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高性能膜材料

在资源约束加剧与环境污染治理需求升级的双重驱动下,高性能膜材料作为物质分离与能量转化的核心载体,正成为支撑清洁能源、水安全、碳中和等全球战略的关键技术。从海水淡化到气体分离,从锂离子电池隔膜到人工器官界面,膜材料的性能突破直接决定了相关领域的工艺极限与应用边界。本期专题期刊聚焦高性能膜材料的创新前沿,旨在为学术界与产业界搭建跨学科交流平台,探索材料科学与工程技术的融合路径。

当前,高性能膜材料的研究正经历从结构调控到功能集成的范式转变。在水处理领域,纳滤膜通过孔径精准调控与表面电荷修饰,实现了对微量污染物的高效截留;反渗透膜的抗污染设计与低能耗化改性,则推动了海水淡化技术的规模化应用。在能源领域,固态电解质膜凭借其高离子选择性与热稳定性,为锂金属电池的商业化提供了安全保障;质子交换膜的质子传导机制优化与耐久性提升,成为燃料电池性能突破的关键。此外,二维材料(如石墨烯、MXene)的层间通道工程、MOFs/COFs的孔道功能化修饰,以及仿生膜的智能响应设计,正开辟着分子筛分与物质传输的新纪元。

然而,高性能膜材料的产业化仍面临多重挑战。如何通过分子模拟与机器学习加速膜材料的理性设计?如何解决聚合物膜的“trade-off”效应(渗透性与选择性矛盾)?如何实现无机膜的柔性加工与缺陷控制?这些问题已成为当前研究的焦点。

本专题期刊汇聚了国内膜材料领域的最新成果,涵盖膜材料开发、分离机制解析、环境应用等方向。希望通过交流碰撞,揭示膜材料性能优化的深层机理,探索从实验室到工业化的转化路径,为构建资源节约型与环境友好型社会提供关键材料支撑。

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  • 研究·开发
    麻志微, 邹淑芬, 曾蓉, 刘颖, 王林, 张佳敏, 那兵, 柳和生
    功能材料. 2025, 56(3): 3150-3157. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.03.019
    隔膜是锂电池的重要部件之一。商业化聚烯烃隔膜的电解液润湿性差、高温热收缩,难以满足高性能锂电池发展的需要。通过在醋酸纤维素(CA)溶液中原位聚合丙烯酰胺,并采用同步相分离和脱乙酰,制备了纤维素/聚丙烯酰胺(d-CA/PAM)复合隔膜。d-CA/PAM隔膜具有高孔隙率(77.9%)、高电解液吸收率(273.0%)、优异的热稳定性(在200 ℃下不收缩)和高离子电导率(1.51 mS/cm)。d-CA/PAM隔膜组装的锂金属电池在1 C时表现出比聚烯烃隔膜更高的初始放电比容量(150.1 mAh/g vs. 143.0 mAh/g)和更好的容量保持率(100次循环94.3% vs. 92.0%)。
  • 工艺·技术
    付超, 张咏琪, 李磊, 刘畅, 张宏霞
    功能材料. 2025, 56(3): 3165-3171. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.03.021
    通过电化学方法在金属表面沉积无机酸掺杂聚苯胺膜,能够有效增强金属的防腐蚀性。掺杂无机酸的种类及不同的电化学制备方法对聚苯胺的结构及防腐性能有显著影响。采用电化学工作站三电极系统在304不锈钢(304 stainless steel, 304SS)或ITO导电玻璃表面,分别通过循环伏安法(cyclic voltammetry, CV)和恒电位法(potentiostatic method, PM)合成硝酸、硫酸及盐酸掺杂的聚苯胺。对聚苯胺的结构进行红外光谱和扫描电子显微镜表征,并对聚苯胺膜在硫酸溶液中动电位极化曲线及阻抗图谱的分析表明,利用循环伏安法在0.5 mol/L硫酸溶液中得到的掺杂聚苯胺膜抗腐蚀性能最佳,而硫酸和硝酸摩尔比为4∶1的混合酸掺杂制备的聚苯胺也具备优良的金属防腐性能,这是由不同无机酸掺杂聚苯胺的形态结构所决定的。
  • 工艺·技术
    宁豪宇, 向雯婷, 李嘉宁, 刘彩平, 何坚
    功能材料. 2025, 56(3): 3181-3187. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.03.023
    Ti3C2Tx MXene柔性膜是由二维层状结构的金属碳/氮化物堆叠而成,具有优异的光热转化性能,但由于MXene片层之间以分子间相互作用组装而成,水分子存在易导致结合力降低,从而影响柔性膜的稳定性。针对MXene柔性膜稳定性问题,采用氟化锂+浓盐酸刻蚀,结合超声波剥离,加一定浓度的纳米纤维素(CNC),获得具有一定厚度、表面富含羟基及其它功能基团的Ti3C2Tx MXene纳米片。在此基础上,采用全氟癸基三甲氧基硅烷改性剂对薄膜进行表面化学修饰,获得以纤维素为骨架的疏水柔性膜材料。对得到的复合膜微观形态和表面官能团进行系统表征,再进行力学性能测试,明确掺加纤维素与疏水改性对薄膜的浸润性、光热性能、力学性能等性能的优化。结果显示,所制得的复合膜最大升温速率为115 ℃/min,与水接触角为129.8°,最大承受拉力提升率可达157.95%,光热、疏水以及力学性能表现良好。
  • 工艺·技术
