脱合金纳米材料的制备及其在碱金属离子电池负极中的应用进展

碱金属离子电池包括锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池等,是一种非常有应用前景的电化学储能装置.在“双碳”背景下,随着电动汽车的快速普及,对电池的能量密度提出了更高的要求.硅、锗、锡、锑、铋等因具有高的理论比容量有望实现在高能量密度电池中的应用.由于具有成本低、结构可控和工业应用潜力大等特点,脱合金技术常用来制备硅、锗、锑等负极材料,并实现对硅、锗、锑等脱合金材料的结构、形态和空间排列的动态控制.本文阐述了脱合金技术的常见分类和代表性研究进展,重点讨论了由脱合金技术制备多种维度的纳米材料以及它们在碱金属离子电池等储能领域的应用情况,最后对脱合金技术的发展趋势以及脱合金技术在储能领域的应用前景进行了展望.

脱合金工艺对混杂增强非晶复合材料组织与性能的影响

基于金属熔体脱合金法制备了具有核壳混杂增强结构(核相为高熔点富Ta相,壳为B2-CuZr相)的[(Zr_(0.5)Cu_(0.5))_(92.5)Al_(7)Sn_(0.5)]_(0.95)Ta_(5)非晶复合材料,系统研究了不同脱合金工艺参数下非晶复合材料的显微组织及力学性能的演变规律。结果表明:脱合金温度和时间是控制富Ta相尺寸的关键参数。当反应温度过低或反应时间过短时,会造成富Ta相聚集、增强相分布不均匀;当反应温度过高或反应时间过长时,会导致富Ta相粗化。当脱合金反应时间为2 min、脱合金反应温度为1473 K时,非晶基体中富Ta相尺寸细小且弥散分布,并促进B2-CuZr相异质形核细化,得到了尺寸更细小、分布更均匀的核壳混杂增强结构。细小均匀的增强相可有效阻碍非晶基体中主剪切带的快速扩展,复合材料的力学性能得到大幅提高,断裂强度达到2439 MPa,塑性应变为11.6%。

液态金属脱合金反应及其应用的研究进展

液态金属脱合金反应(Liquid Metal Dealloying,LMD)是一种基于熔融金属液中合金各组分与金属液反应性不同(混合焓正负关系)而产生的一种选择性溶解反应,是一种新型的多孔材料及复合材料的制备手段。本文首先从液态金属脱合金反应的概念和原理入手,详细介绍了此反应应用于纳米多孔材料与金属基复合材料的制备案例。在多孔材料制备方面,液态金属脱合金反应不仅可满足贱金属类纳米多孔材料的高效生产需求,还可通过脱合金反应条件调控孔隙结构。在复合材料制备方面,脱合金反应可使得析出相尺寸更加细小,分布更加均匀弥散,从而提高复合材料的综合力学性能。最后,本文对液态金属脱合金反应的最新应用与机理研究进行了概述,并对此类反应的未来应用进行了展望。

