宽光谱响应范围的氮化碳纳米片的制备及其光催化产氢性能研究

以块体氮化碳(CN)为前驱物,采用氧化剥离制备氧化型氮化碳纳米片(o-CN NSs),将o-CN NSs还原制得了还原型氮化碳纳米片(r-CN NSs)。o-CN NSs和r-CN NSs厚度均约2 nm,且都保留了纯CN的庚嗪环骨架结构;相比于o-CN NSs,r-CN NSs具有更小的禁带宽度(2.62 eV)、更宽的光响应范围(485 nm)和更高的产氢速率(1700μmol/(g·h));r-CN NSs的光催化产氢速率是CN的8.5倍、o-CN NSs的2.1倍。经过20 h的循环测试,r-CN NSs的光催化产氢速率没有衰减,具备良好的光催化稳定性。实验和理论分析表明,r-CN NSs是边缘基团为氨基的纳米片结构,氨基的引入改善了纳米片的结晶性,提高了电子和空穴的分离效率、拓宽了纳米片的光响应范围,从而导致光催化性能增强。

S型异质结光催化剂ZnFe_(2)O_(4)/WO_(3)的构筑及光催化还原CO_(2)性能

通过在WO_(3)纳米片表面负载ZnFe_(2)O_(4)纳米颗粒,构建了一系列S型异质结光催化剂ZnFe_(2)O_(4)/WO_(3),并研究了其光催化CO_(2)还原性能。在没有助催化剂和牺牲剂的条件下,所制备的ZnFe_(2)O_(4)/WO_(3)复合材料可对CO_(2)与水蒸汽进行光催化反应。优化后的材料光照5 h后CO_(2)还原产物CO和CH_(4)的产量分别为7.87和4.88μmol·g^(-1)。相对于单相组分,CO和CH_(4)的产量明显提高。光催化活性的提高,归因于ZnFe_(2)O_(4)和WO_(3)异质结的形成以及光生载流子的S型电荷传输模式。

超疏水表面加工技术及耐磨性能研究进展

当前制备的超疏水表面耐磨性能普遍较差,因而其在各领域的应用受到限制。研究表明微纳结构和低表面能是实现功能表面超疏水性能的关键因素,因此,首先基于超疏水表面作用机制,对超疏水表面织构进行了归纳,旨在通过优化表面织构来解决微纳结构易磨损难题;然后对超疏水表面加工技术进行了梳理总结,从成本和效率两个方面分析了降低表面能的措施,为拓展超疏水表面加工体系提供思路;进而详细总结了超疏水表面耐磨性的分析手段,并阐述了提高超疏水表面耐磨性的方法;最后,展望了耐磨性超疏水表面的未来发展前景,以期推动超疏水表面在工程中的大规模应用。

Ti_(3)SiC_(2)陶瓷材料制备方法研究进展

作为MAX相家族重要成员,钛硅化碳Ti_(3)SiC_(2)除了具有耐高温、抗氧化性能外,还具有与金属类似的优异导电性、导热性和可加工性,在电接触材料、热交换器构件材料、润滑材料等领域展现出较大的应用潜力,成为当前一种备受关注的新型陶瓷材料。现有的Ti_(3)SiC_(2)制备方法主要有无压烧结、热压烧结、热等静压、放电等离子烧结、前驱体转换陶瓷、反应熔体浸渗法、熔盐法、化学气相沉积、物理气相沉积等。本文首先阐述了Ti_(3)SiC_(2)材料的结构与性能,然后重点综述了国内外Ti_(3)SiC_(2)陶瓷材料的制备方法,最后展望了Ti_(3)SiC_(2)陶瓷材料的应用前景。

ATO-TiO_(2)浅色导电粉体的可控制备及性能研究

浅色导电材料因其较低的电阻率,优异的装饰特质迅速发展,运用在传感、电子信息、机械制造、通讯、电磁屏蔽等诸多领域。锑掺杂二氧化锡和二氧化钛(ATO-TiO_(2))纳米复合材料不仅具有半导体性质,并且颜色浅、可染性好,同时具有优异的化学稳定性和热稳定性。然而其制备过程中容易团聚,导致导电性能较差。因此,制备过程中均匀分散,同时兼具优异的导电性能是目前研究需要迫切解决的科学问题。采用共沉淀的方法,制备了ATO-TiO_(2)浅色导电材料,分析了包覆复合过程中不同改性剂、Sb_(x)Sn_(1-x)O_(2)∶TiO_(2)复合比和干燥方式对ATO-TiO_(2)浅色导电材料的物相组成、微观形貌、电学性能等微观结构形貌及宏观理化性能的影响,实现了可控制备并得到了最佳制备的工艺路线。

