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仿生超疏水表面的发展及其应用研究进展
佟威, 熊党生
2019 Vol. 34 (11): 11331144
摘要(
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受自然界荷叶 “出淤泥而不染”的启发, 超疏水现象引起了研究者广泛的关注, 并成功制备了人工超疏水表面。本文对典型的仿生超疏水材料进行梳理, 并针对近期研究成果进行了综述, 对超疏水涂层的诸多制备方法作了优缺点总结和评述, 概述了超疏水涂层在自清洁、防覆冰、耐腐蚀和油水分离领域的应用研究现状, 尤其对超疏水防覆冰的机理及实现方式作了总结分析, 剖析了现阶段超疏水研究过程中面临的挑战, 展望了未来的发展趋势, 希望为超疏水涂层在工程领域的应用研究提供参考。
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单基质白光LED荧光粉研究进展
曹逊, 曹翠翠, 孙光耀, 金平实
2019 Vol. 34 (11): 11451155
摘要(
1507 )
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白光LEDs(White Light-Emitting Diodes, WLEDs)作为一种新型的固体照明光源, 相对于已有光源(白炽灯、荧光灯等)具有发光效率高、响应速度快、寿命长等优势, 在照明和显示领域有着广阔的应用前景。目前获取WLEDs最常用的方法是蓝光LED芯片激发YAG : Ce 3+黄光荧光粉以及紫外-近紫外芯片激发三基色荧光粉(RGB混合荧光粉), 相比于以上两种方式, 单基质WLEDs荧光粉由于能克服传统RGB荧光粉颜色再吸收及配比调控的问题, 获得较高的流明效率及较高色彩还原性而受到越来越多的关注。目前关于单基质白光荧光的研究已有大量文献报道, 涉及多种材料体系, 按照发光原理的不同, 可以将其地简单分为单离子激发体系、多离子激发体系以及不依赖于稀土离子发光的其他体系等。本文综述了单基质WLEDs荧光粉的研究进展, 指出了其发展中存在的问题, 并对未来发展趋势作了展望。
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Ag掺杂HgS量子点: 一种pH调谐的近红外Ⅱ区荧光纳米探针
王君诚, 杨菲菲, 高冠斌, 孙涛垒
2019 Vol. 34 (11): 11561160
摘要(
547 )
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近红外荧光特别是近红外Ⅱ区(1000~1700 nm)荧光在生物体内具有高组织渗透率、高时空分辨率、低背景荧光干扰和低光损伤的特点, 因此发展水溶性与生物相容性良好、量子产率高的长波段近红外荧光探针意义重大。本研究制备了不同荧光发射的Ag掺杂HgS量子点(HgAgS量子点)。在不同pH溶液中制备的HgAgS量子点荧光发射峰位于近红外Ⅱ区, 且呈现规律性变化; 随pH的增大, HgAgS量子点荧光发射峰先红移而后蓝移, 发射波长在pH 6时达到最大1110 nm; 原子吸收光谱表明在不同pH溶液中制备的HgAgS量子点, Ag的掺杂量(Ag/Hg比值)呈现出与荧光发射峰相同的规律性变化, 证明通过pH调控Ag的掺杂量从而调谐荧光发射峰的位置。HgAgS量子点的量子产率随pH先增加后降低, 在pH 7时达到最大13.23%(λem=1100 nm)。细胞毒性实验表明Ag的掺杂量对HgAgS量子点的细胞毒性无明显影响, 在1~50 μg/L浓度范围内均无明显细胞毒性。本研究结果不仅为体内进行近红外荧光成像提供了基础研究数据, 而且为荧光纳米探针的设计与制备提出了新的见解。
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基于MoS2/SiO2范德华异质结的VO2薄膜转移打印研究
肖敏, 孙睿智, 李艳芳, 康同同, 秦俊, 杨润, 毕磊
2019 Vol. 34 (11): 11611166
摘要(
