功能材料

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本期中英文目录、封面

功能材料. 2024, 55(7): 0-0.

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稀释剂用量对铁硅铝软磁粉芯含浸强度的影响^*

李梦冉, 李睿卿, 张学斌, 刘伟, 张华, 邹中秋, 苏海林

功能材料. 2024, 55(7): 7001-7007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.001

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金属软磁粉芯生坯强度通常较低,在制造过程中需采用含浸树脂的方法提高强度。采用非活性稀释剂(四氯乙烯)和活性稀释剂636(三羟甲基丙烷三缩水甘油醚)作为135环氧树脂/甲基四氢苯酐含浸体系的混合稀释剂,研究了四氯乙烯的用量对于铁硅铝软磁粉芯抗压强度的影响以及含浸工艺对铁硅铝软磁粉芯磁性能的影响。同时,结合实测抗压强度和孔隙率对复合材料抗压强度公式进行了修正,得出了金属软磁粉芯抗压强度的计算公式。结果表明,经含浸处理后,软磁粉芯的抗压强度显著提高,在树脂与稀释剂的质量比约为1∶2时达到最大值18.43 MPa,且磁性能与含浸之前的样品相比没有明显变化。这表明在该配比下,稀释剂可以和环氧树脂充分均匀混合,并且可以与固化剂更好地发生交联固化,从而有效提高环氧树脂的力学性能。对含浸工艺和软磁粉芯抗压强度计算公式的研究结果,可为提高软磁粉芯强度的量产工艺开发提供参考。

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化学亚胺法催化制备性能优异的聚酰亚胺纤维^*

隋金龙, 苏敬涛, 赵晓君, 李清玲, 闵永刚, 谭婉怡

功能材料. 2024, 55(7): 7008-7014. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.002

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提高本征性高分子纤维材料的热稳定性和力学性能,是目前先进纤维材料的研究热点。聚酰亚胺是一种高性能特种高分子材料,由于其共轭及苯环堆叠作用,具有优异的力学性能和热稳定性。将4,4′-二氨基二苯醚(ODA)、对苯二胺(PDA)两种二胺与3,3′,4,4′-联苯四甲酸二酐(BPDA)聚合形成聚酰胺酸溶液(PAA),使用不同种类的吡啶与丙酸酐混合制备出一系列浓度梯度混合液引入到PAA中,采用湿法纺丝和化学亚胺化法制备出聚酰亚胺纤维并对其微观结构和性能进行研究。结果表明,当4-甲基吡啶质量分数为4%(质量分数),n(PAA)∶n(丙酸酐)=1∶3时的聚酰亚胺纤维微观结构为标准的圆柱状,其拉伸强度达到1.91 GPa,在热失重为5%时的温度高达533.3 ℃,表现出良好的热稳定性能和力学性能。

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直接酯化法合成月桂酸单甘油酯及对金黄色葡萄球菌的抑菌性能研究^*

张轩, 杨婧

功能材料. 2024, 55(7): 7015-7021. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.003

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选择月桂酸和甘油为原料、对甲苯磺酸为催化剂,通过单因素试验测定了反应温度、反应时间、搅拌速度、原料摩尔比、催化剂用量等对月桂酸单甘油酯(GML)纯度的影响,研究了GML浓度和pH值变化对金黄色葡萄球菌的抑制效果。结果表明,在n(甘油)∶n(月桂酸)=3∶1,反应温度为180 ℃,反应时间为3.5 h,搅拌速度为250 r/min,对甲苯磺酸用量为0.4%(质量分数)条件下制备出的GML纯度最高,该工艺为最优合成工艺;正交试验测试表明,合成温度对GML纯度的影响最大,最优合成工艺下制备出的GML初始纯度为47.7%,提纯后纯度可达97.2%。抑菌性能测试表明,GML对金黄色葡萄球菌的抑制效果与其浓度呈正相关,当浓度达到12 mg/mL时,抑菌圈的直径达到了最大值16.1 mm;GML对金黄色葡萄球菌的抑菌率均随着时间的增加逐渐降低,在pH值=5.7和7.2的条件下,GML对金黄色葡萄球菌的抑菌半衰期分别为54和49 h,可见弱酸条件下GML对金黄色葡萄球菌的抑菌半衰期更大,抑菌效果更佳。

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CuAl-LDHs/CNTs优势组装及电催化CO₂还原制甲醇的研究^*

