不同镉胁迫下施用纳米硅和活性硅对水稻的降镉效应

为明确施用纳米硅和活性硅在不同镉污染条件下的降镉效应,选取轻度污染的稻田土壤,盆栽设置双因素试验,即设3个镉水平(Cd1,不添加镉,低镉;Cd2,添加5 mg/kg镉,中镉;Cd3,添加10 mg/kg镉,高镉)和3个硅肥水平(Si0,不施硅肥;Si1,叶片喷施纳米硅20 mg/pot;Si2,叶喷纳米硅20 mg/pot+土施活性硅120 mg/kg)共9个处理。结果表明,随着土壤镉浓度的增加,水稻根系和茎叶生物量降低,有效穗数减少,产量显著下降,与Cd1处理相比,Cd2和Cd3处理水稻产量分别降低7.1%和20.0%;施用硅肥能够降低根系和茎叶镉含量,促进根系和地上部分干物质积累,提高有效穗数,进而增加水稻产量,与Si0处理相比,Si1和Si2处理水稻产量分别增加12.3%和15.4%;与Si0处理相比,Si1和Si2处理还能够降低镉从颖壳向糙米和精米转运,糙米镉含量分别降低26.0%和42.3%,精米镉含量分别降低25.2%和42.0%,Si2处理的降镉效果要优于Si1处理。综上,在中镉和高镉胁迫下,水稻叶片喷纳米硅+土壤施活性硅的处理增产和降镉效果显著,可以作为镉污染稻田降镉的有效措施进一步研究。

纳米硅补强氟橡胶的研究

以热弧等离子体法制备高纯度纳米硅,通过机械共混法制备炭黑/氟橡胶(FKM-C)和纳米硅/氟橡胶(FKMSi)复合材料,与不加填料的纯氟橡胶(P-FKM)复合材料相比,研究填料对氟橡胶性能的影响。结果表明:FKM-Si复合材料的脆性温度低于P-FKM复合材料;FKM-Si复合材料的硬度、拉伸强度和拉断伸长率均高于FKM-C复合材料,分别达到70度、12.16 MPa和289%;FKM-Si复合材料的截面无缺陷,说明纳米硅与氟橡胶的相容性好;FKM-Si复合材料的热稳定性比FKM-C复合材料好。

纳米硅对人参生长发育的影响

以人参为试验材料,设置6个浓度硅处理:0 g/L(CK)、0.03 g/L(T1)、0.06 g/L(T2)、0.09 g/L(T3)、0.12g/L(T4)、0.15 g/L(T5),用以探究不同硅浓度对人参生长发育的影响及变化趋势。结果表明,不同浓度施硅对人参的叶长、茎长、根长、叶宽、茎粗、根粗、生物量变化均有积极作用,施硅对促进人参生长的最佳供硅浓度为0.09 g/L。施硅对促进人参光合能力的提升有积极作用,胞间CO_(2)浓度在T2处理下达到最大值,较CK增高4.01%;气孔导度在T3处理下达到最大值,较CK增高100%;净光合速率在T3处理下达到最大值,较CK增高136.47%;蒸腾速率在T3处理下达到最小值,较CK降低27.54%。不同浓度施硅可以通过提高活性氧防御系统的酶活性(过氧化物酶含量)以及减轻细胞损伤程度(丙二醛含量)来增强人参根、茎、叶的整体抗性强度。不同浓度施硅可以引起人参体内硅含量的增加和持续积累,施硅增强人参硅素吸收的最优处理为0.09 g/L。以不同部位来看,追肥处理的人参硅素分布为叶>根>茎;以不同时期来看,绿果期结束、红果期开始时可能是人参吸硅的最佳时期。综上所述,人参最佳施硅浓度为0.09 g/L。本试验为促进人参生长发育和增强抗性提供实践基础,为农田栽培人参的施用硅浓度提供参考。

琼脂包覆和NH_(4)F改性纳米硅用作锂离子电池负极材料的研究

硅负极材料由于具有成本低、比容量高和安全可靠的优势,成为高能量密度锂离子电池的理想材料之一。但是,在锂嵌入过程中会产生严重的体积膨胀,且材料导电性差及循环稳定性差等问题限制了硅负极材料的商业应用。为此,通过一锅水浴法采用琼脂和NH_(4)F对纳米硅实现碳包覆和掺杂改性,制备琼脂衍生碳/NH_(4)F@纳米硅复合材料(Si@FNC),对其结构、形貌和电化学性能进行研究。结果表明:经NH_(4)F掺杂改性处理后,Si@FNC复合材料的循环稳定性和导电性能显著提高。当掺杂的NH_(4)F与纳米硅粉质量比为1∶5时,在500 mA·g^(−1)的电流密度下,Si@FNC复合材料首次放电比容量为2001.0 mAh·g^(−1),循环充放电200次后仍保持在836.7 mAh·g^(−1),展示出优异的电化学性能,对推广高容量硅碳负极材料具有一定的参考价值。