医用介入导丝用疏水和亲水涂层的研究进展

医用介入导丝被广泛应用于各类介入手术,是目前经皮冠状动脉成形(PTCA)术及经皮血管成形术(PTA)中常用的医疗器械之一。在医用介入导丝表面添加亲水或疏水涂层,可以减小导丝在临床应用中的组织摩擦和组织损伤,有效提高导丝的通过性、抗菌性和生物相容性,减少炎症。综述了近年来国内外医用介入导丝亲水和疏水涂层材料,介绍了这些涂层的机理、附着力优化、抗菌修饰等方面内容,重点介绍了聚四氟乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚对二甲苯等涂层材料体系的研究进展,介绍了不同材料体系在医用导丝亲水和疏水涂层的作用机理和实际应用,同时介绍了亲疏水涂层的制备工艺,重点阐述了层层自组装、紫外光接枝、等离子体接枝和化学气相沉积等制备方法的可操作性、优势和劣势。最后在总结前人研究成果的基础上,对医用介入导丝涂层的现状及面临的问题进行了探讨,并对医用介入导丝涂层的发展方向及提高涂层综合性能等方面进行了展望。

基于六水氯化钙的单相变材料热二极管的实验研究

基于相反传热方向上相变程度不同引起的传热形式和系数差异设计的相变材料热二极管被认为是有潜力的热管理器件.然而多种材料的使用或仅依靠数值模拟的研究使其结构复杂或理想化,降低了其实际应用的可能性.因此,本文结合材料固液相变和自然对流过程的传热形式和传热系数变化,提出了一个仅含有CaCl_(2)·6H_(2)O单相变材料的简单热二极管结构,并制备了相应的器件,搭建了稳态热通量测试系统用于实验研究,其测量结果与文献记载值相近,具有良好的准确度,实验研究了冷热端温差和正反传热方向对热二极管热整流效果的影响规律.结果表明:热二极管的热通量随冷热源温差的减小而降低,正向和反向分别沿逆重力和重力方向时,热整流比最高可达1.58,最佳冷源温度范围为20-25℃,接近室温,所提出的相变材料热二极管结构在建筑节能和热管理等方面具有一定的应用潜力.

MXene材料Nb_(2)CCl_(x)与Ti_(2)CCl_(x)对Mg储氢性能的改性研究

镁是众多固态储氢材料中一类深受关注的材料,具有很高的储氢容量(7.6%(质量分数))和可逆吸放氢等优点。但是Mg吸放氢所需温度高,放氢动力学缓慢等影响了其实用性。采用熔盐刻蚀法以n(Mg)∶n(MXene)=10∶1的比例制备了两种不同类型的MXene(Nb_(2)CCl_(x)和Ti_(2)CCl_(x)),并研究不同种类MXene的添加对金属Mg的微观结构和吸放氢性能的影响。结果表明,材料的相组成未发生改变,但球磨后材料的颗粒尺寸进一步减小,增大了其比表面积。Nb_(2)CCl_(x)和Ti_(2)CCl_(x)的引入则使Mg的性能得到明显提升,可以有效提高材料的吸放氢速率,Mg@Nb_(2)CCl_(x)在200 s内就可以放出5.0%(质量分数)的氢气,Mg@Ti_(2)CCl_(x)在250 s内也可以放出5.3%(质量分数)的氢气。同时也可以降低材料的初始吸放氢温度,10%(质量分数)Nb_(2)CCl_(x)使纯Mg的初始吸氢和放氢温度分别降低了125℃和175℃,10%(质量分数)Ti_(2)CCl_(x)则使纯Mg的初始吸氢和放氢温度分别降低了100和125℃。根据Chou模型进行吸放氢动力学拟合的结果表明,MXene的加入使Mg的控速步骤由表面渗透控制向扩散控制转变,从而提高了Mg的吸放氢动力学性能。

储氢材料虚拟仿真实验的设计与教学实践

针对固态储氢材料制备及性能测试线下实验教学中存在的时间、空间和深度限制,设计建设了虚拟仿真实验。实验内容包含一类材料、两个体系、两类制备技术、三种性能测试方法,并且结合动画展示材料内部原子级别的反应机理,既让学生亲自体验、直接观察每一步实验过程,又能深入理解实验机理,实现了多个维度的以虚补实和探究型的实验教学,有利于培养学生的自主学习能力和实践创新能力,提升材料科学与工程专业实验教学的质量和水平。

