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《纳米结构材料：能源与环境应用的物理化学基础》一书分为三个部分：第一部分是纳米材料的基础理论和物理化学基础(第1-6章)；第二部分是能源与环境应用简介(第7-18章)；第三部分是纳米材料的典型案例和进展(第19-32章)。这本书 PDF文件可以通过各大高校图书馆下载。 【1】纳米结构材料：能源环境应用中的物化基础！

Paperback ISBN: 97804431925629 7 8 - 0 - 4 4 3 - 1 9 2 5 6 - 2

eBook ISBN: 9780443192579

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https://www.sciencedirect.com/book/9780443192562/nanostructured-materials

纳米材料是指材料的基本单位是三维的，至少一个维度的尺寸在1~100 nm的范围内。高效利用能源、生态友好的环境体系和技术在全球可持续发展中发挥着重要作用。这些多功能纳米结构材料(即纳米材料)具有优异的性能，可以满足能源开发和环境修复的实际需求。

能源和环境的可持续发展是当今世界人类社会的两大战略。随着全球经济的发展，人们对能源的需求日益增长，发展新能源势在必行；同时，在技术发展过程中加强环境保护和生态修复也是当务之急。纳米材料具有独特的力学、电学、磁学、光学、化学和催化等性能，为能源开发和环境保护开辟了新的研究和应用领域。目前，各种金属或非金属纳米材料在能源(能量存储和转换)和环境(环境保护)相关技术应用中发挥着重要作用。能源和环境应用通常涉及纳米材料的物理化学反应过程(例如，电化学反应、光化学反应或热化学反应)。

大多数纳米非金属材料(如碳、磷)和纳米金属材料(包括过渡金属、贵金属及其合金、氧化物、氮化物、碳化物、硫化物、磷化物等)。可增强上述反应过程中的反应或催化效率。阐明纳米材料的结构特征与其反应或催化活性之间的关系在能源开发和环境修复中具有重要意义。构效关系往往取决于纳米材料的表面性质和结构效应，如尺寸效应、电子效应、几何效应、尺寸效应、晶体效应、限制效应、界面效应、协同效应等。特别是，如何通过电子结构将这些效应与物理化学性质联系起来，是揭示纳米体系构效关系的根本途径。因此，深入了解纳米材料的物理化学基础，对于合理设计高效实用的纳米材料是非常重要的。这是纳米能源和环境科学领域的一个紧迫和核心的科学问题 (详见图1-1、图1-2、图1-3)。

Fig. 1-1 Categories and structural effects of nanomaterials for energy and environmental applications.

Fig. 1-2 (A) Schematics of nanostructures: (a) 0D to 3D nanostructures, variable structure parameters of (b) size, (c)morphology, (d) heterojunction, (d) spatial arrangement; (B) Schematics of nanostructures: (a-c) different-shell hollow nanospheres, (d, e) porous nanocages, (f) nanobowls, (g-i) hollow or porous nanowires; (C) Schematics of geometric and electronic structures; (D) Schematics of atomically-dispersed sub-nanostructures

Fig. 1-3 (A) Schematics of nanostructured photocatalysts; (B) Schematics of nanostructured co-catalysts; (C) Schematics of size diminishing of co-catalyst; (D) Schematics of heterojunction charge transfer; (D) Schematics of heterojunction dimension structure .

纳米材料的合理设计、可控合成和宏观制备是其在能源和环境领域技术应用的前提。高效清洁的制备方法可以促进纳米技术的可持续发展。纳米材料的制备方法有很多种，一般这些方法可分为两类：（1）“自上而下”的方法（主要是物理方法，如行星球磨、机械破碎、激光烧蚀、超声波研磨等高能物理方法）和（2）“自下而上”的方法（主要是化学方法，如水热/溶剂热法， 共沉淀、溶胶-凝胶法、化学气相沉积（CVD）、电沉积法等）（详见图5-1）.

Fig. 5-1 (A) Preparation approaches of nanomaterials, and (B) Synthetic methods of nanomaterials.

参考文献：ZESHENG LI and CHANDLIN YU (2023). NANOSTRUCTURED MATERIALS: Physicochemical Fundamentals for Energy And Environmental Applications. ELSEVIER-HEALTH SCIENCE.

