在铜电极上

扫描电镜优秀论文赏析｜基于强 p-p 堆积效应的具有大内置电场的层堆积聚酰亚胺用于快速锂离子存储海南大学材料科学与工程学院 陈文参赛论文：Layer stacked polyimide with great built-in electronic field for fast lithium-ion storage based on strong p-p stacking effect发表期刊：Energy Storage Materials根据参与储能反应的活性氧化还原官能团的不 同，有机电极材料 可分为导电聚合物、有机硫化合物、有机自由基和羰基化合物。其中羰基化合物因电化学活性高、原料 丰富等特点受到广泛研究。然而羰基化合物电极在碱金属离子电池中应用时通常易 溶于液体电解质且电导率差。因此，人们采取了各种策略来改善这些问题，包括聚合、盐化、与导电碳材料 形成复合材料 、优化电解质选择等。聚酰亚胺因具有优异的耐溶剂性、热力 学稳定性和可灵活编程的聚合物结构，被视为潜在的锂离子电池（LIBs）有机正极材料 。然而，PI 链的导电性差、易 缠结和团聚，导致离子扩散缓慢、电子转移不 良和反应不 充分，难以在高电流密度下有效达到其理 论容量 。本文成功获得了基于 π‑ π 堆积效应的层堆积聚酰亚胺正极（NT‑ U）。NT‑ U 具有较大的分子偶极矩，这是由 PI 中的强电负性基团诱导，并通过 π‑ π 堆积结构进一步增强，这有助于形成更大的内置电场（BIEF）。这种高度结晶的 PI 中的强 BIEF 在加速电荷传输动力 学和提高 LIBs 的电化学性能方面起着至关重要的作用，这些发现为基于偶极和 BIEF 机制构建 PIs 正极以实现快速高效的储能提供了新的见解。 试验过程 典型的合成工艺是将 2mmol 萘‑ 1,4,5,8‑ 四羧酸二酐（NTCDA）和 2mmol 尿 素分别溶解于 20 mL N‑ 甲基吡咯烷酮（NMP）中。完全溶解后，将两种单体溶液转移至圆底烧瓶中，在 N2 气氛下于 180 ℃ 搅拌回流 8h。冷却至室温后，通过真空过滤分离初步固体，并用 NMP 洗涤数次以除去可溶性低聚物。当滤液完全无色时，收集不 溶性固体产品并在 110 ℃ 真空干燥箱中干燥过夜。最后，在 N2 气氛下于 300 ℃ 退火 8h 获得 NT‑ U 粉末。使用相同程序合成 NT‑ E，但将尿 素替换为乙二胺（EDA）。本文分别使用乙二胺和尿 素作为二胺连接体，通过简单的缩合步骤制备了 NT‑ E 和 NT‑ U 两种 PI 材料 。通过 FTIR 光谱证实了 NT‑ U 和 NT‑ E 样品的成功制备。与单体分子相比，这两种 PI 都具有良好的热稳定性和在液体电解质中的优异的耐溶剂性。使用飞纳台式扫描电镜能谱一体机 Phenom ProX 拍摄了 NT‑ E 和 NT‑ U 样品的形貌，并在图 1a 和 c 中进行 了展示。NT‑ E 聚合物（图1a）显示出由随机颗粒组成的不 规则形貌。相反，NT‑ U （图1c）呈现出明显的层状晶体结构，表明这两种 PI 都是通过纳米片结构自组装的。图1 扫描电镜（SEM）图像与超声后 AFM 图像随后，结合 DFT 计算和电化学测试，详细揭示了 NT-U 和 NT-E 的电子和锂离子传输行为。NT-E 和 NT-U 阴极的第一次循环 CV 曲线在 0.1mV s-1 下记录。NT-U 显示出以 2.32V 为中心的宽阴极峰，比 2.21V 的 NT-E 更强、更尖锐。有机材料与其电子结构高度相关。NT-E 和 NT-U 电极在 50Ma g-1 下的初始三条放电/充电曲线如图所示。