赵正一, 王佳玮, 张娟, 李嘉丞, 吴旭

功能材料. 2024, 55(7): 7022-7030. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.004

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双碳背景下,电催化CO₂制甲醇等化合物有重要研究价值。为了提高CO₂的转化率和甲醇的选择性,本文借助兼具酸碱性的铜铝类水滑石(CuAl-LDHs)和具有优异导电性的碳纳米管材料(CNTs),协调构筑了LDHs/CNTs杂化物,实现了两种材料的优势互补,使其制甲醇性能和导电性能双向提高。研究结果表明,相较于LDHs,杂化物中二者良好的分散性和丰富的弱碱位点更有利于CO₂分子在其表面大量吸附并快速扩散,同时具有高迁移率的晶格氧和高还原电位的一价铜物种在催化剂表面形成了氧化还原循环,显著降低了传质阻力和电子转移难度,使得CuAl-LDHs/5%CNTs在-0.6 V(针对可逆氢电极)下对甲醇拥有较高的选择性和电流密度,最高可达80.7%和-6.5 mA/cm²,为开发在低电位高电流密度下具有高CO₂转化率的LDHs基电催化剂提供了重要参考。

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前驱体法制备BCN及其光催化还原CO₂性能^*

卜学琳, 曾祥会, 陈辉, 方伟, 杜星, 王大珩, 何漩, 李薇馨, 赵雷

功能材料. 2024, 55(7): 7031-7037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.005

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以乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺为氮源,以硼酸为硼源制备不同前驱体,通过高温氨解直接合成硼碳氮(BCN-x,分别记为BCN-EDA,BCN-DETA和BCN-TETA)。利用XRD、SEM、TEM、XPS、UV-Vis和PL对其组成、形貌和光学性能进行表征。并在无牺牲剂和助催化剂的条件下,对BCN-x样品的光催化还原CO₂性能进行了评估。结果表明,所制备的样品均为片状结构,且BCN-EDA具有较高的结晶度、较好的光生载流子分离效率。所制备的BCN-x可以在350～780 nm可见光照射下将CO₂还原为CO和CH₄,且BCN-EDA表现出最佳的光催化CO₂还原性能,CO产量为32.20 μmol/g,且在20 h内能保持相当的光催化稳定性。

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Mg-Bi系合金的研究进展^*

杨来东, 陈晓亚, 刘浩锐, 罗宏博, 赵磊, 王建吉

功能材料. 2024, 55(7): 7038-7050. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.006

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合金元素Bi的价格较低,在镁中有较高的固溶度,随着温度降低,其固溶度减小,析出Mg₃Bi₂相,提高了镁的力学性能,因此Mg-Bi系合金具有良好的固溶和时效硬化潜力。在Mg-Bi系合金中加入Sn、Mn、Al、Ca、Zn等元素,改善合金组织,能够进一步提高合金的力学性能及耐腐蚀性。文中介绍了国内外学者对Mg-Bi系合金的研究进展,在总结Mg-Bi二元合金研究成果基础上,系统的概述了Mg-Bi-Sn系、Mg-Bi-Mn系、Mg-Bi-Al系、Mg-Bi-Ca系、Mg-Bi-Zn系等合金的组织和性能,综述了合金化对合金第二相、晶粒尺寸、织构、动态再结晶的影响,阐述了合金元素种类、添加量及热加工参数与合金力学性能的关系。总结了Mg-Bi系合金研究中存在的问题,并对今后的研究工作进行了展望。

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双分散磁流变液稳定性与磁流变特性研究进展^*

朱启晨, 吴张永, 蒋佳骏

功能材料. 2024, 55(7): 7051-7059. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.007

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磁流变液作为一种兼具磁性和流动性的智能流体,已在众多领域得到广泛应用。双分散磁流变液具有极佳的沉降稳定性、再分散能力和磁流变特性,是未来磁流变液最由前途的发展方向之一。结合近年来研究进展,重点介绍了双分散磁流变液的稳定化机制,并基于微观结构演变、实验影响因素和本构力学模型对双分散磁流变液磁流变特性进行了综述。最后,对双分散磁流变液的工业应用提出展望。

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功能化纤维素基气凝胶的制备与应用^*

李烟云, 杨雪

功能材料. 2024, 55(7): 7060-7069. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.008