【2】纳米结构材料：基本定义和特征分类！

纳米材料是指材料的基本单位是三维的，至少有一个维度尺寸在1~ 100nm的范围内。纳米材料按维度可分为四类:零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)纳米材料;考虑到孔隙结构和空腔结构，纳米材料也可分为固体、多孔和空心纳米材料三大类;在组成上，纳米材料可进一步分为单组分纳米材料和复合纳米材料两大类;从尺寸上看，纳米材料可以进一步扩展到亚纳米尺度(0.1~1 nm)原子分散的亚纳米材料(包括单原子和原子团簇)。不同尺寸或纳米级结构的纳米材料通常表现出不同的比表面积、活性位点和反应活性。纳米材料的结构调控已成为能源和环境领域的研究热点。

在文中，作者全面介绍了多维纳米结构(包括零维、一维、二维和三维纳米结构)的基本定义、结构特征、典型案例以及在能源和环境相关应用中的优势。同时，对多孔纳米结构、空心纳米结构、复合纳米结构和新发展的原子分散亚纳米结构的基本内涵进行了系统的描述和总结。由于其尺度介于宏观物质和微观粒子之间，多种低维纳米材料具有一些独特的物理本质和化学性质，在材料、电子、能源和环境科学等领域具有非常深远的研究意义和应用价值。

特别是，为了更好地描述不同维度纳米结构之间的差异和联系，作者从他们最近的工作中选择了23个作品作为典型案例研究(包括0D, 1D, 2D, 3D，多孔，空心，复合和原子结构)(见图2-1)[9-31]。

Fig. 2-3 (A) The SLS formation process of Ga-doped ZnO nanorods [41], (B) the SLGS formation process of carbon-supported porous SnS nanorods [42], (C) schematic of ordinary oriented 1-D nanostructures [18], (D-E) SnO2@carbon core-shell nanochains [43], and (F-H) Ni3S2@carbon core-shell nanowires [44](these 1D nanostructures are obtained from the work of Zesheng Li’s group or cooperative groups in recent years).

Fig. 2-4 (A and B) NiCo2O4 nanoflowers on graphene nanosheets for electrocatalysis (GNs) [29], (C) schematic for the formation of 3-D GPCN from different precursors for supercapacitors [61], (D) schematic of 3D nanosheets for flexible supercapacitors by 3D printing [62], (E) P-doped porous g-C3N4 3D nanosheets for photocatalysis [63], (F) schematic of F-doped Sn3O4 3D nanosheets for photocatalysis [64], and (G) schematic of 3D CuS nanorods/TiO2 for photocatalysis [65] (these 3D nanostructures are obtained from the work of Zesheng Li’s group and Changlin Yu’s group in recent years).

Fig. 2-4 (A-C) CdS nanorods/g-C3N4 nanosheets [81], (D-F) 1D MnO2 nanoneedles/porous carbon microspheres [82], (G, H) SnO2@carbon nanochains loaded Pt-Ru alloy nanoparticles [83], (I, J) Graphite carbon sheets supported Co3W3C and Pd nanoparticles [84], (K, L) mesoporousg-C3N4 coated BiPO4 nanorods [85], (M, N) BiPO4 nanoparticles supported g-C3N4 quantum dots [86], (O, P) carbon quantum dots/Bi2MoO6 nanosheets/graphitic nanofibers [87], (Q, R) Ag quantum dots/AgVO4 nanorods/g-C3N4 nanosheets [88](these compositenanostructures are obtained from the work of Zesheng Li’s group and Changlin Yu’s group in the last decade).

