纳米介孔氧化铁具有丰富的孔道结构、较高的比表面积、可控的孔径分布等优势,在吸附、分离、催化等领域有着广泛的应用。然而,不同的制备方法往往会得到不同形貌乃至不同晶相的纳米介孔氧化铁材料,通过运用不同的制备方法并调整实验参数,可以控制产物孔道实现有目的地“造孔”,进而根据其性能应用到各个领域。综述了纳米介孔氧化铁的制备进展及应用现状,并对该领域的研究方向提出了自己的观点。

MLCC超薄介质的发展,对钛酸钡纳米粉体的分散性提出了新的挑战,纳米钛酸钡的尺寸效应、表面效应等因素又制约了粉体的分散。以平均粒径为100 nm钛酸钡为原料,通过研究不同球磨条件对粉体分散性的影响,获得了分散性优良的浆料,并经过流延、叠层、烧结、披银后测量介电性能。结果表明,通过提高粉体在溶剂中的分散性进而获得了分散性良好的钛酸钡浆料,由此流延所得生坯具有良好的均匀性和流延适应性,经烧结后的钛酸钡陶瓷介电常数达到了6 311,比商用亚微米级钛酸钡粉体所得陶瓷的介电常数提高了35%,为后续100 nm钛酸钡粉体工业化制备MLCC提供了参考。

通过简单的溶液工艺将水溶性光交联聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶盐(SbQ-PVA)溶液涂敷至银纳米线(AgNWs)薄膜上形成SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜,分析了不同面密度的AgNWs薄膜在涂敷SbQ-PVA前后的光电性能和形貌,对比了AgNWs裸膜和SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜的机械和环境稳定性。结果表明,SbQ-PVA涂层不影响银纳米线网络的导电性,还能起到减小光散射和减反增透的作用,复合薄膜方阻低至约20 Ω/sq时,也具有约90%的高透过率。同时,相比于AgNWs薄膜,SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜具有更优异的稳定性,其对外部刺激(5 000次弯曲、3B铅笔刮擦、空气老化、酸碱盐溶液腐蚀)的抵抗力显著提升。此外,SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜能够在去离子水超声处理中保持稳定,利用此特点配合光掩模进一步实现了银纳米线薄膜的图案化。

纳米陶瓷涂层是一种采用不同纳米增韧方法和制备工艺获得的陶瓷涂层,纳米结构的引入能够在一定程度上改善陶瓷涂层的脆性。介绍了纳米结构增韧陶瓷涂层的常用增韧方法及其增韧机理,包括晶须增韧、纳米线增韧、碳纳米管增韧、纳米颗粒增韧、纳米多层膜增韧、纳米超晶格增韧以及仿生结构增韧,简述了近几年纳米增韧陶瓷涂层的主要制备工艺,主要有溶胶-凝胶法、气相沉积法、热喷涂技术(如等离子喷涂、超音速喷涂)以及磁控溅射等。最后,总结了不同纳米增韧陶瓷涂层制备过程中存在的难题与挑战,并对纳米增韧陶瓷涂层的研究方向与应用前景进行了展望。

以PVB为基底,碳纳米管和氮化硼为填料,采用溶液共混法制备成复合材料,并针对波长范围、照射时长和辐照强度3种影响因素,开展了人工紫外照射实验,通过瞬态电热技术测量了不同波长、不同照射时长和不同辐照强度下复合材料的热扩散系数和导热系数。结果表明,氮化硼/碳纳米管/聚乙烯醇缩丁醛复合材料对波长为340 nm的光照射线更为敏感,且随着照射时间的增长或者辐照强度的增大,材料内部结构会发生断裂和降解,使得其热扩散系数呈不断下降的趋势。

为提升沥青路面的路用性能,选用聚氨酯、纳米ZnO和基质沥青制备聚氨酯/纳米ZnO复合改性沥青。以针入度、软化点、延度和135 ℃运动黏度为评价指标,研究改性剂对沥青性能的影响,采用软化点差值评价储存稳定性,并制备3种复合改性沥青AC-13C混合料进行车辙试验、小梁弯曲试验和浸水马歇尔试验,研究改性沥青混合料的性能。结果表明,聚氨酯和纳米ZnO的掺入能显著改善基质沥青的高低温性能,且储存稳定性符合规范要求。复合改性沥青混合料能够满足沥青路面的路用性能,5%聚氨酯复配3%纳米ZnO掺量的改性沥青混合料改善高温性能和水稳性能效果最好,与基质沥青混合料相比其动稳定度提高了2.32倍,残留稳定度上升了9.0%,最大弯拉应变(-10 ℃)提升了8.3%。综合考虑路用性能改善效果,推荐选用5%聚氨酯复配3%纳米ZnO为复合改性沥青及其混合料的最佳掺量。

