功能材料

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《功能材料》编辑部

功能材料. 2022, 53(5): 0.

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蓝宝石的应用及单晶强韧化研究进展

唐文奇, 颜丽红, 郑晓彬, 董樊丽, 徐秋峰, 李娜, 杨剑英, 黄威, 张佼

功能材料. 2022, 53(5): 5001-5008. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.001

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蓝宝石具有硬度大、强度高、抗腐蚀性强及良好的光学和化学特性,已被广泛应用于众多高科技领域,其突出的光学透过性有望成为新一代电子产品屏幕的盖板材料。然而蓝宝石单晶的冲击韧性差是本征缺陷,这将限制其在电子消费产品上的应用。近年来,国内外对蓝宝石的功能开发与应用,以及蓝宝石单晶强韧化进行了大量的研究。首先,对蓝宝石的相关性能进行了详细的介绍,综述了蓝宝石在光学、半导体、激光等领域的应用;其次,总结了蓝宝石通过掺杂合金元素、掺杂石墨粉、粒子注入以及铁、钛共掺杂等方法进行强韧化的研究进展,这些方法均可不同程度地提高蓝宝石单晶的断裂强度和断裂韧性;最后,对未来蓝宝石功能材料的应用以及蓝宝石强韧化工作的发展趋势进行了分析和探讨。

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金属-有机框架材料在质子交换膜燃料电池中的应用研究进展

李荣, 窦元鑫, 舒月, 陈绪兴, 高云

功能材料. 2022, 53(5): 5009-5025. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.002

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面对环境污染和能源匮乏,燃料电池作为新型清洁、可再生能源在交通运输、固定与分散电站、移动电源等领域具有广泛的应用前景。然而,目前作为燃料电池核心材料的无机酸或有机质子传导材料存在室温传导率低、湿度依赖性强、构效关系难获得等不足,是制约燃料电池技术发展的一个关键瓶颈。金属-有机框架材料(MOFs)作为一种新型多孔晶态材料,具有结构可设计、骨架可修饰、比表面积大及孔隙可调等优势,在质子传导领域展现出突出的性能和潜在的应用价值。综述了近年来MOFs材料在高性能质子传导方面的研究进展,介绍了质子传导的Grotthuss和Vehicle两种传导机制,系统阐述了有水/无水条件下获得高电导率MOFs质子传导材料的研究方法,详细介绍了高性能、湿度依赖的草酸、羧酸、磷酸和磺酸基MOFs质子传导材料,无水条件下,高性能、高温MOFs质子传导材料通过孔道负载含氮杂环分子获得。最后总结并展望了MOFs质子传导材料未来发展方向,为设计合成性能优异的质子传导MOFs材料提供参考和借鉴。

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形状记忆合金的应用及其特性研究进展

陈一哲, 杨雨卓, 彭文鹏, 王辉

功能材料. 2022, 53(5): 5026-5038. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.003

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形状记忆合金是一种能在温度和压力作用下产生相变的金属智能材料,在交通运输、航空航天、生物医学等许多领域正在得到日益广泛的应用。随着先进工程技术对金属结构材料智能化、功能多样化等要求的不断提高,传统机械传动结构显现出稳定性差、结构复杂等弊端愈发难以满足现阶段的需求,形状记忆合金凭借自身优异的力学性能引起人们的极大关注,迫切需要对其多领域应用展开分析以促进学科交叉与融合。综述了形状记忆合金在汽车工业、航空航天、生物医学以及建筑领域的国内外应用前沿,分析了形状记忆效应、超弹性、高阻尼性、生物相容性、弹热效应等基本特性的研究进展,探讨了形状记忆合金研究目前存在不足以及未来应用前景和发展方向。

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MXene修饰碳纤维电极的制备及其超级电容器性能研究

成丽媛, 屈芸, 赵鑫, 孙洁

功能材料. 2022, 53(5): 5039-5047. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.004

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近年来,柔性储能设备因便携、可穿戴性而受到广泛关注,二维过渡金属碳化物MXene因其具有优良的储能性能和柔韧性而被广泛的运用于柔性储能系统。采用冷冻干燥的方法,使分散的MXene纳米片层吸附在酸化后的碳纤维表面,通过碳纤维不同的酸化时间、MXene浸渍次数和不同的溶液浓度下进行处理。采用SEM、FT-IR、XRD观察对比不同处理条件下碳纤维微观物理化学结构的变化情况,同时采用电化学工作站对不同处理条件下碳纤维复合电极的储能性能进行探讨。结果表明,选择合适的酸化时间,浸渍次数和溶液浓度条件,能够使MXene纳米片层牢固有效的附着在碳纤维表面,有效提升复合电极的电化学储能性能,在合适的处理条件下,碳纤维复合电极的比电容可达到70.9 F/g。复合电极组装超级电容器,其比电容有12.8 F/g,是烧蚀CF样品的6倍。