结论：在文中，我们全面总结了不同维度纳米结构(0、1、2、3D纳米结构)和不同特征纳米结构(多孔纳米结构、空心纳米结构、复合纳米结构、原子分散亚纳米结构)的定义、分类、优点和应用价值。这些纳米结构在电化学能量存储和转换或光催化环境应用中显示出自己的价值和独特的贡献。特别是目前，正处于纳米结构时代向原子结构时代过渡的时期。纳米或亚纳米材料的许多新概念和物理化学性质将被发现，它们将在能源和环境(科学与技术)领域发光。

英文原文网址（可下载PDF）：

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00004-1

【3】纳米材料的合成方法与范例分析！

原创 ZS Li 纳米结构材料 2023-12-03 09:41 发表于广东

Doi：10.1016/B978-0-443-19256-2.00030-2

纳米材料的合理设计、可控合成和宏观制备是其在能源和环境领域技术应用的前提。高效、清洁的制备方法可以促进纳米技术的可持续发展[1-3]。纳米材料的制备方法有很多种，总的来说这些方法可分为两大类:(1)“自上而下”方法(主要是物理方法，如行星球磨、机械破碎、激光烧蚀、超声研磨等高能物理方法)和(2)“自下而上”方法(主要是化学方法，如水热/溶剂热法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积(CVD)、电沉积法等)(详见图5-1 A)[4,5]。其中，“自上而下”的方法通常是通过对大材料(如微米级材料或大于1mm的块状材料)的物理降维和细化来生产纳米材料，这是一个降维和缩小尺寸的分散过程。“自下而上”的方法是基于原子、离子或分子基本单元(小于1nm)的连接和积累来构建低维(L-D)纳米材料，这是一个尺寸和尺寸控制的过程，主要是通过化学方法。以原子为基本单元的堆叠排列可以形成亚纳米尺度的团簇，而不是形成规则的晶体纳米结构。当材料的尺寸超出了簇的范围，即可以在不同的维度(0D、1D、2D和3D)上进行调节和构建的纳米级材料，这就是令人着迷的L-D纳米结构材料(见图5-1 A)[4,5]。通过不同的制备方法(包括气相法、固相法和固相法)，大多数纳米材料有望实现结构调控和宏观制备，为其在能源和环境科学中的实际应用奠定基础。

图5-1 (A)纳米材料的制备方法，(B)纳米材料的合成方法。

在我们的世界里，物质的状态主要是气体、液体和固体。纳米材料的制备方法根据反应物的状态可简单分为“气相合成法”、“液(溶液)相合成法”和“固相合成法”(见图5-1 B)[6]。气相合成方法主要包括物理气相沉积(PVD)(如气体冷凝和溅射法)和化学气相沉积(CVD)(如超真空CVD和简单准CVD法)。固相合成方法主要有水热/溶剂热法、沉淀/共沉淀法、溶胶-凝胶法和电沉积法。反应溶液的pH和温度以及反应物的组成、浓度和比例是液相合成的关键控制参数。固相合成可大致分为室温固相合成和高温固相合成。前者多用于层状材料的机械剥离和块状材料的机械粉碎，后者多用于固相(固-固或固-气)化学反应和固相原子扩散(如金属原子的热迁移)。通过这些方法，可以控制纳米材料的形貌、尺寸、晶相和组成，甚至可以通过原子扩散策略精确控制纳米材料中元素和单原子的分布[7]。为了便于阅读和理解，本章将根据不同的合成技术介绍纳米材料的制备，包括:水热/溶剂热法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶合成法、电沉积法、化学气相沉积法、高温固相法、机械化学法和其他高能物理方法。在总结这些纳米材料的制备方法时，我们特别注意对不同合成方法的物理化学原理的描述以及近年来我们或其他小组工作的范例总结。

图5-2 水热合成：(A)水热合成过程中的浓度调节[13]，(B)溶剂热合成过程中的pH值调节[14]，(C)水热合成过程中的pH值调节[15]，(D)水热合成过程中的异相掺杂调节[16]，(E)水热合成过程中的复合结构调节[17]。

图5-3 化学共沉淀：(A-C)共沉淀合成中的比例反应[29]，(D)沉淀合成中的快速氧化还原反应[30]，(E、F)沉淀合成的磷酸盐-氮化碳复合材料界面组装[31]，(D) BSO混合氧化物共沉淀合成[32]，(E) PtAg双金属合金共沉淀合成[33]。