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纤维素是自然界中最丰富的资源之一,以纤维素为原料制备的第三代气凝胶兼有传统气凝胶的高孔隙率和大比表面积以及本身优异性。然而,固有的可燃性、较差的力学性能和较低的热稳定性限制了其使用范围。目前将纤维素气凝胶进行功能化,开发多种功能化的复合气凝胶已成为研究热点。从纤维素气凝胶的制备过程,功能化方法,以及主要应用领域进行了概述,最后对功能化纤维素气凝胶存在的问题进行了讨论。

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镓基液态金属基柔性传感材料的制备研究进展^*

张亚娟, 王蕊宁, 孙润军, 邓晶, 贾笑娅

功能材料. 2024, 55(7): 7070-7078. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.009

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随着人工智能可穿戴技术的快速发展,带动了具备可拉伸、可压缩和可扭曲特性的柔性传感材料的蓬勃兴起。镓基液态金属(LM),由于其卓越的导电性、导热性、流动性、高表面张力和可塑性等特点,已被广泛应用于制备柔性传感材料。然而,有关镓基液态金属用于制备柔性传感材料的方法,特别是与柔性基体材料复合,迄今缺乏全面的综述。着重介绍了镓基液态金属用于柔性传感材料的制备方法,包括直接结合法、液滴法和液态金属作为引发剂法。其次,对镓基液态金属柔性传感材料应用的最新进展进行探讨。讨论了镓基液态金属柔性传感材料在可回收利用方面取得的进展。最后,就目前研究中仍存在的问题提出建议,并对未来进行展望。

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尖晶石结构过渡金属氧化物纳米阵列的研究进展^*

蒋志强, 刘芳, 王兴军, 侯云

功能材料. 2024, 55(7): 7079-7090. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.010

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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。

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石墨烯-聚苯乙烯复合材料的制备及阻燃性能研究^*

朱晓菲

功能材料. 2024, 55(7): 7091-7097. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.011

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采用溶液共混法制备了石墨烯-聚苯乙烯复合材料,通过XRD、SEM、FT-IR、力学性能测试、热失重分析、导热系数及THR分析等手段,研究了复合材料中氧化石墨烯(GO)的质量分数对复合材料物相结构、微观形貌、力学性能、热性能和阻燃性能的影响。结果表明,聚苯乙烯吸附在GO表面,GO与聚苯乙烯复合后增大了表面粗糙度,复合后没有改变聚合物的链结构。适量GO的掺杂改善了石墨烯-聚苯乙烯复合材料的力学性能,PG-6%的复合材料的拉伸强度、断裂延伸率、弹性模量均达到最大值,分别为38.8 MPa、10.37%和1 505 MPa,相比纯PS分别提高了26.38%、8.06%和31.90%。复合材料的导热系数和热扩散系数均随GO占比的增大而先增大后降低,PG-6%复合材料的导热系数和热扩散系数达到最大值,分别为0.170 W/(m·K)和0.171 mm²/s。适量GO的添加改善了复合材料的阻燃性能,使点燃难度增加,放热率降低,PG-6%的复合材料的阻燃性能最优,FPI最高为0.386。

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PVA/EG导电水凝胶及其应变传感性能^*

许啸, 尹富强, 李赵春

功能材料. 2024, 55(7): 7098-7104. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.012

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作为柔性传感器的优良材料,导电水凝胶在人体可穿戴设备领域具有广泛的应用前景。将水凝胶基底聚乙烯醇(PVA)与乙二醇(EG)混合,制备了几种不同PVA质量比的PVA/EG导电水凝胶。针对10%、20%、30%PVA/EG水凝胶进行了结构和形态的表征,其中20%PVA/EG水凝胶的相对背景强度和晶体含量较高,且表面孔隙最多。通过万能材料试验机对20%PVA/EG导电水凝胶试样进行拉伸和压缩,测试了灵敏度、线性度、响应时间、稳定性和温度可靠性等传感性能。结果表明,导电水凝胶灵敏度系数最高达到0.74,线性相关系数达到0.987,响应时间低至80 ms,50次15%循环拉伸时的相对电阻变化基本恒定,且试样在-20 ℃低温下仍可正常工作。最后,将导电水凝胶试样粘贴在手指、脊椎和足部等人体不同部位,进行了运动试验,验证了该导电水凝胶在各类人体运动监测中的可行性。

