2024年, 第55卷, 第8期　刊出日期：2024-08-30

  

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  功能材料. 2024, 55(8): 0-0.

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  Ce掺杂ZnO纳米复合材料的制备及光催化性能研究^*

  费珊珊

  功能材料. 2024, 55(8): 8001-8007. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.001

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  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。
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  具有氨基化致密二氧化硅壳层相变胶囊的制备及性能研究^*

  陈浩鑫, 马妍琦, 陈颖, 盛鑫鑫

  功能材料. 2024, 55(8): 8008-8015. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.002

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  采用溶胶-凝胶法制备了以正十八烷(C₁₈)相变材料为芯材、二氧化硅(SiO₂)为壳材的相变纳米胶囊(NEPCM),引入硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对SiO₂表面进行功能化处理,此外APTES的引入促进正硅酸乙酯(TEOS)水解缩合形成致密SiO₂壳层。研究了不同芯/壳质量比对NEPCM的微观形貌、相变焓值的影响规律,同时,对NEPCM的热循环稳定性,防泄漏性,热稳定性,对建筑内部温度调节等性能也进行了详细的研究。结果表明,随着核/壳质量比的变化,NEPCM相变焓值随着改变。在核/壳质量比为1/1.3时,所制备的纳米胶囊的相变焓值最高,达到了140.57 J/g,包覆率达到61.6%;与此同时,由于有致密SiO₂壳材的保护,相较于纯C₁₈,NEPCM具有良好的防泄漏性,在经过150次冷热循环后其焓值仅下降0.13%,具有优良的热循环稳定性和耐久性。此外,当NEPCM用于建筑热管理时,其有效地把室内温度到达峰值温度的时间延缓了385 s,并将峰值温度降低了9 ℃,表明NEPCM具有优良的蓄热调温性能。与此同时,APTES的引入使NEPCM外壳功能化,其表面氨基与有机聚合物的官能团之间的高效相互作用为高效制备纳米复合材料提供了广阔的应用前景。
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  钛表面钛酸钡纳米棒阵列构建及超声抗菌性能研究^*

  孙孟琳, 张翔宇

  功能材料. 2024, 55(8): 8016-8020. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.003

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  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。
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  Ti元素对Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金性能的影响^*

  李春玲, 李绍冰, 李晓诚, 李春燕, 寇生中

  功能材料. 2024, 55(8): 8021-8026. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.004

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  以Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅为基础合金,研究了Ti元素添加对合金热稳定性和力学性能的影响。研究结果表明,添加适量的Ti元素能提高Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅合金的热稳定性和非晶形成能力,随着Ti元素含量(x=0,0.5,1,1.5,2,2.5)的增加,Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶合金热稳定先增大后减小,当x=2时,非晶合金的非晶形成能力最强。Ti的适量添加也有利于提高Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅试样硬度、压缩断裂强度和塑性变形能力;当x=2时,非晶合金的硬度达到533.56,随Ti元素含量的增加,非晶合金强度、塑性先增大后减小;当x=0.5时,非晶合金的断裂强度为2 111 MPa,塑性为5.02%,是不添加Ti元素的非晶合金塑性的1.8倍。
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  纳米线状α-MnO₂电极材料的制备及电催化性能的研究^*

  陈健, 陈庆伦, 韩宁, 何立子

  功能材料. 2024, 55(8): 8027-8033. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.005

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  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。
综述·进展
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  废弃橡胶改性水泥基材料研究进展^*

  陶春艳, 杨志全, 张聪, 朱红霖

  功能材料. 2024, 55(8): 8034-8042. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.006

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  橡胶颗粒具有良好的吸能变形能力,将橡胶颗粒掺入水泥基中可以有效提高材料的韧性,同时能够增强水泥基的抗冻性、抗开裂、抗冲击等性能。但由于橡胶颗粒是一种憎水物质,导致橡胶与水泥浆液的界面粘结力较弱,水泥基材料的强度有所下降,因此对橡胶水泥基材料进行化学与物理改性研究。结果表明,改性橡胶通过两种方式来增强水泥基材料的性能:其一,改性剂通过溶解橡胶颗粒表面的杂质和在其表面形成一层薄膜来提高橡胶的亲水性;其二,改性剂与水化产物发生反应,形成有效的化学交联,使橡胶颗粒与水泥浆液形成紧密连接。同时研究发现,橡胶颗粒与纤维聚合物对水泥基材料的增强增韧有协同作用。
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  MOF及其衍生催化剂电催化水分解的研究进展^*