图5-5 电化学沉积：(A-E)电沉积系统及控制因素[43]，(F-H)电沉积模板策略[46]，(I-K)欠电位沉积法氧调节[50]。

图5-6 化学气相沉积：(A)二维过渡金属毛碳化物的CVD生长[57]，(B)三维石墨烯结构的CVD生长[58]，(C-F)三维石墨烯纳米笼的QCVD生长[60]，(G-H)三维石墨烯纳米片的QCVD生长[61]，(I-K) Ni3S2@graphene核壳纳米线的QCVD生长[62]。

图5-8 机械球磨：(A-B)微材料的机械分散[74]，(C)通过机械化学反应制备纳米材料[75]，(D)通过机械球磨构建晶体缺陷[76]，(E)通过机械球磨构建SMSI [77]， (F)通过机械球磨构建共价键[78]，(G)通过机械化学反应制备SACs [79]， (H)通过机械化学磨损制备SACs[80]。

结论：在本章中，我们全面讨论了以下几种方法合成纳米材料的制备方法(定义和历史)、物理化学原理和案例分析:水热/溶剂热法、化学共沉淀法、溶胶-凝胶合成法、电沉积法、化学气相沉积法、高温固相法、机械化学法和其他高能物理方法。总的来说，这些制备方法可以分为两大类:(1)“自上而下”的方法(主要是物理方法)和(2)“自下而上”的方法(主要是化学方法)。这些纳米材料的制备方法也可以根据反应物的状态简单地分为“气相合成法”、“液(溶液)相合成法”和“固相合成法”。通过不同的制备方法(包括气相法、固相法和固相法)，大多数纳米材料有望实现其结构调控和宏观制备，为其在能源和环境科学中的实际应用奠定基础。

论文网址（ 可下载PDF）：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780443192562000302

【4】纳米材料表征: 现代技术与范例分析！

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00033-8

纳米材料的性能与其结构密切相关。研究纳米材料的结构对理解纳米材料的性质和应用具有重要意义。因此，纳米材料表征是纳米技术最重要的研究课题之一。表征纳米材料的主要目的是确定纳米材料的一些物理化学特性，如形貌、尺寸、粒度、化学成分、晶体结构、原子结构、电子结构和带隙结构等。常用的表征方法和技术有: (1)形态表征:SEM、TEM、AFM;(2)成分分析:ICP、XPS、EDS; (3)结构表征:XRD、FT-IR、BET、Raman、XAS、EELS; (4)理论计算:DOS、D带中心、吸附ΔG; (5)光电特性表征:UV-VIS, PL, Photocurrent。在本文中，我们特别注意描述不同表征方法的定义和原理，并对近年来我们或其他小组的工作进行范式总结。

目前，用于表征纳米材料的常用仪器分析方法有:X射线技术、电子能谱技术、电子显微镜技术、光谱学技术、热分析技术、选择区域电子衍射(SAED)技术和电感耦合等离子体(ICP)技术(详见图6-1)[1-5]。

Fig.6-1 Common characterization techniques of nanomaterials [1-5].

XRD范式总结如图6-2所示[6-11]。一般在XRD表征中，从XRD衍射峰可以得到以下信息:(1)通过特定位置的衍射峰(物质的2θ峰位置)可以确定材料的物质组成和晶相; (2)通过衍射峰的高度和宽度可以初步判断晶体的结晶度(或复合材料中各组分的相对比例); (3)通过衍射峰位置的变化可以确定晶格参数(如晶面间距和合金化程度)的变化; (4)采用Schererr公式(D=Kγ/ bcost θ)计算纳米材料的平均晶体尺寸。

Fig. 6-2 XRD diffraction patterns of samples: (A-B) Carbon-supported Co nanoparticles and 3-D Pt-on-Co nanodendrites [6] , (C-E) MnO2 nanocrystalline short-rods [7] , (F) Carbon and carbon-supported MnO2 nanowires [8] , (G) BiPO4/g-C3N4 composite nanomaterial [9] , (H-I) Bi2WO6 nanocrystals with different crystal size [10] , and (J-K) Graphite carbon-supported AgPt alloy nanoparticles [11] .

