自支撑BaTiO_(3)薄膜的制备与铁电性研究

BaTiO_(3)(BTO)铁电氧化物薄膜因其在非易失信息存储、智能传感、生物医疗、纳米发电机等领域潜在的应用而受到了人们的广泛关注。目前,为了保证BTO薄膜能高质量外延生长,通常选择晶格匹配的氧化物做衬底,所生长的薄膜与衬底之间存在较强的化学键,很难将其从衬底上大面积地剥离下来,所以也无法实现下一步转移到可用于高密度器件集成的的Si基衬底上。文章使用水溶Sr_(3)Al_(2)O_(6)(SAO)为牺牲层的方法,将生长在Nb-SrTiO_(3)(Nb-STO)衬底上的BTO外延薄膜可以大面积、无褶皱地转移到Si基衬底上。并且,转移后的自支撑薄膜仍然保持了完美的结晶度和室温铁电性。此结论对自支撑氧化物薄膜在高密度铁电器件的集成方面奠定了一定的基础。

MXene/芳纶纳米纤维柔性自支撑电极的构建及其在超级电容器中的应用

随着可穿戴电子产品的微型化发展,开发轻柔、灵活、体积小、能量密度高的柔性储能器件成为研究的热点。以芳纶纳米纤维(aramid nanofiber,ANF)作为纤维增强柱撑材料,采用真空抽滤的方法制备MXene/ANF柔性自支撑电极,避免引入集流体和黏合剂等“死体积”,并将其组装成全固态对称超级电容器。随着ANF含量增加至15%(质量分数),MXene/ANF自支撑电极的拉伸断裂强度增加至151.5 MPa,而电导率降低至1371.1 S/cm,在1 A/g的电流密度下表现出432.7 F/g的高比电容。组装的柔性对称全固态超级电容器的能量密度为25.7 Wh/kg,对应的功率密度为523.1 W/kg,具有优异的柔韧性和长循环寿命(10000周次循环充放电后,电容保持率为88.9%)。

FeCo_(2)S_(4)/NF自支撑电极的制备及其电化学性能

以泡沫镍为自支撑基底,采用两步水热法在泡沫镍(NF)上合成FeCo_(2)S_(4)自支撑电极材料(FeCo_(2)S_(4)/NF)。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)等对制备的电极材料进行表征分析,探究FeCo_(2)S_(4)/NF电极材料微观结构和电化学性能之间的关联,并在三电极体系中测试电极材料的电化学性能,将其与活性炭组装成非对称超级电容器,测试其在二电极体系中的电化学性能。结果表明,以泡沫镍为基底的自支撑FeCo_(2)S_(4)纳米片彼此相互连接,形成具有大量空隙的三维纳米结构,促进了电极材料的高效电子传递和长期稳定,从而使FeCo_(2)S_(4)/NF自支撑电极材料具有优良的储能性能。

自支撑多孔4A型分子筛整体材料的制备与表征

自支撑多孔分子筛整体材料的构建可同时解决分子筛颗粒成型和多孔结构的问题。以偏高岭土为原料,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为可去除模板,采用非溶剂法制备了自支撑多孔4A型分子筛整体材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等多种手段表征各工艺参数对产物结构和形貌的影响。结果表明,自支撑多孔4A型分子筛的最佳制备工艺为:偏高岭土(MK)与PMMA微球质量比为5∶5,Na与Al摩尔比为1.2,水与偏高岭土质量比为1.1,固化温度为70℃,煅烧温度为550℃,煅烧时间为2 h时,产物具有立方体形貌和多孔结构,比表面积为393.83 m^(2)/g,总孔体积为0.26 cm^(3)/g。4A型分子筛块体外观规整、致密,可作为整体式吸附剂或大体积吸附剂使用。

自支撑过渡金属基电极材料在电解水制氢领域研究进展

电催化裂解水制氢工艺具有绿色环保、简洁高效、氢气组分纯度高等优势,是最具应用价值的绿氢制造方式之一。但是,由于阴极和阳极电极反应动力学较为缓慢导致当前能源转换效率较低。利用高效、稳定的电催化裂解水制氢催化剂加速反应动力学过程,降低析氢反应电势,是大规模高效电催化裂解水制氢的关键所在。与传统的粉末状催化材料相比较,自支撑材料不仅不需要使用粘结剂,还具有极高的比表面积、较高的稳定性、高效的电荷传输速率及产物生成速率等优势,还可以按需构筑多种维度的新型电极结构,如一维、二维和三维等。基于此,主要介绍了自支撑过渡金属基电极材料的结构设计和可控合成方面的最新进展。