    殷财旺, 陈海霞, 丁继军, 刘紫阳
    功能材料. 2025, 56(2): 2214-2218. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2025.02.027
    结合磁控溅射技术和等离子刻蚀在p型Si上制备了ZnO,Ag/ZnO和Ag/Al2O3/ZnO复合薄膜,并在高真空环境中进行退火处理,表面形貌、晶体结构和光致发光谱被表征。实验结果表明,溅射的Ag薄膜经过250 ℃真空退火和等离子刻蚀后,形成尺寸规则的Ag纳米颗粒,引入Ag和Al2O3之后,ZnO(002)衍射峰的半峰全宽增大,结晶质量下降。Ag/ZnO薄膜在可见区的发光中心被移动到645 nm处,可见光与紫外光强度之比被增加到17.34。同时,Al2O3介质层对ZnO荧光发射具有调制作用,当Al2O3溅射时间为5 min时,Ag/Al2O3/ZnO复合膜在685 nm处出现了最强的发射带,可见光与紫外光强度之比高达78.29,且峰位向长波方向红移40 nm,当间隔层的厚度继续增加时,可见区发射强度反而降低,相应的荧光增强机制被讨论。
  • 工艺·技术
    焦燕妮, 刘忠军, 雷娟, 姬帅, 敖庆波
    功能材料. 2024, 55(12): 12201-12209. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.12.025
    采用加压原位反应烧结技术成功制备了Cu掺杂Ti-Si金属间化合物多孔膜材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和电子万能试验机等测试设备对不同烧结温度、不同Cu掺杂量条件下制备的Ti-Si多孔膜材料进行了表征分析。实验结果表明,所制备的多孔膜表面主要物相均为Ti5Si3,并伴有少量TiCu和Ti-O化合物次生相生成;生成的Ti-Si多孔膜层表面颗粒大小为0.5~2 μm,膜层厚度为6~10 μm。随着Cu粉掺杂量的增加或烧结温度的升高,膜材料的最大冒泡孔径和相对透气系数呈降低趋势,最大冒泡孔径在24~29 μm之间,相对透气系数范围为33~97 m3/(m2·h·kPa)。Cu掺杂可以促进Ti-Si体系原位反应的进行:在加速Ti5Si3多孔膜生成的同时提高了膜层与基体的结合强度,Cu掺杂量为5%(质量分数)、900 ℃时制备样品的膜/基结合强度达到了19.18 MPa。
  • 研究·开发
    王婷, 王平, 吴勇, 张鉴, 张德林, 姜勇
    功能材料. 2024, 55(11): 11096-11100. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.013
    亚铁磁材料NiCo2O4具有高度可调的电荷、自旋、轨道、晶格和缺陷效应,其良好的室温垂直磁各向异性使其在自旋电子学器件中具有重要应用。研究采用磁控溅射法在MgAl2O4(001)衬底上制备了NiCo2O4薄膜,其具有平整的表面形貌和良好外延结构。12和16 nm的NiCo2O4薄膜均呈现良好的垂直磁各向异性,16 nm的NiCo2O4薄膜中还出现了非常规的电输运特性,从200 K开始,随温度上升,其反常霍尔效应曲线表现出多步磁矩翻转现象,这种变化是由于NiCo2O4中多个磁相的互相叠加。NiCo2O4优异的磁电特性及其高度可调性,为设计高性能自旋电子学器件提供了实验依据。
  • 研究·开发
    罗巧裕, 邓慧宇, 王诗平, 聂亮, 陈庆春
    功能材料. 2024, 55(11): 11115-11124. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.11.016
    水中存在的放射性碘离子或过量碘离子会极大危害自然环境,影响人类健康。本实验以聚砜超滤膜为基膜,采用原位紫外接枝法制备了聚苯乙烯磺酸钠纳滤膜,用于水中碘离子的脱除。通过改变接枝单体浓度、溶液用量、辐照时间和辐照距离等条件调节膜性能。结果表明,当基膜表面加入40 mL 0.5 mol/L苯乙烯磺酸钠(SS)溶液,用300 W紫外灯于4 cm高度辐照15 min后,制备的NF-4 cm膜在0.6 Mpa对100 mg/L I-截留率达到92.6%,通量为47.7 L/m2 h。辐照距离增加到10 cm后,制备的NF-10 cm膜由于孔径增大,分离层变薄导致通量明显增加,达到112.9 L/m2 h,由于此时表面有效负电荷增多,所以截留率仅下降至82.9%。需要指出,增大操作压力,NF-4 cm膜通量增大,对I-的截留率基本稳定在90%以上,对Cl-的抗干扰能力较强,预示了该膜在含碘废水处理中具有良好的应用潜能。
  • 热点·关注
    郭沛怡, 季书林
    功能材料. 2024, 55(10): 10013-10021. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.003