图6-3是SEM和TEM范式总结[12-15]。通常，在SEM和TEM表征中，可以从SEM和TEM图像中获得以下信息:(1)通过低倍率SEM可以观察到样品的整体形貌，通过高倍率SEM可以观察到样品的表面纳米结构; (2)低倍率TEM可以观察到样品的内部结构(如空心结构)，高倍率TEM可以观察到样品的纳米晶体结构(如晶体平面间距); (3)通过SEM和TEM图像的对比分析，可以全面、科学地展示纳米材料的表面和内部结构。

Fig. 6-3 SEM and TEM images of samples: (A-D)well-dispersed MnO2 nanorods [12], (E-H)three-dimensional graphene/NiCo2O4 composite [13], (I-L) three-dimensional active graphene nanosheets [14], (M-P) three-dimensional active carbon nanosheets [15].

一些典型的HR-TEM和STEM范式总结如图6-4所示[16-20]。通常，在HR-TEM和STEM表征中，从HR-TEM和STEM图像中可以获得以下信息:(1)通过HR-TEM图像及其快速傅里叶变换(FFT)图像可以精确测量不同晶体平面上的明暗条纹距离; (2)利用HR-TEM图像还可以测量纳米材料的高折射率Facet、缠绕晶体和晶体边界; (3) HAADF-STEM图像可以清晰表征纳米晶体的原子排列结构(原子柱和原子结构)。

Fig. 6-4 HR-TEM or STEM images of samples: (A-B) MnCo-LDHs [16] , (C) Crystal boundary of PdPt alloy nanoparticles [17] , (D) PtCu nanoframes with high-index facets [18] , (E-G) Periodically twinned HgSe nanotowers [19] , (H-K) Atomic-resolution HAADF-STEM image, FFT pattern, atomic columns, atomic structure of the PtCo nanoparticle (blue and red spheres is Pt and Co atoms) [20] .

图6-7总结了近年来基于EDS的工作范式总结[38-45]。一般来说，能谱仪测试的主要功能包括:(1)基于sem的能谱仪可用于分析具有微米结构(或材料的微米区域)的材料的元素组成和分布;(2)基于tem的能谱分析可用于分析纳米结构材料(或材料的纳米区域)的元素组成和分布;(3)基于交流stem的能谱仪可用于分析原子结构材料(或材料的原子区域)的元素组成和分布。

Fig. 6-7 SEM-based EDS images of samples: (A) AMCMB/Mn3O4 nanoparticles [38] , (B) AMCMB/MnO2 nanowires [39] , (C) self-supporting ZnGa2O4 nanorods [ 40] ; TEM-based EDS images of samples: (D) Ag@NiCo-LDH/NF [41] , (E) Ag-AgVO3/g-C3N4 [ 42] , (F) MnCo-LDH nanospheres [ 43] , (G-H) Ni3S2 nanocubes [44] ; AC-TEM-based EDS images of samples: (I) Pd1/ α-MoC atomic-structured material [45] .

BET是三位科学家(布鲁诺尔、埃米特和泰勒)的首字母缩写。三位科学家从经典统计理论推导出的多分子层吸附公式，即著名的BET方程，已成为颗粒表面吸附科学的理论基础，并广泛应用于颗粒表面吸附性能的研究和相关检测仪器的数据处理中。

Fig. 6-9 N2 adsorption-desorption isotherm and pore size distribution of samples: (A-D) 3-D graphene-like carbon nanosheet [47] , (E-H) microporous/mesoporous carbon foam [48] , (I-J) AGC/MnCo-LDHs composite [ 49] , (K-L) GE/NiCo2O4 composite [50] , (M-P) NiCo2O4 and NiCo2O4/GNs composite [51] .

理论计算：基于PDOS分析，d带中心位置(相对于费米能级)与催化剂中间体或产物的吸附性能(吸附自由能和解吸能力)密切相关。密度泛函理论(DFT)计算表明，适当的d带中心位置可以获得最佳的中间体吸附量和产物解吸量，有助于实现高效电催化过程。d能带能量的降低，即d中心的降低，也减少了偶联产生的反键能带，反键能带有更多的部分低于费米能级，从而被电子填充，降低了键的稳定性，导致吸附能的降低。相反，金属d带中心的增加可以提高催化位点对底物的吸附能(详见3.2.2节和下面的图12)。

Fig. 6-12 The combination of d-band central and adsorption ΔG of samples: (A-C) PtCo-PtSn/C heterojunction [59] , (D-E) Co3(PO4)2 nanosheets [60] , (F-G) Ru-Mo2N nanorods [61] , (H-J) Co/Ni-N3P1 SACs [62] , (K-N) cation-doped ZnS catalysts [63] .

