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功能材料. 2022, 53(8): 0.

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Pt/石墨烯/C₃N₄的制备及光催化降解污水性能研究

于鹏飞, 汪剑, 雷鸣

功能材料. 2022, 53(8): 8001-8008. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.001

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光催化因具有可以直接利用太阳能、降解几乎所有的有机污染物、还原重金属离子、反应条件温和等优点,被认为是一项理想的污水处理技术。在溶剂热合成石墨烯/C₃N₄的基础上,采用水作为还原剂在较低的温度下将贵金属Pt负载到石墨烯/C₃N₄表面,得到了具有0D-2D-2D结构的Pt/石墨烯/C₃N₄复合光催化剂。采用XRD、TEM、BET、XPS、Raman、PL等技术对Pt/石墨烯/C₃N₄的结构进行了分析,并评估了它们在可见光下光催化降解RhB和还原Cr(Ⅵ)的性能。Pt和石墨烯的协同作用,不仅可以促进光生载流子的分离传输、增大比表面积,而且超细纳米颗粒Pt的生成可以提高Pt原子的利用率、增强其催化性能。因此,Pt/石墨烯/C₃N₄复合光催化剂在可见光下表现出良好的光催化性能。当Pt和石墨烯的负载量分别为0.5%和3%时,得到的Pt0.5/G3/C₃N₄的光催化性能最强,60 min可以将初始浓度40 μmol/L的RhB降解97%,表观一级反应速率常数为0.0562 min^-1,分别是C₃N₄和G3/C₃N₄的12.5和3.2倍;80 min可以将初始浓度20 mg/L的Cr(Ⅵ)还原94%,表观一级反应速率常数为0.0119 min^-1,分别是C₃N₄和G3/C₃N₄的14.7和2.4倍。

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三维碳负载镍掺杂对MgB₂微观结构和超导性能的影响

赵倩, 秦保军, 平学成, 龚闯闯

功能材料. 2022, 53(8): 8009-8016. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.002

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寻找满意的第三组元并通过简单的化学掺杂获得高性能的MgB₂超导体,对推进MgB₂的实用化进程有着十分重要的意义。采用盐模板冻干法合成了三维碳(3DC)和三维碳负载镍(3DC/Ni)两种粉末,并通过原位掺杂的方式使用固相烧结法分别制备了含有这两种添加剂的MgB₂块材。借助X射线衍射技术及扫描电子显微镜对3DC掺杂MgB₂和3DC/Ni掺杂MgB₂的物相组成及微观形貌进行了表征,同时结合磁学测量系统探究了两种添加剂对MgB₂超导性能的影响。结果表明,3DC可以形成有效的碳掺杂提高MgB₂在高场下的载流性能;掺杂3DC/Ni后在Mg-Ni低温液相辅助烧结及3DC提供形核位点的协同作用下改善了MgB₂的晶粒连接性,同时也提高了MgB₂的磁通钉扎能力。采用冻干法合成的Ni颗粒在纳米尺度,解决了小尺寸掺杂易团聚的问题,但由于Ni为磁性粒子,使3DC/Ni掺杂MgB₂的临界电流密度(J_c)没有明显提高。寻找一种更有效的金属纳米粒子是今后的尝试方向。

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碳纤维导电沥青路面融雪化冰影响因素仿真分析

王黎明, 王云龙, 敖彩

功能材料. 2022, 53(8): 8017-8023. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.003

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为研究不同因素对导电沥青路面融雪化冰的影响,通过实验室制备导电沥青道路模型,并测定了模型的热物性参数,利用ANSYS建立了仿真模型,对比分析模型室内融雪化冰试验与有限元模拟融雪化冰时的路面结构层各点温度变化情况,验证了仿真模型的准确性。采用仿真模型研究了降雪量、环境温度、输入电压、路面不同结构层导热系数对导电沥青路面融雪化冰效果的影响。结果表明,降雪量对融雪化冰效果呈负向影响;环境温度对融雪化冰效果呈正向影响,且环境温度高于-5 ℃时融雪化冰效率较高;输入电压对融雪化冰效果呈正向影响,电压提高到80 V时融雪化冰时效性发生突变;降低上面层导热系数、提高下面层导热系数融雪化冰效果较好,导电层导热系数对融雪化冰效果影响不显著。

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固溶Ce对α-Fe力学性能影响的机理研究

刘香军, 杨昌桥, 任慧平, 杨吉春, 金自力

功能材料. 2022, 53(8): 8024-8030. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.004

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针对实验方法研究固溶稀土对钢力学性能的影响未能获得满意结果的研究现状,采用模拟计算的方式开展研究,基于密度泛函理论采用第一性原理计算方法,通过溶解能、几何结构、电子结构、Bader电荷等维度来揭示Ce原子在α-Fe中的固溶机理,并对Fe-Ce掺杂体系的力学性能进行详细计算。溶解能计算结果表明,Ce以取代Fe原子的方式占位于α-Fe基体中。在Fe-Ce掺杂体系中,Ce原子失去电子,致使Ce原子半径减小,产生极化效应,这有利于Ce在Fe中的固溶。纯Fe及Fe-Ce掺杂体系力学性质计算结果表明,Ce的掺杂降低了体系的不可压缩性、抗剪切应变能力、刚度以及维氏硬度,但提高了体系的韧性以及可加工性。Ce掺杂导致体系金属键强度降低,这是Fe-Ce掺杂体系不可压缩性、刚性和硬度降低的主要原因;另一方面,Ce的掺杂增加了体系中电子云的密度,这有利于掺杂体系韧性的提高。