硅作为锂离子电池的负极材料在脱出/嵌入锂时会产生巨大的体积膨胀,使自身发生粉化现象,从而造成容量的快速衰减。现有研究表明Si纳米化、合金化后能够缓解体积变形所导致的破碎效应。为了高效制备纳米级Si-Sn粉体材料,采用等离子体电弧作为热源对Si进行纳米化处理,之后通过等离子体电弧实现Si-Sn粉体材料的纳米合金化,研究等离子体电流对Si及Si-Sn纳米粉体材料制备特性的影响。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)检测制备的物相,通过电池测试系统和电化学工作站检测硅纳米线作为负极材料时的电化学特性。结果表明使用等离子体电弧能够实现硅纳米线的高效制备,添加低熔点的Sn有利于硅纳米线管径尺度的均匀化。两组硅纳米线在第三次充放电循环后的效率均可保持在90％左右,其中Sn的加入能进一步提高硅负极的导电性和稳定性,循环60次后,电池的比容量为117.5 mAh/g。

利用纳米磁流体作为磁流变液的基础载液是提高磁流变效应的有效手段。然而,高稳定纳米复合磁流变液的制备仍然是一大难题,包括纳米磁流体的制备与复合颗粒的团聚问题。研究以硅烷偶联剂KH550为分散剂,制备了Fe₃O₄硅油基纳米磁流体,并通过分散剂共包覆工艺得到了新型纳米复合磁流变液。利用XRD、FI-IR、TEM、FE-SEM、VSM等手段对表面形貌、物相构成和磁性能进行了表征分析。研究了新型纳米复合磁流变液沉降稳定性和再分散性。结果表明,微米级颗粒的表面改性明显改善了纳米复合磁流变液的稳定性与再分散性,当纳米颗粒体积分数为8%时,沉降稳定性和再分散性达到最佳;新型纳米复合磁流变液表现出更佳的耐温性能,可在-40~120 ℃的温度范围内长期稳定。研究了新型纳米复合磁流变液的流变特性。结果表明,与传统磁流变液相比,纳米复合磁流变液表现出更高的离态粘度和磁流变效应,静态屈服应力和动态屈服应力均随纳米颗粒浓度和磁场强度的增大而增大。

采用乳液聚合法,以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和吐温-80(Tween-80)作为软模板,过硫酸铵(APS)为氧化剂,并掺入适量的碳纳米管(CNTs),制备得到PANI/CNTs复合材料。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)和傅里叶红外光谱仪(FT-IR)等分析技术对复合材料进行了表征。结果表明,PANI/CNTs为核壳结构的复合材料,呈纤维状,PANI均匀包覆CNTs。电化学测试结果表明,在1.0 A/g的电流密度下,PANI/CNTs电极比电容是478.48 F/g;1 000次循环后PANI/CNTs比电容保持率是70.01%,而传统方法制得的PANI只有49.10%。该方法制得的PANI/CNTs复合材料较传统方法获得的PANI单一材料的比电容高,且循环寿命明显提升。该方法为高性能超级电容器电极材料制取提供重要途径。

通过自行设计的火焰喷雾燃烧系统合成纯WO₃和Ti掺杂的WO₃/TiO₂纳米晶,采用旋涂法进行薄膜制备,并通过多种表征手段研究Ti掺杂量和退火温度对薄膜电致变色的影响。研究表明,Ti掺杂为薄膜提供更多的活性位点,增大离子迁移速率和电导率,WTi-6薄膜在633 nm处的最大光学调制为67.11%,着色效率也为纯WO₃薄膜的1.7倍。同时,400 ℃的退火处理增强了WTi-6薄膜和导电基材的附着力,薄膜的电化学性能得到提升, Li⁺在薄膜上嵌入/脱出的可逆性增强。相应地,退火后WTi-6薄膜获得较高光学调制范围(76.05%),响应速度加快,在着色时间和褪色时间也分别由未退火的5.7、10.4 s缩短为5.5 和8.2 s,着色效率提高至82.20 cm²/C。因此,通过火焰喷雾燃烧进行Ti掺杂改性和退火工艺精进,提高了WO₃薄膜电致变色性能,拓展了WO₃纳米晶的制备工艺,具有良好的应用前景。