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MOF材料对陈皮中有效成分的吸附性能研究^*

蒋志慧, 刘依琳, 高敏, 高鹏

功能材料. 2024, 55(7): 7105-7110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.013

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探究ZIF-8的合成途径,并对其结构正确性进行表征,初步判断其吸附范围;探究ZIF-8对橙皮苷的吸附能力,选出最佳吸附条件。采用甲醇作为溶剂,2-甲基咪唑和六水合硝酸锌为原材料,室温下剧烈搅拌制得ZIF-8材料;以橙皮苷为对象,研究了吸附剂的质量,震荡时间,待测液体积对吸附效果的影响。室温搅拌法可成功制备ZIF-8,探究发现在吸附剂质量为10 mg,震荡时间为8 h,橙皮苷溶液体积为20 mL时,橙皮苷吸附得率最高,为57.98%。ZIF-8有较大的比表面积和孔体积,橙皮苷可进入孔道完成吸附,从而提高橙皮苷利用率。

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B、Cu共掺杂单层g-C₃N₄电子结构及光学性质的第一性原理研究^*

谭秀娟, 张旭阳, 杨烁, 王勇, 张旭昀

功能材料. 2024, 55(7): 7111-7115. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.014

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g-C₃N₄是一种极具潜力的绿色半导体光催化剂,但其带隙较宽,对可见光利用率有限。通过元素掺杂可以有效提高g-C₃N₄的光催化性能,采用第一性原理方法研究了非金属元素B和金属元素Cu共掺杂对g-C₃N₄电子结构于光学性质的影响机理,结果表明,B、Cu共掺杂g-C₃N₄ (001)表面的最稳定位点为B占据H位点,而Cu占据N2位点。B、Cu共掺杂相比单一B元素掺杂可以使g-C₃N₄ (001)表面的能隙和功函数进一步下降,Cu元素的加入主要改善了B掺杂的g-C₃N₄ (001)表面的电子导通能力以及对光的捕捉能力,从而提高了光催化活性。

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镍铁镓多晶合金弹热效应的循环稳定性研究^*

官磊, 刘继辰, 陈枫, 佟运祥

功能材料. 2024, 55(7): 7116-7121. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.015

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弹热制冷是一种新型固态制冷技术,具有对环境友好和能量利用效率高等优点,有望替代传统的蒸气压缩制冷技术。实现弹热制冷应用的关键在于获得兼具大弹热效应和高循环稳定性的弹热材料作为制冷剂。Ni-Fe-Ga记忆合金是一种很有潜力的弹热材料。该合金采用常规熔炼方法易形成γ相,然而有关γ相对合金弹热性能的影响却缺乏系统和深入的研究。有鉴于此,制备了一种含γ相的Ni_53.6Fe_19.3Ga_27.1多晶合金,采用X射线衍射仪、透射电子显微镜、差示扫描量热仪、电子万能材料试验机以及自制的弹热效应测试系统,分析了其显微组织、力学性能和弹热性能。结果表明,Ni_53.6Fe_19.3Ga_27.1多晶合金的基体是β相,γ相同时分布于晶粒内和晶界上,这种两相结构有助于合金获得大且稳定的弹热效应,室温绝热温变值超过-5 K。

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粉煤灰基催化材料提升电子迁移率的制备机理^*

亓占丰, 高瑞, 郭秀丽, 李贯诚

功能材料. 2024, 55(7): 7122-7131. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.016

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固体表面催化材料提升电子迁移率的制备机理目前缺少系统研究。以粉煤灰为研究对象,采用湿式磁选、高能球磨法和等离子体放电改性等方法联合改性以提升材料电子迁移率,并探讨其制备机理。实验结果表明,最佳实验参数组合为用1.2 T磁棒磁选3次,然后在转速550 r/min下球磨30 h,最后在放电间隙3 mm、放电长度200 mm、放电功率130 W和改性时间20 min条件下等离子体放电改性。得到的粉煤灰样品电阻率下降到27.92 MΩ·cm,比原始粉煤灰的电阻率提高四个数量级。该研究表明构筑完善且连续的导电网络是提升材料导电性能与电子迁移率的前提。

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MgCo₂O₄@Ni(OH)₂纳米针的制备及其超电性能研究^*

倪航, 胡谭伟, 唐梦凡, 丁悦, 田玉, 朱小龙, 郑广

功能材料. 2024, 55(7): 7132-7138. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.017