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有机可溶性聚酯酰亚胺的合成及其液晶分子取向特性研究

职欣心, 张燕, 宋勇志, 高艳爽, 潘震, 魏鑫莹, 刘金刚

功能材料. 2022, 53(5): 5048-5058. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.005

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采用偏苯三酸酐酰氯(TMAC)与乙二醇反应制备了含有酯键的乙二醇双苯甲酸酯-3,3',4,4′-四酸二酐(TMEG)。然后采用该二酐单体分别与芳香族二胺单体,包括4,4′-二胺基二苯甲烷(MDA)、4,4′-二胺基二苯胺(NDA)、1,4-双[2-(4-胺基苯基)-2-丙基]苯(BisP)以及1,3-双[2-(4-胺基苯基)-2-丙基]苯(BisM)通过两步化学亚胺化工艺制备了可溶性聚酯酰亚胺(PEsI)树脂。凝胶渗透色谱(GPC)测试结果显示,该系列PEsI树脂的数均分子量(M_n)在6.21×10⁴~1.64×10⁵ g/mol,表明TMEG具有较高的反应活性。该系列PEsI树脂在极性非质子性溶剂,如N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)等中具有良好的溶解性,但在低极性溶剂,如乙二醇丁醚(BC)体系中则不溶解。采用PEsI/NMP/ BC体系配制了PEsI液晶取向剂,并以此装配了液晶盒。测试结果显示,基于TMEG的PEsI取向膜具有良好的耐热稳定性,其5%失重温度超过了400 ℃,玻璃化转变温度(T_g)超过了160 ℃。此外,制备的PEsI取向膜还具有良好的光学透明性,其在400 nm波长处的透光率(T₄₀₀)超过了79.0%。摩擦处理的PEsI取向膜显示了对液晶分子良好的取向效果,液晶分子的预倾角(θ_p)为2.28°~2.93°。液晶盒的电压保持率(VHR)超过了94%。

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泡沫炭在环境治理领域应用的研究进展

张浩南, 李雪梅, 解林坤, 李琛, 柴希娟

功能材料. 2022, 53(5): 5059-5065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.006

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泡沫炭是一种新型炭素材料,它是一种由孔泡和相互连接的孔泡壁组成的具有三维网状结构的轻质多孔材料。相对于传统的多孔材料,泡沫炭因比表面积大、吸附性能优异、结构均匀、热稳定性好、强度高等优点而被用于吸附环境中的各种污染物。同时,在环境治理领域,泡沫炭还可负载各类功能性催化剂,构建吸附与特定功能间的协同效应,提高环境治理效率。泡沫炭具有整体式结构,其作为环境治理材料使用时可表现出良好的可回收性和重复利用性。综述了近年来泡沫炭作为吸附和载体材料在环境治理领域应用的研究进展,展望了泡沫炭未来的研究方向。

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钙钛矿铁电材料光电化学性能调控策略

张哲琨, 黎昌昊, 李扬帆, 于鹏, 宁成云

功能材料. 2022, 53(5): 5066-5073. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.007

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钙钛矿铁电材料晶体的正负电荷中心不重合引起其内部自发极化产生内建电场,利于光激发载流子的传输与分离。然而钙钛矿铁电材料多属于宽带隙半导体,存在光生电子空穴易复合问题,因此调控其光电化学性能是研究热点。介绍了元素掺杂与取代、表面贵金属沉积、半导体异质结构建和多机制耦合等调控钙钛矿铁电材料光电化学性能的原理与进展。重点关注了近年来该材料在光催化降解污染物、光催化制氢和光电化学分解水制氢等应用现状。

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手性碳量子点的研究进展

凡新刚, 杨莉花, 孙伟, 蒋丽, 覃爱苗

功能材料. 2022, 53(5): 5074-5081. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.008

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手性碳量子点不仅具备手性性质,而且也继承了碳量子点的光致发光、低毒、生物相容性好等优异的性能,在传感器、催化和生物医药等领域展现出了巨大的应用前景。对手性碳量子点的发展历程、合成方法和应用研究进行了综述,并对手性碳量子点的发展和应用进行展望,为未来手性碳量子点的相关应用研究提供参考。

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氮化钛在燃料电池氧还原反应中的研究进展

汤木娥, 周易, 刘舒钥, 梁平娟, 王春媛, 邢安, 张均

功能材料. 2022, 53(5): 5082-5091. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.009