NT-U 在 ~2.4V 下提供了平坦的放电平台，与 CV 测试非常一致。但 NT-E 呈现出倾斜的放电曲线。NT-U 的平坦放电平台可归因于 C=O 键从尿素单元的吸电子特性，这降低了氧化还原活性羰基的电子密度，促进了稳定输出电势的形成。第一次循环中的放电曲线表明，NT-U 电极可以提供 152mAh g-1 的高初始放电比容量，而 NT-E 只能释放 31mAh g-1 的比容量。这种显著差异可能归因于两种 PI 的不同晶体和电子结构。因此，通过密度泛函理论（DFT）研究了NTCDA、NT-E 和 NT-U 的电子结构，结果如图所示。根据分子轨道理论，最低未占分子轨道（LUMO）能量与电子亲和力和有机电极材料的电势有关。NTCDA 显示出最低的 LUMO 能级（-4.00eV），但该单体在有机液体电解质中的显著溶解度意味着其用作阴极材料是不现实的。NT-U 显示出明显低于 NT-E（-3.48eV）的 LUMO 能级（-3.74eV），表明 LIBs 中可能有更高的放电电势。这与 CV 测试非常一致。此外，与 NT-E 相比，NT-U 在 HOMO 和 LUMO 能级之间表现出更小的能隙（Eg=3.49eV），这表明其具有更好的电子导电性和在 LIBs 中释放更高的阴极材料有效容量的潜力。与 NT-E 相比，NT-U 聚酰亚胺具有更强、更宽的吸收能力，表现出其最大的 π-电子共轭体系。测量聚酰亚胺的光学间隙（Eg）。NT-U（2.70eV）的Eg比NT-E（2.81eV）窄，表明其具有更好的电子导电性。图3。（a） NT-E 和 NT-U 在 0.1mV s-1 下的第一个循环的 CV 曲线。（b）NT-E和（c）NT-U 在 50mA g-1 下的充电和放电曲线。（d） NTCDA、NT-E 和 NT-U 的分子结构、HOMO/LUMO 能级和轨道分布结合 DFT 计算和实验结果，本文提出了一种用于 LIBs 的具有 BIEF 的 NT‑ U 正极机理 ，如图 6 中的示意图所示。由于尿 素连接基团具有很强的亲电性，从萘核心到酰亚胺取代基都可以观察到分子内极化。这种分子内极化通过层堆叠的 π‑ π 效应增强，导致 NT‑ U 中形成更强的 BIEF，从而显著增强了这种电极材料 的电荷传输性能。相比之下，非晶态的 NT‑ E 具有小的偶极矩和微弱的 BIEF，导致导电性差。因此，与 NT‑ E 相比，NT‑ U 表现出更 好的电化学动力 学和优异的性能。本文还进行 了不 同电压下 NT‑ U 聚酰亚胺在第一个循环过程中微观外观的演变。如图所示，NT‑ U 颗粒（原始）表面光滑，表面覆盖着大量 导电炭⿊ 。当放电至 1.5V 时，颗粒表面逐渐变得粗糙，这可能是由于锂的嵌入过程，形成了 NT‑ UxLi 化合物；当充电至 3.5V 时，越来越多地出现表面光滑的 PI 晶体，几乎没有出现表面粗糙的 PI 颗粒。不 同电压下 NT‑ U 聚酰亚胺在第一个循环过程中 SEM 微观外观的演变结果分析根据原位 FTIR 和原位 XPS 分析，锂原子通过烯醇化反应引入到 NT‑ U 分子中：C=O → C–O–Li。然而，DFT 计算表明，4 个锂原子开始由两个相邻亚胺基团的羰基共享。随着锂化过程的继续，相邻的尿 素单元和亚胺部分的羰基又共享了 2 个锂原子。图中的表格显示了每个锂化过程的结合能。简而言之，NT‑ U 电极的锂化机理 可以描述为一个 3 电子过程，其中 2 个锂原子首先与亚胺部分的 C=O 基团反应，第三个锂原子与相邻尿 素单元和亚胺部分的羰基结合。这些结果表明，循环过程中的锂化/脱锂过程导致 NT‑ U 晶体结构的周期性变化。