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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。

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MXene材料Nb₂CCl_x与Ti₂CCl_x对Mg储氢性能的改性研究^*

臧淑艳, 崔立志, 胡帅成, 吕丽君, 韩兴博, 吕美横, 刘卫, 杨果

功能材料. 2024, 55(7): 7139-7149. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.018

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镁是众多固态储氢材料中一类深受关注的材料,具有很高的储氢容量(7.6%(质量分数))和可逆吸放氢等优点。但是Mg吸放氢所需温度高,放氢动力学缓慢等影响了其实用性。采用熔盐刻蚀法以n(Mg)∶n(MXene)=10∶1的比例制备了两种不同类型的MXene(Nb₂CCl_x和Ti₂CCl_x),并研究不同种类MXene的添加对金属Mg的微观结构和吸放氢性能的影响。结果表明,材料的相组成未发生改变,但球磨后材料的颗粒尺寸进一步减小,增大了其比表面积。Nb₂CCl_x和Ti₂CCl_x的引入则使Mg的性能得到明显提升,可以有效提高材料的吸放氢速率,Mg@Nb₂CCl_x在200 s内就可以放出5.0%(质量分数)的氢气,Mg@Ti₂CCl_x在250 s内也可以放出5.3%(质量分数)的氢气。同时也可以降低材料的初始吸放氢温度,10%(质量分数) Nb₂CCl_x使纯Mg的初始吸氢和放氢温度分别降低了125 ℃和175 ℃,10%(质量分数) Ti₂CCl_x则使纯Mg的初始吸氢和放氢温度分别降低了100和125 ℃。根据Chou模型进行吸放氢动力学拟合的结果表明,MXene的加入使Mg的控速步骤由表面渗透控制向扩散控制转变,从而提高了Mg的吸放氢动力学性能。

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ZIF-67衍生负载Co/Co₉S₈碳材料作为ORR催化剂的研究^*

毕鹏飞, 刘培涛, 祖延清, 李晓东, 朱旭, 冯爱玲

功能材料. 2024, 55(7): 7150-7156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.019

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锌-空气电池作为一种重要的电化学能源存储和转换技术,因其能量密度高、成本低和环境友好等优点受到广泛关注。然而,由于其空气阴极缓慢的动力学反应,阻碍了锌-空气电池的进一步发展。因此,我们采用了一种水热-高温热解-氨气还原的方法,制备出 ZIF-67衍生N掺杂碳基Co和Co₉S₈纳米颗粒的电催化剂(Co/Co₉S₈@NC-1)。电化学测试结果表明,该催化剂具有优异的ORR催化活性,其半波电位为0.85 V,接近商用Pt/C。与基于Pt/C+Ir/C的锌-空气电池(开路电压:1.47 V)相比,Co/Co₉S₈@NC-1基的锌-空气电池具有1.51 V的开路电压,且表现出105.3 mW /cm的功率密度和172 h循环稳定性(Pt/C+Ir/C:147 h)。此工作为开发非贵金属基ORR催化剂提供了有效途径。

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一种新型缓蚀剂对碳钢材料的缓蚀性能研究^*

付占达, 柳鑫华, 王瀛, 赵红丽, 王磊, 夏一鸣, 古林艳, 杜嘉瑞, 王伊然

功能材料. 2024, 55(7): 7157-7165. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.020

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用硫代甲酰二肼与聚琥珀酰亚胺合成了新型改性聚天冬氨酸(PASP/CD)。其次,使用红外光谱(FT-IR)和核磁共振氢谱(NMR)对PASP/CD进行了结构表征。最后,采用质量法、电化学法、原子力显微镜(AFM)、接触角和扫描电镜及能谱研究了PASP/CD在0.5 mol/L盐酸溶液中对碳钢的缓蚀行为。结果表明,PASP/CD作为混合型缓蚀剂,在盐酸溶液中加入PASP/CD后,体系的电荷转移电阻显著增加。PASP/CD的浓度为80 mg/L时缓蚀效率最高,达到91.48%,远高于PASP;与PASP相比,PASP/CD的缓蚀性能受温度的影响较小。AFM图和粗糙度数据可知PASP/CD具有良好的腐蚀抑制性能。发现PASP/CD的缓蚀作用是由于其侧链上的新官能团在钢表面的物理和化学吸附作用成膜的结果。研究为拓宽绿色水处理剂聚天冬氨酸的综合性能提供技术支持。