    通过简单的溶液工艺将水溶性光交联聚乙烯醇-苯乙烯基吡啶盐(SbQ-PVA)溶液涂敷至银纳米线(AgNWs)薄膜上形成SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜,分析了不同面密度的AgNWs薄膜在涂敷SbQ-PVA前后的光电性能和形貌,对比了AgNWs裸膜和SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜的机械和环境稳定性。结果表明,SbQ-PVA涂层不影响银纳米线网络的导电性,还能起到减小光散射和减反增透的作用,复合薄膜方阻低至约20 Ω/sq时,也具有约90%的高透过率。同时,相比于AgNWs薄膜,SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜具有更优异的稳定性,其对外部刺激(5 000次弯曲、3B铅笔刮擦、空气老化、酸碱盐溶液腐蚀)的抵抗力显著提升。此外,SbQ-PVA/AgNWs复合薄膜能够在去离子水超声处理中保持稳定,利用此特点配合光掩模进一步实现了银纳米线薄膜的图案化。
  • 研究·开发
    韦庆红, 张文, 官磊, 吴晓雪, 刘辉强, 汪建, 王兵, 熊鹰
    功能材料. 2024, 55(10): 10059-10063. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.009
    金刚石薄膜因其高导热性、负电子亲和势、低功函数和长期稳定性的特点被认为是一种很有潜力的场电子发射阴极材料。金刚石薄膜沉积在衬底上后,在不破坏金刚石薄膜自身结构完整性的前提下很难将其剥离。因此在场发射性能测试中一般是将金刚石薄膜和衬底作为整体测试,而衬底和金刚石薄膜间存在界面势垒,界面势垒对场发射性能的影响不可忽略。目前针对金刚石薄膜与衬底界面对场发射性能影响的研究相对较少,需要更多的关注和研究。分别以单晶硅、金属铌、金属钼为衬底,采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法生长制备了金刚石-石墨烯复合薄膜。对金刚石-石墨烯复合薄膜微观形貌、成分含量等进行了表征并研究了其场发射性能。研究结果表明,不同衬底对复合薄膜场发射性能影响显著,以金属铌衬底制备的复合薄膜表现出低开启场(E0=2.5 V/μm)和较高发射电流密度(J@5.3 V/μm=1.9 mA/cm2)。此研究为获得更优场发射性能的金刚石-石墨烯复合薄膜提供了新的思路。
  • 研究·开发
    阎红娟, 米智丰, 程方赢, 司丽娜, 豆照良, 刘峰斌
    功能材料. 2024, 55(10): 10064-10070. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.010
    为了探究V含量对AlCrTiNbVxN薄膜结构和摩擦学性能的影响,使用磁控溅射仪在304不锈钢基体上制备AlCrTiNbVxN薄膜。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析薄膜结构,使用纳米压痕仪、材料表面综合测试仪等表征薄膜力学性能和摩擦学性能。结果表明,AlCrTiNbVxN薄膜均呈面心立方结构,在(200)晶面呈择优取向,衍射角向右偏移。AlCrTiNbV1.0N薄膜在(200)晶面的偏移角度最大,晶面间距最小。随着V含量的增加,AlCrTiNbVxN薄膜的硬度和弹性模量先增大后减小,AlCrTiNbVxN的摩擦系数和磨痕宽度先减小后增大。AlCrTiNbV1.0N薄膜具有最大的薄膜硬度和弹性模量,最小的摩擦系数和磨痕宽度,摩擦学性能最好。主要磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和氧化磨损。
  • 工艺·技术
    顾宁, 刘子萱, 吴栋创, 王妍, 何欢, 姚俊儒, 曹杨, 孙友谊
    功能材料. 2024, 55(10): 10151-10156. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.021
    针对现有柔性高分子复合膜水汽阻隔性能偏低,且水汽透过率、机械力学强度和光学透过率等多性能难以同时优化的矛盾问题,开发了一种新型氧化镁掺杂环烯烃共聚物复合膜(MgO/COC)。探索了MgO含量对复合膜力学性能、热性能、疏水性能以及水蒸气阻隔性能的影响。研究结果表明,MgO在COC复合膜中具有良好的分散性。当1% (质量分数)MgO掺杂COC时,接触角达到最高(106.8°),表明MgO/COC复合膜具有良好的疏水特性。复合膜的水蒸气阻隔性能比纯COC膜提高了63.1%,最小水汽透过率达到0.21 g/(m2·d),是目前公开报道掺杂型高分子复合膜水汽透过率的最低值。优异的水汽阻隔性能归因于MgO与水汽反应特性形成了氢氧化镁,同时氢氧化镁具有优异水汽阻隔性能。该复合膜双机制水汽阻隔特性为食品包装和医药包装的水汽阻隔设计提供新的思路。
  • 工艺·技术
    李为鑫, 孙兆策, 叶献民, 何国强
    功能材料. 2024, 55(10): 10189-10195. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.10.026