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氧化石墨烯超高性能透水混凝土对Pb(Ⅱ)的吸附性能

张玉斌, 鲍世辉, 张聪

功能材料. 2022, 53(8): 8031-8035. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.005

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透水混凝土对水体重金属离子的吸附功能受到了越来越多的关注,但是自身力学性能不足以及吸附效率偏低是限制其在更广泛地使用场景中发挥力学和环保功能的主要瓶颈。通过引入氧化石墨烯(GO),制备了GO超高性能透水混凝土材料,研究了其对水溶液中二价铅离子(Pb²⁺)的吸附性能。研究发现,GO超高性能透水混凝土在保证优异力学性能和透水能力的同时,能够对溶液中的Pb²⁺具有95%以上的去除率。溶液pH值对GO超高性能透水混凝土的吸附性能具有显著影响,当pH值=4时其吸附效果最佳。GO超高性能透水混凝土的吸附量随溶液中Pb²⁺的浓度的提高而增大,但吸附率呈现先增后减的趋势,当Pb²⁺的初始浓度为50 mg/L时吸附率达到峰值。通过参数拟合分析发现,GO超高性能透水混凝土对溶液中Pb²⁺的吸附过程与Freundlich模型较为符合,可以采用Freundlich模型描述GO超高性能透水混凝土对Pb²⁺的吸附等温线。

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骨料对混凝土中氯离子传输特性的影响进展

张高展, 王宇譞, 杨军, 张键, 寇斌, 丁庆军

功能材料. 2022, 53(8): 8036-8044. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.006

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氯离子侵蚀是导致海洋环境和盐碱地区混凝土服役寿命缩短的主要原因之一,同时骨料作为混凝土中体积占比最大的原材料,也是影响氯离子在混凝土内部传输的主要因素。为了顺应环境保护和可持续发展的需求,人造轻骨料和再生骨料已广泛运用于混凝土结构。轻骨料轻质多孔的特性及再生骨料较为复杂的界面区结构,使得二者对氯离子在混凝土中传输的影响与传统骨料相比存在明显的差异。因此,开展骨料对混凝土中氯离子传输特性的影响研究显得尤为重要。讨论了骨料对氯离子传输特性的影响,总结了宏观和细观尺度下骨料影响氯离子传输的机理和研究中存在的问题,并展望了骨料对氯离子传输机理影响的研究方向。

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石墨炔在电化学储能器件中的应用研究

赵金良, 黄成德

功能材料. 2022, 53(8): 8045-8053. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.007

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石墨炔作为一种新型二维碳材料,具有π共轭单元、sp²和sp杂化的碳原子和可调节的孔结构,结构稳定,导电性好,可塑性强。简要介绍了不同类型的石墨炔及其结构,阐述了石墨炔及其衍生物的合成策略,重点综述了石墨炔及石墨炔衍生物在能源领域的研究内容和成果,介绍了石墨炔及其衍生物在锂离子电池、氢-氧燃料电池、钠离子电池、超级电容器和其它一些电化学储能器件及材料上的研究成果。综合分析表明,石墨炔在电化学储能器件方面具有广阔的应用前景。

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天然多糖基载药水凝胶研究进展

罗艳荣, 卢春兰, 杨东旭, 张晓琳

功能材料. 2022, 53(8): 8054-8058. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.008

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近年来,水凝胶作为一种常见的高分子聚合物材料,因为其独特的三维结构、良好的生物相容性、可降解性和无毒性,使得其在生物医学领域,特别是在组织再生领域和在药物缓释方面得到了广泛的应用。水凝胶是由亲水性聚合物经水膨胀后形成的一种交联网络材料,其含水量、弹性、柔软性、力学强度及孔隙率均较高,适宜负载药物和细胞。而多糖通常也是无毒的、生物相容的,并显示出许多独特的理化性质,非常适用于水凝胶药物递送系统。主要以5种常见天然高分子材料为基础,介绍了近年来国内外相关多糖类载药水凝胶的研究进展,并对其性能进行了较为完备的分析和总结,以期为未来获得性能完备、可广泛用于临床治疗的仿生水凝胶材料提供一定的研究基础。

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微波辅助制备TiO₂光催化剂及应用的研究进展

李玲博, 刘晨辉, 马至宇, 师颖, 丁旭, 李亚伦, 李奕垚

功能材料. 2022, 53(8): 8059-8066. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.009

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微波作为一种新型高效的加热制备技术,在材料化学领域中表现出清洁、高效、耗能少、收率高以及选择性好等优点,使其在材料制备等领域得到了广泛的应用。TiO₂由于具有高催化活性、无毒、化学物理性质稳定等优点,在降解环境中的污染物方面受到了极大的关注。将微波加热技术应用在制备TiO₂光催化剂中,可减少热处理时间,降低成本,并有效减少TiO₂材料的团聚现象,得到了更加均一的产品。综述了近几年来微波辅助制备TiO₂光催化剂的5种制备方法:微波水热法、微波溶胶-凝胶法、微波液相沉积法、微波干燥法、微波微乳液法,及其光降解有机污染物中的应用,旨在为促进微波加热技术在TiO₂光催化剂领域中的应用发展提供参考。

