锂/钠-氯二次电池的最新进展——从材料构建到性能评估

传统锂离子电池的能量密度已难以满足日益增长的更高能量密度的需求。开发新型高能量密度二次电池是最为有效的一个策略。近期,基于商用一次锂-亚硫酰氯锂电池衍生而来的锂/钠-氯二次电池因其高能量密度而备受关注,成为替代传统锂离子电池的有力竞争者。本文围绕锂/钠-氯二次电池的最新研究进展,综述了正极载体、负极及电解液等关键组分构建研究及其对电化学性能的影响。在正极载体方面,系统阐述了碳材料、共轭框架聚合物等载体设计对锂/钠-氯二次电池首次放电容量、可逆容量、倍率性能和温度的影响;在电解液方面,详细分析了针对反应机理、中间相产物和电解液腐蚀问题的解决策略;并简要介绍了适用于锂/钠-氯二次电池的新型合金负极。基于正极载体的理性设计与电解液系统优化,锂/钠-氯二次电池在新型二次电池领域已初现峥嵘,循环寿命可达500圈,尤其是在极端服役环境中表现优异(可在-80℃工作,电流密度最大可达16 A/g)。然而,氯物种转化动力学速率慢、活性氯物种利用率低以及氯物种对负极等的腐蚀难题仍然是限制其性能进一步提升的瓶颈,也是未来亟待解决的挑战所在。

天然生物质材料的制备、性质与应用(Ⅸ)——易溶稳定的多功能天然多糖胶:葫芦巴胶

葫芦巴胶是从豆科植物葫芦巴胚乳中提取出的一种水溶性天然多糖胶。因葫芦巴胶具有良好的水溶性、持水性、增稠性、热稳定性和乳化力、成膜性等理化性能,以及降血糖、降血脂、抗氧化等药理作用,并可以通过物理、化学、共混和酶法等多种改性技术进一步改善其理化性质、提升其功效作用,使得葫芦巴胶在日用化工、食品加工、医药、采油等行业领域越来越受到重视。本文浅述了葫芦巴胶的来源、分子结构及其典型理化性质,并总结了葫芦巴胶的主要提取、纯化方法及常用改性技术,同时概述了葫芦巴胶及其改性产物的应用情况,并提及了当前葫芦巴胶开发所面临的主要问题及今后的研发方向和发展前景。

二氧化硅包覆的荧光贵金属纳米团簇复合材料的形貌调控

超小金属纳米团簇已发展成为一类新型的功能纳米材料,但是其稳定性不足极大地限制了它们在应用领域的深入发展。基于此,通过改进Stöber方法开发了一种制备不同形貌的二氧化硅(SiO_(2))包覆的金属纳米团簇复合材料的简单策略。该策略通过调节SiO_(2)前驱体的水解速率,可制备表面粗糙且尺寸较小的Ag NCs@SiO_(2)实心球(Ag NCs指银纳米团簇)和表面光滑但尺寸较大的Ag NCs@SiO_(2)实心球,而通过调节溶剂极性可制备较大尺寸的Ag NCs@SiO_(2)空心球。本工作研究了3种Ag NCs@SiO_(2)纳米复合材料的形貌调控机制,并对Ag NCs@SiO_(2)空心球的形成过程进行了监测。研究结果表明,经SiO_(2)包覆后,Ag NCs的稳定性显著提高。另外,该策略被证实是一种通用的合成策略,可用于制造其他SiO_(2)包覆的金属纳米团簇复合材料。本研究为其它金属纳米材料/SiO_(2)纳米复合材料的设计和形貌调控提供了思路,并为金属团簇基复合纳米材料的应用奠定了道路。

上转换荧光纳米材料Gd_(2)O_(3):Yb,Tm,Zn在光动力抗菌疗法中的应用

采用简单水热法合成了上转换荧光纳米材料Gd_(2)O_(3):Yb,Tm,Zn,在980 nm激光照射下所发出的蓝色荧光能够被光敏剂部花青540(MC540)吸收,并激活其光敏反应,产生单线态氧。利用该原理,实现了由Gd_(2)O_(3):Yb,Tm,Zn介导的近红外光响应的光动力抗菌疗法,对耐药细菌大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌的体外杀伤率分别高达92%以及88%。