纳米硅+聚丙烯纤维复合改性透水混凝土性能研究

为提升透水混凝土的综合性能,将纳米硅与聚丙烯纤维添加于透水混凝土中,研究复合改性透水混凝土的性能。首先,探讨单掺纳米硅对水泥净浆及透水混凝土性能的影响,确定纳米硅掺量与最佳水胶比,以此为基础复掺不同比例的聚丙烯纤维,并确定合理的聚丙烯纤维掺量。试验结果表明:纳米硅的加入,提高了透水混凝土空隙率,同时增加了最佳水胶比。当纳米硅掺量为0.5%、水胶比为0.32时,透水混凝土抗压强度最高。在此基础上,复掺1.0 kg/m^(3)聚丙烯纤维可得到最大抗压强度,7 d与28 d抗压强度分别提高了29.9%、42.2%。复掺1.5 kg/m^(3)聚丙烯纤维对改善透水混凝土抗冻性能最为显著,经过300次冻融循环后,抗压强度和抗折强度残余率仍可达到65%和75%,远高于单掺纳米硅时的45%和55%。

纳米硅对低温胁迫下番茄根系构型及土壤酶活性的影响

研究纳米硅对低温胁迫下番茄根系构型及土壤酶活性的影响。以番茄品种‘中杂9号’为材料,于人工气候箱中进行基质培养,叶面喷施纳米硅溶液,共设置2个温度处理(常温:25℃/16℃;低温:15℃/6℃)、3个纳米硅施用浓度(0 mg/L、50 mg/L、100mg/L),研究外源喷施纳米硅对低温胁迫下番茄幼苗生物量、根系构型、土壤脲酶活性、土壤蔗糖酶活性的影响。试验结果表明,与常温相比,低温胁迫显著降低了番茄幼苗的生物量、根系构型指标及土壤酶活性;外源喷施纳米硅后,番茄幼苗的生物量、根系构型指标及土壤酶活性均有明显提高。综上所述,低温胁迫对番茄幼苗根系生长具有抑制作用,同时会降低土壤蔗糖酶活性和土壤脲酶活性。而喷施纳米硅可以通过提高总根长,增加根尖数和提高分形维数促进番茄植株生长;通过降低土壤脲酶活性,提高土壤蔗糖酶活性改善根际环境,对提高番茄的耐寒性具有重要意义。

纳米硅的砂磨宏量制备及其碳纤维复合负极的储锂性能研究

硅碳负极材料因具有较高的储锂容量等优势在锂离子电池领域备受关注,但仍面临电导欠佳、体积膨胀及界面兼容性差等问题。本研究从太阳能电池微米硅废料的纳米化处理出发,通过优化砂磨实验参数实现宏量制备颗粒粒径约为300 nm硅纳米颗粒。进一步地,通过静电纺丝法制备铜纳米颗粒修饰的硅碳复合材料,所制硅碳复合材料中的硅与铜纳米颗粒内嵌或附着在纳米纤维上。综合研究其电化学储锂性能发现,该复合材料以碳纳米纤维作为基体,辅以铜纳米颗粒的修饰,可构建出高导电网格并进一步提升复合材料的电导能力,有效克服硅材料的剧烈体积膨胀以及导电性差的缺点,进而表现显著增强的电化学储锂综合性能。特别是,结构优化后的硅碳复合负极材料在1.0 A/g的较高电流密度下循环550次后仍可保持765.9 mAh/g的高可逆容量。因此,本研究为宏量制备硅纳米材料及其硅碳纤维复合负极提供了良好的参考。

不同天然矿物制备纳米硅及微观形貌特征研究

本试验以叶蜡石、蒙脱石、硅藻土和二氧化硅为前驱体,通过熔盐辅助镁热还原的方法制备不同形貌纳米硅材料。采用X射线衍射(XRD)、低温N_(2)-吸附/脱附、扫描电镜(SEM)等研究不同矿物前驱体、金属镁添加量对制备多孔纳米硅的影响。结果表明,镁的加入量对纳米硅含量具有双相效应,适量的金属镁可促进前驱体中SiO_(2)的还原,然而当加入的镁超过一定量时,会导致纳米硅产率降低;蒙脱石前驱体中不同矿物的SiO_(2)在镁热还原过程中表现出不同的活性,SiO_(2)被还原活性顺序为蒙脱石>长石>石英;因蒙脱石与叶蜡石结构稳定性不同,在相同还原条件下,蒙脱石比叶蜡石更易被镁还原。不同硅前驱体制备的纳米硅材料在形貌和孔结构等方面存在差异,选择不同结构的前驱体,可获得形貌特异的纳米硅材料。