结论：在本章中，作者从相表征、形貌表征、晶体结构表征、电子结构表征、原子结构表征、元素组成表征、多孔结构表征、理论计算表征八个方面对纳米材料的表征技术和表征方法进行了探讨。表征纳米材料的常用仪器分析方法有:X射线技术、电子能谱技术、电子显微镜技术、光谱学技术、热分析技术、选定区域电子衍射(SAED)技术和电感耦合等离子体(ICP)技术。我们还讨论了几种典型表征方法(XRD、SEM、TEM、HR-TEM、STEM、AC-TEM、XPS、EELS、XAS、EDS、BET、DOS、D波段中心、吸附ΔG)的定义和原理，以及近年来我们或其他小组工作的范式总结。

参考文献网址（可下载PDF）：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780443192562000338

【5】纳米材料构效关系：八大“纳米效应”全面总结！

纳米材料是指在电子运动受限的某些方向上具有纳米尺度(1 - 100nm)的一类材料。纳米材料具有体积小、比表面积高、表面原子配位不饱和等优点。研究结果显示了小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧穿效应等特殊现象。因此，纳米材料在催化、光吸收、光电化学、新材料等方面有着广泛的应用。基于纳米材料独特的物理和化学性质，本文全面总结了纳米材料的结构-性能关系(即各种纳米效应)，在能源和环境方面的应用。纳米材料的结构-性能关系包括以下八个方面:尺寸效应、电子效应、几何效应、尺寸效应、晶体效应、受限效应、界面效应和协同效应。

Nanomaterials refer to a class of materials with nanometer scale (1–100 nm) in some directions where electron motion is restricted. Nanomaterials have the advantages of small size, high specific surface area, and surface atom coordination unsaturation. Some peculiar phenomena are shown, such as the small size effect, surface effect, quantum size effect, macroscopic quantum tunneling effect, and so on. Therefore, nanomaterials have a wide range of applications in catalysis, light absorption, photoelectric chemistry, and new materials. Based on their unique physical and chemical properties, we comprehensively summarize the structure–performance relationship (namely various nanoeffects) of nanomaterials, for energy and environment applications. The structure–performance relationships of nanomaterials include the following eight aspects: size effect, electronic effect, geometric effect, dimensional effect, crystal effect, confined effect, interface effect, and synergistic effect.

英文原文网址：

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00006-5

【6】纳米多孔吸附材料：吸附机理及应用进展！

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00013-2

吸附过程是污染物分子或离子被吸附到固体表面(多孔材料的内表面)的过程。通常，分子或离子的自由能会降低。因此，吸附过程是放热过程，释放的热量称为污染物在多孔材料表面的吸附热。多孔吸附材料(活性炭和分子筛)对废气(挥发性有机化合物(VOCs))、废水(有机分子和重金属离子)、废渣(废渣的水溶性浸出液)具有较强的吸附能力。本章对“三废”(废气、废水、废渣)吸附处理与资源化的基本原理、吸附机理、吸附功能材料及其应用前景进行了简要综述。

Fig. 17-1 (A) Schematic diagram of physical adsorption, chemical adsorption and physical chemical adsorption [4]; (B) Adsorption process diagram of porous materials: (i) surface contact (external diffusion), (ii) adsorption (internal diffusion), (iii) monolayer adsorption equilibrium [5].

