ChemElectroChem

Trong nghiên cứu này, chúng tôi phát triển một phương pháp khắc hóa học để sản xuất các MXene Ti₃C₂T_x hai chiều (2D) rỗng ở nhiệt độ phòng trong dung dịch nước. Các Ti₃C₂T_x rỗng (p-Ti₃C₂T_x) được sản xuất có diện tích bề mặt riêng lớn hơn và cấu trúc mở hơn so với các mẫu nguyên bản, và có thể được chế tạo thành các phim linh hoạt có hoặc không có sự bổ sung của các ống nano carbon (CNTs). Các phim p-Ti₃C₂T_x/CNT được chế tạo cho thấy khả năng lưu trữ ion lithium được cải thiện đáng kể so với các phim dựa trên Ti₃C₂T_x nguyên bản, với dung lượng rất cao khoảng 1250 mAh g⁻¹ tại 0,1 C, độ ổn định chu trình xuất sắc và hiệu suất tỷ lệ tốt (330 mAh g⁻¹ tại 10 C). Sử dụng cùng một phương pháp khắc hóa học, chúng tôi cũng chế tạo các MXene Nb₂CT_x và V₂CT_x rỗng. Do đó, nghiên cứu này cung cấp một quy trình đơn giản nhưng hiệu quả để giới thiệu lỗ vào các MXene và có thể là các tấm 2D khác, điều này có thể tăng cường các thuộc tính điện hóa của chúng.

Sự hình thành etylen trong quá trình khử CO₂ qua các điện cực đồng thô thường được giải thích bởi sự tồn tại của các bước tinh thể bề mặt, cạnh và khuyết tật cụ thể. Chúng tôi chứng minh rằng một điện cực giống hệt được bao phủ bởi các hạt nano đồng có thể sản sinh chủ yếu là etylen hoặc metan, tùy thuộc vào nồng độ điện phân và áp suất CO₂ được áp dụng. Các phép tính về độ pH gần bề mặt điện cực cho thấy rằng sự hình thành etylen được ưa thích bởi pH (địa phương) tương đối cao. Hơn nữa, các điều kiện dẫn đến sự hình thành lượng lớn metan sẽ dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng của tỷ lệ sản xuất hydrocarbon, trong khi hiệu suất điện cực trong các điều kiện ủng hộ sự sản xuất etylen có thể duy trì trong nhiều giờ. Nghiên cứu này đã thay đổi đáng kể cách giải thích cơ chế hình thành etylen trên bề mặt đồng thô và ám chỉ rằng các điều kiện quy trình áp dụng gây ra sự biến đổi pH gần bề mặt điện cực cần phải được xem xét.

Các khung tổ chức kim loại-hữu cơ (MOF), được tổng hợp bằng cách kết hợp các nút kim loại với các chất liên kết hữu cơ, là những vật liệu tinh thể có trật tự cao. MOF đã thu hút rất nhiều sự chú ý cho các ứng dụng trong cảm biến điện hóa, nhờ vào những tính chất hóa học và vật lý độc đáo của chúng, bao gồm tính khả dụng cực cao, diện tích bề mặt lớn, cấu trúc có thể điều chỉnh, và độ ổn định nhiệt và hóa học cao. Đặc biệt, các vị trí hoạt động redox và xúc tác được giới thiệu thông qua việc sử dụng các ion kim loại hoạt động và/hoặc ligand đã trao cho MOF những chức năng cần thiết trong cảm biến điện hóa. Hơn nữa, việc sửa đổi hóa học chính xác của các phân tử chức năng và cố định với các hạt nano kim loại, cấu trúc nano carbon, và các phân tử sinh học có thể nâng cao hiệu suất điện hóa của chúng. Trong bài đánh giá này, chúng tôi tập trung vào sự tiến bộ gần đây đạt được trong nghiên cứu MOF về các nguyên tắc cảm biến tổng quát và hiệu suất phân tích của các cảm biến điện hóa. Sự đánh giá và những thách thức điều khiển sự phát hiện của các thử nghiệm cũng được thảo luận.

Với nhu cầu ngày càng tăng về lưu trữ năng lượng, có thể được thúc đẩy bởi các thiết bị điện phân, việc cải thiện tính xúc tác của phản ứng phát sinh oxy (OER) trở nên ngày càng quan trọng. Các quy trình chuẩn hóa đã được phát triển để xác định các chỉ số quan trọng như diện tích bề mặt điện hóa, hoạt động khối lượng và hoạt động đặc trưng. Dù vậy, khi những chất xúc tác mới và hoạt động mạnh hơn được công bố, tính ổn định của chất xúc tác thường đóng vai trò thứ yếu. Trong công trình này, chúng tôi theo dõi sự ăn mòn trên RuO₂ và MnO_x bằng cách kết hợp cân vi điện hóa tinh thể thạch anh (EQCM) với phổ khối plasma cảm ứng (ICP–MS). Chúng tôi chỉ ra rằng việc ước lượng hợp lý về tính ổn định không thể đạt được chỉ dựa trên các thử nghiệm điện hóa thuần túy. Trên các chất xúc tác được thử nghiệm, dòng hòa tan anodic thấp hơn bốn bậc so với dòng tổng. Chúng tôi đề xuất rằng mặc dù việc thử nghiệm dài hạn không thể bị thay thế, một đánh giá hữu ích về tính ổn định có thể đạt được với các thử nghiệm ngắn hạn bằng cách sử dụng EQCM hoặc ICP–MS.