  周雨蝶, 裴刘军, 靳凯丽, 张馨儿, 王际平

  功能材料. 2024, 55(8): 8043-8053. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.007

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  随着社会经济的快速发展,能源与环境问题越来越突出,解决问题的关键是寻找可持续的、可再生的绿色新能源。电催化水裂解技术在解决清洁能源短缺和环境污染等关键问题上具有突出的优势。金属有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)及其衍生物由于具有可定制的结构、超大的表面积和设计灵活性,被认为是电催化制氢的理想多孔材料。从电催化水裂解的反应原理、决定电催化活性的相关因素入手,总结并举例说明了近年来基于MOFs及其衍生物的水裂解电催化剂的研究进展。最后,强调了水裂解领域存在的许多挑战,并提出了基于MOFs和衍生物作为电催化剂用于水裂解制氢的展望。
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  高性能层状NH₄V₄O₁₀材料在电化学储能中的研究进展^*

  唐寒, 骆红宇, 黄涛, 徐潇琴, 晁飞扬, 罗平

  功能材料. 2024, 55(8): 8054-8065. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.008

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  层状钒氧化物电极材料具有容量高、高温性能好、成本低、安全性好等一系列优点,是下一代高性能二次离子电池的备选电极材料之一。虽然目前层状钒氧化物电极材料的电化学性能在不断提升,但层状钒氧化物在循环过程中结构稳定性差的问题始终没有得到解决。层状NH₄V₄O₁₀材料由于其特殊的结构稳定性,得到了广泛的关注和应用。本文系统地总结和讨论了层状NH₄V₄O₁₀材料在不同种类离子电池中的电化学性能、储能机制,并将NH₄V₄O₁₀材料的优化策略进行了分类和阐述。最后对层状NH₄V₄O₁₀材料的发展前景进行了展望,为进一步提升其电化学性能提供了新的见解。
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  V/Nb基合金氢分离膜的制备与性能研究进展^*

  李自来, 朱一凡, 杨波, 史晓斌

  功能材料. 2024, 55(8): 8066-8074. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.009

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  目前,开发可再生能源已经成为全球可持续能源战略中的一个重要内容。氢能是世界上最清洁的能源,被认为是最有潜力的替代能源。目前工业制氢含有大量杂质,因此,氢的提纯是利用氢能不可或缺的一环。目前钯及其合金膜在氢分离上是最常见的材料,但它们过于昂贵和产量不足,我们需要去寻找新的性能优异的氢分离膜。研究发现V/Nb及其合金膜的氢渗透系数远大于Pd,且成本相比钯金属更为低廉,是替代Pd金属的最佳氢分离膜材料。目前对V/Nb基合金膜的研究已有许多,本文介绍了合金膜的透氢原理、氢分离膜的制备方法及其优缺点以及V/Nb基合金近年来的研究现状,并展望未来氢分离膜的研究发展趋势。
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  冶炼烟气脱硝用碳基低温NH₃-SCR催化剂研究进展^*

  孟豪, 折媛, 苗红生, 李纪萱, 沈正华, 邢相栋, 张朝晖

  功能材料. 2024, 55(8): 8075-8082. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.010

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  目前在冶炼烟气治理脱硝中使用的NH₃-SCR催化剂存在操作温度窗口窄、低温(120 ℃)下催化活性不高、易中毒等不足,限制了其广泛应用。因此,开发低温高效、抗中毒性能好、稳定性强的催化剂成为当前研究重点。碳基催化剂由于其来源广泛、吸附性能强、催化活性好等优点备受关注,在脱硝方面有广阔的前景。本文基于碳基低温 NH₃-SCR 催化剂的最新研究进展,从碳基催化剂材料、添加活性组分、酸碱改性、抗SO₂与H₂O中毒与等方面介绍了影响催化剂脱硝活性的因素,分析了碳基催化剂的NH₃-SCR脱硝反应机理,并提出利于研发低温NH₃-SCR脱硝性能优异、抗中毒性能好的碳基催化剂的方向。
研究·开发
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  Co添加对FeSiBCuNb非晶纳米晶合金软磁性能的影响^*