石膏基复合相变储能材料的研究进展

建筑能耗、工业能耗和交通能耗是能源消耗的主要方式。其中,建筑能耗约占能源消耗的40%,建筑能耗的持续上升会增加碳排放和加速化石能源的消耗,因此,如何提升建筑材料的保温节能性能逐渐成为建筑材料领域的研究热点。储热技术不仅可以降低建筑能耗,还可以减少环境污染。相变储能材料具有优异的储放热能力,是实现热能储存以及温度控制的重要技术手段,在建筑节能领域具有广阔的应用前景。该文主要综述了石膏基相变储能材料的研究进展;根据石膏基相变材料的不同,分析归纳了石膏基有机相变材料和石膏基复合相变材料;介绍了浸渍法、多孔材料吸附法、微胶囊法等制备石膏基复合相变储能材料的方法和机理及影响石膏基相变储能材料的因素;展望了石膏基相变储能材料的研究方向。

凹凸棒/琼脂复合气凝胶的制备及太阳能界面蒸发性能

太阳能界面蒸发是一种新兴的、可持续海水淡化和废水净化方法,在缓解淡水资源短缺方面具有巨大的潜力。本研究以凹凸棒和琼脂为原料,通过物理混合、冷冻干燥、交联反应等步骤制备得到凹凸棒/琼脂复合气凝胶(AACA),AACA具有分级多孔结构、优异的隔热性能以及超亲水性能。为了提高材料的光吸收性能,对AACA的表面进行聚吡咯(PPy)喷涂,制备得到了光热转换材料PPy-AACA,其在250~2500nm范围内的平均光吸收率可达到97.7%。以PPy-AACA作为太阳能界面蒸发器,在1个太阳的光照强度下(1k W/m^(2)),PPy-AACA的蒸发速率为1.5012kg/(m^(2)·h),能量转换效率为88.76%。PPy-AACA在循环蒸发实验和盐水蒸发实验中表现出优异的稳定性和抗盐性能。此外,该光热转换材料还证明了海水淡化和净化染料污水的能力,其盐离子和有机染料的截留率均大于99%。

抗菌、抗氧化和厚朴酚复合纳米纤维膜的制备及性能研究

目的满足新型天然食品活性包装材料的需求。方法天然植物苯酚和厚朴酚(HK)为活性成分,采用共混静电纺丝工艺制备PLGA-HK复合纳米纤维膜,避免食品氧化及受到微生物的侵袭。结果通过FT-IR、扫描电镜、TG、水接触角等表征手段,证明PLGA-HK复合纳米纤维膜具有均匀的纤维形貌,以及良好的热稳定性和表面疏水性。此外,PLGA-HK复合纳米纤维膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均大于等于99%,抗氧化活性值达到(61.33±7.71)%,且活性成分在作用过程中不会溶出,其安全性较高。结论在食品保鲜应用中,PLGA-HK复合纳米纤维膜可有效保持食品品质,延长食品保质期,具有作为食品保鲜应用活性包装材料的潜力。

自润滑自修复双功能微胶囊的制备及工艺优化

采用原位聚合法制备了以聚脲甲醛(PUF)为壁材,亚麻油(LO)和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM]PF6)为芯材的双芯微胶囊,通过光学显微镜观察微胶囊的形成过程,研究了乳化剂种类、乳化剂含量、搅拌速度、芯壁比对微胶囊形貌和包覆率的影响,并确定了合成微胶囊的最佳工艺参数。结果表明:以聚乙烯醇为乳化剂,其用量为芯材含量的5%(质量分数),搅拌速度为600r/min,芯壁比为1∶1时制备的微胶囊外貌呈球型,表面无缺陷和孔洞,粒径分布均匀,平均粒径为20.29μm,壁厚为950nm且包覆率达到75.61%。