因此，NT‑ U 保持高度结晶的结构，在放电/充电循环过程中经历周期性的可逆变化，表明作为正极表现出良好的长期性能。结论综上所述，筛选出低成本尿 素作为连接剂，通过一步缩聚反应构建聚酰亚胺有机电极材料 （NT‑ U）。与非晶态聚酰亚胺（NT‑ E）相比，NT‑ U 电极在 500mA g‑ 电流密度下可实现 165mA h g‑ g‑ 循环的高可逆容量 。通过原位 XRD、非原位 FTIR、非原位 XPS 和 DFT 计算等多种技术，对 NT‑ U 的储能机理进行了评估。尿素的规则平面结构和电负性羰基赋予 NT-U 高度堆叠的结构和更大的分子偶极矩，这导致在PI材料中形成强内建电场（BIEF）。NT‑ U 的 π‑ π 堆积效应使离域电子云重叠，增强了电子的转移。此外，BIEF 有效地加速了锂离子和电子在 PI 内的传输。 NT‑ U 的层状堆叠结构与 BIEF 相结合，可实现快速的反应动力 学和令人满意的电池性能。这项工作为利用 BIEF 灵活设计 PI 作为锂离子存储有机正极材料 提供了新的见解。

瑞士万通针对乙醇介质开发的EtOH-Trode电极，在燃料乙醇的pH测定方面，突显出非常卓越的性能。为了评估不同的复合pH玻璃酸碱电极，我们在多个实验室之间展开了对比，瑞士万通的乙醇相专用电极得益于独特的固定磨口隔膜设计，在测量的准确性测试方面展现了杰出的性能。KCl水溶液作为电极内冲液，大部分pH玻璃酸碱电极采用的是单液接方式作为盐桥，这样的电极在乙醇相pH测定的对比实验中，重复性表现一般，而万通独有的双液接盐桥设计的电极重复性测试结果完全符合标准。 本次实验评估由Mary Ane Gonç alves 等人组织，评估结果发表在Sensors and Actuators B 158 (2011), p. 327-332上。评估中将瑞士万通EtOH-Trode 电极被定义为《C 类传感器》并附加说明：&ldquo 需要值得一提的是，仅有C类传感器的复现性限较低，符合美国标准ASTM D 6423，C类电极准确性也非常好，属于重复性和准确性指标都很完美的结合。&rdquo 根据ASTM D 6423标准和EN 15490标准规定，pH值测定的时间是有严格要求的，所以电极必须具有好的灵敏度和迅速的响应。瑞士万通EtOH-Trode电极独特的玻璃膜和精细的固定磨口隔膜设计特别适合于燃料乙醇pH值的测定。

海顿科克直线传动最近推出了通过美国RoHS认证的贯通轴式的IDEA驱动电机，这种电机在后端盖上安装了一个智能驱动器，该驱动器结构精巧，并且操作简单，只要在电脑上安装GUI编程软件就可以对电机进行各种要求的编程！这种电机可以搭配不同螺距的螺杆，以满足用户不同的精度要求，其最大行程可以达到508mm，这种电机可以用在小型自动化机器人，激光或者光学设备的调焦系统，高分辨率的成像设备，流体控制和其他很多需要精确控制的场合中！ IDEA系统是一个把直线步进电机和驱动器完美整合到一起的系统，整合后它结构紧凑，操作简单，只需通过GUI编程软件就可以对驱动器进行编程，编程过程也非常简单容易，只要用鼠标点击操作界面上的各项生动的按纽就可以完成，而不需要自己输入编程语言，IDEA可以让编程人员一行一行的进行程序调试，以方便编程员调试程序，输入端口和输出端口也可以在编程软件上得到模拟！ IDEA驱动器的另一个特性就是可以控制运行电流，驱动器需要一个能提供12-48V电压的电源提供工作电压，每个输入端口可以输入5-24V电压，以及最大4mA 的电流，输出信号是集电极开路信号，每个输出端口可以输出5-24V电压，以及最大200mA的电流！ 更多信息请访问海顿直线电机（常州）有限公司网站http://www.haydonkerk.com.cn