  郭琦,李晓涵,王志成,金亚旭,张克维,胡季帆

  功能材料. 2024, 55(8): 8083-8089. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.011

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  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。
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  Ni-Zr合金高温熔体与非晶形成能力的分子动力学研究^*

  赵泽琼, 潘少鹏, 牛晓峰

  功能材料. 2024, 55(8): 8090-8095. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.012

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  采用分子动力学模拟的方法,对不同成分Ni-Zr合金高温熔体的原子结构和热力学性质方面进行研究,分析影响其非晶形成能力的因素。通过观察降温过程中平均原子体积随温度的变化,以及300 K下构型的可视化分析中非晶结构比例的变化,发现Ni-Zr合金非晶形成能力在Ni含量占比60%~90%区间,非晶形成能力出现显著下降后又回升的情况。混合焓、混合熵、混合自由能等热力学参数未表现出与非晶形成能力有明显相关性,混合自由能二阶偏导数的变化,体现出热力学因子的变化显著影响非晶形成能力。双体分布函数,配位数等与非晶形成能力密切相关的结构参数呈现较弱相关性。Warren-Cowley参数,及键长分析,发现Ni-Zr键的变化表现出与非晶形成能力相同的变化趋势。此项研究有利于加深对合金高温熔体与非晶形成能力间关系的理解。
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  建筑用CA-SA@SiO₂相变微胶囊制备及其性能优化研究^*

  刘凤利, 李俏莉, 白建侠, 王亚光

  功能材料. 2024, 55(8): 8096-8102. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.013

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  为解决脂肪酸相变温度高于建筑应用要求,以及已有脂肪酸相变微胶囊包覆率和相变潜热低的问题,首先制备了二元相变材料癸酸-硬脂酸,热性能结果表明,癸酸-硬脂酸相变温度和相变潜热为24.28 ℃和178.21 J/g,满足建筑应用要求。在此基础上以SiO₂为壁材,采用溶胶凝胶法对癸酸-硬脂酸进行封装,制备不同芯壁比的CA-SA@SiO₂相变微胶囊,并对其微观形貌、粒径大小、热性能、化学稳定性及抗渗漏性能进行表征。结果表明,芯壁比直接影响相变微胶囊的各项性能,其中最优芯壁比为50:50,此时微胶囊呈球形且光滑致密,粒径范围为2~500 μm,主要集中于50 μm以下,壁材仅靠物理作用包覆芯材,微胶囊化后壁材可以提高芯材热稳定性,且热分解温度明显高于墙体材料使用环境,平衡渗漏率仅为4.53%,相变温度为24.63 ℃,处于人体舒适范围内,相变潜热和包覆率为138.16 J/g和77%,有效解决了相变温度高和包覆率、相变潜热低的问题,为相变储能建筑围护结构提供适宜温区、高能效密度与高稳定性兼容的新材料。
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  MOF衍生的Fe-N-C电催化剂,用于高效氧还原反应^*

  张景涛, 王奎, 刘乐, 任杰, 杨浩伟, 闫晓丽

  功能材料. 2024, 55(8): 8103-8110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.014

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  由于传统能源的大量消耗与环境污染等问题,探索高效清洁的新型能源显的越来越重要。锌空电池作为一种绿色清洁能源受到了广泛的关注,然而其阴极氧还原(ORR)反应较为缓慢限制了其大规模应用。因此开发一种高效、绿色经济的非贵金属催化剂对氧还原反应至关重要。以金属-有机骨架(MOF)作为前驱体,通过高温热解合成了铁基氮掺杂碳电催化剂(Fe-N-C)。Fe-N-C催化剂由于其较强的金属-氮配位结构可以避免金属原子的聚集和溶解,使金属原子均匀分散在氮掺杂的碳载体上,实现较高的ORR性能。制备的Fe-N-C-2催化剂具有丰富的孔隙结构和大量的Fe-N_X活性位点。其在碱性电解质中半波电位为0.91 V,在酸性电解质中半波电位为0.75 V。同时将其应用于锌空电池具有高达1.47 V的开路电压和163.1 mW/cm²的功率密度。该策略为设计二维结构以构建高性能电催化剂提供了一种有前途的方法。
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  玉米秸秆纤维素的提取及其对沥青性能影响的研究^*