溶胶-凝胶法制备SiO_(2)减反射薄膜及其耐久性

目的增加太阳光在太阳能电池玻璃盖板的透过率,以期提高太阳能电池的转换效率。方法以正硅酸乙酯为原料、乙醇为溶剂、氨水为催化剂,采用碱催化溶胶-凝胶浸渍提拉法,在玻璃表面制备了SiO_(2)减反射薄膜,研究了溶胶中正硅酸乙酯与乙醇物质的量比和提拉镀膜速度对SiO_(2)薄膜光学性质的影响,分析了减反射薄膜的耐久性。结果碱性溶胶制备的SiO_(2)为非晶相,采用浸渍提拉法在玻璃表面制备的薄膜结构疏松,且存在微裂纹。采用正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶20、提拉速度为500μm/s及正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶30、提拉速度为1000μm/s制备的SiO_(2)薄膜,折射率分别为1.35和1.33,厚度分别为101.11、102.63nm,最大透过率分别高于未镀膜玻璃6.57%和6.94%,在400~1100nm波长范围内的平均透过率分别高于未镀膜玻璃5.01%和5.34%,表明该薄膜具有优异的减反射性能。玻璃表面制备SiO_(2)薄膜后,水接触角约为5°,具有超亲水性。将未镀膜玻璃及镀膜样品在实验室放置5个月后,采用正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶20、提拉速度为500μm/s及正硅酸乙酯与乙醇物质的量比为1∶30、提拉速度为1000μm/s的制备SiO_(2)薄膜的最大透过率分别高于未镀膜玻璃7.50%和6.71%,在400~1100 nm波长范围内的平均透过率分别高于未镀膜玻璃5.94%和5.59%,表明SiO_(2)薄膜的减反射性能具有较好的耐久性。结论采用碱催化溶胶-凝胶法在玻璃上制备的SiO_(2)减反射薄膜具有超亲水性及优异的减反射耐久性,在太阳能电池玻璃盖板上具有潜在的应用价值。

兰炭灰固碳对复合相变储热材料性能的影响

为推动“双碳”战略,促进工业固废兰炭灰的低成本消纳,开发新型绿色低碳复合材料,提出在已有的兰炭灰/硝酸钠复合相变储热材料基础上,利用兰炭灰进行碳捕捉。对固碳前、后兰炭灰及复合相变储热材料的性能进行研究。结果表明:兰炭灰碳捕集的最佳条件为气体组分20%CO_(2)/80%N_(2)、通气时间40 min、加热温度650℃;在最佳实验条件下,兰炭灰的固碳率达到29.27%,所制得的复合相变储热材料固碳兰炭灰/NaNO_(3)的最佳质量比为5:5,在100~380℃储热密度达到288.65 J/g,拥有更好的机械性能、热稳定性及化学相容性。固碳兰炭灰作为骨架材料制备复合相变储热材料具有较好的可行性,为工业固废兰炭灰的资源化利用和碳排放处理提供了新的途径。

污泥焚烧炉渣/硝酸钾复合相变储热材料制备及性能

未妥善处理的市政污泥会导致部分的生态环境受到不可逆的影响,通过焚烧处理可有效缓解所带来的危害。但污泥焚烧炉渣中又存在难以固定的重金属。为有效解决重金属的固定问题,同时制备低成本、环境友好的复合相变储热材料,提出以市政污泥焚烧炉渣作为骨架材料,硝酸钾为相变储热材料,采用冷压-烧结法制备5种不同质量比的污泥焚烧炉渣/硝酸钾复合相变储热材料,并对其宏观形貌、微观形貌、抗压性能、热稳定性、化学相容性、传热储热性能、经济性及CO_(2)排放量进行表征和分析。结果表明,在100~380℃范围内,污泥焚烧炉渣与硝酸钾的最佳质量比为5∶5(样品SC3),储热密度为322.45 J/g,潜热为41.75 J/g,最大热导率为1.04 W/(m·K);抗压强度达到153.78 MPa;两者间具有良好的化学相容性,且在样品SC3中均匀分布;经1000次加热/冷却循环后的样品SC3具有良好的高温热稳定性;储热成本为63.06元/MJ;总CO_(2)排放量为1083.53 kg/t,低于传统骨架材料基复合相变储热材料的总CO_(2)排放量,有较好的环境效益,具有较好的可行性。