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基于第一性原理计算的Li₇La₃Zr₂O₁₂固态电解质的研究进展

陶梦琴, 蔡振飞, 吴慧敏, 马扬洲, 宋广生

功能材料. 2022, 53(8): 8067-8077. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.010

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Li₇La₃Zr₂O₁₂固态电解质具备高离子电导率、对锂金属负极良好的化学稳定性以及宽电化学窗口等特点,被视为最具发展和应用前景的固态电解质之一。基于密度泛函理论计算的第一性原理计算是从量子力学出发,在电子层面计算个体和总体的电子和原子行为。将第一性原理计算与Li₇La₃Zr₂O₁₂固态电解质研究相结合可以在原子尺度上预测和解释电解质材料的性质和行为,同时将计算和系统模型相结合有助于解释该电池系统复杂的实验表征结果。概括了第一性原理计算在Li₇La₃Zr₂O₁₂固态电解质中的应用,总结Li₇La₃Zr₂O₁₂的电子结构和晶体结构等微观结构特征,分析了锂负极与电解质的接触角、锂离子的迁移以及电解质热力学性质等物理化学性质,最后对第一性原理计算在固态电解质研究的未来方向进行展望。

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生物质炭基超级电容器电极材料的研究进展

刘高尚, 刘成宝, 陈丰, 钱君超, 邱永斌, 孟宪荣, 陈志刚

功能材料. 2022, 53(8): 8078-8084. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.011

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随着万物互联逐渐成为现实,对绿色、可持续、高稳定性储能材料的需求越来越大。生物质炭因其丰富的孔结构、大的比表面积、环境友好性和可观的经济价值而备受关注。综述了生物质炭的结构以及合成方法,并且按照不同种类总结了国内外对于生物质基电极材料的研究现状,提出了生物质炭材料发展的新趋势和新挑战,为进一步合理设计生物质炭储能材料提供了思路。

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孔隙可调控多孔铜粉的气相去合金制备及性能研究

马若岚, 熊定邦, 范根莲, 谭占秋, 李志强

功能材料. 2022, 53(8): 8085-8091. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.012

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多孔铜粉具有独特的孔隙结构和大比表面积,是适合于催化生长和化学负载的基元功能材料。但受限于粉末尺寸小、活性高,目前鲜有关于多孔铜粉制备工艺的研究。以球磨后的铜锌合金粉末为前驱体,采用气相去合金的方法成功制备了多孔铜粉。应用SEM、EDS、XRD、TEM等表征手段研究了去合金温度、时间、原始合金成分和球磨变形对粉末性能的影响。实验结果表明,孔隙结构变化是Zn原子去合金驱动力,Cu原子表面扩散和Cu原子体扩散三者互相竞争的结果。表面孔隙粗化过程受Cu原子表面扩散主导,而Cu原子体扩散会引起孔隙结构的收缩。球磨引入的位错通过提供快速扩散通道的方式降低了孔隙粗化过程的扩散激活能,加快了去合金过程的进行。制备的多孔粉末最大表面孔隙率为17%,平均孔隙尺寸为0.6~1.1 μm。通过调整工艺参数,可以调控多孔铜粉的表面孔隙。

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β-环糊精改性梧桐叶基生物炭对水中镉离子的去除研究

王泽亚, 龚香宜, 任大军, 孟德康, 吴凤英

功能材料. 2022, 53(8): 8092-8098. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.013

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制备了以梧桐叶为原料的生物炭(BC),并用戊二醛作为交联剂,将β-环糊精负载在梧桐叶基生物炭上制备β-环糊精改性生物炭(β-BC)。采用比表面积分析和红外光谱对生物炭进行表征分析,并将其用于吸附水中的镉离子(Cd²⁺),考察吸附时间、投加量、吸附剂用量和pH等不同因素对吸附性能的影响。实验结果表明,改性后的生物炭比表面积、总孔体积和平均孔径均稍有下降,β-BC对Cd²⁺的去除率高达99.2%,比BC高14%,且更快达到吸附平衡。此外,BC对Cd²⁺的吸附满足伪一级动力学方程模型,β-BC对Cd²⁺的吸附满足Elovich方程模型,而Freundlich等温吸附模型对BC和β-BC均有更好的拟合效果。

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Fe_2-xCo_xZr材料磁热效应的研究

宗朔通, 张艳, 王瑞, 谢栋宇, 陈峰华, 张克维, 孙志刚, 胡季帆

功能材料. 2022, 53(8): 8099-8103. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.014

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制备了Fe_2-xCo_xZr(x=0.8,0.9和1.0)系列材料并研究了材料的磁热性能,通过X射线衍射分析确定了材料为MgCu₂结构的Laves相,空间群为Fd-3mS。通过GSAS精修确定了材料的晶格常数,发现材料的晶格常数随Co元素含量增加而线性减小。通过麦克斯韦方程计算了材料的磁熵变,磁熵变最大值随Co元素含量的增加而下降。通过Co元素含量的调控可以实现材料居里温度在236~320K之间进行调节。研究发现Fe_2-xCo_xZr材料相变类型均为二级磁相变。Fe_1.2Co_0.8Zr材料在0~3T磁场下磁熵变的最大值为0.27J/kg/K。Fe_2-xCo_xZr材料具有居里温度可调和制冷区间较大的特点,为具有较大应用潜力的无稀土磁致冷剂。