电化学脱合金Ti6Al4V基台对人牙龈成纤维细胞的影响

目的探讨电化学脱合金Ti6Al4V基台对人牙龈成纤维细胞(human gingival fibroblasts,HGFs)的影响,为种植基台表面改性设计提供实验依据。方法根据试样不同表面进行分组:NC组(阴性对照,光滑表面无其他处理)、NM-1组(纳米网-1,1 mol/L NaOH电化学脱合金处理1 h,电压2 V)、NM-2组(纳米网-2,5 mol/L NaOH电化学脱合金处理1 h,电压2 V)。扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观察不同试样表面形貌及HGFs在其表面的黏附状态,接触角测量仪测定试样表面亲水性。CCK-8评估HGFs在不同试样表面的增殖情况;qRT-PCR检测HGFs在不同试样表面Ⅰ型胶原(collagenⅠ,COL1A1)、Ⅲ型胶原(collagenⅢ,COL3A1)、纤连蛋白1(fibronectin 1,FN1)、黏着斑激酶(focal adhesion kinase,FAK)、黏着斑蛋白(vinculin,VCL)、整合素α2(integrinα2,ITGA2)、整合素β1(integrinβ1,ITGB1)等黏附相关基因表达水平;免疫荧光染色,激光共聚焦显微镜(confocal laser scanning microscope,CLSM)观察HGFs在不同试样表面vinculin蛋白表达情况;天狼猩红染色评价HGFs在不同试样表面胶原纤维分泌合成情况。结果SEM观察到NM-1组和NM-2组表面形成有序均一的三维网状结构,网格直径NM-1组约为30 nm,NM-2组约为150 nm;NM-1组和NM-2组对比NC组,水接触角显著下降(P<0.0001);NM-1组细胞增殖能力较NC组显著提高(P<0.01),NM-1组和NM-2组的水接触角及细胞增殖能力差异无统计学意义(P>0.05)。SEM镜下可见HGFs黏附24 h后在各组试样表面均黏附良好,NM-1组和NM-2组细胞与NC组对比伸展面积更大,形态纤长,细胞伪足更发达。qRTPCR结果显示NM-1组中COL1A1、COL3A1、FN1、FAK、VCL等黏附相关基因表达水平显著高于NC组和NM-2组(P<0.01)。vinculin蛋白免疫荧光结果表明,NM-1组vinculin蛋白表达水平最高,单个细胞黏着斑数量最多(P<0.01)。天狼猩红染色结果显示NM-1组胶原纤维分泌合成量最高(P<0.0001)。结论Ti6Al4V经电化学脱合金改性后所构建的三维纳米网状结构有促进HGFs黏附增殖和胶原分泌合成的作用,其中网格直径约为30 nm的NM-1组对HGFs的促进作用明显。

铜-锌合金电沉积及脱合金化法制备多孔铜箔

[目的]纳米多孔铜由于其开放的多孔结构、较高的比表面积、较低的密度等独特的理化性能,在储能、催化剂、传感器等领域有巨大的应用潜力。为了解决金属锂作为锂离子电池负极材料时存在的锂枝晶及安全问题,采用脱合金化法制备多孔铜箔成为近年来的研究热点。[方法]先以钛板为基体电沉积铜箔基底,接着电沉积Cu-Zn合金,再脱合金化处理得到多孔铜箔。重点研究了工艺参数对Cu-Zn合金镀层形貌、结构和性能的影响。[结果]Cu-Zn合金电沉积的较优工艺条件为:电流密度1.0 A/dm^(2),温度40℃,时间20 min。该条件下所得Cu-Zn合金镀层表面平整、结构均匀、形成单一合金相,经脱合金化处理后Zn元素的去除率为70.6%。[结论]采用电沉积+脱合金化的方法有望制得孔径均匀的多孔铜箔,但会产生裂纹,有待进一步研究和改善。

脱合金法在TC4钛合金磁粒研磨光整加工中的应用

为解决TC4钛合金表面材料的定量去除问题,提高TC4钛合金磁粒研磨光整加工的效率,采用电化学脱合金法对不同浓度的Na OH溶液进行分析,得出最佳电解液浓度为1.5 mol/L;利用动电位和恒电位极化确定脱合金临界电压为2.1 V。在1.5 mol/L NaOH溶液中,2.1 V电压下进行脱合金试验,TC4钛合金表面获得连续均匀的纳米多孔结构。脱合金3、6、9 h后,工件表面纳米多孔层的维氏硬度分别降低29.4%、39.5%、46.7%。摩擦磨损试验中,磨球穿透纳米多孔层的时间分别为11、21、35 min,纳米多孔层厚度分别达到2.2、3.8和6.2μm。对TC4钛合金和脱合金工件进行磁粒研磨光整加工,研磨加工165 min后,TC4钛合金表面6.2μm厚度的磨痕得到有效去除;研磨加工45 min后,脱合金工件表面6.2μm厚度的纳米多孔层被有效去除,研磨效率提升72.7%。使用脱合金-磁粒研磨复合加工的方法,实现了TC4钛合金表面材料的定量去除,而且降低了表面材料的维氏硬度,提高了磁粒研磨的加工效率。

