功能材料

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功能材料. 2024, 55(1): 0-0.

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太阳能驱动的共价有机框架高效空气取水性能研究

王宇轩, 付静超, 陈文, 刘曰利

功能材料. 2024, 55(1): 1001-1009. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.001

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空气取水技术具备搭建成本低、使用简便灵活等优势,成为应对淡水资源短缺危机的潜在解决方案。共价有机框架材料(COFs)具备大比表面积、永久孔隙率等特点,在气体吸附、存储领域受到广泛关注。采用溶剂热法制备出水稳定性良好的TpPa-1 COFs。TpPa-1呈现S型等温吸附曲线,在30% RH吸附量可达到0.27 g/g,并具备快速的吸附动力学行为。同时,TpPa-的解吸温度低,在一个标准太阳光下可达到91%解吸效率。此外,TpPa-1在潮湿条件(60% RH)下经过10次吸附—解吸循环(1 400 min)后,吸水率仅下降1.48%。采用TpPa-1作为吸附剂组装简易空气取水器件,在60% RH工况下一次取水循环中可收集到0.225 g/g淡水。这项工作意味着多孔TpPa-1具有高效率和快速循环的优点,在空气取水装置具有潜在的应用价值。

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氟化镧铈抛光粉的焙烧制备及抛光性能研究

梅燕, 陈文娟, 陈学安

功能材料. 2024, 55(1): 1010-1015. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.002

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采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子发射光谱仪(AES)等测试技术对氟化镧铈抛光粉产物进行理化性能表征,通过无机晶体结构数据库计算产物的空间结构,用接触角测量仪、表面缺陷检测仪测定了抛光粉体的润湿性能及抛光性能。结果表明,产物均为类球状——400,500,600,700,750 ℃焙烧温度下得到二氧化铈(CeO₂)和氟化镧(LaF₃)的混合产物(CeO₂ + LaF₃);800,850,900,950,1 000,1 050 ℃焙烧温度下,产物为二氧化铈(CeO₂)和氟氧化镧(LaOF)的混合抛光产物(CeO₂+LaOF),通过计算获得不同晶型的抛光产物的XRD图及其空间结构。用接触角测量仪获得500,850,1 000 ℃焙烧温度下的产物的润湿性能,用表面缺陷检测仪对500,850,1 000 ℃焙烧温度下的产物对玻璃表面进行抛光,发现温度为850 ℃的抛光效果最好。

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氮掺杂冰粉基碳包覆Fe₃O₄及其储锂性能研究

隋林秀, 俞丽芯, 罗城城, 胡单单, 石津津, 李力, 孙玉恒, 胡兵兵, 曹蔚琦, 袁小亚

功能材料. 2024, 55(1): 1016-1024. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.003

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碳包覆策略是能有效解决锂离子电池负极用过渡金属氧化物(TMO)材料在充放电过程中体积膨胀/收缩造成的粉化难题的一种有效途径。采用生物基可食用冰粉作为碳源与草酸高铁铵的水凝胶作为前驱物,经一步高温热解制备氮掺杂的冰粉基碳包覆Fe₃O₄,采用XRD、SEM、TEM、XPS、TGA、拉曼光谱、恒电流充放电测试、循环伏安和电化学阻抗谱等方法对样品的形貌、结构和电化学性能进行研究。结果表明,该方法可快速大量制备氮掺杂碳包覆Fe₃O₄多孔复合材料(N-C@Fe₃O₄),通过调整原料配比和热处理条件,获得优异的电化学性能。N-C@ Fe₃O₄-5作为锂离子电池负极材料具有良好的循环稳定性 (在0.1 A/g电流密度下循环下80圈保持762.74 mAh/g比容量)和较高的倍率性能。相关机理研究表明 N-C@ Fe₃O₄ 复合材料良好倍率性能主要来源于赝电容容量的贡献。复合材料优异的电化学性能是由于碳包覆能够防止纳米颗粒团聚,提高导电性以及形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜。冰粉基碳包覆TMO是一种改善其电化学储锂性能的有效途径,可推广并改善其他锂离子电池氧化物负极的储锂性能。

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高透光性甜菜碱型明胶水凝胶的制备与表征

赵丽琴, 贾晋一, 许慧, 张秀梅, 彭秀枝, 魏延, 黄棣

功能材料. 2024, 55(1): 1025-1030. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.004