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锌-空气电池活性电极材料LaCo_1-xFe_xO₃的制备及其性能的研究

马荣泽, 张琦, 汤彬, 杨建新, 张志伟, 李睿, 王海燕, 王皓, 李双寿, 林万明

功能材料. 2022, 53(8): 8104-8109. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.015

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采用溶胶-凝胶法制备出不同Fe掺杂量的LaCo_1-xFe_xO₃,并将其作为锌-空气电池的空气电极活性材料。分别通过XRD、SEM以及电化学测试研究了其形貌结构和电催化性能。结果表明,当Fe取代量超过50%时,LaCo_1-xFe_xO₃的晶体结构由菱面体开始转变为立方体。其中,LaCo_0.5Fe_0.5O₃颗粒均匀,晶粒尺寸达到纳米级别,在-0.7 V电位下,表现出了最大的极化电流密度4.92 mA·cm^-2。将LaCo_0.5Fe_0.5O₃应用于锌-空气电池空气电极中,在1mA恒定电流下,放电电压稳定在1.2 V。在80个循环后,充放电压差为0.85 V,往返效率保持在57.2%,优于LaCoO₃的0.95 V和52.0%。

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纤维增强橡胶砂浆抗冲击性能研究

颜岩, 孔昱, 王迎斌, 白应华

功能材料. 2022, 53(8): 8110-8115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.016

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使用PVA纤维来增强橡胶砂浆的抗冲击性能,通过落锤试验研究PVA纤维体积掺量、纤维长度对橡胶砂浆冲击性能的影响规律,并通过抗压、抗折试验探究PVA纤维掺入后对橡胶砂浆的力学强度影响。试验结果表明,纤维的掺入对试件抗冲击韧性性能改善效果显著。橡胶等体积替代10%细集料时,9 mm PVA纤掺量为0.10%增强效果最佳,抗压强度、抗折强度出现峰值,冲击韧性提升明显。

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纳米纤维素/聚酰亚胺气凝胶制备与性能研究

王子扬, 杨雪, 刘玮, 刘丽芳, 马晓飞, 张丽

功能材料. 2022, 53(8): 8116-8121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.017

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纳米纤维素气凝胶由于其良好的生物相容性、可再生性、可降解性以及较高的孔隙率等优异性能,在建筑隔热领域有着十分广阔的应用前景。为了更好地提升纳米纤维素气凝胶的保温隔热性能和力学性能,引入聚酰亚胺,制备了一种具有规则孔隙结构的复合纳米纤维素气凝胶。通过SEM、导热系数测试仪、红外成像仪等测试方法对其结构和性能进行表征。结果表明,当CNF:PI的质量比为1:1时,复合气凝胶的结构规则,孔径较小,在15～18 μm左右,密度低至0.0413 g/cm³,压缩强度可达0.33 MPa,导热系数低至0.03159 W/(m·K),具有最优异的综合性能。

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N掺杂白茅草花生物质碳的制备及其超级电容器性能研究

陈可, 沈娟, 曾婷, 唐蜜

功能材料. 2022, 53(8): 8122-8127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.018

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原料来源广泛且绿色生态友好的生物质多孔碳受到广泛关注。白茅草花被成功开发为新型生物质多孔碳的前驱体,采用KOH作为活化剂,尿素作为掺杂剂,一步热解碳化形成氮掺杂多孔碳材料,并对最佳的尿素掺杂比例进行探究。采用SEM,TEM,XRD,Raman,XPS对制备的材料进行表征。通过三电极体系对材料的电化学性能进行测试。结果表明,在氢氧化钾处理后的白茅草花与尿素质量比为2:1时,制备的电极材料具有最佳的性能。在6 mol/L KOH电解液中,电流密度为1 A/g时,材料的比电容为304.1 F/g,经过5 000次长循环后,容量保持率为96.24%。

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一种新型磁性多孔碳的制备及其吸附性能研究

崔燕, 康伟伟, 胡季帆, 刘旭光, 马江微, 雍辉

功能材料. 2022, 53(8): 8128-8133. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.019

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选取1,5-二羟基萘和二茂铁分别为碳源和铁源,无水乙醇为溶剂,通过溶剂热法、KOH活化和HNO₃酸化制备了磁性多孔碳(MC),并将其应用于油品中二苯并噻吩(DBT)的吸附脱除。利用SEM、BET、TG、FTIR等表征手段对MC的形貌和结构进行分析,结果表明:MC具备丰富的孔隙和良好的表面活性,比表面积达到1 096.63 m²/g,吸附能力优异,饱和吸附量为130.31 mg/g。吸附行为符合非均一、吸热的、多层物理吸附过程,与准一级动力学模型和Freundlich等温模型相匹配。此外,MC借助磁场可轻易实现粉体吸附剂的快速分离回收再利用,是一种有应用潜力的吸附材料。

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纳米ZnO颗粒对SBR活性污泥硝化作用的影响及机制研究

宋旸, 梁宏宝, 陈忠喜, 马骏

功能材料. 2022, 53(8): 8134-8139. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.020