高性能锂离子电池用N掺杂C-Sn交联纳米纤维自支撑电极的理性设计

为了提高碳材料作为锂离子电池负极材料的比容量,将氮掺杂的碳纤维与高容量的Sn进行复合。通过静电纺丝及低温碳化制备了均匀镶嵌Sn纳米颗粒的氮掺杂碳纳米纤维(C-Sn)复合膜。该复合膜直接用作自支撑锂离子电池负极时表现出较好的电化学性能,Sn的引入显著提高了碳纳米纤维膜的电化学性能。碳均匀包覆Sn后形成的纤维结构可以促进离子电子的传导,并能有效缓冲Sn纳米粒子在循环过程中的体积变化,从而有效抑制粉化与团聚。Sn含量约为25.6%的CSn-2电极具有最高的比容量和更优异的倍率性能。电化学测试结果表明,在2A·g^(-1)的电流密度下,充放电循环1000圈后充电(放电)比容量为412.7(413.5)mAh·g^(-1)。密度泛函理论(DFT)计算结果表明,N掺杂非晶碳与锂具有良好的亲和性,有利于将合金化反应之后形成的SnxLiy合金锚定在碳表面,进而缓解了充放电过程中的Sn的体积变化。本文为高性能储锂材料的设计提供了一种切实可行的策略。

Ni-MOF/NF自支撑电极的制备及电化学性能

为改善金属有机骨架材料(MOFs)的导电性和电容性能,采用阴极还原电沉积方法,在泡沫镍(NF)基底表面原位生长镍基金属有机框架(Ni-MOF)用于制备自支撑Ni-MOF/NF复合电极,并采用SEM、XRD和FT-IR等手段对其形貌和结构进行表征.实验结果表明:Ni-MOF为棒状晶体自组装成的花状结构,随机分布在NF表面.当反应时间为1200 s时,Ni-MOF花状结构覆盖整个NF表面.电化学测试表明,沉积900 s所得Ni-MOF/NF(900)电极具有较好的电容性能,当电流密度为1 mA/cm^(2)时,其比电容可达5415 mF/cm^(2),在超级电容器方面具有潜在的应用前景.

倒U型自支撑管系稳定性分析

为探究倒U型自支撑管系在施工和运行条件下的稳定性能,采用非线性有限元计算方法研究施工偏差、施工外力、水压试验和管系内压因素对其稳定性的影响。计算结果表明:施工偏差、施工外力、水压试验都会降低倒U型自支撑管系稳定性能,管系内压对其稳定性能有利。倒U型自支撑管系对施工的初始倾斜偏差较为敏感,缺陷值为1/1000时,稳定安全系数仅降低0.8%,而当缺陷值达到4/135时,稳定安全系数降低了24.6%。施工水平外力和垂直外力的极限荷载计算荷载分别为339 N和1339 N,在施工过程中须格外注意。水压试验使其稳定性明显降低,将导致管系存在稳定安全风险,故而须给予管系足够的外部支撑,保证其平面外稳定。

致密砂岩气藏自支撑裂缝损伤机理及导流能力研究

针对致密砂岩气藏压裂后自支撑裂缝导流能力发生变化的问题,建立了裂缝壁面仿真自支撑裂缝导流能力的实验评价方法,从裂缝壁面微观形貌、粗糙度、强度等方面探究导流能力损伤机理,明确了裂缝导流能力变化规律。研究表明:裂缝遇水后壁面黏土水化,并在应力作用下压实,壁面平均高度下降了8.5%;同时,裂缝壁面软化,平均硬度降低了34.3%。生产油嘴尺寸变化越密集,高应力时自支撑裂缝导流能力越高;第3次开井生产时的裂缝导流能力比首次开井下降91.7%~98.5%;错位裂缝的导流能力为无错位裂缝的18.1~140.4倍;随着压裂后地层水驱替压裂液产出,最终裂缝导流能力为原始裂缝导流能力的3.45倍。该文明确了致密气藏生产过程导流能力损伤机理,阐明了不同因素作用下自支撑裂缝导流能力变化规律,为致密砂岩气藏自支撑裂缝保护提供了基础理论依据。