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随着世界能源需求总量的持续增长,新型能源的转换利用与存储成为目前科学研究的热点问题。燃料电池作为最具前景的能源转换技术之一,因其能量转化效率高、环境友好、能量密度高、燃料范围广等独特优势受到来自学术界和产业界的广泛关注。氧还原反应(ORR)是燃料电池阴极重要的电极反应,然而其动力学过程缓慢、高度依赖于贵金属铂、长时间运行后催化性能和耐久性急剧退化,现已严重制约燃料电池商业化的大规模推广和应用。因此,研发低成本、高活性和高稳定性的催化剂对推动燃料电池商业化具有重要意义。氮化钛(TiN)材料因具有良好导电性、高熔点、高硬度及耐磨耐酸碱腐蚀等优异特性,在开发高度耐用的催化剂载体领域极具应用前景。具有良好形貌、大比表面积和纳米结构的先进TiN材料作为催化剂载体时,可通过提高贵金属铂利用率、增强金属-载体间相互作用、促进质量/电荷转移以及增强耐腐蚀性,从而实现铂基催化剂电催化活性显著提高。此外,TiN还具有类似贵金属的电子属性,自身对ORR表现出活跃的催化性能和良好的稳定性,在ORR非贵金属催化剂研究中备受青睐。因此,本文综述了具有良好形貌结构特征的TiN材料的制备方法及合成机制,阐述TiN、过渡金属掺杂TiN及其碳基复合材料分别作为催化剂载体或催化剂时在ORR领域的最新研究进展,展望TiN材料在燃料电池阴极中的应用前景,为设计和发展实用型燃料电池阴极催化剂指明方向。

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柔性超级电容器复合电极材料的研究进展

杨芳, 李宏宇, 吴启启, 董伟, 赵美娜, 何坤, 郭懿峰

功能材料. 2022, 53(5): 5092-5099. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.010

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随着智能电子设备的不断更新换代,研发者们开始研制更加符合人们需求的电子设备,于是一种柔性可穿戴电子设备映入人们眼帘,柔性超级电容器作为一类便携式能量储存设备也受到了许多研究者的关注。其中电极是超级电容器的核心,而电极材料的选择又直接关乎超级电容器的储能本领和其它性能,于是决定力学性能及其电化学性能好坏的柔性电极材料是我们目前主要的研究对象。目前,超级电容器对电极材料的研究不仅限于某一种单一材料,重点集中在材料的复合化上,其中以掺杂改性电极材料的研究为多。首先介绍了超级电容器的性能特点和研究进展,其次重点概述了不同电极材料所具有的力学性能和电化学性能,最后对柔性电容器电极材料的研究进行了展望,希望能为柔性电容器的探究提供参考和借鉴。

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橡胶沥青复合材料动态剪切流变特性

安文静, 盛冬发, 张思成, 王怡楠, 朱军

功能材料. 2022, 53(5): 5100-5103. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.011

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在橡胶沥青复合材料中加入不同的胶粉含量,其动态力学特性发生明显改变。利用三参量流变模型,推导了橡胶沥青复合材料黏弹性的动态剪切流变参数。通过Origin软件自定义拟合功能,对黏度预估模型的4个待定参数进行了拟合。采用动态剪切流变仪(DSR),在不同温度下对不同胶粉含量的橡胶沥青复合材料试样进行测试,并将实验结果与三参量流变模型得到的理论结果进行对比。结果表明,实验结果与理论结果吻合较好。随着测试温度的升高或胶粉含量的降低,橡胶沥青复合材料的黏度、储存模量和损耗模量均呈现降低的趋势,而损耗因子呈增大的趋势。

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粉煤灰漂珠道路声屏障材料的吸声性能研究

李冠达, 王波, 谢辉, 王玺, 戈禧芸

功能材料. 2022, 53(5): 5104-5111. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.012

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轻集料多孔混凝土因其轻质、多孔、耐候性好的特点,可应用在交通噪声控制领域。试验选用热电厂固废粉煤灰漂珠作为集料,水泥作为胶凝材料制备了一种新型轻集料多孔混凝土,可用作道路声屏障的吸声材料。通过实验表征,探究了成型压力、骨胶比2个因素对于试样吸声性能的影响。同时使用Horoshenkov & Swift模型对材料曲折度因子与流阻进行反演求解,探究成型条件对其影响。结果表明,随着压力的提升,试件吸声的峰值频率向低频移动,峰值处的吸声系数下降;随着骨胶比的提升,试件吸声的峰值频率向高频移动,峰值处的吸声系数提高;反演运算的计算结果表明拟合优度R²>0.8,具有可信性。在0.9骨胶比的条件下,成型压力与曲折度因子和流阻呈正相关;在0.2 MPa的加压强度下,骨胶比与曲折度因子呈负相关。