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近年来, 柔性电子器件由于在物联网、生物电子等领域的潜在应用引起了研究者的广泛关注。功能氧化物材料在柔性聚合物中的集成已被证明是实现高性能柔性电子器件的有效方式。由于功能氧化物薄膜通常需要高温制备, 直接在柔性聚合物基底上合成高质量的氧化物薄膜仍然是一个巨大的挑战。本研究提出了一种基于MoS2/SiO2范德华异质结转移打印大面积VO2薄膜的方法, 即利用MoS2和SiO2薄膜亲疏水性能的不同, 可以仅使用去离子水解离MoS2/SiO2范德华异质结界面, 成功将Si/SiO2/MoS2/SiO2/VO2 多层膜结构上的VO2薄膜转印到Si、SiO2/Si以及柔性基底上。X射线衍射(XRD)结果显示, 转印前后VO2薄膜的晶体结构没有差异, 变温Raman光谱和变温红外反射光谱证明了转印前后VO2薄膜良好的金属-绝缘体转变性能。本研究提供了一种有效的功能氧化物薄膜转印方法, 在不引入牺牲层和腐蚀性溶剂的条件下, 实现了VO2薄膜在任意基底上的低温集成, 为柔性可穿戴电子器件的研制提供了一种新思路。
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基体合金元素对SiC/Al界面结合影响的第一性原理及实验研究
邹爱华, 周贤良, 康志兵, 饶有海, 吴开阳
2019 Vol. 34 (11): 11671174
摘要(
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采用基于密度泛函理论的第一性原理及实验相结合的方法, 探讨了Al基体中分别掺杂Mg、Si、Cu合金元素对SiC/Al界面结合的影响, 重点考察了合金元素在界面偏聚时的电子结构和成键情况。研究表明: 在未掺杂Al/SiC体系界面结构优化时, 以Si原子为终止面的Brigde结构是最稳定的结合方式; 当合金元素分别替换界面处的Al原子后, 界面处原子的分波态密度、Muliken电荷及成键原子集居数等电子结构参数均有不同程度的变化, 这不仅增加了界面处 Si与Al原子结合, 同时也增强了界面处和亚界面处的Al基体和SiC增强相原子之间的相互作用, 使体系更加稳定, 界面黏着功均有不同提升; 其中掺Mg提升效果最明显, 其次为掺Cu和掺Si; 利用第一性原理计算的掺杂Al/SiC体系黏着功和实验值较为接近且变化规律相同。
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石墨烯浓度对ZrH1.8表面微弧氧化陶瓷层的影响
杜培, 闫淑芳, 陈伟东, 李世江, 马文
2019 Vol. 34 (11): 11751180
摘要(
607 )
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在Na5P3O10-KOH-Na2EDTA电解液中, 以石墨烯为添加剂, 在恒压模式下对ZrH1.8表面进行微弧氧化处理。采用涂层划痕仪测试陶瓷层与基体的结合力, 通过真空脱氢实验来评价陶瓷层的阻氢性能。电解液中添加石墨烯后, ZrH1.8表面微弧氧化陶瓷层均由内层致密层和外层疏松层构成, XRD图谱显示, 所制陶瓷层主要由M-ZrO2和T-ZrO2相组成。随着石墨烯浓度的增加, 陶瓷层的氢渗透降低因子(Permeation Reduction Factor, PRF)呈先增大后减小的趋势。当石墨烯浓度为0.10 g/L时, 陶瓷层的厚度约为66.5 μm, 表面孔洞和裂纹较少, 陶瓷层较致密, PRF值为13.2, 阻氢性能较好。
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邻苯二甲酸氢钾在制备碱式硫酸镁纳米线过程中的机理研究
肖剑飞, 乃学瑛, 苟生莲, 叶俊伟, 董亚萍, 李武
2019 Vol. 34 (11): 11811186
摘要(
554 )
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以邻苯二甲酸氢钾(KHpht)作为络合剂, 采用水热法制备出碱式硫酸镁(MOS)纳米线。通过电位滴定法分析了体系中pht 2-与Mg 2+的络合作用, 并采用X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和透射电子显微镜(TEM)等表征手段对pht 2-的吸附作用进行了研究。结果表明: pht 2-与Mg 2+发生络合反应, 使得体系中游离的Mg 2+浓度大幅降低, 过饱和度也随之降低; MOS晶体表面存在着Mg-pht的化学键合作用, 由于各晶面的晶格排列方式不同, 使得pht 2-在MOS晶体侧面吸附比例大于纵向生长面, 从而促进了高长径比MOS纳米线的生长。