  程培峰, 张雪, 李艺铭, 王洋弘历

  功能材料. 2024, 55(8): 8111-8119. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.015

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  纤维素作为秸秆的重要组成部分,是决定其力学强度的关键。若将其应用于沥青路面中,有望改善路面的性能并解决秸秆在路面中易产生降解、老化等问题。研究首先利用星点设计-效应面法,探究了秸秆中纤维素的提取工艺对沥青性能的影响,并确定了纤维素的最佳提取工艺;然后,通过流变性能试验、离析试验以及红外光谱试验分析,研究了纤维素对沥青高温稳定性、低温抗裂性及储存稳定性的影响。结果表明,在NaOH浓度为2.5%,HNO₃浓度为4.3%的条件下所提取的纤维素对沥青物理性能的改善效果最佳,同时,玉米秸秆纤维素的掺入提高了沥青的高温稳定性、低温抗裂性以及在高速车辆荷载剪切作用下的抗变形能力。当玉米秸秆纤维素的掺量为7%时,沥青的综合性能最佳,未产生严重的离析现象。与基质沥青相比,纤维素掺量在7%时的高温连续分级温度(T_LH)提升了13 ℃,低温性能提升了49.3%。此外,纤维素仅以物理增强作用互相粘结改善沥青的性能,并未发生化学反应。
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  W-VO₂@SiO₂热致相变材料的制备及性能研究^*

  吴娇, 孟晓荣, 刘党豪, 饶锐

  功能材料. 2024, 55(8): 8120-8127. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.016

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  为在降低VO₂(M)相变温度的同时提升其稳定性,以五氧化二钒(V₂O₅)为钒源,水合肼(N₂H₄·H₂O)为还原剂,优化了VO₂(M)的水热合成工艺。通过W⁶⁺掺杂和表面沉积SiO₂,在保证相变性能的同时提升稳定性。结果表明:水热过程中存在VO₂(A)-VO₂(M)相互转变的过程,调整水热反应条件可得到结晶度良好,相变温度为66.3 ℃、热滞回宽为9.2 ℃的VO₂(M)。随着W掺杂量(原子分数表示)的增大,W-VO₂(M)@SiO₂的Tc降低,在W掺杂量为1.0%(原子分数)时ΔT=7.2 ℃;加速试验后W-VO₂@SiO₂复合材料的VO₂仍以V⁴⁺存在,具有良好的热稳定性。
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  B掺杂对单层g-C₃N₄光催化性能调控机制的第一性原理研究^*

  谭秀娟, 杨烁, 张旭阳, 张旭昀

  功能材料. 2024, 55(8): 8128-8134. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.017

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  光催化技术以太阳能为驱动,在环境治理、氢能制备等领域具有十分广阔的应用前景。g-C₃N₄是一种极具潜力的绿色光催化剂,但其有限的可见光响应范围以及较宽的能隙限制了其光催化性能的进一步提高。非金属元素掺杂是一种有效提升g-C₃N₄光催化活性的方法,采用第一性原理计算的方法研究了B元素掺杂对g-C₃N₄光催化活性的影响机理,考察了掺杂前后的电子结构以及光学性能。结果表明,g-C₃N₄ (001)表面的H位点是B原子掺杂的最稳定位点,掺杂能为-7.81 eV,B元素的加入使g-C₃N₄ (001)表面的能隙从未掺杂的1.468 eV降低到了0.732 eV,功函数从4.055 eV降低到3.108 eV,并提高了表面C原子的反应活性,从而使得g-C₃N₄ (001)表面的光催化活性得到了有效地提高。光学性质研究表明,B元素的加入使得g-C₃N₄ (001)表面发生了明显的“红移”现象,使表面的光响应能力得到了提高,从而获得了更高的光催化能力。
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  氢氟酸法合成Mo₂Al_1-xB₂(MBene)及电化学性能研究^*