玉米油作为纳米流体基液存在易氧化问题,特丁基对苯二酚的添加有望提高玉米油抗氧化性能。以玉米油作为基液,Al₂O₃作为纳米颗粒,以特丁基对苯二酚为抗氧化剂,制备新型环保型纳米流体,研究其沉降稳定性和抗氧化特性。从颗粒粒径、颗粒质量分数、抗氧化剂种类、抗氧化剂添加量等角度,研究不同时间下纳米流体的氧化产物含量与黏度。结果表明,不加入分散剂、100 mL玉米油、Al₂O₃纳米颗粒粒径为20 nm、颗粒质量分数为1.1083%,制得的纳米流体沉降稳定性最佳。添加0.7%特丁基对苯二酚的纳米流体具有最优的抗氧化性能,特丁基对苯二酚分子中存在2个酚羟基,2个酚羟基分别提供1个氢离子,在玉米油中形成稳定的醌类化合物,使得玉米油的氧化速率变缓。添加特丁基对苯二酚的含量在小于0.4%时,特丁基对苯二酚的含量不足以有效延缓油脂的氧化反应。当特丁基对苯二酚添加量超过0.7%时,仅能够小幅度的提高纳米流体的抗氧化性能,氧化诱导时间增长缓慢,相反会大幅度的增加纳米流体的黏度。制备的纳米流体具有环保、抗氧化性能好的特点,能够有效地减缓氧化物质的生成。此研究有助于环保型纳米流体抗氧化研究的进一步发展。

水系锌离子电池(AZIBs)因锌的氧化还原电位低、能量密度高而有巨大的应用前景,其中储存Zn²⁺的宿主正极决定了电池的放电性能和循环稳定性。以含有3个羧基的次氮基三乙酸(Nitrilotriacetic acid, NTA)为配体,通过简单的调整Mn²⁺: NTA的比例,制备了3种一维纳米线结构聚合物,并经煅烧处理中得到了3种氮掺杂碳纳米线负载不同粒径MnO材料MnO/NC-x。其中Mn²⁺∶NTA比例为0.5时制备的MnO/NC-0.5中MnO粒径最小,且均匀的分散于纳米线表面。该材料作为AZIBs正极展现了卓越的离子扩散性和导电性等动力学特征。在2 A/g的高电流密度下该材料显示出158 mAh/g的倍率性能,并在1 A/g的条件下经历1 000个循环后仍有96%的容量保持率,表现出卓越的循环稳定性。

为了探索酒糟纤维素纳米晶(Cellulose nanocrystals, CNCs)在废水处理领域的应用潜力,拓宽酒糟的高值化利用途径,研究通过洗涤、漂白和碱提等步骤制备酒糟纤维素,再以1∶20固液比加入50% (v/v)硫酸溶液水解纤维素制备酒糟纤维素纳米晶,并对其进行化学成分测定和结构表征,最后研究其对亚甲基蓝和刚果红水溶液的吸附能力。结果发现,制备的酒糟CNCs中的纤维素纯度超过90%,粒径分布集中在180~300 nm范围内,Zeta-电位值为-30.1 mV。酒糟CNCs对刚果红和亚甲基蓝染料的平衡吸附率分别达到75.5%和90.57%,展现出不同的吸附机制,分别对应一阶动力学模型和二阶动力学模型,表明酒糟CNCs对离子染料具有良好的吸附特性,为酒糟CNCs在工业废水处理领域的可持续应用提供了低成本且高效的新途径。

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为分散剂,结合超声工艺对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行分散处理,配置出MWCNTs水性分散液,并将其作为掺杂相制备了粉煤灰混凝土,通过TEM、XRD、SEM、FT-IR、力学性能测试和快速冻融实验等方式研究了多壁碳纳米管掺量对粉煤灰混凝土的力学和耐久性能的影响。结果表明,PVP结合超声工艺能够有效分散MWCNTs,粉煤灰混凝土中加入MWCNTs能够加速水泥水化反应的进行,提高C-S-H和Ca(OH)₂等水化产物的生成量。适量的MWCNTs掺杂后能够细化水泥内部孔结构,减少裂纹和大尺寸孔洞的数量,使粉煤灰混凝土的破坏形式由脆性断裂转变为韧性断裂。MWCNTs-0.3%试样的载荷峰值和形变量达到最大值,分别为41.6 kN和2.92 mm;抗压强度和抗折强度达到最大值,分别为60.5 和11.2 MPa。经过100次快速冻融循环后,MWCNTs-0.3%试样的质量损失率为最低值0.271%,相对动弹性模量最大为84.34%,抗冻性能提升显著。