    聚苯硫醚(PPS)网基聚砜(PSF)-氧化锆(ZrO2)复合隔膜作为一种新型的高性能碱性水电解制氢隔膜,具有良好机械性能、低面电阻和高化学稳定性等优点。采用预热压成型和浸没沉淀相转换法制备出复合隔膜,研究了铸膜液中PSF、ZrO2纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)含量对隔膜性能的影响。分析比较了复合隔膜(命名为PPZS)和商业化Zirfon UTP 500隔膜的性能。结果显示PPZS复合隔膜的抗拉强度达到36.36 MPa,面电阻达到0.21 Ω·cm2,泡点压力达到0.268 MPa,表现出优异的碱性水电解制氢综合性能。
  • 热点·关注
    张健, 胡建辉, 李瑞雄, 陈务军
    功能材料. 2024, 55(9): 9001-9006. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.001
    ETFE薄膜在自然环境老化后的力学性能是ETFE结构长期使用性能评价的基础。选取在室外自然环境长期使用后的ETFE薄膜,开展了微观形貌表征和宏观力学性能试验,采用能量法确定了自然环境老化ETFE薄膜的屈服点及弹性模量,基于数理统计分析了材料力学参数标准值。研究结果表明,自然环境老化作用使ETFE薄膜材料表面微观形貌粗糙,截面褶皱纹理密集,晶粒尺寸增大了7.8%。老化ETFE薄膜破断强度下降显著,屈服应力及弹性模量降低较大,其标准值为11.73、703.2 MPa,降低了14.9%、13.5%。研究扩展了ETFE薄膜材料力学的研究范畴,可为准确评估ETFE结构长期使用性能提供重要的力学参数。
  • 工艺·技术
    乔骁骏, 薛刚, 丑修建
    功能材料. 2024, 55(9): 9222-9228. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.09.028
    使用化学机械抛光制备硅基铌酸锂单晶异质集成薄膜,研究了在薄膜制备过程中不同阶段下薄膜状态,利用原子力显微镜(AFM)和X射线光电子能谱分析(XPS)对单晶铌酸锂的表面形貌与元素含量变化进行了表征,并通过高压极化装置对铌酸锂薄膜实现了大面积周期性极化。研究结果表明,随着研磨步骤的进行,样品表面粗糙度逐渐降低,完成最终抛光工艺后,样品表面均方根粗糙度基本达到初始样品水平;抛光过程会导致Li缺失,但是可以通过后续工艺进行修复,研磨过程中引入的杂质元素会随着工艺的进行逐渐被去除,最终得到高质量硅基铌酸锂单晶薄膜;使用高压极化装置对铌酸锂薄膜进行极化,得到周期极化的条形电畴反转单元结构。该研究对制造基于铌酸锂的高性能传感器件具有重要意义。
  • 综述·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
    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。
  • 工艺·技术
    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
    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。
  • 工艺·技术
    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
    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RIR为94%、辐射率ε为0.12。
  • 工艺·技术
    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
    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。
  • 热点·关注
    于帆, 王俊怡, 赵瑞琪, 骆春佳, 晁敏, 颜录科
    功能材料. 2024, 55(6): 6009-6018. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.06.002
    通过真空辅助组装构建g-C3N4/MXene@Ag(CNMA)分离膜。研究表明,银纳米粒子的引入可以增强表面润湿性并优化传质通道,复合膜最高分离通量(对水包1,2-二氯乙烷乳液)为(6 812.7±106) L m-2 h-1 bar-1,最大效率可达99.7%。值得注意的是,CNMA复合膜具有显著的抗污能力,在连续使用10次后仍保持稳定的分离性能。此外,MXene@Ag材料能够优化复合膜体系的能带结构,促进电子-空穴(e--h+)的有效空间分离,从而改善光电性能,实现对有机污染物(染料、抗生素)的高效去除,其中对亚甲基蓝染料的降解效率为98%。CNMA分离膜适用于有机污染物场景下的水环境修复,满足实际污水处理要求,具有十足的发展前景。
  • 研究·开发
    詹辉, 郭雅妮, 同帜, 吕相玉, 陈维星
    功能材料. 2024, 55(6): 6108-6117. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.06.014