面向3D打印的自支撑连通性填充结构设计

针对大多数3D打印轻质化填充结构因不能够自支撑而导致模型无法打印成型,额外添加支撑结构又会造成模型内部残留打印材料无法排出的问题,提出一种面向3D打印的自支撑连通性填充结构设计方法.首先,基于每层打印切片构建填充结构;其次,通过调整参数来控制不同层正三角形连续地周期性变化,实现填充结构的自支撑性和连通性;最后,根据每层的几何信息生成可以直接用于打印的G-code文件.通过进行打印实物、打孔灌水和力学测试实验,实验结果表明,该方法可以打印具有不同自支撑角度且包含2个连通区域的填充结构,与5种典型填充结构相比,该填充结构力学性能良好.

泡沫镍铁合金自支撑NiFeOOH纳米片的制备及析氧性能研究

电催化析氧反应(OER)是电解水制氢的重要半电池反应.然而,OER的缓慢动力学仍需研究高效的电催化剂.在非贵金属催化剂中,NiFe基材料是OER催化剂研究热点.我们通过食人鱼溶液简单一步浸渍刻蚀法将不同Fe含量的泡沫NiFe合金进行氧化,制备了表面具有纳米片形貌的NiFeOOH自支撑电催化剂,并深入研究其电催化析氧性能.通过SEM、XRD、XPS等对电催化剂的形貌结构及成分进行表征,证实了三维多孔基底上NiFeOOH纳米片结构的形成.由于高价镍、铁物种的存在以及二维纳米片结构的生成,NiFeOOH/NF的析氧性能大幅度提高,在10 mA∙cm^(−2)的电流密度下过电位仅155.68 mV,Tafel斜率为88.2 mV∙dec^(-1).这为研制高效、耐用的自支撑非贵金属电极提供了新思路.

自支撑条件页岩裂缝的压缩特性分布及各向异性演化

甲烷原位燃爆压裂技术是利用页岩原位解吸甲烷与氧气协同燃爆产生的高温、高压气体冲击压裂页岩储层,具有广泛的应用前景。燃爆过程中会在压裂裂缝周围产生页岩碎屑颗粒,对裂缝通道形成一定的自支撑作用。其中,页岩碎屑颗粒作用下页岩压裂裂缝的压缩闭合行为及裂缝开度演化是亟待研究的关键问题。以平行层理无支撑(PBU)、平行层理自支撑(PBS)、垂直层理无支撑(VBU)和垂直层理自支撑(VBS)4种试样为研究对象,利用非接触式全场应变测量装置探究了应力加载过程中自支撑颗粒和层理对页岩裂缝压缩变形行为及各向异性演化特征分布的影响。结果表明,所有试样沿着加载方向均可划分为4个特征区域:裂缝区、近基质区、远基质区和无影响区,各区域垂直位移沿加载方向均呈线性下降趋势,且对应下降速率依次减小,在无影响区接近0。自支撑颗粒改善了层理方向对裂缝压缩特征沿裂缝走向分布差异的影响。自支撑裂缝的开度可压缩分量、不可压缩分量及可压缩分量占比分别为无支撑裂缝的47~56倍、11倍和4~5倍。引入层理各向异性系数(I_(BA))定量化分析自支撑颗粒对页岩裂缝变形各向异性演化特征的影响。应力加载过程中,各试样的I_(BA)均依次经历了:I_(BA)下降区、I_(BA)陡增区、I_(BA)震荡区和I_(BA)平稳区。自支撑颗粒缩短了I_(BA)震荡区范围(1~5 MPa),提高了I_(BA)平稳值(5.6),消除了不同层理间的I_(BA)平稳值差异。