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羰基化石墨片催化丙烷氧化脱氢制丙烯
曹磊, 代鹏程, 刘丹丹, 顾鑫, 李良军, 赵学波
2019 Vol. 34 (11): 11871192
摘要(
683 )
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以资源丰富的石墨片为原材料, 通过简单的气相氧化处理制得羰基化石墨片, 并发现羰基化石墨片可以高选择性催化丙烷氧化脱氢制丙烯: 当丙烷转化率为12.4%时, 丙烯的选择性高达73.9%, 且副产物乙烯的选择性为13%。羰基化石墨片优良的烯烃选择性远超利用相同气相氧化处理的碳管, 并且可以媲美目前催化性能最优的六方氮化硼材料。催化剂具有良好的稳定性, 在505 ℃的反应温度下, 经过48 h的氧化脱氢反应测试后, 催化剂性能无明显的衰减。多种表征技术表明: 气相氧化处理不会破坏石墨片的结构, 且保留了石墨自身的高温抗氧化性, 而经过气相氧化处理羰基官能团的比例大幅度提高, 羰基作为活性位与丙烷中的氢原子发生反应, 自身形成羟基而丙烷则转换为丙烯, 羟基在高温下与氧原子反应生成为羰基, 从而完成催化剂的重生, 继续下一个循环。这种发生在催化剂表面的可控催化方式, 保证了丙烷氧化脱氢过程中选择性生成丙烯, 避免了深度氧化。另外, 石墨材料的来源广泛, 成本低, 作为催化剂可以极大地推动丙烷氧化脱氢的工业化。
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简易合成Bi/Bi2MoO6/TiO2复合纳米纤维及其增强的可见光催化性能
李晓萍, 李跃军, 曹铁平, 孙大伟, 王霞, 席啸天
2019 Vol. 34 (11): 11931199
摘要(
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以电纺TiO2 纳米纤维为基质, 葡萄糖为还原剂, 采用简单一步溶剂热法制备了等离子体Bi/Bi2MoO6/TiO2复合纳米纤维。利用X射线衍射、场发射扫描电镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、紫外-可见漫反射光谱和光致发光谱等对样品进行表征。以RhB和4-CP为模拟有机污染物, 评价材料的光催化性能。结果表明: 部分Bi 3+被葡萄糖还原成金属Bi纳米粒子, 原位沉积在Bi2MoO6纳米片上, 同时构筑在TiO2纳米纤维表面。金属Bi的等离子体共振效应, 有效提高了样品的光催化活性。可见光照50 min, 样品对RhB的降解率为95.8%, 五次循环后仍保持在92%以上; 可见光照180 min, 样品对4-CP的降解率达68.8%。证实该材料具有良好的可见光催化活性和稳定性。
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铂修饰二氧化钛纳米片的制备及其光电催化析氢反应研究
苏琨, 张亚茹, 陆飞, 张君, 王熙
2019 Vol. 34 (11): 12001204
摘要(
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利用静电吸附作用在二氧化钛纳米片上负载铂原子制备了两种不同形态的铂催化剂。SEM、XRD、TEM测试结果表明, 改变铂负载量可以调控铂的形貌结构。在低Pt负载(0.2wt%)下, 铂原子主要是半径约2 nm的纳米簇, 当Pt负载量增加到1wt%时, 铂原子在二氧化钛纳米片上堆积成纳米颗粒。调控Pt负载量和纳米结构, 可以显著提高二氧化钛纳米片催化析氢反应的活性。在AM1.5太阳光照射下, 两种催化剂的塔菲尔斜率都小于100 mV/dec, 分别为56和90 mV/dec。与TiO2-Pt1%催化剂相比, TiO2-Pt0.2%具有更理想的金属-半导体界面, 有利于光生电子迁移至铂纳米簇表面, 因而具有更高的催化活性。本实验为研究更加高效的铂催化剂和其他光电催化剂提供了新的途径。