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甲基丙烯酰化明胶(gelatin methacryloyl,GelMA)水凝胶透光性、抗蛋白吸附能力较弱,限制了其在人工角膜的应用。基于GelMA水凝胶,引入具抗生物吸附能力及生物相容性的磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯(Methacryloxyethyl sulfobetaine,SBMA),构建系列比例的复合两性离子水凝胶GelMA-SBMA体系,讨论单体配比对水凝胶理化性能、生物学性能的影响,并进行体外细胞实验,讨论复合水凝胶对细胞生长、增殖的影响。结果表明,GelMA:SBMA为5:1的复合水凝胶在700 nm波长下透光率可达94%,与纤维蛋白的接触角保持在90°以上,体现出抗蛋白吸附能力。细胞实验表明,SBMA的引入有助于细胞生长、增殖,体现出良好的生物相容性。

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水性环氧树脂-聚丙烯纤维改性水泥基快速修补砂浆性能研究

田耀刚, 鲁涛, 赵成, 蒋静, 纪括, 王振军

功能材料. 2024, 55(1): 1031-1037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.005

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为改善机场道面修补砂浆脆性大和粘结性能差等问题,本文利用水性环氧树脂(WER)、聚丙烯(PP)纤维和硫铝酸盐水泥(SAC)制备出一种快速修补砂浆,并对其工作性能、力学性能、阻尼性能和耐硫酸盐腐蚀性能进行研究。结果表明,PP纤维和WER可显著提高快速修补砂浆韧性和粘结性能,使得快速修补砂浆2 h抗压、抗折强度和粘结强度分别达到22.3,5.1和3.7 MPa,满足民用机场规范要求,同时可改善快速修补砂浆的阻尼性能和抗硫酸盐侵蚀性能。

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弹性体阻尼材料的研究进展

陈智, 殷德贤, 胡仕凯, 赵秀英

功能材料. 2024, 55(1): 1038-1047. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.006

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弹性体阻尼材料具有独特的动态粘弹性行为,被广泛应用于减震、降噪等多个领域。在实际应用过程中,弹性体阻尼材料常面临有效阻尼温域窄、损耗因子较低的问题。拓宽有效阻尼温域、提高损耗因子是目前开发高性能弹性体阻尼材料的主要方向。从弹性体阻尼材料的阻尼机理出发,阐述了分子链形态与结构、温度及振动频率、弹性体组成体系对弹性体阻尼材料阻尼性能的影响。介绍了弹性体阻尼材料的改性方法及近几年来的最新研究进展。

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石墨烯/聚氨酯复合材料制备及性能研究进展

郑舒方, 王玉印, 张泽楷, 靳玉岭

功能材料. 2024, 55(1): 1048-1059. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.007

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近年来,石墨烯改性聚氨酯纳米复合材料因其优异的综合性能而备受关注。在聚氨酯基体中添加石墨烯或其衍生物可显著提升聚氨酯的物理机械、热学、电磁学等性能,满足聚合物复合材料高性能和多功能的特殊要求。首先介绍了石墨烯的功能化改性方法,包括共价键改性和非共价键改性。随后介绍了石墨烯/聚氨酯纳米复合材料的制备工艺,包括原位聚合、溶液共混、熔融共混、水相(胶乳)共混等。综述了石墨烯/聚氨酯纳米复合材料在物理机械性能、导电性能、介电性能、导热性能、气体阻隔性能、阻燃性能、电磁屏蔽性能和防腐蚀性能等方面的最新研究进展。最后,对石墨烯/聚氨酯纳米复合材料面临的挑战和发展前景进行了展望。

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贵金属催化剂低温催化氧化一氧化碳研究进展

代欣, 任德志, 郭律, 朱敬芳, 于飞, 常仕英

功能材料. 2024, 55(1): 1060-1067. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.008

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随着“双碳”政策的不断推行以及人们环保意识的不断提高,一氧化碳(CO)作为典型的大气污染物,已成为工业废气和汽车尾气排放的主要控制对象。贵金属型CO氧化催化剂具有优异的低温活性、抗中毒抗性能,是CO催化氧化处理的最为有效的手段之一。基于贵金属型CO氧化催化剂的研究现状,重点围绕Pt、Pd、Au、Ag、Rh贵金属催化剂的贵金属调控技术和载体可控技术进行综述,总结了贵金属型CO氧化催化剂的性能优化策略和发展方向,为开发高性能的CO氧化催化剂提供指导。

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超疏水表面在抗/促凝血领域的研究进展

关小雅, 吴兵, 彭毅

功能材料. 2024, 55(1): 1068-1076. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.009