活化调控的龙眼壳多孔碳材料结构和吸波性能

生物质材料是一种来源丰富、廉价易得的可再生资源,通过在生物质材料中构筑多层级结构制备生物质碳材料是目前吸波材料领域研究的热点。为制备轻质、宽频、高效的生物碳基吸波材料,以龙眼壳为原料,通过活化碳化的方式制备龙眼壳多孔碳材料(LSPC),通过X-射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜等表征多孔碳材料的微观结构,并采用矢量网络分析仪对其吸波性能进行分析,考察了磷酸(H3PO4)、氢氧化钾(KOH)和氧化锌(ZnCl_(2))对龙眼壳多孔碳材料结构和吸波性能的影响。结果表明:活化使得龙眼壳多孔碳结晶度下降、缺陷增多,形成了较多的异质界面和活化中心,增强了材料的极化损耗。与未活化的龙眼壳多孔碳相比,H3PO4活化处理使得多孔碳材料的孔壁变薄、孔结构更为明显;KOH活化多孔碳材料不仅保留了龙眼壳连续的孔结构,而且孔壁出现了类似脊椎的波浪起伏结构;ZnCl_(2)活化制得的龙眼壳多孔碳材料仅在原有的光滑截面形成许多小孔;综合分析表明,活化处理改善了龙眼壳多孔碳材料的吸波性能,其中以氢氧化钾活化制备的龙眼壳多孔碳材料吸波性能最佳,其反射损耗达到-43.57 dB,分别是LSPC-H3PO4的2.03倍和LSPC-ZnCl_(2)的3.02倍;活化处理不同程度地改善了龙眼壳多孔碳材料的有效吸收带宽。对微观形貌关联的电磁损耗行为分析表明,活化促进了龙眼壳多孔碳材料中多层级孔结构的生成,有效降低了龙眼壳多孔碳材料的有效介电常数,改善了材料的阻抗匹配;同时,龙眼壳多孔碳材料可通过传导损耗、偶极极化、界面极化、多重反射等多重损耗机制衰减电磁波。

硬度耦合刚度增强型软体夹持器设计研究

软体夹持器具有良好的顺应性、无损伤和安全的人机交互性能等优点,但由于其材料的特性限制,往往存在刚度不足和夹持力小等问题。文中基于传统的快速气动网络结构,提出了一种硬度耦合结构的刚度增强型软体夹持器的结构方案。首先,结合硅橡胶材料的Yeoh本构模型和静力平衡及虚功原理,建立了刚度增强型软体夹持器的运动学和力学模型,描述了夹持器手指弯曲角度和末端接触力与压强之间的关系;其次,运用ABAQUS软件对不同硬度结构的夹持器进行了有限元分析,制作了夹持器实体,搭建实验台测定了夹持器手指实际变形和末端接触力数据,并通过实际抓取对比试验验证了实际抓取效果。结果表明:相较于传统结构,硬度耦合结构在同为20 kPa的驱动气压下,弯曲角度最大可减小120°;极限压力下,末端接触力最大增加0.1 N;最优设计为05HA结构,抓取物的质量是传统型的3.42倍。

铁磷共掺杂氮化碳光催化剂的制备及催化性能

以双氰胺单体、硝酸铁和磷酸氢二铵为前驱体,制备了铁磷共掺杂氮化碳(P/Fe-CN)。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X光电子能谱(XPS)和BET比表面积分析等方法研究了P/Fe-CN的晶相、结构和元素组成。结果表明:Fe和P共掺杂的协同作用打开了原始氮化碳紧密的片层堆积结构和团聚状态,有效降低了原始g-C_(3)N_(4)的禁带宽度,增加了活性物质,提高了光催化性能。其中,P掺杂量为5%的双掺杂样品(5%P/Fe-CN)在可见光下对甲基橙(MO)表现出最优的光催化活性。其光催化降解MO的速率常数为0.03863min-1,是g-C 3N 4光催化效率的4.7倍。紫外-可见光(UV-Vis)结果表明,5%P/Fe-CN的带隙宽度为2.248eV,较原始g-C 3N 4减小了0.331eV。

铁尾矿制备介孔硅酸锌复合材料及其对亚甲基蓝的高效吸附

铁尾矿转化为高附加值产品的功能化利用越来越受关注和期待。本文以铁尾矿为原料,引入锌离子水热合成了介孔硅酸锌复合材料,包括由层状纳米片组装而成的花瓣状硅酸锌类物质(zincsilite)和异晶锌(hemimorphite)复合材料,以及由短棒组装而成的椭球状硅锌矿(willemite)复合材料。其中,花瓣状异晶锌复合材料具有典型的片状粒子聚集形成的狭缝孔结构,孔隙宽度约为3.385 nm,比表面积为96.15 m^(2)/g。该复合材料对染料亚甲基蓝(MB)有高效吸附效应,10 min内去除率接近100%,在染料废水处理领域具有潜在的应用前景。