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以乙酸锌为锌原,通过水热法制备了纳米ZnO颗粒,通过XRD、SEM、FT-IR等分析了样品的晶格结构、微观形貌和光谱特性。采用序批式活性污泥工艺(SBR),研究了纳米ZnO颗粒对活性污泥硝化作用的影响。结果表明,合成出的纳米ZnO颗粒为标准的纤锌矿结构,具有较高的结晶度,分散性较好,呈现颗粒状,粒径尺寸在25~45 nm之间;随着纳米ZnO颗粒添加量的增加,SBR溶液中的Zn²⁺浓度逐渐上升,活性污泥吸附纳米ZnO颗粒前后形态变化表明,颗粒污泥在吸附前表面较为光滑,吸附后表面呈现出较多的凸起状斑点,纳米ZnO颗粒在污泥表面分布不均匀;随着纳米ZnO颗粒添加量的增加,亚硝化颗粒污泥的硝化抑制作用逐渐增大,当纳米ZnO颗粒的添加量为50 mg/L,在270 min时,颗粒污泥对NH⁺₄-N的去除率最低为52.35%,对NO^-₂-N和NO^-₃-N的生成量最低为98.5和11.9 mg/L,相比不添加纳米ZnO颗粒的生成量分别降低了38.93%和42.79%。

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Mn₁₅Zr₃La₁₀/ZSM-5非贵金属催化剂的合成及其优异低温C₃H₆-SCR脱硝性能研究

唐田, 许俊强, 盛小红, 张艳容, 邹贤林, 郭芳, 张强

功能材料. 2022, 53(8): 8140-8146. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.021

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与传统NH₃-SCR不同,C₃H₆-SCR由于较高的反应能垒在低温下(<300 ℃)通常表现出较差的脱硝性能。在模拟实际发动机稀燃条件下,采用浸渍法制备了一系列Mn_xZr_yLa_z/ZSM-5非贵金属催化剂,在C₃H₆-SCR中表现出优异的低温脱硝性能,其NO转化率在空速为30 000 h^-1温度区间为190~270 ℃超过90%,最高NO转化率在250 ℃达到100%。实验结果表明,La引入明显地提高了催化剂的孔道直径(3.20→4.07 nm),显著提升了活性Mn物种的分散以及活性Mn物种的表面离子浓度,进而增加催化剂表面Lewis酸数量;此外,XPS结果表明,La的引入产生了更多的Mn⁴⁺向Mn³⁺的电子转移,在活性物种MnO_x上造成更多的晶格氧空位,这些提升可能是Mn₁₅Zr₃La₁₀/ZSM-5催化剂表现出优异低温活性的原因。我们希望这项研究能有助于揭示稀土金属La在低温C₃H₆-SCR中的影响,并有助于进一步合成高活性的非贵金属低温C₃H₆-SCR催化剂。

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再生微粉-再生骨料混凝土力学性能及微观结构研究

于媛, 胡慧敏, 裴巧玲, 杨小妮, 宋少花, 杨潘

功能材料. 2022, 53(8): 8147-8152. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.022

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针对大量建筑垃圾处理困难和砂石等自然资源日趋枯竭的矛盾,利用从建筑拆除垃圾中回收的再生骨料(RA)和再生微粉(RP)协同制备了再生骨料-微粉混凝土(RAPC)。分析了再生微粉的矿物组成、微观形貌以及RAPC的抗压强度、劈裂抗拉强度和孔隙特征。研究表明,不同取代率的RA和RP对于RAPC的孔隙结构和力学性能都产生了不同的影响。在相同的RP取代率下,30%的RA发挥了内养护作用,使得RAPC的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度达到峰值。在相同RA取代率下,RAPC的抗压强度及劈裂抗拉强度在RP取代率为15％时达到最大值,这是由于RP具有潜在的火山灰活性,与RAPC中的水化产物发生了二次水化反应。不同RA和RP取代率的RAPC的破坏形态有明显区别。通过压汞(MIP)试验研究了RAPC的微观孔隙特征,验证了以上的试验结果。

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退火温度对CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_x高熵合金微观组织与耐腐蚀性能的影响

秦忠, 李新梅, 田志刚, 黄永, 陈霸

功能材料. 2022, 53(8): 8153-8158. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.023

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为了研究不同退火温度对CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_x高熵合金性能的影响,通过真空电弧熔炼CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_x(x=0、0.4、0.8)高熵合金并使用真空管式炉进行600,800,1 000 ℃退火实验。使用XRD测试合金的晶体结构,采用SEM观察合金微观组织,利用维氏显微硬度计和电化学工作站测试高熵合金的显微硬度和耐腐蚀性能。结果表明,退火后的高熵合金出现新的Laves相,合金相主要由FCC、BCC和Laves相混合组成。在CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_x(x=0、0.4、0.8)高熵合金中,x=0.4的硬度在600 ℃退火状态下达到最大值为883.15HV。1 000 ℃退火下的CoCrCu_0.5FeTi_0.5Al_0.4耐腐蚀性能达到最优,腐蚀电压和腐蚀电流密度分别为-0.396 V和6.800×10^-7 mA/mm²。

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氧化石墨烯改性混凝土的制备及力学性能和抗冻性能的研究

刘文娟

功能材料. 2022, 53(8): 8159-8164. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.024