脱合金化法制备纳米多孔铂合金的研究进展

纳米多孔金属由纳米尺度的孔隙和金属韧带组成,具有三维双连通的网络状结构,兼具纳米材料和金属材料的双重特性,在催化、传感和药物输送等领域具有广阔的应用前景。脱合金化法操作简单,工艺流程短,成本相对较低,是制备纳米多孔金属的常用方法。目前,利用脱合金化法制备的纳米多孔Pt合金因其对甲醇氧化和氧还原反应具有优异的催化活性而备受关注,有望在燃料电池等相关领域实现应用。近年,研究学者不断丰富纳米多孔Pt合金的合金体系,通过优化合金成分和脱合金化工艺对其结构和性能进行调控,发展出多种形态的纳米多孔Pt合金,系统调查了前驱体的结构和成分、脱合金工艺参数对纳米多孔Pt合金的组织结构、形貌和性能的影响,并对纳米多孔形成和优异性能的机理进行了广泛的研究。利用脱合金化法制备的纳米多孔Pt合金具有多种形态,如低维的纳米颗粒、纳米花、纳米线和薄膜以及三维的纳米多孔带材等。低维的纳米多孔Pt合金因其更大的比表面积和纳米尺寸效应而具有更为突出的催化活性,而三维的纳米多孔带材具有均匀的纳米多孔结构,且克服了低维合金易团聚的问题。通过调整前驱体合金的化学成分和组织结构,改变脱合金化工艺参数,以及对纳米多孔合金进行退火处理等手段实现了对纳米多孔Pt合金的结构和形貌的有效控制。纳米多孔Pt合金对甲醇氧化和氧还原反应的催化性能相比于商用负载型Pt/C具有较大程度的改善。磁性纳米多孔Pt合金可将催化和磁分离相结合,易实现催化剂的回收再利用。此外,磁性纳米多孔Pt合金在过滤和药物输送等方面也具有巨大应用潜力。本文主要从脱合金工艺及其机制、制备与结构调控,以及性能与应用等方面简述了近年脱合金化法制备的纳米多孔Pt合金的研究进展,并探讨了目前存在的问题和今后的发展方向。

脱合金制备纳米多孔金属在植入领域研究进展

纳米多孔金属因其特殊的结构带来的优异性能,在催化和能源等领域得到了广泛的应用。在医用植入领域,具有微/纳米尺度双连续多孔结构的仿生材料也逐渐引起重视,但目前传统的成型工艺很难实现该类结构的制备。近年来,由于纳米多孔金属与人体骨骼中的多孔结构类似且具有良好的综合性能,开始被尝试引入医用植入领域以获得新型金属植入材料。现有研究发现,纳米多孔结构的金属材料在力学与生物学上均有着相对较好的性能表现,故在植入领域有着极大的应用潜力。聚焦于脱合金制备纳米多孔金属,系统综述了该类纳米多孔金属在植入领域的研究进展。首先介绍了常见的金属植入材料,然后重点阐述了脱合金法制备纳米多孔金属植入材料的具体制备工艺,并基于所制备的纳米多孔金属具有的结构特征列举了该类结构金属在植入领域的具体应用形式,最后对纳米多孔金属在植入领域的发展前景进行了展望。

脱合金在乙醇燃料电池中的应用研究

电子产品的不断发展使得人们对电池的要求越来越高,乙醇燃料电池因环保、高能、易存储等诸多优势备受关注。但其商业化之路仍面临困境,制备低成本、高活性、抗毒性的催化剂是解决问题的关键。脱合金方法简单易操作,可构筑不同纳米结构的金属复合物材料,发挥各活性组分的协同催化效应。本文着眼于乙醇燃料电池的阳极氧化,从脱合金前驱体制备、脱合金方法、催化金属种类、催化剂元素数目四个方面,阐述了近年来乙醇燃料电池阳极催化剂的研究进展,分析了不同催化剂的催化机理及优缺点,并对乙醇燃料电池未来发展及大规模应用提出了展望。