  陈逸钊, 茅婷婷, 崔帅甫, 廖松义, 闵永刚

  功能材料. 2024, 55(8): 8135-8142. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.018

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  由块状三元金属硼化物(MAB相)制备的MBene作为一种新型的二维材料,其大规模发展受到了越来越多的关注,但其制备策略受到了限制。工作详细探索了采用氢氟酸法从MoAlB中刻蚀Al层的最佳制备工艺条件,并成功合成了具有典型手风琴结构的Mo₂Al_1-xB₂(MBene)二维材料。此外,使用X射线衍射仪和XPS详细分析了MBene晶体结构和表面化学状态。扫描电子显微镜结合能谱仪分析了MBene的微观形态。结果表明,在60 ℃下刻蚀72 h(简称60-72 h)合成的MBene具有清晰手风琴层状结构特征。当用作LIBs阳极时,60~72 h样品具有出色的电化学性能,在1 A/g电流密度下循环500次后的可逆比容量为228.0 mAh/g。其优异的电化学性能主要归因于二维MBene良好的导电性及快速锂离子扩散通道,由此而带来高的赝电容效应,即在2 mV s^-1扫描速率下,赝电容贡献达到~86.7%。
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  双金属Co/Fe-N-C催化剂合成及氧还原性能研究^*

  张俊, 龙涛, 李广环, 侯亚庆, 许春乾, 武云

  功能材料. 2024, 55(8): 8143-8147. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.019

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  质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其铂基催化剂昂贵和资源稀缺,未能得到大规模应用,过渡金属氮掺杂碳(M-N-C,M=Fe,Ni,Mn,Co)单原子催化剂被认为是有潜力的氧还原反应(ORR)催化剂,其中Fe-N-C催化剂在酸性介质下具有较高的氧还原催化活性,成本低,受到广泛关注,被认为是最具有前途替代铂基催化剂的燃料电池催化剂,然而,大多数报道的Fe-N-C催化剂在燃料电池中的性能仍不如铂基催化剂,并且在酸性介质下稳定性差,而不能被广泛应用,在此,我们报道了一种以ZIF-67为前驱体,在具有稳定高石墨化NC载体上构建Fe-N_x和Co-N_x双活性位点,得到的Co/Fe-N-C双原子催化剂实现了0.96V(vs.RHE)的起始电位(E_oneset)和0.79 V(vs.RHE)的半波电位(E_1/2),对比Fe-N-C和Co-N-C催化剂有着更显著的稳定性和更优异的ORR活性,为提高Fe-N-C催化活性和耐久性提供一条新思路。
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  氧化石墨烯增强多孔结构磁性天然橡胶的制备及性能研究^*

  王妍, 高妙, 马迅波, 解永强

  功能材料. 2024, 55(8): 8148-8154. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.020

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  磁性橡胶具有优异的磁控力学性能,在军事、医疗等领域具有广泛的应用前景。然而,磁性橡胶面临的磁流变效应较低且与机械力学性能相矛盾的难题,极大地阻碍了其工程化应用。为此,采用机械共混法,选取羰基铁粉为磁性粒子,制备了GO含量分别为0 phr、0.5 phr、0.8 phr、1.1 phr和1.4 phr的多孔结构磁性天然橡胶(PMR),并对其微观形貌、磁性能、磁流变性能和机械力学性能进行了系统研究。结果表明,PMR具有圆形闭孔的多孔结构,该结构特征的基体弹性模量较低,利于基体中的磁性粒子在磁场作用下沿磁场方向移动,从而使PMR具有高磁流变效应。随着GO含量的上升,PMR的拉伸强度先升高后降低,当GO含量为0.8 phr时,PMR孔洞壁的破洞现象最少、拉伸强度最大(5.02 MPa)且磁流变效应较高(422%)。适量GO的掺杂不仅完善了PMR的孔洞结构,而且提升了其机械力学性能,发挥了补强剂的作用。该研究为设计并制备具有高磁流变效应和优异机械力学性能的磁性橡胶提供了新思路。
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  Al掺杂对Fe基非晶纳米晶合金制备与软磁性能的影响^*