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放电等离子体烧结诱发燃烧反应快速制备MoAlB陶瓷材料

杜倩, 高冀芸, 郭胜惠, 史书浩, 梁宝岩, 杨黎

功能材料. 2022, 53(5): 5112-5116. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.013

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采用Mo/Al/B单质混合粉末为原料,进行放电等离子体烧结(SPS)以制备MoAlB材料。采用XRD和SEM等技术研究了产物的物相组成以及显微形貌。结果表明,以1Mo/1.1Al/1B 粉末为原料,在 900 ℃进行烧结,会诱发燃烧反应,生成MoAlB、MoB、Al₈Mo₃等构成的样品。产物中存在较多不规则的、几十微米尺度的气孔。晶粒非常细小,约为亚微米级别。此外有少量的晶须形成。提高烧结温度会促进MoB、Al₈Mo₃等转变为MoAlB材料。同时促进烧结致密化,MoAlB晶粒发育成板条状的细小晶粒。优化原料配比(1Mo/1.2Al/1.05B)和烧结制度(1 150 ℃,保温5 min)会得到单相的、致密(相对密度为98%)的MoAlB材料。提出一个SPS诱发燃烧反应制备MoAlB的反应机制。首先,当温度升高到Al的熔点以上时,形成Al液相。然后,Mo首先与Al发生化学反应,生成富Al的AlMoX相。反应放出的热量较少,需要在SPS的加热辅助作用下,会诱发燃烧反应的发生。大量的Mo与B也会发生化学反应生成 MoB。最后,Al₈Mo₃,MoB与B等反应生成MoAlB。

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(Pd,Al)掺杂对V基固溶体合金结构和氢渗透性能的影响

吴晨曦, 张艳丽, 陆永鑫, 王凤, 乔涛, 黎演明, 黄志民, 王仲民

功能材料. 2022, 53(5): 5117-5122. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.014

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金属钒(V)具有高的氢渗透速率,但氢脆问题限制了其在氢分离/提纯中的实际应用,元素掺杂是改善金属氢脆的有效手段。研究了(Pd,Al)掺杂对V基固溶体结构和氢渗透性能的影响。利用电弧感应熔炼制备了系列V_100-xPd_x和V_100-xPd_x/2Al_x/2(x=3.125,6.25)合金样品。利用XRD、EDS等对合金样品的结构和成分进行表征,PCT吸氢曲线和电化学阶跃法分别测试分析了合金样品的氢溶解度和氢扩散系数。研究证实,V_100-xPd_x和V_100-xPd_x/2Al_x/2合金样品均为单相的V基固溶体(V-bcc结构)。同纯V相比,掺杂固溶体有明显的晶胞畸变现象,V_93.75Pd_3.125Al_3.125固溶体具有最大的晶格参数变化率(0.257%)。掺杂不同程度地降低了金属V的氢溶解度、增大氢化物形成焓,有利于改善金属钒的抗氢脆性能。双掺V_96.875Pd_1.5625Al_1.5625合金具有高的氢扩散系数(5.03×10^-10 cm²/s),是单掺V_93.75Pd_6.25合金的4倍多。同时该合金样品也保持有较好的机械延展性,其维氏硬度为185.64 HV。研究表明,同金属钒相比,元素掺杂制备的钒基固溶体合金的氢渗透和抗氢脆性能得到有效改善。

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电沉积CoLa-LDH@NF用于高效碱性析氧反应

卫学玲, 蒋鹏, 包维维, 邹祥宇, 寇领江, 艾桃桃

功能材料. 2022, 53(5): 5123-5129. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.015

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开发高效稳定的析氧电催化剂是可持续发展氢能源的关键。简单快速制备层状双金属氢氧化物催化剂对电解水制氢的工业化具有重要意义。以六水合硝酸钴、六水硝酸镧为原料,利用三电极体系电化学工作站,在镍网上快速(90 s)电沉积制备出CoLa-LDH@NF,采用XRD、XPS、SEM和各种电化学方式表征其结构和性能。结果表明,纳米片状CoLa-LDH@NF在1 mol/L KOH溶液中具有优异的析氧催化性能。超薄片状结构增加CoLa-LDH@NF与电解液的接触面积,增大了参与反应的有效活性位点数。驱动10 mA/cm²的电流密度需要过电位为251 mV,塔菲尔斜率为47 mV/dec,具有良好的析氧稳定性和耐久性。

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玻璃中PbO含量对太阳能电池正面银浆欧姆接触性能的影响

谢贤清, 许亚文, 陈飞彪

功能材料. 2022, 53(5): 5130-5135. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.016