脱合金效应提升NiRu@C催化剂的析氢性能

电催化析氢反应(HER)是获得可再生氢能的有效策略,但电催化析氢催化剂活性和稳定性仍有待提高。基于此,通过热解镍盐、钌盐、柠檬酸的络合物制备了碳包覆镍钌催化剂,为了克服该催化剂中Ru原子利用率低的缺点,采用乙酸对碳包覆镍钌催化剂进行刻蚀制备脱合金NiRu@C催化剂。通过XRD、BET、ICP等手段对脱合金NiRu@C催化剂进行表征,在摩尔浓度1.0 mol/L KOH电解质中测定脱合金NiRu@C催化剂的电催化析氢性能。结果表明:脱合金处理后,Ni从NiRu晶格中溶解出来,形成富Ru的多孔结构,Ni的溶出造成催化剂结构及晶格参数的改变,多孔结构的形成使催化剂比表面积大幅度增加,增加了Ru活性位点的暴露;脱合金NiRu@C催化剂具有优异的HER活性,在电流密度10 mA/cm^(2)下过电位仅为36 mV,与未脱合金的NiRu@C催化剂相比,HER性能提升4倍,优于商业Pt/C催化剂(40 mV)。脱合金策略为优化HER活性提供一种新的思路。

脱合金法制备纳米多孔金属的研究进展

纳米多孔金属具有独特的物理、化学、力学性能,具有极大的科学与工程应用潜力。脱合金法是制备此类材料的有效技术,是实现其应用的关键。本文概述了脱合金法制备纳米多孔金属的原理,并从脱合金法制备纳米多孔金属的材料体系、初始材料的制备工艺以及纳米多孔金属的性能三方面综述了脱合金法制备纳米多孔金属的研究进展。

金属玻璃脱合金制备高催化性能的多元掺杂纳米多孔Pd

为获得具有高催化活性的多元掺杂纳米多孔Pd,将Pd10Ni50Co20P16B4金属玻璃作为预合金,分别在H2SO4+H3PO4酸溶液和NaCl盐溶液中以不同过电位,进行了电化学脱合金处理。在酸溶液中,制得了Ni、Co和P共掺的Pd纳米多孔金属材料。该多孔金属具有三维连通的纳米多孔结构,在对甲酸的催化中表现出了良好的催化活性。与市售碳负载的纳米Pd催化剂相比,在Ni、Co和P共掺的纳米多孔Pd催化条件下,甲酸的氧化电位发生了显著负移。在NaCl溶液中,Pd10Ni50Co20P16B4金属玻璃脱合金后不能获得具有高催化活性的纳米多孔结构。

QAl-9-2合金在3.5%NaCl溶液中脱合金腐蚀研究

利用扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）对 ＱＡｌ－９－２合金在３．５％ ＮａＣｌ溶液中脱合金腐蚀的早期过程进行了原位观察结合ＳＥＭ，ＥＤＸ分析表明，ＱＡｌ－９－２合金的脱合金腐蚀首先发生在α基体和亚稳β相的界面，并在亚稳β相内继续扩展．α相不发生脱合金腐蚀．ＳＴＭ原位观察没有发现钢在表面再沉积的现象．

电化学脱合金法在FeCrAl纤维毡表面制备纳米自组装结构

为了改善纤维毡对催化剂的粘结强度,降低催化剂中活性组元的用量,采用电化学脱合金法在FeCrAl纤维毡表面制备了连续均匀的纳米多孔结构膜。利用EG&GPARM273恒电位仪测量动态电势极化曲线和阳极极化曲线,研究了纳米多孔结构的形成机理。结果表明:纳米多孔结构膜形成的临界电压为1.2V。在此条件下,Al元素和Cr元素被选择溶解,Fe被氧化成纳米结构膜。

脱合金制备纳米多孔双金属氧化物NiMoO_4及其电化学性能

采用快速凝固与脱合金相结合的方法制备纳米多孔Ni-Mo合金,然后退火获得三维双连续纳米多孔NiMoO_4,采用XRD、SEM、TEM对多孔NiMoO_4的成分、形貌和结构进行表征,并通过循环伏安、恒电流充放电等方法测试多孔NiMoO_4电极的电化学性能。结果表明,Ni_5Mo_5Al_(90)和Ni_(2.5)Mo_(2.5)Al_(95)经脱合金和退火均可获得纳米多孔NiMoO_4,Mo元素对脱合金具有钉扎作用,可减小多孔合金的骨架和孔隙尺寸,由Ni_5Mo_5Al_(90)合金获得纳米多孔NiMoO_4表现出更为优异的超电容性能,其在1 A·g^(-1)电流密度比容量达708 F·g^(-1),当电流密度增加20 A·g^(-1),其比容保持率达57.1%。在4 A·g^(-1)电流密度下循环充放电1 000次,其比容保持率达91.2%。