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多功能CoAl-LDH/CdS光催化剂的制备及其性能研究^*

唐丹琪, 阳敏, 朱子, 张海燕, 李铭, 李佑稷

功能材料. 2024, 55(7): 7166-7176. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.021

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在能源危机和环境污染的双重挑战下,开发集能量转化和环境治理于一体的多功能光催化剂是促进太阳能-化学能转化的有效策略。采用正六边形的CoAl-LDH纳米薄片为载体,通过原位生长CdS纳米颗粒的方法,构建了CoAl-LDH/CdS的Ⅱ型异质结。利用CoAl-LDH纳米薄片在可见光区域的宽普吸收性和良好载体的特性,结合CdS的高光量子产率,再通过异质结构的构建,获得了多功能CoAl-LDH/CdS光催化材料。并通过优化CdS的负载量,获得的CoAl-LDH/CdS-2光催剂降解罗丹明B的降解率最大(在光催化降解时间t=60 min时内,降解率=88.48%),分别是CdS和CoAl-LDH单体的1.18倍和8.62倍。其中CoAl-LDH/CdS-1的CO产量最高为39.02 mol/g,分别是纯CoAl-LDH和纯CdS的4.2倍和2.5倍,这主要归功于复合材料中CoAl-LDH纳米片和CdS纳米颗粒间紧密异质结构的构建,丰富的耦合界面大大降低了光生载流子的复合率,这为多功能光催化剂的开发提供了理论基础。

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金属离子掺杂LiFePO₄正极材料的制备及其电化学性能研究^*

王林玉, 何志芳

功能材料. 2024, 55(7): 7177-7182. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.022

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选择金属Ag为掺杂元素,通过溶胶-凝胶法制备了Ag掺杂的LiFePO₄正极材料,并以此组装了CR2032扣式电池,研究了金属Ag掺杂摩尔比对LiFePO₄的物相结构、微观形貌和对应电池电化学性能的影响。结果表明,Ag掺杂的LiFePO₄具有橄榄石型结构,外观为棒状的小颗粒,颗粒尺寸的长度约为350~500 nm,宽度约为100 nm,颗粒之间有轻微的团聚。不同摩尔比Ag掺杂的LiFePO₄正极材料的充放电效率均超过95%,适量Ag摩尔比的掺杂改善了LiFePO₄的循环稳定性能、初始放电比容量和容量保持率。随着Ag掺杂摩尔比的增大,LiFePO₄的最大放电比容量先增大后降低,Ag摩尔比3%的LiFePO₄的放电比容量达到最大值为123.4 mAh/g,经过30次循环后放电比容量最大为70.4 mAh/g,容量保持率最大为57.05%,对应的电荷转移电阻为632.7 Ω。可见,3%Ag-LiFePO₄的综合性能最佳。

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钽掺杂FTO薄膜的制备及其光学电学性能的影响^*

吴宝棋, 付晨, 刘起英, 史国华, 王智浩, 赵洪力

功能材料. 2024, 55(7): 7183-7190. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.023

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采用气溶胶辅助化学气相沉积(AACVD)以单丁基氯化锡(MBTC)为锡源、氟化铵(NH₄F)为氟源、甲醇做溶剂、五氯化钽(TaCl₅)为钽源在钠钙玻璃上成功沉积Ta掺杂的FTO(TFTO)薄膜。通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、X光电子能谱(XPS)、分光光度计、霍尔效应测试仪等设备分析了薄膜的物相组成、微观形貌、光学性能、电学性能和低辐射性能。结果表明,钽掺杂的FTO薄膜具有四方金红石结构,为N型半导体。当Ta/Sn为1%(原子比分数)时,可见光区段透射比T为74.18%、电阻率ρ为2.78×10^-4 Ω·cm、载流子浓度n为1.44×10²¹ cm^-3、迁移率μ为18.73 cm²/V·s、红外反射率R_IR为94%、辐射率ε为0.12。

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水热反应温度对ZnIn₂S₄/Bi₂WO₆复合催化剂的影响研究^*

王震, 刘婷婷, 张强, 王磊

功能材料. 2024, 55(7): 7191-7199. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.024