自支撑过渡金属海水电解析氧催化剂研究进展

海水电解是一种很有前景的可持续绿氢生产技术。然而,由于受到缓慢的动力学、阳极上竞争性的氯释放反应、氯离子腐蚀和电极表面中毒等的影响,致使阳极材料的性能和耐久性下降,析氧反应(OER)的选择性降低。与传统的粉末催化剂相比,自支撑纳米阵列材料具有较低的界面电阻、较大的活性表面和优异的稳定性,已成为先进的催化剂。特别是在需要高电流密度的实际大规模制氢应用中,自支撑催化剂比粉末催化剂更具优势。电解过程中,在电极表面所产生气泡的强烈冲击下,粉末状纳米材料很容易剥离,导致催化活性降低,甚至频繁更换催化剂。相比之下,自支撑纳米材料的活性物质和基底之间具有很强的粘附性,确保了良好的电子导电性和高机械稳定性,有利于长期和循环使用。本文综述了用于海水电解自支撑过渡金属催化剂的最新进展,包括(氧)氢氧化物、氮化物、磷化物、硫族化物等。为确保OER过程中的高活性和高选择性,着重总结了各析氧催化剂在应对耐腐蚀性和屏蔽竞争反应方面所采取的策略。通常,构建具有高孔隙率和粗糙度的3D多孔纳米结构可以使催化剂具有较大的表面积和丰富的活性位点,是提高传质、OER活性和催化效率的有效策略。其次,催化剂表面的Cl−阻挡层,特别是兼具催化活性和保护作用的保护层,可以有效抑制Cl−的竞争性氧化和腐蚀,提高催化剂的催化活性、选择性和稳定性。此外,设计具有超亲水和超疏水表面的催化材料,以增加电解质的渗透性,促进活性位点的有效利用,并避免大量气泡的积累。最后,简要总结了OER催化剂在海水电解中的发展前景及建议。具体来说,海水电解的介质应从模拟盐水转移到天然海水中。鉴于天然海水电解中面临的诸多挑战,除了设计和合成具有高活性、高选择性和高稳定性的自支撑催化剂外,开发简单、低成本的天然海水预处理技术以最大限度地减少腐蚀和中毒问题也是海水电解未来发展的重要课题。更重要的是,应合理构建自支撑OER电催化剂的标准化评价体系。评估过程中应充分考虑催化剂内在活性、可达活性位点密度、尺寸、质量负荷、基质效应和试验条件等因素。

高性能自支撑氧催化电极基底材料的研究进展

在“碳达峰”和“碳中和”的时代背景下,电解水、金属空气电池、燃料电池等清洁能源技术由于具有能量效率高、安全性好、结构简单和清洁环保等优点受到广泛关注.然而,发生在氧催化电极上的关键反应——氧还原反应(ORR)和氧析出反应(OER)具有缓慢的动力学,很大程度上阻碍了其商业化应用.传统氧催化电极存在合成过程繁琐、可控性低、均一性差、成本高和载体催化剂易团聚等问题,限制了其催化性能.自支撑氧催化电极的高催化活性位点、高稳定性等优势可以完美解决传统电极面临的问题.本文介绍了自支撑氧催化电极基底材料的研究进展以及合成方法,并讨论了影响自支撑氧催化电极ORR/OER催化性能的因素,最后对自支撑氧催化电极未来的研发方向和发展趋势提出展望.

多色柔性自支撑胆甾相液晶薄膜反射器件

一维手性软光子晶体胆甾相液晶(CLC)在防伪标签、纳米激光器和传感等领域具有广泛的应用。本文采用多步图案化紫外固化方法并结合清洗-重填工艺,实现了多色的柔性自支撑CLC薄膜反射器件。采用标签打印机打印PET图案作为掩膜版,对可聚合的CLC材料进行紫外固化,得到图案化的柔性自支撑CLC薄膜反射器件。在此基础上,将非固化区域的液晶材料洗去并重新填充不同手性剂含量的CLC,再次图案化紫外曝光,即可实现多色的柔性自支撑CLC薄膜反射器件。研究了不同入射角、弯曲曲率半径和温度对反射器件光学性能的影响。实验结果表明,采用上述方法制备的多色可自支撑反射器件具有良好的柔性,不同曲率半径下的布拉格反射中心波长基本不变。随着温度升高,布拉格反射中心波长红移,且具有良好的线性度。多色的可自支撑柔性薄膜反射器件可拓展CLC在显示、传感、激光防护和微纳光学等领域的进一步应用。