脱合金法制备纳米多孔镍材料研究进展

纳米多孔金属镍材料的研制成功,开拓了多孔金属新的应用领域。综述了脱合金法从Ni-Al合金中制备纳米多孔镍材料的必要条件,并分析了脱元素法和脱相法各自的特点。脱元素法获得的纳米多孔镍的结构是三维无序内部互连通孔结构,而脱相法会产生原有的γ相或γ′相与多孔结构互相交织的网状结构,其中互通孔道大多为几百纳米宽。脱相法是个电化学控制的过程,脱元素法不需要加电压。同时,指出了纳米多孔镍基材料的应用领域及今后的研究方向。

脱合金法制备Ti-Bi基光催化剂

如何制备高效、廉价的半导体光催化剂以实现其在清洁能源和环境修复等领域的应用一直是研究的难点和热点。本文用简单的脱合金腐蚀法,将钛铋合金在硝酸中腐蚀,然后适当热氧化,制备Ti-Bi基光催化材料。通过控制腐蚀时间调控合金中铋的残余,并选择不同的热处理温度控制材料结晶的形貌和晶型,最终制备出了α-Bi2O3、TiO2/α-Bi2O3、TiO2和钛酸铋(Bi12TiO20/Bi4Ti3O12)系列纳晶光催化剂。进一步的光催化研究表明,其中的TiO2/α-Bi2O3、TiO2和钛酸铋在紫外光下对甲基橙有较好的光催化活性。

Cu_3Au中脱合金层产生内应力的分子动力学模拟

Cu3Au在腐蚀或应力腐蚀时表层Cu原子择优溶解形成脱合金疏松层.对具有疏松层的三维晶体(约148 000个原子),用镶嵌原子方法(EAM)势进行了分子动力学模拟.结果表明,一旦出现疏松层就会产生一个拉应力,它使单端固定、单边存在疏松层的晶体发生弯曲,其挠度(或拉应力)随疏松层增厚以及空位浓度升高而升高.

Cu-Al-Mn合金脱合金腐蚀现象的研究

采用电子探针技术研究了Cu-A l-Mn合金脱合金腐蚀现象及其产物。结果表明,Cu-A l-Mn合金中亚稳β相含铝量较高,优先发生脱铝腐蚀,并沿着亚稳β相不断扩展,待亚稳β相完全被腐蚀后,腐蚀向α相扩展,腐蚀产物中含有铝元素、氯元素及氧元素。腐蚀初期,因亚稳β相脱铝而使该区成为贫铝富铜区;腐蚀后期,亚稳β相被完全腐蚀而使该区成为富铝的产物区。

脱合金化制备纳米多孔Ni、Ni O阳极材料及其电催化析氧性能

采用快速凝固与脱合金化相结合的方法制备纳米多孔Ni,经热处理氧化获得纳米多孔NiO,运用XRD、SEM、TEM、BET等对纳米多孔Ni、NiO的物相、形貌结构、孔径分布进行表征,并通过循环伏安、稳态极化、电化学阻抗法研究了其作为电极的电催化析氧性能。结果表明,Ni 15 Al 85和Ni 5Al 95脱合金化后均获得了纳米多孔Ni,Al含量的增加使得Ni的孔径尺寸与骨架强度减小,Ni 5Al 95形成的纳米多孔Ni在10 mA·cm^-2电流密度下的析氧过电位比Ni 15 Al 85形成的纳米多孔Ni低95 mV,但随着反应的进行,纳米多孔Ni表面的孔洞开始坍塌和脱落,导致其析氧稳定性降低。NiO继承了Ni的纳米多孔结构,比表面积和骨架强度进一步增大,Ni 5Al 95合金获得的纳米多孔NiO在10 mA·cm^-2电流密度下的析氧过电位仅为357 mV,相比Ni电极降低了14.3 mV,室温下析氧反应的表观交换电流密度是Ni电极的1.2倍,表观活化自由能降低了8.59 kJ·mol^-1,经1 000圈循环伏安后过电位降低了12 mV(J=100 mA·cm^-2),具有优良的电催化析氧性能和良好的稳定性。