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近年来,随着超疏水材料在冷凝传热、油水分离、除冰防雾、表面防腐、管道减阻等方面应用的研究逐步趋于成熟,其在生物医疗领域的应用前景也备受学者关注,由于医疗设备与血液接触时产生的凝血血栓及大量出血引发的失血性休克问题会对患者生命安全造成极大威胁。为了能够有效解决血栓出现及大量失血问题,国内外诸多学者展开了大量研究,超疏水材料由于其特殊的表面润湿性及较低的表面自由能可显著降低材料表面的血小板粘附量,其与亲水材料的组合可在止血的前提下减少出血量并降低伤口二次撕裂出血的可能,同时,研究表明超疏水材料还具有良好的抗菌性,故针对超疏水材料的研究成为了该领域的热点与方向。基于此,首先介绍了超疏水材料基本理论,主要包括Young润湿模型、Wenzel润湿模型以及Cassie-Baxter润湿模型,其次详细阐述了其在抗/促凝血过程中的作用机理,然后以部分研究为代表着重讨论了目前超疏水材料在血液接触应用领域的研究现状,指明超疏水材料在该领域的应用中主要存在的问题,最后对其未来的发展前景进行了展望。

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g-C₃N₄基S型异质结的构建及其光催化性能研究

申建宇, 刘成宝, 郑磊之, 陈丰, 钱君超, 邱永斌, 孟宪荣, 陈志刚

功能材料. 2024, 55(1): 1077-1085. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.010

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为了解决日益严重的环境污染和能源短缺等问题,基于半导体的光催化技术利用太阳能为环境修复和能源储存提供了一种“绿色”可持续的方案。首先介绍了g-C₃N₄的优点和局限性,以及S型半导体的优势与不足,接着介绍了g-C₃N₄基S型异质结的电子结构和光催化性质,综述了基于不同类型g-C₃N₄的S型异质结光催化材料构建和光催化性能的提升策略,并梳理了其部分应用。最后,综述了基于g-C₃N₄的S型异质结面临的挑战和未来发展趋势,有望为g-C₃N₄基S型异质结光催化材料的开发和实际应用提供重要的参考。

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尿素掺杂CH₃NH₃PbI₃薄膜及其钙钛矿太阳能电池性能研究

郭小杰, 杜丽勇

功能材料. 2024, 55(1): 1086-1091. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.011

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基于一步旋涂法制备了钙钛矿太阳能电池吸光层CH₃NH₃PbI₃薄膜,在吸光层制备过程中添加了尿素,研究了尿素掺杂量对CH₃NH₃PbI₃薄膜的物相结构、微观形貌及组装钙钛矿太阳能电池的光电性能的影响,通过XRD、SEM、UV-Vis、PL以及J-V曲线等对样品进行了表征。结果表明,适量尿素的添加提高了CH₃NH₃PbI₃薄膜的结晶度,改善了取向性,使薄膜的覆盖率得到改善,孔洞和裂缝的数量减少。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,薄膜的晶粒尺寸最为均匀,结晶性能最佳。所有CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸收边都在780 nm左右,带隙宽度为1.5 eV。适量尿素的添加提高了CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸光能力和发射峰的强度,随着尿素掺杂量的增加,CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸光性能和发射峰强度均先增大后减小。当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,CH₃NH₃PbI₃薄膜的吸光性能最好,发射峰强度最高。将不同尿素掺杂量的CH₃NH₃PbI₃薄膜组装出30个钙钛矿太阳能电池,测试了J-V曲线,当尿素的掺杂量为10%(摩尔分数)时,电池具有最优的光电性能,其光电转换效率达到最大为20.61%。以上分析可知,尿素的最佳掺杂量为10%(摩尔分数)。

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纤维素复合气凝胶的制备及保温隔热性能研究

巩玲, 安昕煜, 孔苗苗, 刘畅, 李旭, 刘志明

功能材料. 2024, 55(1): 1092-1097. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.012

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利用化学交联和冷冻干燥技术制备了绿色环保的羧甲基纤维素钠(CMC)/明胶(GL)-戊二醛(GA)复合气凝胶(CL-A);研究不同比例的羧甲基纤维素钠(CMC)、明胶(GL)和不同含量的戊二醛(GA)对气凝胶微观结构、热稳定性、力学强度以及保温隔热等性能的影响。实验结果表明,羧甲基纤维素钠(CMC)与明胶(GL)比例为1:2且戊二醛(GA)添加量为15%时的复合气凝胶(C₁L₂-A₁₅)的压缩强度高达3.03 MPa,较纯羧甲基纤维素钠(CMC)气凝胶增长了7倍左右;热导率低至0.022 W/(m·k),保温效果较好;多孔的三维网络更加致密,改善了复合气凝胶的形貌结构;复合气凝胶的残炭量高达37%,一定程度上提高了热稳定性。

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DyF₃对三明治结构热变形NdFeB磁体温度稳定性和耐腐蚀性能的影响