  薛松健, 朱乾科, 陈哲, 康树杰, 张克维

  功能材料. 2024, 55(8): 8155-8161. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.021

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  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。
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  Mg-1Ge-1In镁空气电池阳极的放电性能研究^*

  阴明, 庞雅琪

  功能材料. 2024, 55(8): 8162-8169. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.022

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  提出了一种利用锗和铟在镁中的固溶度差异调控Mg-1Ge-1In合金显微组织的策略。经过均匀化退火处理,合金中的Mg₂Ge相呈现出连续的网络状结构。Mg-1Ge-1In合金展现出优异的阳极放电性能,包括低至2.48 mm/y的腐蚀速率、在1 mA/cm²放电电流下达-1.70 V的放电电压,以及在10 mA/cm²放电1 h后高达59.49%的阳极利用率。此外,在5 mA/cm²的放电条件下,Mg-1Ge-1In合金能维持稳定电压,表面呈现层状剥落现象;但当放电电流增至10 mA/cm²时,其放电电压减小且放电稳定性降低。Mg-1Ge-1In合金的放电活化机理基于Mg₂Ge相的电偶效应与In原子的氧化-还原循环,放电活性位点正是源于Mg₂Ge相与镁基体间的连续网状界面,而In元素的加入则进一步增强了镁基体表面的活化,两者协同作用,确保了放电反应的稳定持续进行。
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  一氧化氮在氧、氮掺杂石墨烯表面吸附的光学特性研究^*

  罗磊, 朱洪强, 尹开慧, 吴泽邦, 岳远霞, 潘一翠, 陈建军, 冯庆, 杨英

  功能材料. 2024, 55(8): 8170-8177. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.023

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  利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势计算方法,对一氧化氮 (NO) 分子在石墨烯表面上吸附的光学特性进行了理论研究,计算了石墨烯表面顶位、桥位和空位3个位点吸附NO分子的吸附能、Mulliken分布、差分电荷密度、态密度和光学性质。研究结果表明,单O掺杂、单N掺杂和O-N双掺杂的石墨烯表面均易吸附NO分子,其吸附方式是化学吸附;3种掺杂均会在石墨烯的费米能级附近形成新的杂质能级,为电子跃迁提供帮助,提升石墨烯的光学性能;在可见光360~780 nm范围内,O-N双掺杂石墨烯表面C-N键桥位吸附NO分子的光学性能最优,其吸收系数和反射系数的峰值较未掺杂时分别提高了约1.40倍和1.84倍。工作加深了对石墨烯表面吸附NO分子的理解,为基于石墨烯材料的NO传感研究提供了理论支持。
工艺·技术
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  氧化石墨烯薄膜还原程度对测温与电热性能的影响^*

  刘娜, 曹成成, 陶冶, 李会东, 杨莉萍, 陈泽中

  功能材料. 2024, 55(8): 8178-8184. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.024

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  由于质量轻、韧性好、价格低廉且成型工艺简单等诸多优点,还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)薄膜在温度传感和电加热等领域颇受关注。分析了经不同温度热还原的rGO薄膜在微观结构、键合种类、力学及电学性能上的差异,以探究还原程度对rGO薄膜测温与加热能力的影响。结果表明,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)薄膜内的C-O、C=O等含氧官能团在200 ℃还原后明显减少,碳原子的主要键合类型由C-C键变为C=C键。当还原温度升至600 ℃时,rGO薄膜内仍保留了部分含氧羟基官能团,C/O为7.18,而经800 ℃还原的rGO薄膜成分已趋近石墨烯。随着还原程度的增大,rGO薄膜的电阻率呈明显下降趋势,但氧原子的析出破坏了rGO薄膜的层间致密结构,使拉伸强度逐渐降低。当还原温度达到600 ℃时,电阻-温度曲线表现出优异的线性关系,室温电阻温度系数(temperature coefficient of resistance, TCR)为-1.60×10^-3/℃。在24 V直流驱动电压下,经600和800 ℃热还原的rGO薄膜可分别加热至242和367 ℃,但由于层间结构的松散和开裂,经800 ℃热还原的rGO薄膜的自发热升温曲线波动明显。因此,对于要求加热和测温双功能的应用场景,经600 ℃还原的rGO薄膜表现出更好的综合性能。
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  不同高温冷却方式对氧化石墨烯改性混凝土性能的影响研究^*