Việc sử dụng cảm biến sinh học trong các thiết bị kiểm tra tại điểm (POC) đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong vài năm qua, chủ yếu là do độ đặc hiệu cao, tính di động và chi phí tương đối thấp của chúng. Việc kết hợp các thiết bị này với các bộ chuyển đổi điện hóa miniaturized đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc phân tích đơn giản, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí có thể được thực hiện ở hiện trường, đặc biệt là trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, giám sát môi trường và kiểm soát chất lượng thực phẩm. Vì lý do này, số lượng các công bố trong lĩnh vực này đã tăng lên theo cấp số nhân trong thập kỷ qua, khiến nó trở thành một chủ đề nổi bật trong nghiên cứu hiện tại. Mặc dù đã đạt được những tiến bộ lớn trong lĩnh vực cảm biến sinh học điện hóa, vẫn còn một số thách thức cần vượt qua, đặc biệt là liên quan đến việc cải tiến vật liệu cảm biến và việc thu nhỏ kích thước. Trong bài đánh giá này, chúng tôi tóm tắt một số tiến bộ gần đây nhất đạt được trong ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa POC, tập trung vào các vật liệu và chất sửa đổi mới cho nhận diện sinh học được phát triển nhằm cải thiện độ nhạy, độ đặc hiệu, độ ổn định và thời gian phản hồi.

Đặc điểm cốt lõi của các công nghệ điện hóa vi sinh vật chính (METs) là khả năng tương tác của các vi sinh vật điện hoạt với các điện cực thông qua quá trình chuyển giao điện tử ngoại bào (EET), cho phép dẫn dòng điện và chuyển hóa vi sinh vật. Geobacter sulfurreducens và Shewanella oneidensis là những sinh vật mô hình để hiểu và thiết kế EET. Nhiều vi sinh vật khác được báo cáo là điện hoạt nhưng thường ít được mô tả chi tiết. Dựa trên khảo sát tài liệu, có 94 loài được coi là điện hoạt. Sự đa dạng vốn có của chúng đặt ra câu hỏi về tầm quan trọng tự nhiên và sự phân bố của khả năng EET, tức là về niche sinh thái của hoạt động điện vi sinh vật. Để xác định niche tiềm năng này, các sở thích môi trường và đặc điểm habitat tự nhiên của tất cả các loài điện hoạt đã được kết hợp với các đặc tính về chuyển hóa, tăng trưởng và EET của chúng, và một phân tích meta toàn diện đã được thực hiện. Kết quả chỉ ra rằng không có một niche sinh thái duy nhất cho các vi sinh vật điện hoạt. Chắc chắn có nhiều loài điện hoạt hơn hiện có trong tự nhiên cũng như trong các bộ sưu tập chủng đã tồn tại, nhưng do các kỹ thuật nuôi cấy hiện tại, tiềm năng EET của chúng chưa được khai thác. Do đó, dưới ánh sáng của những đặc điểm cụ thể cần thiết cho ứng dụng công nghiệp, việc khai thác tài nguyên vi sinh vật dựa trên kiến thức sinh thái có tiềm năng lớn để mở rộng nền tảng của hóa học điện vi sinh vật cũng như để phát triển trong tương lai của các MET chính.

Silic (Si) được coi là một anode thay thế triển vọng cho các pin Li-ion thế hệ tiếp theo (LIBs) nhờ vào mật độ năng lượng lý thuyết cao, thế năng làm việc tương đối thấp và sự phong phú trong tự nhiên. Tuy nhiên, các anode Si có hiện tượng suy giảm dung lượng nhanh chóng và gia tăng điện trở bên trong, điều này xảy ra do sự thay đổi thể tích lớn khi nạp và xả Li. Điều này thật không may đã hạn chế ứng dụng thực tế của chúng. Do đó, việc quản lý sự thay đổi thể tích tổng thể vẫn là một thách thức quan trọng để giảm thiểu hiệu quả các vết nứt cơ học và sự không ổn định của các sản phẩm giai đoạn điện phân rắn. Trong bối cảnh này, chúng tôi xem xét sự tiến bộ gần đây trong các điện cực Si có khả năng thích ứng với sự thay đổi thể tích và điều tra các cấu trúc tinh vi của chúng với những cải thiện đáng kể trong hiệu suất pin, bao gồm các vật liệu kiểm soát kích thước, màng mỏng có hoa văn, cấu trúc xốp, thiết kế vỏ bảo tồn hình dạng và hợp chất graphene. Những phương pháp đại diện này có khả năng vượt qua những thay đổi hình thái lớn trong thể tích của các anode Si bằng cách đảm bảo sự thư giãn căng thẳng và tính toàn vẹn cấu trúc trong toàn bộ điện cực. Cuối cùng, chúng tôi đề xuất những quan điểm và thách thức trong tương lai để hiện thực hóa ứng dụng thực tế của các anode Si trong các hệ thống LIB.