黄宜平, 剧锦云, 陈仁杰, 宋婷婷

功能材料. 2024, 55(1): 1098-1102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.013

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为了提高热变形NdFeB磁体的热稳定性和耐腐蚀性能,设计了一种添加DyF₃的三明治结构热变形磁体。通过对磁体上下端添加不同含量DyF₃粉末,调控磁体上下端晶界相的相组成、结构及成分,提高磁体的耐腐蚀性能,另一方面Dy元素部分扩散进入主相,形成了(Nd,Dy)₂Fe₁₄B相提高磁体磁晶各向异性场,优化热变形磁体的温度稳定性。利用脉冲磁场磁强计测试三明治结构热变形磁体的磁性能,得到高达2.16 T的矫顽力。利用电化学工作站测试三明治结构热变形磁体的极化曲线,其腐蚀电流速率较基体降低一个数量极。失重实验测试168 h后,近表面添加5%(质量分数)DyF₃的三明治结构热变形磁体单位表面积失重(0.061 mg·cm^-2)远低于基体单位表面积失重(1.172 mg·cm^-2)。微观结构分析表明,富Nd相和F元素、O元素和Dy元素分别生成NdF₃和Dy₂O₃化合物。XRD分析表明三明治结构热变形磁体上下端添加DyF₃后织构会变差。该研究为提高热变形NdFeB磁体的温度稳定性和耐腐蚀性提供了一个新思路。

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Ce³⁺-Tb³⁺共掺杂黄磷炉渣微晶玻璃的发光与能量传递

吴玮强, 李文斌, 黄小凤, 龙雨欣, 邓凯沣, 王宇

功能材料. 2024, 55(1): 1103-1110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.014

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以黄磷炉渣为原料,采用高温熔融法制备Ce³⁺-Tb³⁺共掺杂黄磷炉渣发光微晶玻璃,通过差热分析(DTA)、X射线衍射(XRD)、稳态/瞬态荧光(FLS)、CIE色度等探究不同的Tb³⁺掺杂量对微晶玻璃析出晶相、发光性能和样品色度的影响。结果表明,Ce³⁺和Tb³⁺的引入,微晶玻璃主晶相为硅灰石,在310 nm波长激发下,随着Tb³⁺掺杂量增加,位于380 nm处Ce³⁺的特征发射峰减小,543 nm处Tb³⁺的特征发射峰增强,证实Ce³⁺和Tb³⁺之间存在能量传递,能量传递效率达到24.55%。此外,通过调整Tb³⁺掺杂量,微晶玻璃发光颜色可由蓝光调至绿光,从而实现发光颜色的可控化。

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氧化石墨烯/热还原氧化石墨烯改性砂浆的力学/电学性能研究

曹蔚琦, 魏致强, 刘川, 张琨念, 袁小亚

功能材料. 2024, 55(1): 1111-1116. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.015

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研究了热还原氧化石墨烯(TRGO)和氧化石墨烯(GO)在水泥砂浆环境下的分散机理,探索了这两种导电相的单掺和复掺对砂浆力学/电学性能的影响。研究表明GO对TRGO在富钙高碱环境下的分散有促进作用,且分散最佳质量比(%)为3:10;与TRGO单掺相比,复掺GO能促进砂浆水化产物形成片状结构并互相交织,使得力学性能显著提升,当w(GO):w(TRGO )= 0.3:1.0时,28 d抗折强度和抗压强度与单掺TRGO相比提升了21.34%和34.52%,随着掺量增加力学性能反而下降;水泥砂浆的电导率随着GO与TRGO导电相的增加而增大,当w(GO):w(TRGO )=0.12:0.4时,28 d龄期试件的电阻率呈现突变现象,表明该体系出现渗滤阈值;保持分散最佳比例下当TRGO大于0.7%(质量分数)之后,增加掺量对电阻率的影响趋于平缓且走低的趋势,表明TRGO掺量0.7%(质量分数)为试件电阻率的添加阈值。

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Ca₂SnO₄:Eu³⁺陶瓷的光致变色及光强调控特性研究

陈浩, 惠增哲, 郭菲菲, 龙伟, 张小丽, 方频阳, 李晓娟

功能材料. 2024, 55(1): 1117-1123. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.016