高层建筑纳米硅粉防火耐热混凝土应用性能研究

为探究高层建筑纳米硅粉防火耐热混凝土应用性能,对不同纳米硅粉掺入量条件下的混凝土实验试件尺寸变化、质量变化和耐压强度变化记录和分析。结果表明在混凝土当中掺入纳米硅粉能够有效促进混凝土材料抗高温变形性能的提升、减少混凝土质量损失、提高试件耐压强度,纳米硅粉防火耐热混凝土抗高温变形性能强、致密性强、耐压强度大,具备极高应用性能。

旋涂制备纳米硅薄膜电极及其性能研究

为了实现全固态薄膜锂电池中硅薄膜电极的简单、低成本制备,采用旋涂法制备纳米硅薄膜电极,以锂磷氧氮(LiPON)作为固态电解质,锂箔作为对电极制备全固态电池,并进行储锂性能研究。研究发现,针对硅负极循环过程中膨胀问题,采用纳米尺寸的硅是一种有效的解决方案。以旋涂纳米硅悬浊液的制备方法快速完成了具有疏松多孔结构纳米硅薄膜电极的制备。在性能测试中,Si/LiPON/Li电池在30.15μA/cm^(2)的电流密度下循环11圈后具有51.36μAh/cm^(2)的放电比容量,在此后循环30圈容量保持率为98.77%,表明通过旋涂法制备的纳米硅薄膜电极在全固态薄膜锂电池的发展中具有较大潜力。

纳米硅材料对植物生长发育和环境响应的影响研究进展

纳米技术诞生于20世纪80年代,并得到了快速发展,在医药、材料、化工、能源、农业和生命科学等领域发挥了各种作用。硅是作物生长的有益营养元素,可以调控植物的生长发育、改善植物在环境胁迫下的防御功能。作为纳米材料的一种,纳米硅具有巨大的比表面积、独特的熔点、磁性、光学和导电特性。纳米硅作为肥料施用于农作物上,可促进种子萌发,提高作物光合作用,提高植物的肥料吸收率,增强植物的抗逆性。但是,由于其独特的结构和理化性质,其尺寸、浓度、表面修饰、应用介质、作用时间和物种的差异可能会对植物产生不同的影响。总结纳米硅对作物生长发育和抗逆性的影响及其调控机制,可为评估纳米硅的环境和生态风险、开发利用纳米硅肥料提供重要的指导。文章总结了最近几年国内外纳米硅在植物上的研究进展,包括纳米硅在植物体内的吸收途径和转运过程、纳米硅对植物生长发育和环境响应的影响,以及纳米硅作为肥料的应用潜力。

纳米硅基固沙材料加固机理及抗冲蚀试验研究

为了减少荒漠化地区沙坡在降雨冲蚀作用下坡体坍塌、水土流失的发生,以西藏雅鲁藏布江河谷分布的沙质边坡为研究对象,提出采用自主研发的纳米硅基固沙材料(nano-silicon/polymer composites,NSPC)对沙坡坡面进行防护。针对NSPC固沙材料加固沙体作用效果尚不明确,基于红外光谱、黏度测试、接触试验以及模拟沙坡降雨冲蚀试验,探讨NSPC固沙材料加固沙体的作用机理,研究降雨作用下NSPC固沙材料加固沙体的抗冲蚀能力。试验结果表明:NSPC固沙材料与沙粒通过聚合、胶结作用相互交叉缠绕、联结形成立体网状结构,从而达到加固沙体的目的;NSPC固沙材料的流变性在初始1 h内属于宾汉流体,后期逐渐转变为牛顿流体;NSPC固沙材料表面张力为60.31 mN/m,与沙体接触角为48.6°,黏附力为0.040 N/m,因此具有较强的入渗能力;沙坡表面形成的加固层对雨水冲蚀具有较强的阻滞效果,并且加固层还具有一定的保水能力。本研究可为NSPC固沙材料在荒漠化地区固沙防护工程中的应用及推广提供试验支撑。