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正面银浆是晶体太阳能电池金属化的关键材料,玻璃中铅组分在达到银浆与硅片良好的欧姆接触中起着重要作用。用TGA-DSC和SEM对无铅玻璃及含铅玻璃特性进行了表征。结果表明,含铅玻璃Tg低,放热量高,溶Ag能力强,在降温过程中析出的银颗粒数量占优、粒径细小、排列规则、分布均匀,因此有较好的欧姆接触。研究了不同PbO含量的玻璃对不同方阻硅片电性能的影响,结果显示,随着硅片方阻的提高,增加玻璃中PbO含量有助于改善与Si发射极的欧姆接触,但PbO含量过高,溶Ag量过大,玻璃对Si发射极腐蚀较深,导致P-N结破坏严重,漏电较大,Voc下降明显。PbO含量在15%~25%,欧姆接触较好,Voc影响较小,故有较好的电池转换效率。

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Gd₂O₃下转换发光材料的制备及光学性能研究

沈兰兰, 陆伟华

功能材料. 2022, 53(5): 5136-5140. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.017

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通过溶胶-凝胶法制备了Er³⁺/Yb³⁺双掺杂的Gd₂O₃下转换发光材料,按照掺杂摩尔百分比n(Gd³⁺)∶n(Er³⁺)∶n(Yb³⁺)=100∶2:x(x=0,3,6,9)调整Yb³⁺的掺杂比例,通过XRD、SEM、荧光光谱和荧光衰减研究了Er³⁺/Yb³⁺双掺对Gd₂O₃发光材料晶体结构、微观形貌、发光性能和量子传递效率的影响。结果表明,Er³⁺/Yb³⁺的掺杂没有改变Gd₂O₃的晶体结构,但使样品的特征衍射峰出现了高角度偏移;所有样品的晶粒尺寸约为65~85 nm,均属于纳米材料;随着Yb³⁺掺杂量的增加,样品在可见光区域和近红外光区域的衍射峰强度均表现出先升高后降低的趋势,其中2Er:3Yb掺杂比例的Gd₂O₃发光材料的衍射峰强度达到最大值;随着Yb³⁺掺杂量的增加,样品逐渐从黄绿光区域向蓝光区域偏移,可以通过调整Er³⁺/Yb³⁺的掺杂比例实现Gd₂O₃发光材料的颜色转变;随着Yb³⁺掺杂量的增加,样品的平均寿命逐渐降低,能量传递效率和量子效率逐渐增大,其中Gd₂O₃:2Er/9Yb的能量传递效率和量子效率分别达到77.80%和177.80%,具有较高的能量传递效率和量子效率。

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离子液体复合体系改性PEO制备新型固态聚合物电解质

赵相峰, 陈前林, 郭妤

功能材料. 2022, 53(5): 5141-5146. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.018

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固态聚合物电解质(SPE)因其独特的安全性能受到越来越多的关注。在此,以新型聚离子液体(PIL)/离子液体(IL)共混改性聚环氧乙烷(PEO),制备了一种PEO基高性能固态聚合物电解质。利用X射线衍射(XRD)、热重(TG)方法探究了样品的晶体结构和热稳定性,研究结果表明,PIL/IL的引入,显著降低了结晶度,同时表现出较高的热稳定性(320 ℃)。通过电化学阻抗(EIS)、线性扫描伏安(LSV)等方法研究了固态聚合物电解质的电化学性能,研究结果表明,结晶度的降低显著地提高了离子电导率(2.27×10^-4 S·cm^-1, 40 ℃)和锂离子迁移数(0.3, 40 ℃),同时由于咪唑环C(2)位上的质子氢被烷基取代,提高了电化学窗口(4.8 V)。通过组装LiFePO₄/Li全电池进行充放电测试,发现其稳定放电容量高达150 mAh·g^-1,100次循环后放电容量保持不变,库伦效率保持在99%以上,展现出较高的容量和循环稳定性。

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聚乙烯醇/原花青素共混物薄膜的制备及其性能研究

王小凡, 李婷, 陈新, 朱海燕, 苗红艳, 吴秀明

功能材料. 2022, 53(5): 5147-5152. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.019

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采用天然植物中提取的原花青素(OPC)作为自由基捕获剂,通过溶液浇铸法将OPC与聚乙烯醇(PVA)共混制膜。利用差示扫描量热仪(DSC)、热重分析仪(TGA)、全反射傅里叶红外光谱仪(FTIR)、双束紫外可见分光光度计(UV-Vis)、小角X射线散射仪(SAXS)等仪器研究共混物薄膜的热力学稳定性、紫外屏蔽性能、透光率以及结晶性能等。结果表明,1.0%~2.0%原花青素的加入可有效提高PVA的热稳定性,拓宽熔融加工窗口,且PVA/OPC薄膜能保持优异的力学性能、透光率以及紫外屏蔽性能。小角X射线散射的结果进一步证明OPC的加入抑制PVA的结晶。