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开发光辐射响应好、稳定性强的光致变色材料是无机光致变色材料研究的一大目标。研究采用高温固相反应法制备了稀土离子Eu³⁺掺杂的光致变色陶瓷Ca_2.02-xSnO₄:xEu³⁺。对陶瓷的光致变色行为展开研究,发现在290 nm光照下着色效果最好,陶瓷由白色变为灰色。440 nm光照8 min后着色陶瓷颜色基本恢复,或者将着色陶瓷加热至623 K后灰色完全消失。光致发光性能研究表明395、466和534 nm可激发出以617 nm为主的红色光发射。研究了陶瓷的光强调控特性,发现290 nm光照射能使陶瓷的发射光谱强度显著降低,617 nm处有最高着色光强调制率86.9%。经过10个循环的着色-漂白实验,陶瓷光强调控性能保持稳定,表现出良好的可逆性。陶瓷的光致变色行为和光强调控行为表现出明显的特征UV波长响应和UV光辐射累积响应特点,表明该材料有望应用于光辐射剂量探测领域。

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原位生长FeCo/rGo纳米复合材料的电磁波吸收性能研究

鲁露, 周金堂, 彭贵玉, 姚俊儒

功能材料. 2024, 55(1): 1124-1129. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.017

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利用化学开发高性能吸波材料是解决电磁污染问题和实现军事装备雷达隐身的有效手段。基于化学原位生长策略,以金属离子Fe²⁺和Co²⁺为原料,采用一步水热法制备FeCo/rGo复合材料,并对其形貌、结构以及吸波性能进行测试和分析。结果表明,当FeCo和氧化石墨烯的复合比为1:0.5在厚度1.9 mm时有效吸收带宽达到5.5 GHz,其最小反射损耗达到-54.14 dB。复合比为1:1时则实现了1.3 mm,4.5 GHz有效吸收带宽的吸波性能,这表明FeCo/rGo磁性材料有望成为一种极具应用价值的电磁吸波材料。

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棒状结构NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺上转换发光性能的研究

李鑫, 李玉峰, 张栋梁, 王觅堂

功能材料. 2024, 55(1): 1130-1140. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.018

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以乙二胺四乙酸二钠(EDTD-2Na)为螯合剂,采用水热法合成了棒状结构的NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米粉末。分别借助X射线衍射(XRD)、荧光光谱仪(PL)和扫描显微镜(SEM)对其晶体结构、发光强度和表面形貌进行分析和表征。探究了稀土前驱体、水热温度和水热时间的实验条件对NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米粉末上转换发光强度的影响;研究了氟源和钠源对NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺晶体形貌和上转换发光强度的改善;同时,采用煅烧处理的方法,进一步探究样品的形貌和发光强度收到的影响。实验结果表明NH₄F与NaOH作为氟源和钠源及200 ℃煅烧1 h得到的棒状结构NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺的发光强度最好,色坐标(CIE)绿色发光强度从84%提升到94.88%。

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NH₂-UiO-66/PyPD-COF异质结构筑及高效光催化产氢

吴海洋, 张楠琦, 牟迪, 何漩, 杜星, 王大珩, 方伟, 陈辉, 李薇馨, 赵雷

功能材料. 2024, 55(1): 1141-1150. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.019

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有机框架化合物因分子水平结构可控、大的比表面积、高孔隙率、分散的化学活性位点以及良好稳定性等优点,在光催化解水制氢方面具有较大的应用潜力。采用溶剂热法,在共价有机框架PyPD-COF的合成过程中引入金属有机框架NH₂-UiO-66,原位形成NH₂-UiO-66/PyPD-COF异质结。通过TEM、EDS、XPS、FTIR、UV-Vis和光电流测试分析,光催化性能测试等手段对样品进行表征,构筑的NH₂-UiO-66/PyPD-COF异质结不仅可以保留原始MOF及COF组分的优良特性,还可在异质界面形成键连,利于促进界面间电荷迁移,降低电子-空穴复合率,提升光催化产氢效率至20.68 mmol·h^-1·g^-1,分别为原始NH₂-UiO-66和PyPD-COF的86倍和3倍。同时,界面处的共价键键连使得复合样品具有良好的制氢稳定性,这为构筑高效光催化分解水产氢异质结光催化剂提供了一种新的策略。

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导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合研究

栾利强, 任俊颖, 余和德, 文双寿, 江永盛

功能材料. 2024, 55(1): 1151-1157. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.020

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针对沥青路面因车辆荷载、温度荷载等带来的裂缝扩展问题,采用碳纳米管-碳纤维制备导电沥青混合料,进行电-热愈合试验,分析沥青混合料裂缝愈合前后的电阻率值、断裂能、极限承载力和微观结构,研究导电作用下碳纳米管-碳纤维沥青混合料的自愈合水平。结果表明,碳纳米管掺量在0.5%,1.0%时可以显著提高沥青混合料的自愈合能力;导电沥青混合料的自愈合水平与愈合前、后电阻率比值存在Sine函数关系;在50 ℃、20 min环境下小梁试件的极限承载力和断裂应变能得到最大限度的恢复。