以ZnO作为光催化剂,稀土元素Ce为添加相,通过水热法制备了不同摩尔比Ce掺杂的ZnO纳米复合材料,以甲基橙(MO)染料为降解对象,研究了Ce掺杂摩尔比对ZnO纳米复合材料的晶格结构、微观形貌和光催化性能的影响。结果表明,制备的Ce-ZnO纳米复合材料均为六方晶系纤锌矿结构,外观为不规则的颗粒状,Ce掺杂后使ZnO的表面粗糙度增加。Ce掺杂后在ZnO中无新产物产生,没有影响ZnO的结构。随着Ce掺杂摩尔比的增大,Ce-ZnO的比表面积逐渐增大,吸收边先增大后减小,禁带宽度先降低后升高,光致发光强度先降低后增大。0.6%Ce-ZnO的比表面积达到33.91 m²/g,吸收边最大为394 nm,禁带宽度最小为2.97 eV,对应的光致发光强度最低。光催化降解测试表明,随着Ce掺杂摩尔比的增大,Ce-ZnO对MO的光催化降解率先增大后降低,0.6%Ce-ZnO在180 min时对MO的降解率达到最大值95.36%。强酸或强碱条件下均不利于光催化反应的进行,在pH值=5的弱酸条件下0.6%Ce-ZnO对MO的降解率最高达到99.16%。0.6%Ce-ZnO光催化剂重复使用5次时对MO的降解率依旧超过70%,具有良好的使用稳定性和经济效益。

钛植入物术后细菌感染是临床上常见的并发症。通过水热处理和退火处理,在Ti表面构建了缺氧钛酸钡纳米棒(BaTiO_3-x)阵列。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪证实了BaTiO₃纳米棒的合成,采用X射线光电子能谱确认了氧空位的存在。以甲基紫(MV)为捕获剂验证了BaTiO_3-x纳米棒阵列在超声下的活性氧(ROS)产生能力。结果表明BaTiO_3-x纳米棒阵列在超声波(US)辐照下可有效产生羟基自由基(·OH)。抗菌实验表明,BaTiO_3-x纳米棒阵列超声作用15 min对金黄色葡萄球菌(S. aureus)展现出优良抗菌能力,抗菌率达到90.92%。研究为钛植入体表面超声响应抗菌涂层的制备提供了思路。

以KMnO₄和MnCl₂·4H₂O为原料通过水热法制备出二氧化锰电极材料,利用SEM、XRD观察材料的微观形貌并确定其晶型,通过放电测试和电化学测试研究二氧化锰作为电极材料的ORR电催化性能。研究结果表明,水热反应温度为180 ℃、KMnO₄:MnCl₂·4H₂O摩尔比为2.5:1时,能够制得均匀纳米线状的α-MnO₂,其作为催化剂制备的空气阴极在极化电压为1.0 V时极化电流密度最大,达到76.15 mA/cm²,并且具有最小的阻抗,说明氧还原反应阻力最小,在10,20,30,40 mA/cm²电流密度下放电电压分别为1.64,1.49,1.36和1.23 V,放电性能相较于5%铂碳催化剂提升10%左右。

通过单辊甩带法制备成分为Fe_80.5-xCo_xSi_3.5B_13.5Cu₁Nb_1.5(x=0, 3, 5, 7, 9)非晶合金带材,研究了Co含量及退火温度对非晶纳米晶合金软磁性能与组织结构的影响。其中,退火温度为510 ℃,Co含量x=5时,Fe_75.5Co₅Si_3.5B_13.5Cu₁Nb_1.5非晶合金形成了由非晶基体和纳米晶粒组成的双相结构,晶粒尺寸D约为13.5 nm,具有低矫顽力H_c=2.5 A/m及高饱和磁感应强度B_s=1.59 T,获得了优异综合软磁性能。通过磁光克尔(magnetic-optical kerr, MOKE)显微镜观测合金表面磁畴结构,当退火温度为510 ℃,Co含量x=5时,内应力释放相对完全,纳米晶微观结构更加均匀,条状磁畴更清晰平直,磁畴的变化与H_c变化相对应。

组元多样性是改善Fe基非晶纳米晶合金非晶形成能力和软磁性能的重要方式之一,基于Nanomet合金,通过Fe基二元相图设计成分,利用单辊甩带法制备出Fe₈₀(Al_xSi_y)_2.4B_12.6P₄Cu₁(x/y=0,1/5,1/2,1/1,2/1)合金,探讨了x/y变化对合金非晶形成能力、热稳定性与软磁性能的影响,研究表明,x/y比例的提高能够增强合金的初晶相晶化温度与非晶形成能力,当x/y=1时,Fe₈₀(Al₁Si₁)_2.4B_12.6P₄Cu₁合金的非晶形成能力较高,退火温度窗口拓宽,在500 ℃退火1 min后表现出优异的软磁性能,其中矫顽力为1.27 A/m,磁导率达17551,由于Fe含量并没有变化,Al的掺杂对合金的饱和磁感应强度影响较小。