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具有可见光催化活性的MoS2量子点/NH2-MIL-125复合材料的制备及性能表征
韩丽, 张晓敏, 吴德勇
2019 Vol. 34 (11): 12051209
摘要(
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采用水热法合成金属-有机骨架材料NH2-MIL-125, 并修饰硫化钼量子点, 从而构筑具有增强电荷分离的二硫化钼量子点/NH2-MIL-125复合光催化材料(MoS2 QDs/NH2-MIL-125)。利用XRD、HRTEM、DRS、PL对材料性能进行分析, 通过降解甲基橙MO染料测试MoS2 QDs/NH2-MIL-125复合材料的光催化性能。结果表明:尺寸约 4 nm的MoS2 QDs均匀分散在NH2-MIL-125上, 在可见光照射下, MoS2 QDs/NH2-MIL-125复合材料的光催化性能极大优于单一的Bulk MoS2和NH2-MIL-125, 降解常数分别是它们的5.8和7.4倍。循环光催化实验结果表明, MoS2 QDs/NH2-MIL-125复合材料的光催化能力具有良好的稳定性。DRS和PL的测试结果表明, MoS2 QDs/NH2-MIL-125复合材料优异的可见光催化性能主要归因于异质结构的形成, 抑制了光生电子-空穴的复合, 进而提高了光催化性能。
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全范围掺杂调制强黄色发光Gd0.5-yTb1.5REyW3O12 (RE=Eu, Sm)荧光粉的研究
代艳南, 杨帅, 沈阳, 单永奎, 杨帆, 赵庆彪
2019 Vol. 34 (11): 12101216
摘要(
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黄光荧光材料在近紫外(NUV)芯片激发的白光发光二极管(W-LED)的制造中起重要作用。在本研究中, 通过在Gd2W3O12基质中共掺Tb 3+/Eu 3+或Tb 3+/Sm 3+, 从而获得较强的黄光发射。由于Gd 3+的有效激发通常在深紫外区, 在Gd2W3O12中并不会被382 nm的紫外光激发, 因此Gd 3+对Tb 3+/Eu 3+、Tb 3+/Sm 3+共掺杂的黄光发射并无影响。而Tb 3+与Gd 3+具有相似的离子半径, Tb 3+在全浓度范围内可以对Gd 3+进行取代。当Tb 3+离子掺杂浓度为75mol%时, 该体系绿光的发射强度达到最强, 对应的内量子产率(IQE)为37.6%。在最佳Tb 3+掺杂浓度下, 通过引入可以被近紫外光有效激发的Eu 3+或Sm 3+, 在Gd2W3O12基质中实现Tb 3+/Eu 3+或Tb 3+/ Sm 3+共同掺杂, 得到了高亮度的黄色发光, IQE分别达到39.6%和47.8%。利用制备的Gd0.494Tb1.5Eu0.006W3O12和Gd0.494Tb1.5Sm0.006W3O12黄光荧光粉与NUV-蓝色芯片成功组装了W-LED器件。由此可见, Gd0.5-yTb1.5REyW3O12 (RE=Eu, Sm)荧光粉有望用于组装W-LED器件。此外, 全范围掺杂法可用于其他体系以获得高效的荧光粉。
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无催化剂碳热还原法制备SiC@SiO2纳米电缆
田兆波, 陈克新, 孙思源, 张杰, 崔巍, 刘光华
2019 Vol. 34 (11): 12171221
摘要(
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SiC@SiO2纳米电缆作为一种新型的功能性纳米复合材料, 以其优异的性能和广泛的应用前景受到了广泛关注。因此,开发一种有效、经济、方便, SiC@SiO2纳米电缆的制备方法具有重要意义。本研究采用无催化剂的碳热还原法在1500 ℃的Ar气氛下, 通过加热硅粉和硅溶胶混合物从而快速高效地制备了SiC@SiO2纳米电缆。该核壳的纳米电缆是由单晶β-SiC核心和无定形SiO2壳组成, 其长度达几百微米, 直径为60~80 nm, 而且通过调节保温时间可以调控核壳的尺寸。结合实验数据并依据气-固(VS)机理解释了SiC@SiO2纳米电缆的形成过程, 同时也进一步丰富了该生长机制, 为其工业化生产提供了参考。