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粉煤灰改性固体废弃物胶固粉的制备及性能研究

方明伟, 李荣杰, 王丹, 周枫桃, 闻洋

功能材料. 2024, 55(1): 1158-1164. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.021

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以电石渣和粉煤灰这两类固体废弃物为主要原料,制备了不同粉煤灰掺量的固体废弃物胶固粉。研究了粉煤灰掺杂比例对胶固粉水化进程、微观形貌、破坏形态和力学性能等方面的影响。结果表明,掺入适量粉煤灰后加速消耗了水泥熟料,提高了胶固粉的水化反应速率,在28 d龄期下,当粉煤灰的掺量为30%(质量分数)时,胶固粉中孔隙数量最少,结构密实度最高。胶固粉在受力过程中破坏形态相似,裂纹自上而下均为条形裂纹,且上部出现了坍塌现象。随着粉煤灰掺量的增大,胶固粉的凝结时间逐渐增大,流动度和化学结合水量持续降低,抗压强度和最大应力先增大后降低变化。在28 d龄期下,当粉煤灰的掺量为30%(质量分数)时,胶固粉的抗压强度最大为14.85 MPa,在相同应变下的应力最高为15.70 MPa。分析可知,粉煤灰的最佳掺量为30%(质量分数)。

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镍/木棉纤维衍生碳复合材料的制备及吸波性能研究

邓菁, 耿浩然, 陈镜如, 黄乐, 赵鹏飞, 陈永平, 廖建和, 赵庆云, 赵艳芳

功能材料. 2024, 55(1): 1165-1171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.022

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近年来,生物质碳因成本低廉、易制备、理化性能优异和具有多孔结构被广泛应用于吸波领域。然而,其吸波性能仍然受较高电导率引发的不良阻抗限制。在此,使用镍(Ni)改性木棉纤维,并使用不同的碳化温度获得镍/木棉纤维衍生碳(Ni/C)复合材料。扫描电镜结果表明,随着碳化温度的升高,Ni颗粒的尺寸增加,且木棉纤维表面出现更多的缺陷结构。XRD和XPS结果证明了Ni和木棉纤维衍生碳的成功复合。Raman结果表明碳化温度的升高导致碳组分石墨化程度增加,提高了复合材料的传导损耗能力。最后,我们将复合材料与石蜡以5:95的超低填充比例混合,Ni/C-800展现出-52.6 dB的反射损耗值和8.32 GHz的有效吸收带宽。复合材料优异的吸波性能取决于衰减能力和阻抗匹配的协同、介电损耗和磁损耗的共同作用以及大比表面积和中空多孔结构造成的多重散射能力的增强。

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聚离子液体复合PEO制备高性能全固态聚合物电解质

徐祖婧, 赵相峰

功能材料. 2024, 55(1): 1172-1178. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.023

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用化学共沉淀法固态聚合物电解质(SPE)因其独特的安全性能受到越来越多的关注。以聚环氧乙烷(PEO)为基体,通过引入聚离子液体(PIL),制备了一种新型SPE(PIL@PEO SPE)。通过将PIL穿插于PEO链段中,有效降低了PEO的结晶度,提高了SPE的离子电导率(6.63×10^-4 S/cm)。由其制备的固态电池在0.5C,60 ℃时,Li/LiFePO4电池首次放电容量高达147.6 mAh/g,经过长达300圈充放电循环,容量保留率仍然在90%以上。

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海水-富盐空气对BaTiO₃及Ni-BaTiO₃ MLCC介电性能的影响

梁博, 张云飞, 张梦雅, 万淇通, 黄祺薇, 邴丽娜, 沈振江

功能材料. 2024, 55(1): 1179-1186. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.024

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将BaTiO₃陶瓷和82 nF的Ni-BaTiO₃ MLCC放置在海水及富盐空气两种恶劣环境下,利用阻抗分析仪、SEM及EDS探究处理0、24、48、72 h后性能的变化规律及腐蚀机理。结果表明,放置在海水中,BaTiO₃陶瓷在不同时间低频(10²～10³Hz)相对介电常数与介电损耗增加,且增加幅度巨大,在24 h陶瓷表面产生明显的保护膜,而在富盐空气下的陶瓷,72 h内介电性能变化范围小,表面没有明显的保护膜产生,但具有一定的腐蚀痕迹。82 nF的MLCC放置在海水及富盐空气72 h内高频(10⁵～10⁶Hz)电容值及介电损耗变化明显,这由盐分浸入内部结晶所导致,但其表面同样没有保护膜产生,这可能与电容器表面的氧化物涂层有关。

