其电化学电容性能相对传统气凝胶提高了约40%。

通过水热法在泡沫镍上成功制备了纳米结构的NiCo₂S₄薄膜, 主要包括前驱体制备及硫化过程。研究表明, 制备过程中添加不同种类的表面活性剂会对NiCo₂S₄薄膜的形貌、结构和电化学性能产生影响。添加表面活性剂后, NiCo₂S₄会自组装逐渐形成三维纳米片网状结构。在所有的NiCo₂S₄薄膜中, 添加SDS表面活性剂的薄膜表现出最高的比电容(在0.5 A/g电流密度下达到2893 F/g)、出色的倍率特性(在10 A/g电流密度下达到1890.6 F/g)和良好的循环稳定性(1000次循环后保持率为96.1%)。研究结果表明纳米网状的NiCo₂S₄是一种极具潜力的超级电容器电极材料。

光电催化分解水是绿色制氢的重要途径之一。由于水氧化反应在热力学和动力学上极难发生, 因而制备高效光阳极成为光电催化分解水的瓶颈问题。为满足未来商业化应用需求(太阳能制氢转换效率>10%), 研制高效光阳极成为亟待解决的关键难题。研究表明, 具有价格低廉、吸光性良好、毒性小且光电化学稳定性高等突出优点的可见光响应型氧化物: WO₃、α-Fe₂O₃和BiVO₄,是目前光电催化分解水用光阳极的理想材料。在过去几十年里, 围绕该类氧化物光阳极的研究已取得显著成果。本文重点论述了高效光电催化分解水制氢用WO₃、α-Fe₂O₃和BiVO₄光阳极改性的研究进展。另外, 文中简述了此类可见光响应型氧化物光阳极在无偏压光电催化分解水中的研究现状, 并提出其存在的问题及未来发展方向。

采用模板复型辅助的化学气相沉积法(CVD)成功制备出一种非贵金属的氧还原反应(ORR)催化剂材料—包裹碳化钨纳米粒子的石墨化介孔碳(WC/MG)复合物。制备的介孔结构WC/MG复合材料不仅具有高氧还原反应电化学催化活性, 还表现出良好的电化学稳定性。在O₂饱和的0.1 mol/L KOH电解质溶液中, 900℃制备的样品WC/ MG-900其半波电势(E_1/2)和极限电流密度仅比商用贵金属催化剂Pt/C分别低50 mV 和 0.2 mA/cm²。Koutecky- Levich曲线和旋转环盘电极实验均表明, 该介孔结构的WC/MG复合材料表现出近似4电子的ORR反应途径, 具有可与Pt/C催化剂相比拟的ORR催化活性, 以及比Pt/C更优越的电化学稳定性和耐甲醇性能, 使得该介孔结构WC/MG复合物在氧还原电极材料中表现出良好的应用前景。

二氧化钛(TiO₂)是钙钛矿太阳电池中最常用的电子传输材料, 研究发现其形态对MAPbBr₃太阳电池的器件转化效率可产生直接影响。研究不同形态TiO₂对钙钛矿太阳电池转化效率的影响机制对进一步认识此类太阳电池的工作机理十分必要。本工作使用旋涂法制备了不同形态的TiO₂, 而后采用反溶剂室温结晶的方法在TiO₂基底上进一步制备MAPbBr₃(MA = CH₃NH₃)薄膜, 并通过X射线光电子能谱(XPS)详细研究了TiO₂与MAPbBr₃接触界面的能级位置关系。研究结果表明: 不同形态的TiO₂ 在与钙钛矿接触后形成的导带差异不同; 不同的导带能级差可直接影响MAPbBr₃钙钛矿电池中电子的传递与收集, 进而影响电池的转化效率。

采用流延-共压-共烧结法制备了具有多孔|致密|多孔Zr_0.84Y_0.16O_2-δ-La_0.8Sr_0.2Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ (YSZ-LSCF)结构的透氧膜和多孔YSZ-LSCF|致密YSZ-LSCF|致密YSZ|致密YSZ-LSCF|多孔YSZ-LSCF结构的固体氧化物燃料电池。采用浸渍法在多孔层内壁上沉积了具有高催化活性的LaNi_0.6Fe_0.4O_3-δ (LNF)纳米颗粒, 随着LNF浸渍量的提高, 会在多孔层内壁上形成连续的导电网格, 增加电化学反应活性位点, 进而显著改善电极性能。当LNF浸渍量为12wt%时, 电极性能达到最优, 在800℃时阴极和阳极极化阻抗分别为0.26和0.08 Ω∙cm², 在空气/CH₄梯度中氧渗透速率为7.6 mL/(cm²∙min), 比未浸渍前提高了14倍。阻抗谱分析表明空气侧氧还原反应中的电荷转移反应是氧渗透过程的速率控制步骤。