根据吸附过程中多孔材料(吸附剂)与污染物分子或离子(吸附剂)作用力的不同，吸附可分为物理吸附和化学吸附两大类(详见图17-1 A)[4]。在吸附过程中，当多孔材料与污染物分子之间的作用力为范德华力(或静电引力)时称为物理吸附;当多孔材料与污染物分子之间的作用力为化学键时，称为化学吸附。物理吸附和化学吸附的吸附热、吸附速率、吸附活化能、吸附温度、选择性、吸附层数和吸附谱因其化学力不同而不同。通常，在实践中，多孔材料的多孔结构和官能团使吸附剂具有双重吸附机制(即物理吸附和化学吸附的结合机制)。

多孔材料(吸附剂)对污染物分子或离子(吸附剂)的吸附去除应通过以下三个阶段的吸附机制进行:(i)吸附质向吸附剂表面扩散，(ii)吸附质向吸附剂孔隙迁移，(iii)吸附质在吸附剂上形成单层(详见图17-1 B)[5]。然而，对于重金属离子的去除，核心机制可能是离子交换:由于多孔碳吸附剂表面存在不同的官能团(如羟基、羰基、羧基等)，这些官能团可以成为有效捕获重金属离子的活性离子交换位点。

气体分子在多孔材料上的物理吸附有以下原理:(1)分子的直径大于孔的直径，由于位阻的作用，分子不能进入孔内，因此不被吸附;(2)分子直径等于孔的直径，吸附剂具有较强的捕集力，非常适合低浓度吸附;(3)分子直径小于孔直径，孔内发生毛细冷凝，吸附容量大;(4)分子直径远小于孔的直径，被吸附的分子容易解吸(即解吸速率高于吸附速率)，低浓度吸附量小[6]。

Table 1 Adsorption isotherm for one- and poly-component systems [7].

最近，课题组以椰子纤维为原料，通过炭化和KOH活化工艺制备了活性炭纤维，可高效吸附各种有机染料(详见图17-2 E-G)[13]。活性炭纤维的比表面积为1556 m2 g−1，孔体积为0.72 cm3 g−1。活性炭纤维在亚甲基蓝、刚果红和中性红体系中的吸附量在150、120和120 min时达到平衡，最大吸附量分别为21.3、22.1和20.7 mg g−1。考察了亚甲基蓝、刚果红和中性红染料对三种染料溶液的吸附性能。吸附量Qe计算公式如下:

Qe = (C0−Ce) × V/m

式中，C0 (mg L−1)为染料溶液初始浓度，Ce (mg L−1)为染料溶液残留浓度，V (L)为染料溶液体积，m (g)为活性炭纤维质量。吸附率(D)的测定方法如下:

D = (C0−Ce)/C0 × 100%

为了分析吸附动力学，采用拟一阶方程、拟二阶方程和颗粒内扩散方程三种吸附动力学模型:

伪一阶方程:ln(Qe−Qt) = lnQe−K1t

式中Qt为t (min)时刻的吸附容量，Qe (mg g−1)为平衡吸附容量，K1为准一阶方程常数。

伪二阶方程:t/Qt = 1/(K2Qe2) + t/Qe

其中K2是准二阶方程的常数。

粒子内扩散方程:Qt = Kpt1/2 + C

式中，Kp为粒子扩散常数，C为实验常数。

结果表明，椰壳活性炭纤维对亚甲基蓝、刚果红和中性红的动态吸附过程均符合二级动力学模型，其方程分别为:t/Qt = 0.1028 + t/21.3220、t/Qt = 0.1128 + t/21.5982和t/Qt = 0.0210 + t/20.6612。亚甲基蓝、刚果红和中性红的最佳pH值分别为9、3和9[13]。

Fig. 17-2 (A) Carbon-based adsorbents for VOCs treatment and recovery [8]; (B) Porous carbon-based adsorption of VOCs [9]; (C) ion exchange combined with physical adsorption of heavy metal ion Pb2+ [10]; (D) modified sugarcane bagasse adsorption of heavy metal ion Cd2+ [11]; (E-G) activated carbon fibers adsorption of various organic dyes [13].