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pH响应纤维素凝胶抗菌膜的制备与性能研究

金路瑶, 李慧敏, 苏静, 王鸿博

功能材料. 2024, 55(1): 1187-1192. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.025

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以羧甲基纤维素钠和聚乙二醇为原料,通过交联、凝胶化形成多孔网络结构,制备具有pH响应性能的凝胶膜。将其浸泡在单宁酸溶液中赋予样品抗菌性能,并对抗菌膜的微观结构、溶胀性能、体外药物释放、抗氧化性能、抗菌性能等进行了表征。结果表明:制备好的抗菌膜具有良好的多孔结构,羧甲基纤维素钠上的羧基赋予抗菌膜一定的pH响应性能,使其在不同pH值下表现出差异性的溶胀性和体外释药性,载药后样品的抗氧化性提升至91.33%,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均达到90%以上。该抗菌膜在药物缓释型敷料等方面具有很大的应用前景。

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不同配体修饰的UiO-66-X/ZnIn₂S₄(X=H、NH₂、(OH)₂、Br)负载型催化剂的光催化性能研究

李佳欣, 王金乔, 安家君, 王磊, 王旭东

功能材料. 2024, 55(1): 1193-1202. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.026

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通过水热法制备了不同配体修饰的UiO-66-X/ZnIn₂S₄(X=H、NH₂、(OH)₂、Br)负载型光催化剂,并采用傅里叶红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外-可见漫反射光谱仪、光致发光光谱仪和电化学工作站对样品进行表征,分析了不同配体修饰方案对UiO-66-X/ZnIn₂S₄光催化性能的影响。以罗丹明B(RhB)和甲基橙(MO)溶液为目标污染物,探究不同修饰基团的电子效应对复合材料吸附性能和光催化性能的影响。结果表明:配体修饰后的ZU-(OH)₂/GF对阳离子染料RhB的吸附效率最好,在30 min时吸附效率为46.8%,反之,所有修饰后的复合材料对阴离子染料MO的吸附性能均低于未修饰的复合材料。在模拟太阳光照射下,所有复合材料经过配体修饰后的光催化性能都得到明显提升,其中ZU-(OH)₂/GF在150 min后对RhB的降解率高达99.0%。经过连续5次循环后,对RhB的去除率均保持在98%以上。这归因于配体修饰可以有效增强复合材料的光吸收性能,其中给电子基团还可以使复合材料活性中心的电子云密度增大,有效促进光生电子-空穴的分离和转移。

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N-CDs@Nb₂O₅-AMMC纳米材料的制备及其可见光催化性能研究

李明辉, 谷二艳, 邹星宇, 宋武林

功能材料. 2024, 55(1): 1203-1211. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.027

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通过工艺简单的水热法成功制备出N-CDs和不同含量N-CDs修饰的N-CDs-X@Nb₂O₅-AMMC纳米材料。对N-CDs-X@Nb₂O₅-AMMC进行XRD、SEM、TEM、FT-IR、XPS和UV-vis DRS等表征分析。结果表明,经过N-CDs改性之后Nb₂O₅-AMMC的带隙变窄,样品的吸收边红移和光吸收范围变宽,从而有利于提高光催化性能。另外,N-CDs减少了电子传输的阻力,有利于光生电子向N-CDs结构的转移,同时光生载流子的迁移及分离效率提高,有利于光催化反应的进行。与纯Nb₂O₅-AMMC相比,N-CDs-X@Nb₂O₅-AMMC在可见光下光催化降解TC-HCl的性能均有提高,其中样品N-CDs-1@Nb₂O₅-AMMC的降解效率最高,1 h内对TC-HCl的降解率能达到63.2%,是纯Nb₂O₅-AMMC的1.59倍。

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碳纳米管增韧Al-Mg合金复合材料的制备与性能研究

晏丽琴, 黄勇

功能材料. 2024, 55(1): 1212-1216. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.028