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氧化石墨烯因具有较高的强度、韧性和强的表面活性等优点常被用于水泥基材料中,不仅能够提高力学性能,还可以改善耐久性。通过在混凝土中掺杂氧化石墨烯,制备了不同氧化石墨烯掺量(0, 0.03%,0.06%和0.09%(质量分数))的改性混凝土,研究了氧化石墨烯掺量对改性混凝土的晶体结构、微观形貌、力学性能和抗冻性能的影响。结果表明,适量的氧化石墨烯掺杂加速了改性混凝土的水化反应,细化了孔结构,提高了密实度;随着氧化石墨烯掺杂量的增加,改性混凝土的抗压强度、抗折强度和相对弹性模量均先升高后降低,当氧化石墨烯的掺杂量为0.06%(质量分数)时,28 d的抗压强度、抗折强度和相对弹性模量均达到最大值,分别为43.05,5.58 MPa和94.19%,改性混凝土的力学性能和抗冻性能最佳。

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单离子导电聚合物电解质膜的制备及电化学性能研究

陈欣欣, 邹海凤, 陈卓, 程琥

功能材料. 2022, 53(8): 8165-8169. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.025

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以对苯乙烯磺酸钠为原料,通过一系列反应合成了单离子导体聚(对苯乙烯磺酰)(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiPSTFSI),将其与PEO按不同EO/Li⁺共混,制备单离子导电聚合物电解质膜。研究表明,PEO/LiPSTFSI电解质膜在270 ℃下具有良好的热稳定性;在60 ℃时, EO/Li⁺=16的电解质膜的离子电导率达到1.94×10^-5 S/cm,且锂离子迁移数>0.85,接近于锂单离子导体;同时电解质膜表现出较好的电化学稳定性和界面性能。

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稀土离子掺杂钼酸盐荧光粉的制备及发光性能研究

张朝光, 党快乐, 李华健

功能材料. 2022, 53(8): 8170-8175. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.026

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稀土离子掺杂的上转换发光材料近年来在照明、太阳能电池行业有着广泛的应用。通过水热法制备了Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的NaGd(MO₄)₂荧光粉,通过XRD、SEM、光谱分析等手段对NaGd(MO₄)₂荧光粉进行了表征,研究了Ho³⁺/Yb³⁺掺杂对钼酸盐荧光粉发光特性的影响。形貌结构分析表明,Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的NaGd(MO₄)₂荧光粉均为纯的四方相结构,颗粒尺寸约为0.4~0.9 μm,Ho³⁺/Yb³⁺的掺杂使NaGd(MO₄)₂荧光粉的晶胞参数变小。光谱分析表明,NaGd(MO₄)₂荧光粉中546 nm处的绿光是来自Ho³⁺的⁵F₄能级跃迁回⁵I₈能级释放出的光子,659 nm处的红光是来自Ho³⁺的⁵F₅能级跃迁回⁵I₈能级释放出的光子;随着Ho³⁺掺杂量的增大,659 nm处的红光发射强度提高,当n(Ho³⁺):n(Yb³⁺)=2.0:5.0时,NaGd(MO₄)₂荧光粉的红光发射峰强度最高;Ho³⁺的掺杂比例增大后,样品的CIE色坐标从绿光区域逐渐向红光区域移动。对样品的上转换跃迁机制分析发现,Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的NaGd(MO₄)₂荧光粉在546 nm处的蓝光和659 nm处的红光均为双光子过程。

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绿色长余辉发光材料MgGa₂O₄:Mn²⁺的制备及性能研究

蔡鹏博, 孟伟, 张洪武, 郑升辉, 付晓燕

功能材料. 2022, 53(8): 8176-8179. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.027

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采用高温固相法合成了MgGa₂O₄:xMn²⁺(x=0.5%,1%,3%,5%)系列绿色长余辉发光材料。通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、发光光谱、余辉光谱、热释光谱等表征手段对其长余辉发光性能进行了研究。样品的发射光谱的结果表明,Mn²⁺在509 nm处的特征发射峰,对应Mn²⁺离子的⁴T₁(⁴G)→⁶A₁(⁶S)电子跃迁,随着Mn²⁺掺杂浓度的增加,其发光强度先增强后减弱,掺杂浓度为3%时样品具有最好的发光性能;掺杂浓度为1%时其余辉强度最强,余辉时间可以持续1h以上;热释光谱在342 K附近出现一个宽峰,这表明样品存在大量的陷阱,这有利于捕获被激发的电子,形成长余辉发光。

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碳纳米管改性水泥基注浆材料的制备及性能研究

魏婧

功能材料. 2022, 53(8): 8180-8185. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.028

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碳纳米管具有大的比表面积和优异的力学性能,是水泥基注浆材料的优异填料。以普通硅酸盐水泥P.O 42.5为基体材料,多壁碳纳米管为填料,制备了不同碳纳米管掺杂量(0,0.3%,0.6%和0.9%(质量分数))的改性水泥基注浆材料,研究了注浆材料的晶体结构、微观形貌、力学性能和碳化性能。结果表明,掺入碳纳米管后,加速了水化反应,但没有新物质产生,碳纳米管呈短杆状与长杆状均匀分布于水泥基体间,形成“桥联作用”,提高了水泥基体之间的结合力,改善了注浆材料的强度和韧性;随着碳纳米管掺杂量的增加,注浆材料的抗压强度和抗折强度均表现出先升高后轻微降低的趋势,而碳化深度呈现出先降低后升高的趋势;当碳纳米管掺杂量为0.6%(质量分数)时,注浆材料7和28 d的抗压强度达到最大值89.95和97.42 MPa,抗折强度也达到最大值10.92和15.82 MPa,而碳化深度则达到了最低值14.54和26.47 mm。综合分析可知,碳纳米管的最佳掺杂量为0.6%(质量分数)。