采用水热法制备WO₃和Ce掺杂的WO₃(Ce:WO₃)纳米颗粒,以Ce:WO₃填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备复合膜,研究Ce掺杂对WO₃颗粒及复合膜介电性能的影响,并以Ce:WO₃/PDMS复合膜作为摩擦纳米发电机(TENG)的摩擦层(Ce:WO₃/PDMS-TENG),研究Ce介电增强WO₃对TENG输出性能的影响。结果表明Ce掺杂对WO₃纳米颗粒的晶体结构和晶粒尺寸几乎没有影响,但能有效增强纳米WO₃的介电性能,介电常数由9.99提升至20.83。体积比为8%、掺杂比1.5% Ce:WO₃/PDMS-TENG,相比纯PDMS-TENG输出性能有显著提升,开路电压由114 V提升至279 V、短路电流由1.38 μA提升至7.02 μA、转移电荷由35.7nC提升至99.7nC。

尖晶石结构过渡金属氧化物的纳米阵列相对其纳米线和纳米颗粒具有独特的优势,在能源存储、催化、磁性和光电等诸多领域具有重要的应用。概述了水/溶剂热法制备尖晶石结构过渡金属氧化物纳米阵列的过程中影响其结构形貌的多种因素(基底、反应温度、反应时间和原料等),探讨了纳米阵列的结构形貌与性能之间的关联性,简介了尖晶石结构过渡金属氧化物分级结构纳米阵列的相关研究,希望能为设计开发多功能或功能集成化的纳米阵列并拓宽其应用范围起到推动作用。

采用水热和电沉积方法成功合成出超级电容器MgCo₂O₄@Ni(OH)₂(MCON)电极材料。在导电基底泡沫镍上,絮状的Ni(OH)₂包覆着针状的MgCo₂O₄,改善了母体材料的结构,构成了有效的电连接,从而增强导电性能。电化学性能测试表明,该MCON表现出优秀的电化学性能,其在1 mA/cm²的电流密度下,比电容高达2635.4 F/g,容量提高了72.4%,且以14 mA/cm²循环1 000 周次后比电容保持原有容量的91.2%。将MCON与活性炭分别以正极和负极组装成非对称超级电容器,其在电流密度1 A/g下,比电容达91.8 F/g。另外,该非对称超级电容器在功率密度为2.1 kW/kg下,能量密度为28.7 Wh/kg,同时点亮红色发光二极管时长高达25 min。研究结果表明设计复合材料拥有较强的储能能力,适合作为超级电容器电极材料。

为解决MnO₂材料在水系锌离子电池(ZIBs)中存在的导电性差、材料利用率低等问题,以农业废弃物椰壳为原料,将低成本、来源丰富、绿色可再生的生物质资源引入到电极材料中,通过高温碳化得到导电性优异的椰壳碳,用水热法在椰壳碳表面生长MnO₂纳米粒子,获得椰壳碳@MnO₂复合纳米材料。借助扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电化学技术等表征测试手段,分析该复合材料的形貌结构以及电化学性能。结果表明椰壳碳@MnO₂在100 mA g^-1的电流密度下,经过300次循环,比容量仍高达到344.6 mA h g^-1,性能远高于商用MnO₂材料(64.3 mA h g^-1);椰壳碳@MnO₂优异的导电性,纳米化的结构设计提高了材料利用率,减少了离子扩散路径,带来更快的离子扩散速率,提高了材料的倍率性能,具有良好的应用前景。

水系锌离子电池因其能量密度较高、成本低廉且环保等优点而备受关注。在目前常用的锌离子电池负极材料中,钒基复合材料由于其多种价态(V⁵⁺、V⁴⁺、V³⁺、V²⁺)和不同的结构特点,在扮演锌离子电池阴极材料时具备较高的比容量,因此具有广阔的研究前景。然而,钒基复合材料由于循环稳定性差和较低的导电率,在锌离子电池的应用中受到限制。为了解决这一问题,研究采用了简单的水热法制备了比商用五氧化二钒(V₂O₅)具有更大比表面积的纳米片。这种V₂O₅纳米颗粒作为锌离子电池的阴极材料,在较低电流密度下,其可提供364 mAh g^-1的优异比容量,在高电流密度下表现出156 mAh g^-1的高可逆比容量。经过200次循环后,其容量仍能保持初始容量的85%,不仅提供了比商用V₂O₅更好的循环稳定性,还具备较高的比容量。基于其制备方法简单并具有良好的电化学稳定性,该纳米颗粒展示出在锌离子电池负极材料上的应用潜力。

以四氯化钛和尿素为原料,通过溶剂热法制备了纳米TiO₂微球。利用XRD、FE-SEM、TEM、UV-Vis、BET测试手段对样品的组成、结构、形貌、光学性能、比表面特性进行分析,以气相苯为目标降解物,研究不同溶剂热时间所制备的微球对光催化活性的影响。结果表明,随溶剂热时间的延长,TiO₂微球结构经历了实心-核壳-空心的演变过程,但均由20 nm以下的颗粒组成。此类微球的光吸收带边出现明显“蓝移”现象,且光吸收性能较P25 TiO₂要高,比表面积是其3~5倍。其中溶剂热时间为6 h所制备的核壳结构微球光催化活性最佳,降解气相苯的矿化率高达93%,高于P25 TiO₂近3倍,分析表明,该优异性能得益于核壳结构对光的充分反射吸收和高比表面积导致的吸附协同光催化特性。