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有机硅导热复合材料的制备及其性能

吴志军, 周小松, 刘灿群

功能材料. 2022, 53(5): 5153-5159. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.020

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采用3,4-二氟苯基双环己基乙烯(ECFB)液晶对碳纳米管进行改性,将改性后的碳纳米管(MWCNTs)作为填料制备有机硅复合材料。利用液晶的取向性,在复合材料固化成型过程中施加电场力,诱使碳纳米管取向。采用FTIR、POM、TEM、导热系数测试等手段对改性碳纳米管及复合材料的形貌、结构、性能进行表征。结果表明, ECFB液晶可以改善碳纳米管在有机硅复合材料中的分散性。导热系数测试表明,当复合材料中碳纳米管的质量分数为11%时,施加电场后的ECFB-MWCNTs/有机硅复合材料导热系数达到1.5112 W/(m·K),是施加电场后的MWCNTs/有机硅复合材料的4倍多,是纯有机硅橡胶的近10倍。

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二维材料MXene在储氢领域的应用研究

胡帅成, 程宏辉, 韩兴博, 吕丽君

功能材料. 2022, 53(5): 5160-5172. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.021

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寻找清洁高效的能源已经成为了人类可持续发展的优先目标,氢能作为绿色高效的能源已然成为了当今世界关注的焦点。目前,常用的储氢方式例如使用高压将氢气压缩进气瓶或低温液化都具有一定的安全问题,因此固体储氢的方式受到广泛关注。其中对MXene(新型二维材料)等轻量级高性能固体材料的大量探索性研究发现,Ti₂C MXene的最大氢吸附量可达8.6%(质量分数),远高于美国能源部(2015)规定的金属基氢化物的质量容量(5.5%(质量分数))。尽管MXene具有巨大的潜力,但其在储氢方面的应用尚未得到充分的探索。介绍了目前MXene作为储氢材料的最新研究成果及应用方向。

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CoSi(001)//MgO(001)薄膜电子结构和铁磁性的第一性原理计算

邹江, 汪鑫海, 王立峰, 贺娟, 吴波, 谢泉

功能材料. 2022, 53(5): 5173-5177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.022

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使用了基于密度泛函理论的第一性原理的方法,计算了外延关系为CoSi(001)//MgO(001)的薄膜生长体系的电子结构和磁矩,以及分析了其电荷密度与差分电荷密度。结果发现当CoSi晶体的晶格常数a,b设定为0.84224 nm,c=0.28135 nm时,体系的能量最低,达到最稳定的平衡态。由自旋极化能带图、总电子态密度以及分态密度可知,该CoSi外延薄膜的导带底与价带顶发生明显的交叠从而表现出金属性同时在费米能级附近产生了明显的自旋裂化现象;价带顶主要是由Co的3d⁷态电子构成,而导带底主要由Si的3p态电子构成,同时由态密度可知其产生了赝能隙现象,Co-3d态电子不仅主要贡献了态密度,也是薄膜产生磁性的主要因素。由计算结果的密里根电荷以及电荷密度可知,电子由Si转移到Co,Co作为电子受主,Co之间形成反键态,Co、Si之间形成共价键结构。经计算该外延关系下的CoSi具有铁磁性,总磁矩为0.52 μB。

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稻壳灰-水泥胶凝体系的水化动力学模型

吴浪, 吴小萍, 黄斯蕙铭, 沈健

功能材料. 2022, 53(5): 5178-5185. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.023

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稻壳灰(RHA)是稻壳控制燃烧产生的高活性火山灰材料,广泛用作生产高性能混凝土的矿物掺合料。稻壳灰的加入对水泥水化有着复杂的影响,目前的模型并不能解释所有这些复杂的影响。通过考虑稻壳灰对复合胶凝体系的稀释效应、化学效应、稻壳灰多孔结构对于水的吸收和释放等因素,建立了RHA-水泥胶凝体系的水化动力学模型,并以水灰比、环境温度,RHA颗粒细度和掺量等为变化参数,通过模型计算与试验结果相比较,证明所建立的模型可较好地模拟含RHA-水泥胶凝体系的水化进程,可用于预测RHA-水泥胶凝体系的水化程度随龄期的变化规律。结果表明,RHA-水泥胶凝体系的水化程度与水灰比、环境温度和比表面积是成正比的关系。研究可为稻壳灰在水泥中的应用提供依据,同时达到提高水泥的经济性和节约资源的目的。