基于玻璃碳基底的超薄自支撑多晶金刚石膜制备

选取Ti、Si、玻璃碳3种基底,采用微波等离子体化学气相沉积技术,以CH_(4)/H_(2)为反应源制备超薄多晶金刚石膜。通过SEM、Raman、台阶仪表征并分析所制备的金刚石薄膜整体形态、表面(断面)形貌、组成、应力状态等。结果表明:仅以玻璃碳为基体生长的金刚石膜能自动剥离形成完整自支撑体,且薄膜表面晶粒的晶面显形清晰,膜厚仅为10μm;Raman光谱表征表明薄膜呈强的尖锐金刚石特征峰,且计算的残余应力最低,仅有−0.2161 GPa。可为超薄自支撑CVD金刚石膜的一步法生长-剥离提供新的技术途径。

碳布基自支撑锂/钠离子电池负极材料的研究进展

随着可卷曲、可折叠、可穿戴及植入式柔性电子设备的出现,柔性自支撑电极材料的研究也备受瞩目。碳布是一种商用机织物,由于其高导电性、多孔网络、大表面积、良好的机械柔韧性和强度,被认为是构建柔性电极的优秀基材。近年来,各种活性物质(如金属单质、金属化合物及其复合物)直接生长或涂敷在碳布表面,当用作锂/钠离子电池负极时,它们表现出优异的机械稳定性和电化学性能。本文综述了这几类碳布基自支撑锂/钠离子电池负极材料的研究现状,重点介绍了碳布基自支撑锂/钠离子电池负极材料中的三个关键问题,具体包括碳布的预活化、活性物质在碳布上的负载形貌及电化学性能的表征,并展望了碳布基自支撑锂/钠离子电池负极材料所面临的挑战和机遇,这对于碳布用作锂/钠离子电池自支撑电极材料基底的研究具有一定的指导意义。

自支撑单晶氧化物薄膜的应用研究进展

随着柔性电子的迅猛发展,越来越多的新型智能可穿戴电子设备,逐渐改变人们的生活方式.同时,可穿戴器件小型化、柔性化、集成化、低功耗等需求不断提高,对柔性功能材料的要求越来越高,特别是亟需具有丰富功能特性的氧化物薄膜材料.近年来,随着薄膜生长与剥离技术的进步,自支撑单晶氧化物薄膜被开发出来.由于其脱离衬底束缚展现出优异柔性特征的同时,保持了丰富的磁、电、光、热、力等功能,在信息存储、智能传感、生物医疗、能源等领域具有广泛的应用前景.本文从自支撑氧化物薄膜的制备技术出发,展开介绍了基于铁电、压电、铁磁、金属-绝缘体转变等物理效应的晶体管存储器、能量收集、纳米发电机、应变传感器、储能器件及超导等方面的应用.

柔性自支撑PEDOT:PSS薄膜的制备及其超级电容特性研究

以聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)为原料,通过滴涂法成膜,并采用盐酸(HCl)和硫酸(H2SO4)对其进行后处理,制备出具有优异电化学性能的自支撑有机薄膜。运用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、紫外-可见光谱(UV-Vis)、拉曼光谱(Raman)、X-射线衍射(XRD)和电化学测试对样品的形貌、成分、结构及电化学性质进行表征和分析。结果表明:酸处理能够有效去除PEDOT:PSS复合组分中不导电的PSS部分,从而使其导电性能得到大幅改善(比原始样品高约2~3个数量级);导电薄膜展现出优异的电化学性能,特别是经H2SO4处理后的样品,具有较高的比电容(1 A/g时,比电容为87.3 F/g)和良好的倍率性能;导电薄膜可轻易从基板剥离,表现出良好的柔韧性和自支撑特性。

基于自支撑多孔硅微腔的DNA光学检测

用电化学蚀刻在单晶硅表面制备了多孔硅微腔(PSM),并通过大电流脉冲分离制成了一种自支撑多孔硅微腔结构.将该结构用于8个碱基对的DNA片段检测,根据折射率变化引起透射角度谱的移动量检测与探针DNA分子发生偶联反应的目标DNA分子的不同浓度.目标DNA分子在0.1~1.0μmol/L的浓度区间,透射角度谱红移量随着目标DNA分子浓度的增加而增大,并且有较好的线性关系,检测限达0.037μmol/L.自支撑多孔硅微腔检测生物分子时表现出灵敏度高、响应时间快、免标记、成本低等优点,可应用于便携式光学传感器.