Vải carbon là những vật liệu quan trọng được cấu thành từ các sợi carbon dệt có đường kính trong khoảng 5–10 μm. Những vật liệu này đã được nghiên cứu cho vô số ứng dụng như siêu tụ điện (đối称 và không đối xứng), pin, tế bào mặt trời và xúc tác. Chúng được phát hiện là các chất hỗ trợ tốt nhất cho vật liệu siêu tụ điện vì cung cấp diện tích bề mặt cao, tính dẫn điện và độ linh hoạt so với các vật liệu nền được sử dụng phổ biến như mút Ni và dây nano Fe 1D. Tính dẫn điện cao và diện tích bề mặt của vải carbon cho phép sự khuếch tán ion và làm giảm điện trở truyền tải điện, dẫn đến việc tăng cường điện dung đặc trưng của các điện cực cụ thể. Nhiều oxit kim loại, chalcogenide, phosphide, MXene, ống nano carbon, graphene và polymer dẫn điện đã được kết hợp vào vải carbon để cải thiện hoạt động lưu trữ năng lượng của chúng. Việc sửa đổi thêm bề mặt vải carbon thông qua oxy hóa, dop và tăng trưởng các cấu trúc nano khác nhau cũng rất hữu ích vì nó tăng cường diện tích bề mặt điện cực cần thiết cho tương tác điện hóa. Bài tổng quan hiện tại chủ yếu tập trung vào phát triển các siêu tụ điện linh hoạt sử dụng vật liệu nền dựa trên vải carbon. Các siêu tụ điện linh hoạt này có thể được sử dụng hơn nữa để cung cấp nguồn điện liên tục và ổn định cho các thiết bị điện tử đeo được và di động.

Siêu tụ điện với mật độ công suất cao và vòng đời dài là một nhóm quan trọng của nguồn điện trong các hệ thống lưu trữ năng lượng. Cửa sổ điện áp hoạt động của một siêu tụ điện được xác định bởi cả hóa học của vật liệu điện cực và động học điện hóa của điện phân, trong khi tiềm năng thủy phân nước là 1.23 V là giới hạn điển hình cho các tụ điện dựa trên điện phân nước. Ở đây, chúng tôi tóm lược cơ chế hoạt động của siêu tụ điện điện hóa, bao gồm tụ điện lớp electron kép (EDLC) và tụ giả, và khảo sát những hạn chế của điện áp hoạt động của chúng. Các nguyên tắc và ví dụ về các thiết kế khác nhau của điện cực và điện phân cho siêu tụ điện cao áp vượt qua giới hạn thủy phân được thảo luận, chẳng hạn như điện cực không đối xứng, điện phân có nồng độ cao và điện phân với các giá trị pH khác nhau. Các hiểu biết về tế bào tụ điện cao áp và triển vọng tương lai được cung cấp cho sự phát triển của các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa.

Các con đường chuyển electron xảy ra trong các điện cực sinh học vẫn còn chưa được biết đến. Chúng tôi chứng minh rằng tốc độ sản xuất acetate cao trong quá trình điện tổng hợp vi sinh vật chủ yếu là do dòng electron từ điện cực đến carbon dioxide, diễn ra thông qua hydrô do sinh học, với (99±1) % lượng electron được hồi phục thành acetate. Tuy nhiên, việc sản xuất acetate chỉ xảy ra trong biofilm. Các vi sinh vật sản xuất acetate, có thể là Acetoanaerobium, cho thấy khả năng đáng kinh ngạc trong việc tiêu thụ một dòng H₂ lớn trước khi nó có thể thoát ra khỏi biofilm. Với việc không để lãng phí gas H₂, nó cho phép tốc độ sản xuất cao hơn và giảm thiểu các rào cản kỹ thuật so với các công nghệ phụ thuộc vào quá trình chuyển khối lượng H₂ tới các vi sinh vật lơ lửng trong dung dịch nước. Nghiên cứu này gợi ý rằng việc sửa đổi bề mặt điện cực của vi khuẩn (có thể thông qua quá trình tổng hợp các hạt nano Cu) có vai trò trực tiếp trong việc nâng cao đáng kể sản xuất hydrogene.