CF@PANI纳米复合材料的静电纺丝制备及其吸波性能

以聚乙烯吡咯烷酮为原材料,N,N-二甲基甲酰胺为助溶剂,首先通过静电纺丝与高温煅烧法制备出碳纳米纤维;然后,通过电沉积法,在碳纳米纤维表面完成苯胺单体的聚合反应,制备出核壳型碳纳米纤维@聚苯胺纳米复合材料。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱、拉曼光谱以及X射线光电子能谱等测试手段对产物的物相、微观形貌、成分组成等进行了系统表征。对纳米复合材料的吸波性能测试结果表明:纳米复合材料综合吸波性能较单一碳纳米纤维有明显提升,其在4.42 mm厚度下,出现最强反射损耗-44.16 dB。通过研究纳米复合材料的多重反射、界面极化、导电损耗等对电磁波能量的衰减作用,阐述了多因素协同影响下的电磁波衰减方式。

制浆磨片不锈钢材料的数字化模拟及热处理研究

造纸制浆磨片是制浆系统中磨浆工段的核心件和易损件,在制浆生产线中消耗量巨大,同时也是决定纸浆质量的关键零部件。通过对制浆磨片制造厂的实地跟踪,并记录其生产情况,对磨片生产现场存在的问题进行汇总与分析。通过JMatPro软件模拟计算了耐磨材料的相变特征,并以此制定了热处理制度,进行热处理试验,对热处理后的样品使用OM、SEM、EDS等表征和测试手段,研究了制浆磨片的微观组织特征。结果表明:JMatPro模拟计算结果与试验结果基本吻合,通过合适的热处理,磨片材料组织主要为强度和硬度较高的马氏体基体+微米级细小碳化物,这种组织有利于磨片长寿命使用。

虚拟仿真技术在材料科学与工程实验教学体系中的应用

简述了材料科学与工程实验的教学现状,分析了开展材料科学与工程虚拟仿真实验的必要性,探讨了开设仿真实验项目过程中需要考虑的因素,介绍了虚拟仿真技术在材料科学与工程实验教学中的应用。通过虚拟实验平台的建设,能弥补目前材料科学与工程专业实验教学所存在的不足,有助于提高学生实践能力,有效解决学生综合能力培养问题,为培养新型综合性人才创造有利条件。

二次掺杂制备聚苯胺/石墨烯/碳纳米管复合材料及其防腐性能

在高氯酸体系中通过原位聚合将苯胺(ANI)单体分别与还原氧化石墨烯(RGO)、碳纳米管(CNTs)制备了一次掺杂态产物PANI/RGO和PANI/CNTs,产物分别经氨水解掺杂后,在高氯酸体系中经二次掺杂制备得到二次掺杂态聚苯胺/石墨烯/碳纳米管(Redoped PANI/RGO/CNTs)复合材料。通过扫描电镜、透射电镜、傅里叶变换红外光谱和紫外光谱对其不同产物形貌和结构进行表征,通过电化学工作站测试了不同产物在3.5%NaCl溶液的防腐蚀性能。结果表明,在RGO与ANI质量比为1:20、CNTs与ANI质量比为1:20时,二次掺杂态产物中聚苯胺纳米纤维可分别在RGO和CNTs上均匀生长并形成网状结构,纤维长度达到850 nm,形貌均一,其防腐蚀性能最优异,缓蚀效率可达81.79%。通过二次掺杂将PANI/RGO和PANI/CNTs复合制备Redoped PANI/RGO/CNTs材料,可有效避免石墨烯和碳纳米管在制备复合材料过程中的团聚,得到结构规整、防腐性能更优异的复合材料。