激光晶化形成纳米硅基电致发光材料及其性质研究

为实现基于硅基材料的高效光源,提出激光晶化形成纳米硅基电致发光材料性能研究,来明确了激光晶化形成纳米硅基电致发光材料的基本性能。主要以选择的纳米硅基电致发光材料作为研究对象,首先采用激光晶化技术完成制备工作,其次设计对电致发光材料性能计算方法,最后设计吸收光谱、固态与薄膜态量子产量、发光寿命、发光率四方面的测定环节,依此对晶化处理和未晶化的两个样本进行电致发光材料测定。结果表明:晶化后的电致发光材料中存在尺寸可控的纳米硅量子,且当氧气量充足时,晶化后的致电发光材料的硅粒子产出量会逐渐增加;光学带隙要比原始沉积样本要小,且当精光密度增加时光学带隙发生进一步缩减;晶化后的样本发光寿命有、无氧两种状态均为1200 ns,发光率可达到99%。以上结果说明激光晶化形成纳米硅基电致发光材料性能优越,具有较强的发展潜力。以期可为日后的纳米硅基电致发光材料研究与制作过程中提供理论支撑,在此基础上制备出性能更加优异的电致发光材料。

改性纳米硅颗粒强化高温泡沫的性能及机理研究

高温环境下常规两相泡沫的泡沫稳定性很差,不能满足高温油藏生产需求。本工作以改性纳米硅颗粒(NP)强化α-烯烃磺酸钠(AOS)的泡沫性能,通过Waring Blender法对NP强化泡沫体系的泡沫性能进行评价,研究了NP稳定AOS泡沫的机理和NP强化泡沫高温下的封堵能力。结果表明,2.0%NP强化的0.5%AOS泡沫具有十分稳定的泡沫性能,高温热老化处理后泡沫性能稳定;其稳泡机理在于NP能在气液界面上形成不可逆吸附,同时NP能与AOS分子发生吸附,有效提高起泡溶液的黏度、表面扩张弹性模量和储能模量,增强液膜强度,延缓泡沫的排液、歧化和聚并;NP强化泡沫在1000 mD和3000 mD渗透率时均具有优秀的封堵性能,其阻力因子远大于AOS泡沫,具有高温调驱应用潜力。

纳米硅对低温下番茄生长发育及碳水化合物积累的影响

为探究纳米硅对低温下番茄根系构型及碳水化合物积累的调控机制,以番茄品种‘中杂9号’为材料,通过基质盆栽试验,研究了施用纳米硅对低温下番茄幼苗生物量、根系构型、光合能力以及非结构性碳水化合物含量的影响。结果表明:1)低温下番茄幼苗生物量、总根长、根尖数、光合色素含量和净光合速率等显著下降(P<0.05),可溶性糖、蔗糖和淀粉含量显著增加(P<0.05),其中地上部鲜重、净光合速率和总根长分别降低48.60%、66.88%和65.49%(P<0.05)。2)施用纳米硅在常温和低温下均能显著提高番茄幼苗的生物量、根系活力、根尖数、分形维数、净光合速率和非结构性碳水化合物含量,其中低温下施用纳米硅番茄幼苗根分叉数、净光合速率和叶片可溶性糖含量分别提高35.25%、48.24%和75.69%(P<0.05)。由上可知,低温严重制约了番茄的光合作用、根系的生长发育以及非结构性碳水化合物的积累,根系构型参数偏向于不利于植物正常生长的方向变化,施用纳米硅可通过促进光合色素合成、提高光合速率和根系活力、改善根系构型及提高非结构性碳水化合物积累来提高番茄抗冷性。

氮掺杂碳包覆rGO-纳米硅的制备及电化学性能

通过静电自组装法,将自带负电的石墨烯与用正电荷修饰过的纳米硅进行自组装,再利用多巴胺的黏接特性对复合材料进行氮掺杂碳包覆得到复合材料Si/rGO@CN.通过改变多巴胺的浓度和聚合时间,研究了不同厚度的氮掺杂碳层对复合材料电化学性能的影响.结果显示,当氮掺杂碳的含量(质量分数)为23.6%时,复合材料表现出优异的电化学性能.在0.2 A/g电流密度下循环200次后容量为943.4 mA·h/g;在1.0 A/g电流密度下的长循环性能测试中,发现其经300次循环后容量仍然保持在753.8 mA·h/g.氮掺杂碳层的均匀连续包覆不仅可以避免硅与电解液的直接接触,还可以缓冲硅纳米材料在脱嵌锂时产生的体积膨胀,维持材料结构的稳定性,而石墨烯的存在提高了复合材料的导电性.