    采用工业废弃物粉煤灰为主料,结合黏结剂(羧甲基纤维素CMC)、造孔剂(木炭粉),探究烧结助剂(单相:CuO;复相:TiO2-CuO-MgO)在粉煤灰基陶瓷膜支撑体烧制中的作用与效应。其一探究单相烧结助剂CuO添加量对支撑体宏观理化特性(纯水通量、抗折强度、酸/碱腐蚀率)与微观结构特征(物质组成、微观形貌)的影响;其二通过正交实验研究复相烧结助剂TiO2-CuO-MgO不同配比下支撑体性能表现从而得到最优制备方案。结果表明,在1 050 ℃烧制温度下,CuO添加量为1%(质量分数)时样品性能良好,此时纯水通量:2 649.577 L/(m2·h·MPa),抗折强度:49.677 MPa,酸/碱腐蚀率:0.471%/0.107%,平均孔径2.375 μm,孔隙率为45.347%;1 050 ℃条件下,TiO2-CuO-MgO配比为1.5%(质量分数)TiO2、0.7%CuO、5%MgO时,样品综合性能最佳,性能数据为——纯水通量:6729.268L/(m2·h·MPa),抗折强度:67.454 MPa,酸/碱腐蚀率:2.964%/1.427%,平均孔径4.216 μm,孔隙率为48.608%。
  • 研究·开发
    韩涧, 陈泺屹, 马彬彬, 陈椋煜, 雷彩霞
    功能材料. 2024, 55(5): 5114-5118. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.05.016
    利用电化学沉积法,以醋酸铜和醋酸钠为电解质溶液,在铟锡氧化物(ITO)导电玻璃表面制备了Cu2O薄膜。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis)分别对Cu2O薄膜的物相、微观形貌和光学性质进行了表征。并在光照的条件下,测试了Cu2O的光电流谱,评价了Cu2O薄膜的光电化学性能和光催化降解亚甲基蓝的活性。
  • 研究·开发
    李科, 杨林, 杨麟, 杜娟, 李新跃
    功能材料. 2024, 55(5): 5141-5146. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.05.020
    采用水热法合成了氧化亚锡(SnO),然后再通过原位聚合法将合成的SnO引入到聚酰亚胺基体中,制得SnO/PI复合薄膜。SnO的含量对该薄膜的介电常数、介电损耗、拉伸强度和击穿强度具有显著影响。当SnO含量为10%(质量分数)时,SnO/PI复合薄膜的介电常数高达456,介电损耗仅为0.034,拉伸强度为65 MPa,击穿强度为146.9 MV/m。将SnO引入到PI基体中能改善PI薄膜的介电性能,使其在储能、航空航天、绝缘等领域有很好的应用前景。
  • 工艺·技术
    张嗣尧, 王美涵, 李梓嘉, 张钧
    功能材料. 2024, 55(5): 5232-5236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.05.032
    不同表面形貌的多孔NiO纳米薄膜在电致变色领域应用潜力巨大。在NiSO4·6H2O水溶液中添加非离子表面活性剂TX-100,制备多孔NiO薄膜。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)对未添加表面活性剂以及添加TX-100的NiO薄膜形貌和组成进行表征。采用电化学工作站和紫外-可见分光光度计测试电致变色性能。结果表明TX-100的添加可以使多孔NiO薄膜孔径变小,表面更加致密,这提供了更大比表面积与更多活性位点,改善光学性能,并在一定程度上提升NiO薄膜的循环稳定性。在600 nm波长处,添加TX-100的NiO薄膜的最大光调制幅度为68.88%,相较未添加表面活性剂的NiO薄膜增加了8.58%。
  • 综述·进展
    徐春梅, 井丽敏, 张斌, 王苒, 陈露露, 柳竹青, 韩文佳
    功能材料. 2024, 55(2): 2115-2123. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2024.02.013
    淀粉是由α-葡萄糖分子聚合而成的天然高分子材料,来源广泛,主要分布在植物的根茎中,具有价格低廉、可再生及可生物降解等优点。利用淀粉制备天然可降解塑料薄膜,对解决和改善环境污染有着重大意义。与淀粉基材料相比,聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等合成高分子为原料制成的热塑性产品具有气味刺激性、不可生物降解和污染环境等缺点。基于淀粉的天然优势,以淀粉为原料制成的可生物降解热塑性材料成为国内外研究人员的研究热点。主要综述了淀粉的结构和性质,淀粉的增塑方法,淀粉膜的制备方法,热塑性淀粉基功能性膜材料研究进展,并对热塑性淀粉基功能材料的研究内容进行了总结与展望。
  • 研究·开发
    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
    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)。
  • 工艺·技术
    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
    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。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    赵晓君, 罗旭良, 翁梦蔓, 闵永刚