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茶多酚-介孔纳米氧化锌控释抗氧抗菌配合体的制备与表征

弓雪峰, 丘晓琳, 赵烨, 王杰

功能材料. 2022, 53(8): 8186-8195. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.029

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以聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物(Poloxamer 188)和蔗糖为双模板剂制备介孔纳米氧化锌,以此为载体搭载天然抗氧抗菌剂茶多酚,制成具有pH响应控释效果的抗氧抗菌活性纳米配合体。并通过X射线衍射仪(XRD)、氮气吸附/脱附、透射电子显微镜(TEM)等对介孔纳米氧化锌进行表征;通过扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、傅里叶红外光谱分析(FT-IR)、控释性能测试及抗氧抗菌测试等,研究了配合体的性能。结果显示,以硝酸锌为锌源制得的介孔纳米氧化锌载体,比表面积和孔结构均优于醋酸锌为锌源的产物,硝酸锌制备产物的比表面积达80.614 m²/g,平均孔径为7.426 nm,孔容为0.424 cm³/g。所得配合体中茶多酚搭载量可达74.46%~76.28%,同时具有显著的pH控释效应,弱酸条件可以显著提高配合体中茶多酚的释放速度和释放率,在pH=5.5条件下具有最大释放速度和释放率,最大平衡释放率可达90%。在低浓度下配合体具有延迟清除DPPH自由基特点,在较高浓度下对DPPH自由基的清除率优于茶多酚;所制备的介孔纳米氧化锌载体和配合体对大肠埃希氏菌和金黄葡萄球菌均有明显抑制作用。在智能型抗氧抗菌活性包装方面具有较大的应用潜力。

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高保坍型聚羧酸减水剂的合成及其对混凝土性能的影响分析

史绘洲, 王辉

功能材料. 2022, 53(8): 8196-8201. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.030

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以甲基烯丙基聚乙二醇醚(TPEG-2400)、丙烯酸(AA)等为单体,过硫酸铵(APS)为引发剂,甲基丙烯磺酸钠(MAS)为链转移剂,在水溶液中进行了自由基共聚反应合成了高保坍型聚羧酸减水剂,探究了最佳合成工艺及其对混凝土应用性能的影响。结果表明,水泥净浆初始和1 h的流动度随着酸醚比、链转移剂MAS用量、引发剂APS用量、温度和滴加时间的增加,均表现出先增大后减小的趋势。当n(AA):n(TPEG)=4:1,MAS用量为AA和TPEG总质量的3%,引发剂APS用量为AA和TPEG总质量的3%,反应温度为60 ℃,滴加时间为1.5 h时,水泥净浆初始和1 h的流动度达到了最大值,合成的高保坍型聚羧酸减水剂性能最优。在此条件下合成的聚羧酸减水剂与市售TPEG型减水剂和HPEG型减水剂相比,具有更优的分散性、保坍性能和抗压强度。

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Mn含量对Al-Zn-Sn-Ga-Mn铝合金阳极电化学性能的影响

高思睿, 杨炳林, 贾志明, 王月莹, 何立子

功能材料. 2022, 53(8): 8202-8207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.031

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为提高以工业铝为基体的铝合金在金属空气电池中的电化学性能,研究了不同含量的Mn元素及不同浓度电解液对Al-Zn-Sn-Ga合金电化学性能的影响,测试了不同Mn含量的合金在不同浓度KOH电解液中的开路电位、极化曲线和恒流放电等性能。结果表明,Mn元素能够明显改善铝合金阳极的性能,当加入的Mn含量为0.2%(质量分数)时,合金的析氢腐蚀最慢、电化学性能最佳,合金具有最好的综合性能;当电解液浓度为6 mol/L时,铝合金阳极的电化学性能明显优于4 mol/L,且阳极利用率几乎相同,表明该成分铝合金阳极适宜的电解液浓度为6 mol/L KOH。

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热渗温度对表面Al合金化Nd-Fe-B烧结磁体的性能及结构的影响

刘娜, 剧锦云, 陈仁杰, 闫阿儒, 刘翔

功能材料. 2022, 53(8): 8208-8213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.032

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采用表面热渗Al工艺,实现了对Nd-Fe-B烧结磁体的表面保护和优化高温磁性能。通过在Nd-Fe-B烧结磁体表面热渗Al,在磁体表面形成了与基体冶金结合的致密的Al合金层。在Al合金层的保护下,表面热渗Al磁体的耐腐蚀性能得到了明显改善且磁性能保持良好。在高压加速老化测试168 h后,Al-700磁体的单位表面积增重量(3.40 mg·cm^-2)远低于基体(14.28 mg·cm^-2)。利用电化学工作站测试了表面热渗Al磁体的极化曲线,其腐蚀电流密度值较基体明显降低。显微组织分析表明,Al合金化层的厚度随热渗温度的增加而增加。在700 ℃的热渗温度下,晶界内形成了均匀连续的富Al相,从而获得了较优异的综合性能。根据XRD相分析,热渗过程中,随着温度的升高,Al、Fe和Nd原子在合金层中相互扩散越剧烈,磁体表面相继形成Al-Fe相和Nd-(Al,Fe)相。该研究为提高Nd-Fe-B烧结磁体的耐蚀性能和性价比提供了新的思路。