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为解决传统半导体光催化剂可见光响应能力弱、光生电子空穴复合快、能带结构导致载流子氧化还原能力弱等问题,采用水热法制备ZnIn₂S₄/Bi₂WO₆(ZlS@BW)复合催化剂并系统研究水热反应温度对其结构性能的影响。当水热温度从80 ℃升高到160 ℃,ZlS@BW复合光催化剂结晶度提高,形貌转变为致密核壳结构,比表面积和光电性能先降低再升高,氟伐他汀去除率逐步上升。而当温度升高到200 ℃时,核壳结构遭到了破坏,比表面积和光电性能变差,氟伐他汀的降解效果降低,光催化性能下降。结果表明,水热温度为160 ℃时,制备的ZlS@BW复合光催化剂晶型结晶程度较高,且形貌致密,比表面积最大,产生的瞬态光电流最大,阻抗半径最小,具有最优光催化性能。对污染物氟伐他汀降的降解效率最高,可达到75.47%。

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椰壳碳@MnO₂纳米材料在水系锌离子电池中的应用^*

陈蓉, 富笑男, 田伟峰, 王莉, 黄小龙, 白燕枝, 王瑞, 张进峰, 朱研嘉, 贺浩真

功能材料. 2024, 55(7): 7200-7208. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.025

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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。

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纳米五氧化二钒高效锌离子电池负极材料的制备与性能研究^*

张文强, 汪徐春, 王桂玲, 张雪梅, 朱协彬, 陈俊明, 郑胜彪, 刘澳坤, 卢淑华, 梁俊英

功能材料. 2024, 55(7): 7209-7215. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.026

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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。

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ZIF-8改性细菌纤维素膜的制备及对盐酸四环素吸附性能研究^*

杨旭, 汪邓兵, 刘祖一, 凤权

功能材料. 2024, 55(7): 7216-7223. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.027

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使用生物基有机材料细菌纤维素(BC)作为载体,沸石咪唑骨架-8(ZIF-8)为客体材料,采用一步真空抽滤法,制备BC/ZIF-8复合纤维膜。通过FT-IR、XRD、SEM、EDS、BET等对制备的复合纤维膜进行了结构表征,考察了接触时间、温度、离子浓度,底物的初始浓度对复合纤维膜吸附盐酸四环素(TC)的影响。结果表明改性后的复合纤维膜较初始BC膜具有更丰富的孔结构,氮气吸附-脱附曲线测得比表面积从6.2415 m²/g增加到265.8820 m²/g。吸附实验表明,离子浓度对吸附影响较小,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,TC主要以单层吸附的形式吸附到在BC/ZIF-8复合纤维膜上,理论最大吸附量为438.59 mg/g。

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SiO₂高效节能气凝胶隔热材料的制备及性能研究^*

李月香, 马军霞, 王蒙

功能材料. 2024, 55(7): 7224-7230. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.028

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以N,N-二甲基甲酰胺为干燥剂,通过常压干燥法制备了SiO₂气凝胶隔热材料,研究了正硅酸乙酯和水的摩尔比对SiO₂气凝胶形貌、物相结构、孔径分布、力学性能和导热性能的影响。结果表明,SiO₂气凝胶隔热材料为典型的非晶结构,具有有序的介孔孔道,随着水摩尔比的增大,气凝胶的孔道结构有序度逐渐提高,宏观形貌更加完整且致密,摩尔比n(TEOS)∶n(水)=1∶30制备出的气凝胶的多孔网格结构最为致密。随着水摩尔比的增大,SiO₂气凝胶的比表面积、抗压强度先增大后降低,导热系数先降低后增大。当摩尔比n(TEOS)∶n(水)=1∶30时,气凝胶比表面积最大为441 m²/g,对应的孔体积为0.414 cm³/g,孔径分布为3.75 nm,抗压强度最大为29.79 kPa,导热系数最低为0.022 W/(m·K),保温性能最优。以TMCS和正己烷对SiO₂气凝胶进行疏水改性,体积比V(TMCS)∶V(正己烷)=1∶10时,SiO₂气凝胶表面的接触角达到最大值139.6°,疏水性能最佳,热稳定性也得到改善。

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纳米TiO₂微球的制备及光催化降解气相苯特性^*

杜晶晶, 赵军伟, 施飞, 程晓民

功能材料. 2024, 55(7): 7231-7236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.07.029

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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。

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2024年, 第55卷, 第7期　刊出日期：2024-07-30

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