    功能材料. 2023, 54(12): 18-22. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.12.003
    为确保电子设备的正常运行和安全工作,围绕电子元器件热管理的研究近年来热度持续升高,聚酰亚胺(PI)作为基材生产的石墨膜是一种重要的导热材料,且能通过掺杂改性提高石墨膜的导热性能。而相较于固体导热填料,离子液体与聚酰亚胺基体的相容性更好,已常见于气体分离膜、无色聚酰亚胺(CPI)等应用。以4,4′-二氨基苯酰替苯胺(DABA)与3,3′,4,4′-联苯四甲酸二酐(BPDA)作为单体,利用1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(IL)这一具有多个氢键位点的IL对PI薄膜进行改性,而后通过石墨化制备得高导热石墨膜。研究结果表明,IL含量为5.0%(质量分数)时,石墨膜晶粒尺寸为78.417 nm,石墨化程度达88%,导热系数达770 W/m·K,为纯PI基石墨膜的1.53倍。
  • 研究·开发
    彭井泉, 郑学军, 冯春阳, 李方, 黄乐, 陈立, 左滨槐, 陈丽娟, 贺楚才
    功能材料. 2023, 54(11): 11118-11125. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.11.014
    将磁控溅射和感应耦合相结合形成感应耦合等离子体增强磁控溅射技术(ICPMS),制备了MoO3高透亲水光学薄膜。使用分光光度计、水接触角测试仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和X射线能谱仪,分别表征薄膜的光学性能、润湿性能、显微形貌、晶体结构和化学成分。通过正交实验法,以MoO3薄膜的氧钼比、光学透过率、水接触角为指标,探究了感应耦合等离子体(ICP)氧氩比、ICP功率、靶位工作压强和ICP前处理时间工艺参数对MoO3薄膜性能的影响。结果表明:氧氩比是影响性能的主要参数,其次是工作压强,影响最小参数是ICP功率。最优工艺参数是氧氩比400/300、靶位工作压强为0.15 Pa、功率为1500 W、前处理时间为18 min。研究为高透亲水光学薄膜应用,提供具体实验设计和工艺方法指导。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    陈玉杰, 杨洪旺, 林宇蓓, 邝向军, 温才
    功能材料. 2023, 54(10): 10021-10029. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.10.004
    Ti超掺杂Si(Si:Ti)薄膜是通过脉冲激光的非平衡作用,在Si中掺入超固溶度3个数量级以上的高浓度Ti杂质形成。它摆脱了Si禁带宽度的限制,具有优异的亚带隙近红外(λ=1 100~2 500 nm)光吸收性能。通过真空电子束蒸发结合紫外纳秒激光熔融的方式,制备了Ti-Al共掺杂Si(Si:(Ti-Al))薄膜,以进一步提高薄膜的亚带隙近红外光吸收性能,更好地满足近红外器件的需求。研究结果表明,Si:(Ti-Al)薄膜的薄层电阻,由本征单晶Si衬底的104 Ω/square量级降低至102 Ω/square量级,与Si:Ti薄膜一致。但是,Si:(Ti-Al)薄膜在亚带隙近红外波段的吸光度,较本征单晶Si衬底平均提高了7倍,最大提高了一个数量级(λ=1 800 nm处);较Si:Ti薄膜平均提高了33%,最大提高了57.2%(λ=1 200 nm处)。表面形貌分析表明,Si:(Ti-Al)薄膜的二次激光加工降低了表面光反射。薄膜成分分析表明,Si:(Ti-Al)薄膜中存在TiSi2和AlTi。TiSi2的存在表明,Ti杂质被激活后与Si原子键合。AlTi的存在并结合能带结构分析表明,Si:(Ti-Al)薄膜中通过改变Al补偿杂质浓度,调节费米能级位置,从而增强了亚带隙近红外光吸收性能。
  • 研究·开发
    程露路, 孙可为, 尹洪峰, 袁蝴蝶, 杨春利, 魏英
    功能材料. 2023, 54(10): 10149-10154. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.10.020
    采用磁控溅射的方法在PET衬底上制备了AZO/Cu/AZO/CTO薄膜,系统研究了CTO(CeO2-TiO2)层厚度对AZO/Cu/AZO/CTO薄膜的微观结构、光学性能、红外发射率和导电性的影响。结果表明,随着CTO层厚度的增加,多层膜的带隙变窄,紫外阻隔率和近红外阻隔率提高,可见光透过率降低。同时,CTO层有利于降低多层膜的表面电阻和红外发射率。当CTO层厚度为34.2 nm时,多层膜的紫外阻隔率为92.0%,近红外阻隔率为46.5%,可见光透过率为62.5%,8~14 μm红外发射率为0.163,因此AZO/Cu/AZO/CTO薄膜具有光谱选择性和低的红外发射率,是一种有潜力的太阳阻隔膜和红外隐身材料。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    王旸, 张锦文