  阎首汛, 张翔, 雷真, 董珑慧, 李松

  功能材料. 2024, 55(8): 8185-8192. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.025

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  为探究氧化石墨烯改性混凝土的高温性能和不同冷却方式对混凝土性能的影响,对基准组和掺入0.05%氧化石墨烯的试验组进行FIB-SEM微观观察,并研究不同高温节点经自然冷却、浸水冷却和洒水冷却3种方式对混凝土质量损失率、试件的力学特征以及单轴压缩应力-应变本构方程的影响规律。结果表明,随着热处理温度的升高,基准组和石墨烯组的峰值应力和弹性模量均在逐步下降,质量损失率和峰值应变均在逐步上升,但氧化石墨烯通过细化孔径和调整水泥水化产物的微观结构来提升混凝土力学性能和耐高温性能,展现出更好的力学性能。不同冷却方式对力学性能的影响不同,与降温速率呈正相关关系,即浸水冷却＞洒水冷却＞自然冷却,单轴压缩应力-应变关系可通过分段式方程进行描述。
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  添加剂SiO₂和CaCO₃对M型锶铁氧体结构及磁性能的影响^*

  任相如, 席永曈, 罗琳, 张云川, 罗现福, 钟光伟, 马毅龙

  功能材料. 2024, 55(8): 8193-8200. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.026

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  采用固相法制备M型锶铁氧体,研究了球磨时间与添加剂含量对M型锶铁氧体微观形貌、晶体结构、磁性能的影响。实验结果显示,随着球磨时间的增加,样品的磁性能呈先增后减的趋势。在球磨时间为16 h时,样品展现出最佳的磁性能,其M_r=66.35 A·m²/kg,H_c=140.9 KA/m,(BH)_max=28.88 kJ/m³。此外,在添加剂含量上的研究同样发现,样品的磁性能呈现先增加后减小的趋势。具体而言,当添加剂为CaCO₃时,最佳的添加量为1%(质量分数),此时(BH)_max=29.36 kJ/m³,而当添加剂为SiO₂时,最佳添加量为0.2%(质量分数),此时(BH)_max=34.63 kJ/m³,H_c=337.0 KA/m,M_r=65.01 A·m²/kg。实验结果表明通过调节球磨时间和添加剂含量可以改善锶铁氧体的孔隙率,进而提高该材料的磁性能。
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  能带调控与点缺陷工程改善Cu₁₂Sb₄S₁₃的热电性能^*

  杨超, 姜淑印, 李世叶, 王杰, 张晋, 成世兴

  功能材料. 2024, 55(8): 8201-8207. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.027

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  研究采用廉价高价元素Ga取代Cu,利用高温熔融、退火结合放电等离子烧结技术(SPS)制备了Cu_12-xGa_xSb₄S₁₃(x=0,0.05,0.1和0.15)热电材料,并对样品的物相组成、能带结构和热电性能进行了表征与分析。结果表明,Ga掺杂能够在导带附近引入杂质带,起到施主能级的作用,降低空穴载流子浓度,提高材料的Seebeck系数。同时,随着Ga掺杂量的增加,热导率显著下降,当温度为770 K时,Cu_11.85Ga_0.15Sb₄S₁₃样品热导率下降到1.20 W/mK,比本征材料降低了29%。最终,Cu_11.9Ga_0.1Sb₄S₁₃样品获得最佳的热电性能,在770 K时ZT值为0.7,相比本征材料提高了40%。
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  不同配体对CdHgTe/ZnTe的质量及稳定性的研究^*

  刘西京, 郑汉, 张家泉

  功能材料. 2024, 55(8): 8208-8213. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.028