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煤渣制备NaP型沸石的响应面法优化工艺研究

滕柳梅, 张强, 吴杰, 马健坤, 卜亦凡

功能材料. 2022, 53(8): 8214-8220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.033

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以燃煤电厂固体废物-煤渣作为原料,一步水热法合成了NaP型沸石。采用响应面法中的Box-Behnken Design优化实验设计,分别考察了水热反应时间、碱溶液浓度和反应温度3个因素对合成沸石的影响,建立了响应值与影响因素间的回归方程,探究各因素的交互影响并确定了最优条件。结果表明,在选取的3个因素当中,对合成沸石的影响显著因素顺序为反应温度>反应时间>碱溶液浓度。采用XRD、SEM等分析方法对在反应温度130 ℃,碱溶液浓度1.5 mol/L、不同时间条件下合成的沸石进行了表征。结果表明合成的NaP型沸石具有多孔结构及较大的比表面积,可用于催化剂载体、吸附等领域。

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纳米SiO₂增强聚氨酯注浆材料的制备与性能研究

师丽

功能材料. 2022, 53(8): 8221-8225. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.034

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以甲苯二异氰酸酯和亲水性聚醚为原料,纳米SiO₂为改性填料,通过预聚体法制备了不同纳米SiO₂掺杂量的聚氨酯注浆材料,研究了纳米SiO₂掺杂量对聚氨酯注浆材料形貌结构、凝胶时间、发泡率和抗压强度等性能的影响。结果表明,纳米SiO₂表面的羟基基团和NCO基团发生了反应,形成键合,降低了NCO基团吸收峰的强度;纳米SiO₂的掺杂改善了聚氨酯注浆材料的完整性,孔径分布变均匀;随着纳米SiO₂掺杂量的增加,聚氨酯注浆材料的黏度、发泡率和抗压强度均先升高后降低,凝胶时间和保水性时间均先减小后增大,而固含量持续增大。当纳米SiO₂的掺杂量为0.6%(质量分数)时,黏度、发泡率和抗压强度达到最大值,分别为1 545.2 mPa·s、1 164.3%和0.118 MPa,凝胶时间和保水性时间达到最短,分别为115和127 s。综合可知,掺杂0.6%(质量分数)纳米SiO₂的聚氨酯注浆材料各项性能最优,在防渗止漏、填充孔隙和提高建筑物整体能方面具有巨大的应用潜力。

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三乙醇胺硼酸酯交联制备聚乙烯醇水凝胶及其吸附性能研究

余云材, 张毅, 林玲, 朱学军, 王俊, 邓俊, 廖妮, 胡顺忠, 张维林

功能材料. 2022, 53(8): 8226-8230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.035

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采用三乙醇胺硼酸酯与聚乙烯醇(PVA)交联反应制备了水凝胶,通过红外光谱和扫描电镜来观察PVA水凝胶结构和形貌进行了表征,并PVA对水凝胶的溶胀性和吸附性进行分析研究。研究结果表明PVA水凝胶内存在较强的氢键作用,部分三乙醇胺接枝在PVA分子链上。三乙醇胺硼酸酯交联10%(质量分数)PVA水溶液时,所得凝胶的溶胀度接近700%。PVA水凝胶内部大孔套小孔相互交织,构成了复杂的不规则孔洞和通道。PVA水凝胶对Cu²⁺的色素去除率最高达91%,最大吸附量为10.2 mg/g,其吸附过程符合Langmuir方程模型,属单分子层吸附。

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短切PAN基碳纤维水泥基复合材料的制备及性能研究

刘琼, 刘科元, 于晓琦, 魏婧

功能材料. 2022, 53(8): 8231-8236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2022.08.036

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以硅酸盐水泥P.O 42.5为基础材料、短切PAN基碳纤维为增强相制备了分散均匀的碳纤维水泥基复合材料,研究了不同掺杂量(0,0.3%,0.6%和0.9%(质量分数))短切PAN基碳纤维的水泥基复合材料的物相结构、微观形貌、力学性能、耐磨性能和抗碳化性能。结果表明,短切PAN基碳纤维的掺杂加速了水化反应的进行,没有产生新的水化产物,碳纤维在水泥基复合材料中呈三维错落分布,构成网格结构,提高了水化产物之间的结合强度,提高了水泥基复合材料的致密性,从而提高了水泥基复合材料的力学性能、耐磨性能和抗碳化性能。随着短切PAN基碳纤维掺杂量的增加,水泥基复合材料7和28 d的抗压强度和抗折强度均表现出先增大后降低的趋势,而质量损失率和碳化深度则表现出先降低后升高的趋势。当短切PAN基碳纤维的掺杂量为0.6%(质量分数)时,质量损失率达到最小值0.34%,养护7和28 d后,抗压强度达到了最大值69.3和86.4 MPa,抗折强度也达到了最大值11.1和14.1 MPa,而碳化深度达到最低值0.35和2.53 mm。综合分析可知,短切PAN基碳纤维的最佳掺杂量为0.6%(质量分数)。

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2022年, 第53卷, 第8期　刊出日期：2022-08-30

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