高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器的研究

针对高端领域对高性能微小量程压力传感器的迫切需求,设计并实现了一种应用于电子血压计的高性能SOI基纳米硅薄膜微压阻式压力传感器,并提出了相应的检测电路。根据小挠度弯曲理论设计了传感器方形敏感薄膜结构,确定了纳米硅薄膜压敏电阻的阻值大小和尺寸。采用ANSYS有限元分析(FEA)对所设计的传感器结构进行仿真,根据仿真结果确定了压敏电阻在膜片上的最佳放置位置。基于标准MEMS制造技术,在SOI基纳米硅薄膜上设计并实现了该压力传感器。实测结果表明,室温下,在0~40 kPa微压测量范围内所设计的传感器检测灵敏度可达0.45 mV/(kPa·V),非线性度达到0.108%F.S。在-40℃~125℃的工作温度范围内,温度稳定性好,零点温度漂移系数与灵敏度温度漂移系数分别为0.0047%F.S与0.089%F.S。所设计的压力传感器及其检测电路,在现代医疗、工业控制等领域具有较大的应用潜力。

叶蜡石镁热还原法制备片状多孔纳米硅的研究

以层状黏土矿物叶蜡石为前驱体,通过熔盐辅助镁热还原方法制备具有片状多孔的纳米硅材料,采用X射线衍射(XRD)、低温N2吸附、扫描电镜(SEM)等方法研究了不同金属镁添加量、还原温度对制备多孔纳米硅的影响。结果表明,随着金属镁添加量和还原温度的增加,叶蜡石和石英X射线衍射特征峰逐渐减弱,当叶蜡石与金属镁质量比增加到1∶1.0,还原温度为750℃时,叶蜡石和石英结构完全被破坏,SiO_(2)被完全还原成纳米硅;熔盐辅助镁热还原叶蜡石制备的纳米Si具有片状多孔结构,随着还原温度的增加,片状纳米硅比表面积和总孔容逐步减小,平均孔径逐渐增大。

纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料及其负极结构锂离子超级电容器

通过湿法纺丝工艺成功制备了纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料,并对其进行形貌表征与电化学性能测试。纳米硅颗粒嵌入石墨烯层间褶皱的结构具有限制硅材料在储锂过程中体积膨胀的作用,适于作为锂离子电容器负极。同时,研究了锂离子电容器多孔活性炭正极材料的双电层电容特性,通过组装成对称超级电容器,对其电化学性能进行测试,并结合材料的形貌,分析其作为锂离子电容器正极的合理性。为使正负极电荷匹配,分别对负极硅碳纤维和正极活性炭材料组装的锂离子半电池的倍率、循环稳定性、电化学阻抗等电化学性能进行了测试。结果表明,纳米硅/还原氧化石墨烯复合纤维材料的比容量最高可达826.2 mA·h/g(在电流密度为0.2 A/g时),活性炭比容量可达39.9 mA·h/g。组装成的锂离子电容器在合理的匹配条件下,充放电首圈循环比容量可达58.2 mA·h/g (在电流密度为0.2 A/g时),能量密度为26.8 W·h/kg,循环100圈后,比容量保持率降至41.7%。

纳米硅粉改良碱渣-矿渣固化淤泥的抗硫酸镁侵蚀性能

利用纳米硅粉对碱渣-矿渣固化淤泥抗硫酸镁侵蚀性能进行改良,对MgSO_(4)溶液浸泡后的固化淤泥试样开展无侧限抗压强度、核磁共振和X射线衍射试验,研究硅粉掺量、养护龄期、浸泡时间对固化淤泥强度的影响规律及其微观机理。研究表明:在标准养护条件下,当硅粉掺量为3%(质量分数)时固化淤泥试样的孔隙体积最小,无侧限抗压强度最大,生成水化铝酸钙等产物。在MgSO_(4)侵蚀环境下,标准养护7 d试样具有很好的抗侵蚀能力,当硅粉掺量为3%(质量分数)时固化淤泥抗MgSO_(4)侵蚀能力最好,无侧限抗压强度随浸泡时间的增加而增大;标准养护28和60 d时,固化淤泥抗MgSO_(4)侵蚀能力减弱。建立了固化淤泥无侧限抗压强度与硅粉掺量及浸泡时间的关系式,预测了最危险条件和最低强度。适量的纳米硅粉可增加固化淤泥中水化速度和程度,减少钙矾石的生成量及其不利影响,达到提高碱渣固化淤泥抗MgSO_(4)侵蚀性能的目的。