总结：本章讨论了“三废”(废气、废水和废渣)处理和回收利用的基本原理、吸附机理和吸附材料。分子筛、活性炭等多孔材料(吸附剂)对废气(挥发性有机化合物(VOCs))、废水(有机分子和重金属离子)、废渣(废渣的水溶性浸出液)等各种吸附剂具有较强的吸附能力。对其吸附机理和等温线、挥发性有机物(VOCs)的吸附、重金属离子(hmi)的吸附和有机污染物分子(OPMs)的吸附进行了详细的分析和总结。基于多孔材料的纳米吸附技术为“三废”的处理和回收提供了一种有效的处理方案。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780443192562000132

https://doi.org/10.1016/B978-0-443-19256-2.00001-6

储能技术已成为新能源可持续发展的重要组成部分。超级电容器由于其高能量、大功率和高适应性的特点，储能技术越来越受到人们的重视。根据储能方式的分类，超级电容器包括电双层电容器(EDLC)、赝电容器(PC)和混合型超级电容器(HSC)。在本章中，我们将介绍各种类型超级电容器的原理和电极材料，并从科学技术的角度总结超级电容器的应用和前景。

双层电电容器(EDLC)原理

双电层电容器(EDLC):电荷的储存和释放只发生在“电双层”结构的界面上，整个过程是物理过程(不发生化学反应)。因此，EDLC具有较高的稳定性和相对理想的使用寿命。EDLC在充电过程中，电解液中的阴离子和阳离子会向电容器的正负方向转移，从而形成附着在多孔电极表面的双电层。充电后，由于双电层中正负电荷的相互吸引，电极上的电解质离子无法迁移到电解质中。因此，可以保持正负极之间稳定的电位差，从而实现电能的存储。当EDLC放电时，负极上收集的电子被负载转移到正极上，电极与电解液之间的电双层平衡被打破，电解液离子将回到电解液中。这与传统电容器的机理相似，但双层与电极之间的距离仅为离子半径，因此EDLC电容器的电容比传统电容器大得多(详见图1A)。

Fig. 1 Basic principles of various supercapacitor: (A) EDLC mechanism on porous electrode [4], (B) Charge distribution on electrode [5], (C) Desolvation in micropore < 1 nm [6], (D) Capacitor and battery performance curves [7], (E) PC mechanism and (F) PC performance curves [8], (G) supercapacitor schematic diagram [9], (H) HSC schematic diagram [10], (I) HSC performance curves [12].

原则上，当在EDLC电极之间施加外部电压时，通过吸收电解质中相反的离子电荷来平衡电极表面积累的电子电荷。EDLC的电容(Cdl)是由静电电荷分离在电极和电解质界面产生的电荷分离所产生的，可由下式给出: Cdl =(ε0εrS) / d (1), 其中ε0为真空的介电常数(ε0 = 8.85×10-12 F m-1)， εr为电解质的相对介电常数(无量纲)，d为离子接近电极表面的平均距离(m)， S为多孔电极的可达表面积(m2)。考虑电解液的常规εr值(小于100)和接近距离d (10~ 10 m)， Cdl值范围为10~20 μF cm-2(详见图1 B)。一般情况下，带电离子在电极表面的分布都伴随着溶剂化现象。因此，接近距离d的值大于单个金属离子的半径(取决于溶剂分子的大小)。对于多孔电极，可达表面积S是所有可用孔(包括微孔、中孔和大孔)表面面积的总和。微小微孔(< 1 nm)的脱溶可以为具有高比表面积的微孔电极提供巨大的EDLC电容(详见图1 C)。尽管如此，在实际的多孔电极中，由于电极的孔隙结构复杂，EDLC电容的形成和评价更为复杂。

在本章中，作者讨论了超级电容器的基本分类和储能机理，包括电双层超级电容器(EDLC)、法拉第伪电容器(PC)和混合超级电容器(HSC)。综述了超级电容器的电极材料，包括碳基材料、金属基材料和导电高分子材料(更多内容请下载原文PDF)。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780443192562000016

【8】纳米材料的部分应用及案例！ Chapter 7 - Supercapacitor: basic principles, electrode materials, and applications

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780443192562000016

Chapter 8 - Metal-ion battery: basic principles, electrode materials, and applications

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B978044319256200020X

Chapter 13 - Electrocatalysis for energy conversion and environmental protection: fundamentals

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780443192562000119

Chapter 19 - 3-D graphene nanosheets: recent progress in energy and environmental fields

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780443192562000107

Chapter 32 - Atomically dispersed catalysts: recent progress in energy and environmental fields

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780443192562000028