含磷废水的处理及排放评价

对分析化学实验“分光光度法测定水和废水中总磷”进行改进:以绿色无毒的麦饭石为载体,制备ZnFe-LDHs(层状双金属氢氧化物)改性麦饭石吸附材料,运用FTIR、XRD、SEM、EDS-mapping等手段进行表征,探索出ZnFeLDHs改性麦饭石对磷的最优吸附处理条件,去除率大于98.4%。含磷废水经改性麦饭石吸附处理后,磷的浓度小于0.08 mg·L^(-1),符合磷一级排放标准。该改进实验内容丰富,综合性强,学生在践行“绿色化学”理念中,综合研究能力和团队协作能力得到培养提升,适合推广至本科生高年级教学。

复配功能填料对无溶剂环氧涂层防腐性能的影响

针对不同种类的功能型填料对无溶剂环氧涂层性能的影响进行研究,选择了云母氧化铁协同钙交换SiO_(2)作为防锈填料来增强涂料的耐腐蚀性,沉淀硫酸钡配合陶瓷粉来增强涂料的耐磨性,在合适的颜基比下采用正交试验法制备出不同填料复配的无溶剂型环氧涂料。通过基础性能测试、电化学交流阻抗(EIS)以及耐盐雾测试等,分析研究了复配填料的质量比对涂层性能的影响。结果表明:在成膜物质与填料的质量比为3∶2,填充填料与防锈填料质量比为1∶1,陶瓷粉与沉淀硫酸钡质量比为2∶1,云母氧化铁与钙交换SiO_(2)质量比为3∶1时,制备的涂层在物理性能优异的同时,还拥有很高的涂层电阻,经3.5%NaCl溶液浸泡3000 h后,涂层电阻仍能保持在6.486×10^(10)Ω·cm^(2),展现出了良好的耐腐蚀性。

高渗透性芳香聚酰胺反渗透膜的影响因素及机理分析

随着反渗透膜应用的普及化和广泛化,提升其渗透性能成为了当下的迫切追求。为进一步改善以间苯二胺(MPD)与均苯三甲酰氯(TMC)为反应单体的芳香聚酰胺反渗透膜的分离性能以及表面形貌,从水相浸润时间、油相反应时间、热处理温度和时间、MPD及TMC的添加量、以及二甲亚砜(DMSO)的添加量等方面进行了研究,得到具有均一形貌的高渗透性芳香聚酰胺反渗透膜。通过对芳香聚酰胺反渗透膜进行性能评价、扫描电子显微镜(SEM)以及傅里叶红外变换光谱仪(FT-IR)等测试。结果表明:改善工艺参数后得到的反渗透膜拥有良好的渗透性能、分离性能以及表面形貌。

相容剂对聚丙烯/木粉复合材料的影响

利用相容剂对聚丙烯(PP)/木粉进行改性研究,结果表明,加入相容剂后,PP和木粉的界面相容性得到改善,颗粒引起的应力集中和产生缺陷的几率大大降低,复合材料的弯曲强度、拉伸强度、断裂伸长率、硬度、维卡软化温度、加工流动性能和冲击强度均有不同程度的提高。综合复合材料的物理性能,相容剂用量在10份左右最佳。

晶种辅助蒸气转化Al-SBA-15合成Beta纳米晶团聚体

采用晶种辅助蒸气转化(SASC)策略,将有序介孔分子筛Al-SBA-15颗粒直接转化为Beta纳米晶团聚体(BNA).除规则微孔外,BNA含有2种多级介孔结构.研究了骨架组装与多级孔结构的关系.通过调节热分解条件,将P123胶束选择性分解成碳颗粒并分散于Al-SBA-15介孔中,在颗粒内部构建了均匀的三维纳米空间网格.通过浸渍Beta晶种和四乙基铵阳离子(TEA+)强化分子筛成核,采用蒸气处理方法,将Al-SBA-15无定形孔壁在纳米空间中缓慢转化为Beta纳米晶体.通过调节合成参数,使纳米晶体沿Al-SBA-15孔壁方向规则排列,形成有序介观结构.此外,经高温焙烧去除碳颗粒后,BNA内部生成了穴状介孔.实验结果表明,低的溶剂用量可显著降低传质速度,提高骨架组装质量,从而使BNA酸性增强.优异的多级孔结构和较强的酸性使BNA在大分子反应中具有应用潜力.