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氨基酸/羟基磷灰石复合材料应用于酸蚀牛牙釉质体外再矿化
刘继涛, 钏定泽, 杨泽斌, 陈希亮, 颜廷亭, 陈庆华
2019 Vol. 34 (11): 12221230
摘要(
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早期牙釉质龋病的再矿化在龋齿的预防和修复中起着至关重要的作用。基于牙釉质基质中所含的主要氨基酸, 在10 mmol/L甘氨酸、10 mmol/L L-丝氨酸和5 mmol/L L-天冬氨酸的存在下制备了氨基酸/羟基磷灰石(AA/HAP)复合材料, 表征了其物理、化学和生物学性质, 并评估了其对酸蚀牛牙釉质的再矿化作用。与不含氨基酸的羟基磷灰石(HAP)相比, 在氨基酸的抑制作用下, AA/HAP复合材料具有更低的结晶度和更高的生物相容性。在人工唾液中用AA/HAP对酸蚀牛牙釉质进行体外再矿化。再矿化后, 分别表征了牛牙釉质样品的表面和横截面形态、成分和力学性能。结果表明, AA/HAP可以诱导表面和深层牙釉质病变的修复。复合材料中释放的氨基酸可以吸附在有机基质残基上并诱导平行排列的HAP晶体的形成, 从而使牙釉质表面显微硬度(SMH)得到显著恢复。最后, 讨论了AA/HAP复合材料对酸蚀牛牙釉质的再矿化机制。
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沉积温度及热处理对低压化学气相沉积氮化硅涂层的影响
廖春景, 董绍明, 靳喜海, 胡建宝, 张翔宇, 吴惠霞
2019 Vol. 34 (11): 12311237
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以SiCl4-NH3-H2为前驱体, 在750~1250 ℃范围内通过低压化学气相沉积技术于碳纤维布上制备氮化硅涂层, 系统研究了沉积温度对氮化硅涂层的生长动力学、形貌、化学组成和结合态的影响。研究结果表明, 在沉积温度低于1050 ℃的情况下, 随着沉积温度的升高, 沉积速率单调增大。而当沉积温度高于1050 ℃时, 沉积速率随温度升高逐渐下降。在整个沉积温度范围内, 随着沉积温度的升高, 涂层表面形态逐渐向菜花状转变, 同时涂层表面变得愈加粗糙。涂层的最佳沉积温度在750~950 ℃之间。随着沉积温度的升高, 涂层中氮含量先降低后升高, 而硅含量不断增加, 氧含量在整个温度范围内逐渐降低。原始沉积涂层均呈无定形态, 经高于1300 ℃热处理后实现晶化, 并伴随着表面形貌的显著变化。此时涂层仅由a-Si3N4构成, 不存在任何b-Si3N4相。
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空间环境下纤维织物绝热材料隔热性能评价与仿真验证
雒彩云, 杨莉萍, 陶冶, 钟秋, 李会东
2019 Vol. 34 (11): 12381244
摘要(
507 )
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本文以天宫二号空间材料炉多层隔热系统中纤维织物绝热材料为研究对象, 采用空间环境等效试验条件表征研究了织物有效导热系数随在轨温度和压强的变化, 结合微观传热机理对结果进行了分析, 根据表征结果对不同工况下炉内温度场进行了模拟。结果表明: 纤维织物有效导热系数随温度升高非线性增大, 压强越低, 增长越平缓; 随压强降低以指数函数趋势衰减且存在临界压强; 辐射与气相导热是影响空间环境下纤维织物传热性能的主要因素; 炉内温场计算值与匹配实验实测温度整体趋势吻合良好, 炉中心温度最大计算误差为实测温度的 1.3%。该方法更合理地评价了多层纤维材料在使用工况下的绝热性能, 从而有助于建立准确度更高的热仿真模型。
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