高性能水泥基复合材料的研究受到了广泛关注,纳米材料在促进水泥水化、提升水泥微观结构的致密性以及改善水泥基材料的力学性能和耐久性方面表现出色,赋予水泥基材料多样功能性的同时,减少水泥的添加量。从材料的机理层面出发,将不同维度的无机纳米材料对水泥基材料的水化、微观结构、力学性能以及耐久性等方面的影响进行了系统梳理,并展望了未来无机纳米材料改性水泥基材料的研究方向。

以海水为基础液的纳米流体,可作液压介质应用于海洋液压设备,解决传统液压油因海水侵入引起的油液变质问题。以天然海水为基础液,通过两步法制备海水基SiC纳米流体,采用单一变量法探究不同组分配比纳米流体的分散稳定性和黏度特性。结果表明,NaCl会破坏颗粒双电层,降低纳米流体稳定系数,但表面活性剂CMC可吸附在SiC颗粒表面提供空间位阻,使稳定系数在10 d内维持在0.9左右。同时,验证了SiC粒径在40 nm,质量分数在1%左右,CMC质量分数在2%左右,纳米流体分散稳定性最佳。海水基纳米流体的黏度随颗粒添加量的增加而增大,在质量分数>1%时,上升趋势减缓;随着CMC添加量的增多,影响了纳米流体中的微结构,使海水基纳米流体的黏度随CMC质量分数增加而上升,上升趋势为平缓-急剧-平缓;受布朗运动的影响,黏度与温度呈负相关;纳米流体黏度随NaCl质量分数的增加而下降,下降趋势先快后慢。制备的海水基纳米流体具有较好的分散稳定性,可通过调控组分配比得到所需黏度,有助于纳米流体技术的进一步发展。

如何在纳米磁流体的磁流变效应和沉降稳定性之间取得平衡是值得研究的问题,增大颗粒尺寸可能是解决这一问题很好的选择。采用可控的化学共沉淀法合成了粒径约为25 nm的Fe₃O₄磁性颗粒,并对其进行了物相分析和磁性能表征。以肉豆蔻酸为表面活性剂、RP4350型航空液压油为分散相制备了纳米磁流体,其在强磁场下能长时间保持稳定,适用温度范围为-35~95 ℃。研究了纳米磁流体磁流变特性随磁场强度和温度的变化规律。结果表明,在低温和强磁场的作用下,纳米磁流体具有更大的屈服应力,最高可达0.16 kPa,即使在屈服以后,样品也能表现出更强的磁黏效应。采用振幅扫描对纳米磁流体动态流变特性进行了测试。磁场强度的增大和温度的降低可以有效增强纳米磁流体的抗剪切能力,从而导致储能模量的升高;线性粘弹性(LVE)区、储存模量和损失模量的交叉点也均会向更高应变幅值移动。这些发现有助于大颗粒在纳米磁流体中的研究,可以为其在更宽温度中的应用提供指导。

研究了氧化镁膨胀剂(MEA)和纳米二氧化硅 (NS)对超高性能混凝土(UHPC)的力学性能和早期自收缩的影响,并采用XRD及SEM等对其早期水化反应过程和水化产物进行微观测试。结果表明,MEA和NS的掺入均会降低UHPC的流动性,二者复掺时流动性会进一步降低;掺入MEA会降低不同龄期UHPC的抗压强度,但掺入适量的NS和MEA可以明显改善UHPC的抗压强度及早期自收缩。XRD及SEM微观测试结果表明,NS可有效降低UHPC体系中氢氧化钙含量,复掺0.5%NS和6.0%MEA的UHPC体系结构更为致密,无明显的宏观孔和片状氢氧化钙,使得该UHPC具有良好的体积稳定性和力学性能。

高温条件下固相CaO可直接与CO₂反应生成CaCO₃,CO₂捕集率达78.57%(质量分数),是解决碳排放的高效手段。钙循环技术中如何降低CaCO₃分解温度、CaO再生和CO₂利用是关键问题。研究通过纳米CaCO₃和碳粉的低热固固耦合反应同时实现纳米CaO再生和CO₂原位转化为CO,使纳米CaCO₃分解温度下降46 ℃,分解速率提高约50%,再生的多孔纳米CaO粒径小而均匀,可再次捕集CO₂实现钙循环利用,由CO₂转化的CO可应用于工业合成气。纳米CaCO₃和碳粉具有原料来源广泛、价格低廉、安全性高、运输便捷等优点,该低热固固耦合反应在低成本前提下具有提高CO₂捕集和利用效率的潜力。