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快速制备Co(OH)₂用于高效析氧

邹祥宇, 卫学玲, 包维维, 艾桃桃, 李文虎, 寇领江

功能材料. 2022, 53(5): 5186-5192. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.024

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简单快速地制备活性高、稳定好的电催化剂用于电解水制氢具有重要意义。以六水合硝酸钴为原料,利用三电极体系电化学工作站,在-1.0 V恒电位下在镍网上快速电沉积制备出Co(OH)₂@NF,采用XRD、XPS和SEM对Co(OH)₂@NF进行物相分析和形貌表征,在1 mol/L KOH电解液中对其电催化析氧性能进行了测试。结果表明,超薄片状结构增加了Co(OH)₂@NF与电解液的接触面积,增大了参与反应的有效活性位点数量。驱动10 mA/cm²的电流密度需要过电位为280 mV,塔菲尔斜率为70 mV/dec;具有良好的析氧稳定性和耐久性。

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退火温度对电沉积FeNi纳米线阵列结构及磁性能的关联性研究

陈哲, 康树杰, 朱乾科, 张克维

功能材料. 2022, 53(5): 5193-5198. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.025

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采用E-T和脉冲电化学沉积法,利用氧化铝(AAO)模板制备出直径200 nm,长度约为13.1 μm的非晶态FeNi纳米线阵列。FeNi纳米线阵列的形貌、成分、微观结构以及磁学性能分别通过场发射扫描电子显微镜(SEM)、场发射透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)以及振动样品磁强计(VSM)进行表征。研究结果表明,FeNi纳米线排列致密,外壁平整光滑,粗细均匀,元素分布均匀。制备的纳米线表现出纯非晶结构,退火后从非晶基体中析出γ(Fe,Ni)相,且晶粒的生长具有明显的(111)择优取向。VSM结果表明在非晶纳米线中具有较强的磁各向异性,其易磁化轴为平行于长轴方向。随着退火温度的升高,矫顽力H_c和剩磁比B_r/B_s整体呈下降趋势,主要归因于纳米线内应力的释放及纳米晶间的磁交换耦合作用。

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纳米SiO₂改性沥青混合料的制备及性能研究

锁利军

功能材料. 2022, 53(5): 5199-5204. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.026

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为探究纳米SiO₂对沥青性能的影响,制备了不同纳米SiO₂掺杂量的改性沥青混合料。通过车辙试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂测试和低温抗裂测试对纳米SiO₂改性沥青混合料的性能进行了表征。结果表明,5%(质量分数)掺杂量纳米SiO₂的改性沥青针入度最低,具有较高的软化点和粘度。与基质沥青相比,5%(质量分数)纳米SiO₂改性沥青混合料在45和60 min的车辙深度分别降低了45.90%和52.27%,动稳定度提高了60.57%,浸水48 h后残留稳定度高达90.69%,冻融劈裂强度比达到91.24%,抗弯拉强度提高了17.70%,最大弯拉应变提高了11.36%,弯曲劲度模量提高了8.86%。综合来看,5%(质量分数)纳米SiO₂改性沥青混合料的高温性能、水稳定性和低温抗裂性均得到了显著提高,具有良好的路用性能和应用前景。

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丙烯酸纤维素纳米纤丝复合水凝胶颗粒的制备及其性能研究

张伟风, 罗浪漫, 耿绍, 陈宏芳, 符丽梅, 温洋兵

功能材料. 2022, 53(5): 5205-5212. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.027

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以丙烯酸纤维素纳米纤丝(ACL-CNF)为聚合轴心, 以过硫酸铵(NH₄)₂S₂O₈)为引发剂与丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸(AMPS)通过反相悬浮聚合制备出复合水凝胶微球P(AAACC)。对P(AAACC)的聚合过程、微观形态、溶胀性、机械强度以及耐温耐盐性进行了研究。结果表明,在盐浓度为10%(质量分数)时平衡溶胀倍率为13.59 g/g, 在120 ℃时平衡溶胀倍率为30.15 g/g, 与普通水凝胶相比分别提高了2.63倍和3.15倍; 复合水凝胶颗粒在压缩比为85% 时恢复性为84.8%, 而普通水凝胶已经出现破裂;利用TG-DTG分析可以看出ACL-CNF与单体之间发生了共聚反应, 并且热稳定性得到了提升;在高温高盐下老化七天后复合水凝胶颗粒的保水率为92.1%与普通水凝胶相比提高了11%, 机械强度在去离子水和盐水中分别提升了2.5倍和2.79倍。