炭黑填充聚乙烯导电复合材料的性能研究

研究了炭黑填充聚乙烯导电复合材料的性能及增容剂对其性能的影响。结果表明,炭黑填充聚乙烯导电复合材料具有明显的渗滤效应,当炭黑含量为12%时,复合材料具有较好的导电性能;增容剂(乙烯/辛烯)共聚物(POE)和马来酸酐接枝聚乙烯(PE-g-MAH)的加入对复合材料的导电性能没有造成太大的影响,却较好地改善了其冲击强度,加入POE还能有效地改善复合材料的加工性能,并在一定用量范围内提高其热变形温度。

ABS/PP合金材料的研制

利用Brabender挤出机和密炼机分别制备了熔融接枝物PP g MAH,研究了ABS／PP、ABS／PP g MAH、ABS／PP／PP g MAH三种共混物的性能,且作了对比。实验结果表明:PP g MAH的加入,能在一定程度上改善共混物的冲击性能、加工流动性能和耐热性能。

炭黑填充聚丙烯导电复合材料的性能研究

研究了炭黑填充聚丙烯(PP)导电复合材料的性能以及增韧剂对其性能的影响。结果表明:PP导电复合材料具有明显的渗滤效应,当炭黑质量分数为8%时,复合材料有较好的导电性能。热塑性聚烯烃弹性体(POE)的加入,对复合材料的导电性能影响不大,其用量控制在一定范围内,可使PP导电复合材料综合性能得到较好的改善。

PP／竹粉复合材料的研究

分别将未处理和经过表面处理的竹粉填充到聚丙烯(PP)中,研究竹粉对PP性能的影响。当竹粉含量为30-40质量份时,复合材料的综合性能较好;PP／处理竹粉复合材料的流动性能、力学性能和热性能相对于未处理竹粉的复合材料均有不同程度的提高。

多孔镍钴层状双金属氢氧化物阵列的制备及其电容性能

通过一步水热的方法在泡沫镍(NF)基底上生长了镍钴层状双金属氢氧化物(NiCo-LDHs)阵列。研究了Ni和Co的物质的量比对其晶相结构、形貌和电容性能的影响。在n(Ni)∶n(Co)=2∶2时获得高电容量和高循环稳定性的Ni_(2)Co_(2)-LDH有序致密的多孔纳米针阵列。在电流密度1 A·g^(-1)时,比电容高达2381 F·g^(-1);在电流密度10 A·g^(-1)时,电容率保持率为57.1%;4500次充放电循环后电容率保持高达60%。最后,以Ni_(2)Co_(2)-LDH@NF为正极,以活性炭为负极构建了非对称电容器。在电流密度为1 A·g^(-1)时,该非对称电容器的比容量为211.4 F·g^(-1)。在电流密度5 A·g^(-1)时,5000次充放电循环后电容保持率高达90%。在11.6 kW·kg^(-1)的功率密度下拥有73.1 Wh·kg^(-1)的能量密度。

单宁酸二次掺杂聚苯胺纳米材料的制备及防腐性能

采用直接混合法,在酒石酸体系下合成一次掺杂聚苯胺纳米材料,经氨水解掺杂后,再用单宁酸对其进行二次掺杂制备出单宁酸二次掺杂聚苯胺材料,解决了单宁酸体系下苯胺无法有效聚合制备聚苯胺的难题。通过扫描电镜、红外光谱及紫外光谱测试对产物进行了表征,利用电化学工作站测试了不同聚苯胺薄膜对Q235碳钢的防腐蚀性能。结果表明,通过二次掺杂方法,单宁酸能有效地掺杂到聚苯胺中,获得形貌良好的纳米纤维;单宁酸二次掺杂聚苯胺能较长时间有效地保护金属基材,其防腐蚀效率最高可达86.02%,在天然海水中浸泡7 d后仍能保持在78.84%。

洗衣机用PP复合材料的研制

讨论了各组分对聚丙烯(PP)复合材料性能的影响。以高韧性PPEPS30R为基体树脂,通过高流动性M—1600和DCP改善其流动性,滑石粉增强其刚性,并用正交设计方法优化配方。