    功能材料. 2023, 54(9): 9007-9016. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.09.002
    金刚石薄膜具有负电子亲合能、高热导率和极强的化学惰性等优势,作为场发射材料引起了广泛关注。回顾了金刚石薄膜的分类,介绍了氢化金刚石薄膜具有的负电子亲合能特性,分析了金刚石薄膜场发射特性的影响因素,列举了场发射特性的优化方向,并总结了文献中报道的金刚石薄膜与其他材料复合获得的场发射阴极的性能,对于分析和改进金刚石薄膜器件场发射性能具有重要意义。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    费宇明, 周涵, 艾志强, 张发培
    功能材料. 2023, 54(9): 9029-9037. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.09.005
    利用苯并噻二唑基半导体聚合物PffBT4T-2DT与弹性体聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)通过溶液相共混,采用旋涂法制备共混薄膜。并采用层压转移法构筑共混薄膜有机场效应晶体管(OFET)来研究薄膜的电荷传输特性随拉伸应变的变化。结果显示,PffBT4T-2DT/PDMS共混薄膜中诱发垂直相分离结构,即PffBT4T-2DT组分富集在薄膜下层而PDMS集中在上层。PDMS引入还导致PffBT4T-2DT骨架链堆垛结构的改变,促使分子链间倾向于edge-on堆积方式。相比纯PffBT4T-2DT薄膜,共混薄膜具有优异的可拉伸性能,使其在100%的高拉伸应变下仍保持较高的载流子迁移率。这源于弹性的PDMS基体有效地耗散拉伸产生的薄膜内部能量。基于柔性薄膜结构表征,分析了薄膜微结构与其力学性质和电荷传输性能间的内在联系。
  • 综述·进展
    孔德茹, 安佳钰, 刘靖, 孙冬兰
    功能材料. 2023, 54(9): 9059-9069. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.09.008
    新型掺铝氧化锌(AZO)透明导电薄膜光学性能优异,成本低廉,有望取代技术成熟的掺锡氧化铟(ITO)薄膜。主要简述了AZO薄膜的结构及其光电性能,重点综述了薄膜的制备工艺以及应用领域,对极具开发潜力的AZO薄膜的产业化前景进行了展望。
  • 研究·开发
    高鑫, 王静静, 刘平, 马迅, 张柯, 马凤仓, 李伟, 徐魁, 鄢子茗, 应盈悦
    功能材料. 2023, 54(9): 9145-9151. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.09.018
    为了得到力学性能和断裂韧性都更为优异的薄膜,采用磁控溅射技术,在Si衬底上沉积了不同Si含量的(TiAlCrZrNb)-Six-N(x=0,4%,8%,12%,16%)高熵陶瓷纳米复合膜。采用X射线衍射仪、扫描电镜、高分辨率透射电镜和纳米压痕仪研究了Si元素的加入对所制薄膜微观结构、力学性能和断裂韧性的影响。结果表明,随着Si元素的掺入,薄膜的力学性能和断裂韧性都先升高后降低,这种趋势归因于形成的纳米复合结构。当Si含量为4%(体积比)时,(TiAlCrZrNb)-Six-N薄膜具有最好的综合力学性能,其最大硬度和弹性模量分别为22.7 GPa和192.0 GPa,此时断裂韧性也达到最好,径向裂纹长度C为6.760 μm,KIC为1.77 MPa·m1/2
  • 工艺·技术
    李梓嘉, 王美涵, 魏丽颖, 牟冬雨, 宋然, 张钧
    功能材料. 2023, 54(9): 9172-9176. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.09.022
    在钨粉和过氧化氢反应后的WO3溶胶前驱体中加入适量十二烷胺,采用浸渍提拉法经400 ℃热处理2 h后制得多孔WO3薄膜。使用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、和能谱仪(EDS)表征薄膜晶体结构和表面形貌。使用电化学工作站和分光光度计测试其电致变色性能。结果表明WO3薄膜具有部分晶化的无定形结构且表面疏松多孔。多孔WO3薄膜的电流密度较大,致/褪色可逆性更好。多孔WO3薄膜为离子/电子扩散提供更多通道,加快了注入/脱出速率、缩短响应时间。在波长600 nm处,其光调制幅度为58.42%,较致密WO3薄膜增加了4.18%。光密度变化和致色效率比致密薄膜分别提高了11.7%和8.4%。
  • 研究·开发
    王慧, 牛力, 李旭, 刘志明
    功能材料. 2023, 54(8): 8183-8191. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.08.023
    以浓硫酸水解脱脂棉获得的,具有较高机械强度和结晶度的纤维素纳米晶(CNC)作为增强相,结合具有良好热稳定性、化学稳定性的聚丙烯腈(PAN),采用简单的静电纺丝技术制备了具有较高的孔隙率和纯水渗透通量的CNC/PAN复合纳米纤维膜。通过各项表征考察了CNC添加量对薄膜各项性能的影响,结果表明与Pure PAN相比,CNC/PAN复合纳米纤维膜具有良好的热稳定性,更好的力学性能和亲水性。探究了薄膜使用前后厚度、孔隙率与纯水渗透通量的变化情况,分析了薄膜的油水分离性能,拓展了其在水处理领域的应用。