水体中重金属的污染对人类生产生活造成了重要影响。以Birnessite型二氧化锰纳米材料作为新型吸附剂,研究其对水中Pb²⁺的吸附性能。首先,利用液相合成方法制备尺寸在200~900 nm之间的Birnessite型二氧化锰纳米花,通过超声的方式将其分散在含有Pb²⁺的水体中,考查吸附过程中水体pH值、离子强度、材料尺寸、吸附时间和Pb²⁺初始浓度对Birnessite型二氧化锰纳米花吸附Pb²⁺的影响;同时,结合动力学模型和等温吸附曲线模型的拟合数据,分析材料吸附Pb²⁺过程的机理。实验结果表明,制备的Birnessite型二氧化锰纳米花在pH值5~9之间的水中对Pb²⁺均具有稳定的良好的吸附性能,最大吸附量可达300 mg·g^-1;Birnessite型二氧化锰纳米花的尺寸越小其比表面积越大,吸附性能越好;同时在高离子强度下其仍保有80%左右的吸附能力。吸附动力学和等温吸附曲线拟合数据表明Birnessite型二氧化锰纳米花吸附水中Pb²⁺的过程主要是单分子层均匀覆盖的化学吸附过程。

为制备一种稳定性好,过冷度低,导热性强且易于用泵输的相变乳液,研究采用超声乳化法,在石蜡(RT55)相变乳液中加入不同质量分数的纳米碳化硅,制备了一种改性相变乳液(SiC/PCME),并对其粒径分布、相变行为、导热性能、热响应速度及流变性能进行了研究。结果表明,当SiC添加量为0.09%(质量分数)的SiC/PCME稳定性最好,其体积平均粒径大小为480 nm,分别静置20天和经120次冷热循环前后粒径分布无明显变化;DSC测得0.09%(质量分数)的SiC/PCME的潜热值为39.0 J/g,过冷度仅为0.03 ℃,较未改性PCME降低了11.8 ℃,且经过120次循环过冷度不变,具有良好的循环热稳定性;55 ℃时,SiC/PCME的导热系数达到4.247 W/m·K;SiC强化了相变乳液的导热能力,提高了其热响应速度;且剪切速度为100 s^-1时,SiC/PCME最低粘度达到3 mPa·s。

采用水热法与低温等离子体法制备了Bi₂WO₆-N-TiO₂纳米管电极,对其进行SEM、EDS、XRD、UV-VIS-DRS、CV和I-t等手段表征,并应用于环丙沙星抗生素废水的降解。结果表明,Bi₂WO₆纳米片成功的负载到TiO₂纳米管电极表面,Bi₂WO₆和N的共同改性显著增强了TiO₂对可见光的吸收。电化学分析结果表明经过改性后的TiO₂纳米管电极具有优异的光电转换性能,光电流密度约是改性前的5~9倍。Bi₂WO₆-N-TiO₂纳米管电极对环丙沙星污染物的降解过程遵循一级动力学反应方程,其中0.8 mmol Bi₂WO₆-N-TiO₂纳米管电极的降解速率最高,可以达到0.00683 min^-1。

碳纳米管作为一维纳米材料,具有优异的电学、热学、力学等性能,被广泛地用作复合材料的增强剂。根据碳纳米管杂化结构类型,综述了碳纳米管/颗粒材料、碳纳米管/纤维材料、碳纳米管/片层材料、碳纳米管/轻质泡沫材料等结构在电学性能和力学性能方面的研究进展,阐述了各种杂化结构的电学性能和力学性能增强机理,分析了各种杂化结构的优势,为碳纳米管杂化材料的构建和设计提供了依据。

通过水热路径引入表面活性剂十二烷基磺酸钠在泡沫镍上成功合成出比表面积较大、超薄多孔的MgCo₂O₄纳米线。研究表明,MgCo₂O₄纳米线展示出紧密交织透明的网格状结构且在5 A/g的电流密度下,比电容高达2128 F/g。在40 A/g的情况下循环6000周次后,比电容保持了原始容量的98.4%。将该纳米线和活性炭分别作为正极和负极组装成非对称超级电容器,其比电容可达65.32 F/g且在功率密度为338.95 W/kg下能量密度可达20.41 Wh/kg。上述结果表明该非对称超级电容器是一个较好的储能装置,在实际应用中拥有良好的潜力。