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  研究了负载巯基丙酸(MPA)、半胱氨酸(L-Cys)和谷胱甘肽(GSH)3种配体的高亮度水溶性近红外CdHgTe/ZnTe纳米晶体。实验首次采用冻解熔融分段控温微波一步合成高质量的CdHgTe/ZnTe核壳纳米晶。纳米晶体的荧光产率极大程度的受到了合成时组分、浓度、以及表面配体的影响。对CdHgTe/ZnTe纳米晶体采用了紫外光谱、荧光光谱对其光谱性能进行分析,透射电镜、X射线衍射、光电子能谱对其表面形态和结构进行表征。结果显示纳米晶体的荧光产率能显著提高的最主要的原因是CdHgTe核与ZnTe壳层的晶格错配率仅为6%,极大的降低了其表面缺陷同时提高了纳米晶体的荧光稳定性。此外,CdHgTe/ZnTe核壳纳米晶体成功的运用于细胞的标记。在紫外光连续40 min的照射下,半胱氨酸和谷胱甘肽所负载的纳米晶体荧光基本没有变化,表明其较高的抗光漂白和抗氧化性能。
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  Ce介电增强WO₃在摩擦纳米发电机中的应用^*

  任远航, 谢远航, 张雨涵, 陈杰, 万步勇, 杨晓红

  功能材料. 2024, 55(8): 8214-8220. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.029

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  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。
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  流线形激光织构对Ti6Al4V合金摩擦磨损性能的影响^*

  魏北朝, 陈文刚, 郭思良, 袁浩恩, 周意皓, 程家豪, 陈红艳, 刘伟

  功能材料. 2024, 55(8): 8221-8229. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.030

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  Ti6Al4V合金因同时具有众多优良的机械性能而成为机械中关键零部件的首选材料,然而,Ti6Al4V合金硬度低、耐磨性差等缺陷限制了其在机械领域更为广泛的应用。鉴于此,研究利用激光织构技术在Ti6Al4V合金表面制备流线形对称织构,在油润滑条件下,通过摩擦实验系统研究了不同参数激光流线形织构对Ti6Al4V合金材料耐磨性的影响。利用SEM、LICHEN电子天平等设备对不同样品表面的磨痕形貌、磨损量等进行表征。实验结果表明,当织构长度为400 μm,深度为600 μm时,样品的摩擦系数及磨损量较小,减摩效果更好。此外,研究还利用ANSYS Workbench软件对润滑油在织构表面的流动特性进行模拟,发现实验中摩擦系数的减小主要是润滑油在织构作用下流速、流向发生变化导致油膜压力增大而引起的。油膜压力增大能提高油膜的承载力,有效降低摩擦副的摩擦系数。
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  6082铝合金的力学性能与热处理工艺的关系研究^*

  高聪, 兰莎, 杨琴, 谭召召, 李佳, 李铁虎

  功能材料. 2024, 55(8): 8230-8236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.08.031

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  汽车工业的不断升级,对铝合金的性能和轻量化效果提出了更高要求。热处理是提高铝合金性能的有效方式之一,但如何获得最优的热处理工艺参数组合,成为行业亟需解决的问题。以6082铝合金型材前碰横梁为研究对象,系统深入研究了热处理工艺参数(固溶温度、固溶时间、时效温度、时效时间)对力学性能的影响,并建立了力学性能与热处理工艺参数的关系模型,并通过ESDB、SEM等手段分析了不同工艺参数下的微观形貌。结果表明,当固溶温度为530 ℃、固溶时间为1 h、时效温度为170 ℃、时效时间为6 h时,6082铝合金型材的力学性能最优,其屈服强度达313 MPa,抗拉强度达350 MPa,断后延伸率达13.21%;建立Y值(屈服强度、抗拉强度、断后延伸率)与关键工艺因子的关系模型,其中固溶温度对力学性能的影响最大;固溶温度为530 ℃时,晶粒尺寸最小,析出的细小Mg2Si相和Al(FeMnSi)相使力学性能最优,其拉伸断口主要为韧窝断裂。为铝合金型材热处理工艺的优化提供理论依据和实践指导。