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碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料的制备及保温性能研究

冯满

功能材料. 2022, 53(5): 5213-5217. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.028

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以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,无水乙醇和去离子水为溶剂,采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂气凝胶,再以不同含量(0,1%,3%和5%(质量分数))短切碳纤维为增强材料,在胶凝完成后,经过表面改性,采用常压干燥工艺,制备了碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料。采用XRD、SEM、FT-IR和孔径测试等方法对制备所得复合材料的微观结构、形貌、孔径分布和导热性能进行了测试分析。结果表明,碳纤维增强SiO₂气凝胶复合材料为典型的非晶态结构,属于毛细凝聚特征的介孔材料,碳纤维的掺杂并没有改变SiO₂气凝胶的晶态结构;未掺杂碳纤维的SiO₂气凝胶的颗粒相互堆搭,掺入碳纤维的SiO₂气凝胶颗粒的孔隙明显减小,孔洞结构较为完整,碳纤维的掺入填充了大尺寸孔隙,有助于气凝胶孔径分布区间的收窄,当碳纤维的含量为3%(质量分数)时,颗粒分布最佳;随着碳纤维含量的增加,复合材料的导热系数呈现出先降低后升高的趋势,当碳纤维的含量为3%(质量分数)时,样品的导热系数最低为0.019 W/(m·K)。综合来看,当碳纤维的含量为3%(质量分数)时,复合材料的保温性能最佳,在建筑保温材料领域具有广阔的应用前景。

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含有序贯通孔道液晶聚合物膜的制备及其无水质子传导

曾泓钜, 余海溶, 程昌敬, 梁婷

功能材料. 2022, 53(5): 5218-5225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.029

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利用含苯甲酸(6OBA)和苯乙烯基吡啶(6SzMA)基团的单体分子间氢键作用诱导形成超分子液晶,与交联剂(C6H)混合后通过原位光聚合,在平行取向条件下制备功能液晶聚合物膜,获得有序贯通的传导通道,并应用于无水质子传导,进一步通过H₃PO₄掺杂实现质子传导性能强化。运用FT-IR、POM、TGA、DSC、2D-SAXS、高分辨TEM和EIS对其氢键、液晶特性、微观结构和无水质子传导性能进行表征。结果表明,6OBA与6SzMA分子间形成氢键诱导产生近晶相,平行取向条件下聚合后,近晶相层结构固化获得纳米尺度规整排布的有序孔道,在无水条件下170 ℃时其质子传导率为7.1×10^-9 S/cm。H₃PO₄掺杂后以分子簇的形式存在,充足的质子源和增强的氢键网络使得传导性能显著提升超4个数量级,170 ℃时达到3.2×10^-4 S/cm。

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多巴胺季铵盐功能化无纺布的制备及其对Cr(Ⅵ)的吸附

王里达, 汪振文, 李鑫林, 魏亚京, 吴雨桐, 吕梦浩, 刘豪, 王会才

功能材料. 2022, 53(5): 5226-5230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.030

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通过贻贝仿生法制备的材料表面官能团密度低,并且对带负电荷重金属离子没有吸附能力。针对以上问题,提出一种季铵化方法合成了多巴胺季铵盐无纺布。通过吸附实验可知在pH为3时吸附性能最强,能除去95%以上的Cr(Ⅵ)。拟合得到的吸附量最高为 31.92 mg/g。XPS分析说明吸附是-NH和季铵盐基团的作用。此外季铵化使再生性能提高,在Cr(Ⅵ)吸附去除领域具有广阔的应用前景。

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Al掺杂对Fe₈₁Ga₁₉合金相结构和磁致伸缩性能的影响

郝宏波, 李晓, 龚沛, 魏宗英, 乔禹, 姚特, 梁雨萍, 王婷婷

功能材料. 2022, 53(5): 5231-5236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.05.031

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实验选取非自耗真空电弧炉熔炼合金锭,并对合金的相结构及磁致伸缩性能进行研究。研究结果表明,在Fe-Ga合金中掺入Al元素来替代Ga元素的占位后,Fe₈₁Ga_19-xAl_x合金仍然以A2相为主,其基本结构为α-Fe体心立方结构,晶粒由之前细长的不规则多边形变为长条状的柱状晶,并且柱状晶的取向性显著增强;当x=3.5时合金的饱和磁致伸缩值为202×10^-6,约为x=0时的4倍。磁致伸缩性能的提高主要归因于掺Al后Fe-Ga合金的A2相沿[100]的择优取向以及Al原子进入Fe-Ga合金晶格引起的晶格畸变。

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2022年, 第53卷, 第5期　刊出日期：2022-05-30

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