热界面材料是解决现代高功率和高集成化电子器件热量聚集和耗散的有效手段。基于三维网络结构调控导热性能的策略,以三聚氰胺泡沫(MF)为骨架,采用化学表面改性制备碳纳米管三维网络结构(CNT),并采用真空浸润法制备碳纳米管/天然橡胶热界面复合材料(CNT/NR),研究CNT含量对材料微观结构、导热性能和热管理性能的影响。结果表明,当CNT的含量为2.2%(质量分数)时,CNT可附着于MF骨架并呈现完整连续的三维网络结构,其热界面复合材料垂直面外的导热率为1.58 W m^-1 K^-1,拉伸强度为12.9 MPa,断裂伸长率为489%,并具有显著的热管理性能,这表明CNT/NR热界面复合材料有望成为一种机具应用价值的热管理材料。

以四氯化钛为原料,在冰水浴,弱碱性条件下,将TiCl₄配制为0.5 mol/L水溶液,低温水解得到沉淀产物,将此沉淀在80 ℃的真空烘箱中干燥;低温400 ℃下焙烧12 h得到白色粉末。通过X射线衍射(XRD)进行结构表征;通过扫描电子显微镜(SEM)透射电镜(TEM)进行形貌表征。得到的烧结产物,结合金属锂对电极材料和聚乙稀隔膜搭建半电池系统,进行电池性能测试。结果表明,以四氯化钛为原料在低温的条件下实现缓慢水解,再经过长时间低温焙烧得到白色粉末为纳米级金红石型和锐钛矿型TiO₂的混合相,且具有粒径小、分散性好、粒径分布窄、球形度较好等优点;此产品在0.05充放电时首次放电比容量为370 mAh/g,5 C的放电比容量达到69 mAh/g,容量保持率分别为91.69%,电化学性能远高于商业化TiO₂。研究表明,基于缓慢水解低温烧结机制制备TiO₂的方法是一种简单、低成本、适用于大规模生产的工艺。

环氧树脂基混凝土作为一种绿色环保的建筑材料,在道路修补和保温建筑中应用广泛。以环氧树脂E44为原料,二甲苯为稀释剂,纳米玻璃纤维为填料,制备了复合环氧树脂基混凝土,研究了不同纳米玻璃纤维长度对混凝土微观形貌、力学性能和保温性能的影响。结果表明,纳米玻璃纤维的掺杂发挥了“晶种”作用,促进了水化反应的进行,提高了环氧树脂基混凝土的密实度。纳米玻璃纤维长度的适当增加提高了混凝土与纤维的结合强度,当纳米玻璃纤维长度为8 mm时,混凝土的形貌最佳。随着纳米玻璃纤维长度的增加,混凝土的抗压强度和抗折强度先增大后降低。养护28 d,当纳米玻璃纤维长度为8 mm时,混凝土的抗压强度和抗折强度均达到最大值,分别为21.93和4.59 MPa。纳米玻璃纤维的掺杂改善了混凝土的孔结构,降低了导热系数,提高了保温性能,当纳米玻璃纤维长度为8 mm时,混凝土导热系数最低为0.147 W/(m·K),保温性能最佳。

以硫化钠和硝酸银为原料,采用了化学浴沉积法将Ag₂S沉积在高度有序TiO₂纳米管(TNTs)上制备出Ag₂S/TNTs析氢电极。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)对电极进行表征,结果显示Ag₂S颗粒均匀的沉积在TiO₂纳米管表面,且没有破坏纳米管原有的形态结构。在0.5 mol/L H₂SO₄条件下,通过线性扫描伏安法(LSV)、塔菲尔曲线(Tafel)、双电层电容和电化学阻抗谱(EIS)等电化学测试分析了不同Ag₂S沉积圈数所得的复合电极的析氢性能。与TNTs相比,Ag₂S/TNTs显示出更优异的析氢性能。Ag₂S沉积圈数为9圈时制备出的复合电极在10 mA/cm²电流密度时,过电位达到了288.14 mV,Tafel斜率为61.8 mV/dec,双电层电容分别为54.7 mF/cm²,传荷内阻降低到0.7 Ω/cm²。

为了提高TiO₂光催化性能,并研究金属离子掺杂对TiO₂光催化性能的影响,采用静电纺丝技术和煅烧工艺制备稀土元素La掺杂TiO₂无机纳米纤维膜,通过SEM、XRD、FT-IR、TG测试对材料的形貌、结构进行表征,以亚甲基蓝为靶向降解剂,进一步深入研究La³⁺改性TiO₂光催化氧化降解染料的机理。结果表明,当染料浓度为10 mg/L,La³⁺掺杂改性纳米TiO₂纤维的浓度为15 mg/10 mL条件下,催化10 min的降解率为63.41%,催化70 min的降解率即可达到99.87%,比未掺杂TiO₂纳米纤维的降解率提高了6.36%,可见,La³⁺的掺杂提高了TiO₂光催化降解速率,所需要的时间减少了。