  • 工艺·技术
    樊凡, 王仲民, 甘伟江, 林振琨
    功能材料. 2023, 54(7): 7230-7236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.07.031
    过渡金属碳/氮化物(MXene)是一种具有高电化学活性、高电导率、高堆积密度以及优异的力学柔性的二维纳米层状材料,这种特性使其广泛应用于超级电容器领域。但是,Mxene材料容易产生自堆叠问题,影响其作为电极材料的性能。通过溶剂热处理、抽滤等步骤将柿子单宁(PT)掺杂到Ti3C2Tx Mxene中制备了Ti3C2Tx/PT复合薄膜材料,并对其形貌、结构以及电化学性能进行了详细表征,证明了少量PT掺杂可有效改善Ti3C2Tx的堆叠性质,使得电解液离子快速扩散,有利于复合薄膜电容的提升,但是过多的PT引入会导致电容性能降低。电化学测试结果表明,在电流密度为1 A/g时,Ti3C2Tx/PT0.01复合薄膜电极的质量比电容最高达到448 F/ g,相比未掺杂的Ti3C2Tx薄膜提升了23.8%,并且表现出更好的倍率性能。证明了所提出的PT掺杂策略是提升Ti3C2Tx Mxene电容性能的有效手段,这种策略未来有望进一步拓展到其他相似的二维纳米材料当中。
  • 热点·关注 (2022年度重庆市出版专项资金资助项目)
    杜炳文, 何帅, 廉晓克, 汪子又, 刘昱辰, 邓怡
    功能材料. 2023, 54(6): 6001-6010. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.001
    糖尿病作为一种代谢性疾病,其体内的高血糖常会引发血管功能障碍和严重的伤口感染,从而导致糖尿病患者皮肤受损后易引发致病菌感染使其伤口难以愈合。针对该问题,研究以Ag2S/液态金属复合物及葡萄糖氧化酶(GOx)为基础构建了一种光/葡萄糖双响应的聚乳酸-羟基乙酸共聚物薄膜(PLGA/Ag2S@LM-GOx),以望能够高效地消灭病原体细菌从而缓解伤口感染情况。XRD、SEM、EDS和BCA蛋白检测分析等表征结果证明了Ag2S@LM复合物及PLGA/Ag2S@LM-GOx薄膜的成功制备;PL光谱结果证明了,相比于单一的Ag2S,在形成Ag2S@LM复合物后的光激发电子-空穴的分离效率有明显地提升;光热实验结果证明了,PLGA/Ag2S@LM-GOx在NIR光的照射下能够将光能转化为热能;随后,光动力/化学动力学相关表征证明了PLGA/Ag2S@LM-GOx在光激发和葡萄糖环境中能够产生活性氧(ROS),实现光/葡萄糖双响应的协同效应,具有对细菌造成氧化应激损伤的潜力。抗菌实验表明,PLGA/Ag2S@LM-GOx薄膜在富含葡萄糖和NIR光激发的条件下下,能够高效地消灭金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus,S. aureus)和大肠杆菌(Escherichia coli,E. coli),证明了该种材料具有在光/葡萄糖双响应的协同杀菌能力。提供的方案不仅为治疗糖尿病患者伤口感染问题提供了一种新的方法和实验支撑,同时为新型薄膜材料的设计提供了一种新的思路。
  • 综述·进展
    李江琴, 姚凯利, 胡天丁, 陕绍云, 把明芳
    功能材料. 2023, 54(6): 6080-6087. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.009
    纤维素具有可再生、可降解、环保和无污染等特点。以纤维素为原料,制备得到的纤维素基膜材料,具有优良的分离,吸附,导电,磁性和刺激响应等性能,被广泛应用于分离,导电,包装,吸附等研究领域。因此,主要综述了纤维素材料在分离膜、导电膜、包装膜以及吸附膜领域的应用研究进展,并对其未来的发展趋势进行了展望。
  • 工艺·技术
    冉丽阳, 宋贵宏, 陈雨, 杨爽, 胡方, 吴玉胜, 尤俊华
    功能材料. 2023, 54(6): 6215-6223. https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-9731.2023.06.028
    利用高真空磁控溅射设备,采用Mg-Sn-Si合金靶材和纯Mg靶进行顺序沉积,在表面含有500 nm厚氧化硅的单晶Si(100)衬底上制备了不同Mg含量的Mg-Sn-Si薄膜。沉积Mg-Sn-Si薄膜的相组成、化学成分、表面和横截面形貌和热电性能被系统的测量、观察和分析。结果表明,制备的Mg-Sn-Si薄膜由Mg2(Sn,Si)固溶体和金属Mg相组成。随着金属Mg相含量的增多,沉积薄膜载流子浓度升高,迁移率降低。沉积薄膜的电导率随着金属Mg相含量的增多而增大,而Seebeck系数降低。沉积薄膜的金属Mg相含量增加,虽然电导率增加,但因Seebeck系数急剧下降,最终导致功率因子下降。在所研究的金属Mg含量范围内,Mg2(Sn,Si)固溶体薄膜含有部分金属Mg相,对提高复合薄膜的功率因子是不利的。