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选择碳纳米管为增强相,通过搅拌铸造法制备了碳纳米管增韧Al-Mg合金复合材料,研究了碳纳米管的添加量对复合材料力学性能、微观组织以及韧性的影响,并探究了碳纳米管对Al-Mg合金的增韧机理。结果表明,掺入适量的碳纳米管后细化了Al-Mg合金复合材料的晶粒,晶粒尺寸约为80 μm,当碳纳米管的添加量为0.8%(质量分数)时,复合材料的断口形貌最均匀。随着碳纳米管添加量的增大,复合材料的抗拉强度、断裂伸长率、硬度均表现出先增大后降低的趋势,当碳纳米管的添加量为0.8%(质量分数)时,抗拉强度、断裂伸长率和硬度均达到了最大值,分别为208.6 MPa、15.8%和53.1 HB。适量碳纳米管的添加显著改善了Al-Mg合金的韧性,使断裂延伸率逐渐增大,屈服阶段延长,韧性得到提高,这是因为适量的碳纳米管添加后能够与合金发生较好的结合,并贯穿于合金的裂纹中,发挥出了桥联作用,阻碍了裂纹的萌生和扩展,从而改善了Al-Mg合金复合材料的韧性,延缓了合金的失效过程,延长了合金的屈服阶段。综上分析可知,碳纳米管的最佳添加量为0.8%(质量分数)。

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ZnO/TiO₂核-壳纳米结构的低温制备及其光电性能研究

李丽华, 王贺, 王航, 黄金亮

功能材料. 2024, 55(1): 1217-1222. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.029

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ZnO因其自身的高电荷复合、化学性质活泼,导致其应用受到限制,通过表面修饰进行复合可实现电子-空穴的分离并提高其化学稳定性。以二水合醋酸锌、六水合硝酸锌、六氟钛酸铵为原料,采用溶胶-凝胶、水热和液相沉积相结合的方法,在低温条件下制备出ZnO/TiO₂单异质结。采用XRD、SEM、EDS、TEM、PL等对样品进行表征并对其光电性能进行测试。结果表明,在沉积时间为20 min时,ZnO/TiO₂核-壳结构形貌最规整,其中ZnO直径约115 nm,TiO₂薄膜厚度约7.6 nm;TiO₂的负载,降低了电极中光生电荷的复合,提高了ZnO对光子的收集能力,光电流密度提升大约10倍,达到0.21 μA/cm²,表现出优异的光电化学性能。

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碳纳米管/聚苯胺复合电极的制备及其性能表征

刘奇超, 曹杨, 张慧芳, 顾宁, 刘子萱, 边月豪, 刘泽民, 孙友谊

功能材料. 2024, 55(1): 1223-1228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.030

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采用柔性碳布作为复合电极的集流体,将高导电性的碳纳米管(CNTs)通过静电植绒的方式嵌入聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂中,得到具有更大电化学活性表面积的复合结构。然后将所得的材料通过电化学沉积的方式将具有赝电容特性的聚苯胺(PANI)镀在CNTs表面,得到了具有碳纳米管/聚苯胺(CNTs/ PANI)两种活性物质的二元复合电极。采用扫描电子显微镜(SEM)对电极材料的结构进行表征。并将其与含有硫酸的聚乙烯醇(PVA)水凝胶电解质组装成具有对称结构的柔性固态超级电容器(SSC),并利用电化学工作站对其电性能进行测试,结果表明:在1 mA/cm²的电流下,具有517 mF/cm²的比容量;经过2500次的循环后,具有79.8%的容量保持率,库伦效率超过97%。该研究表明静电植绒技术可以作为制备高性能电极材料的一种有效途径。

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球形氧化铝粒径对酚醛树脂导热性能的影响

徐震, 邱康文, 胡琳, 白柳杨, 欧阳玉阁

功能材料. 2024, 55(1): 1229-1236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.01.031

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环氧树脂、酚醛树脂等聚合物材料因具有良好的电绝缘性能、化学稳定性、易加工性能等,被广泛用于热管理材料领域。然而,聚合物材料的固有热导率较低,限制了其进一步的应用。将不同粒径的球形Al₂O₃添加到酚醛树脂(PF)基体中,用以提升它的热传输性能。重点研究了Al₂O₃的粒径和Al₂O₃的负载量对PF复合材料导热性能和热稳定性能的影响。研究结果表明,在总填充量为75%,大小粒径的两种Al₂O₃颗粒比例为1:1时,Al₂O₃/PF复合材料的热导率提升为1.611 W/(m·K),相对与纯PF的热导率提升了近8倍。同时,在同样的负载量下,PF复合材料达到的热导率高于只添加小颗粒或者只添加大颗粒的PF复合材料的热导率。这归因于两种粒径范围的球形Al₂O₃杂化时,粒径小的Al₂O₃颗粒填充到大粒径Al₂O₃颗粒的缝隙中,在基体中构建了更多的热传输通路。热重测试结果表明,添加Al₂O₃的PF复合材料的热稳定性提升,Al₂O₃/PF复合材料的最高分解温度从517 ℃提高到543 ℃。研究工作为制备高性能的聚合物基复合材料提供了一个新思路。

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2024年, 第55卷, 第1期　刊出日期：2024-01-30

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