关键词： 生物碳模板   多孔   熔盐法   过渡金属碳化物   复合陶瓷  

摘要： 过渡金属碳化物是一类具有高熔点、高硬度、化学稳定性强、耐酸碱腐蚀性好、超导和催化等优良性能的物质。其中,碳化铬在金属型碳化物中抗氧化能力最强,碳化钼和碳化钨以其类似贵金属的电子结构和催化特性被誉为“准铂催化剂”。本文以可自然再生的松木、竹子和藤条三种天然植物为前驱体制备多孔碳材料,采用熔盐法制备多孔碳化铬/碳、碳化钼/碳和碳化钨/碳复合材料,通过在具有独特孔结构的生物碳模板上原位生长过渡金属碳化物,从而实现结构与功能的一体化。研究了碳化后的松木、竹子和藤条三种具有不同孔结构的碳模板的石墨化程度、显微形貌和孔径分布,并在空气气氛中进行了抗氧化性能测试。以金属铬粉、钼粉和钨粉为原料,通过熔盐法低温绿色制备多孔碳化铬/碳、碳化钼/碳和碳化钨/碳复合材料,研究了反应温度、保温时间、混合盐种类及比例对复合材料产物的物相组成和显微形貌的影响,对产物的孔径分布和抗氧化性能进行了表征与分析,并对反应机理进行了探索研究。结果表明:(1)随着碳化温度的升高,碳模板中的碳石墨化程度增加,并且碳模板继承了天然木材多孔的特征结构;(2)提高反应温度和延长保温时间都有利于碳化物的生长;(3)碳化铬/碳复合材料的氧化反应活化能高于碳模板材料,表现出优异的抗氧化性能;(4)相比于NaF/NaCl熔盐介质,KF/KCl熔盐介质更有利于碳化钼和碳化钨的生成,且混合盐中KF的含量应相对较低;(5)原料金属粉体在熔盐介质中以两种状态参与反应:一种呈固体状态;一种溶解于液相熔盐中。随着盐的熔体的形成和反应温度的升高,一方面增加了金属粉体在反应体系中扩散速度,使原料颗粒能够充分与碳模板反应;另一方面提高了金属粉体在液相熔盐中的溶解度,进一步促进了反应的进行。

关键词： 遗态   多孔结构   SiC   C/Ni复合物   吸波性能  

摘要： 电磁干扰能够影响大型设备的使用寿命,精密仪器的准确运行。以及降低生物免疫力,引起基因突变和诱发癌症等疾病,对健康造成了严重的威胁。为解决以上电磁污染问题,需要研发和应用高性能的吸波材料。遗态多孔材料以其独特的结构和性能性已经受到了研究者的广泛青睐。遗态多孔结构同样具有研究潜力用于吸波材料,且目前只有少量报道。制备具有多孔结构的轻质、高性能吸波材料能够解决以往吸波材料密度大、制备过程复杂、成本高、有效吸波频段窄等问题。首先以生物质苹果为研究对象,通过化学气相沉积法制备了苹果遗态的多孔Si C材料。选取具有多孔结构的生物质为模板和碳源,通过调控工艺改变和组装所需的材质组分,制备出既具有生物质材料固有的多孔结构,又有人为赋予特性组分的高性能吸波材料。制备的多孔Si C材料具有与苹果相同的蜂窝状、相互连通的多孔结构。研究了多孔Si C的生长过程和影响因素,分析了通过调控化学环境,体系中第二元Si C原位自生的生长过程。利用热力学和动力学模拟以及理论计算,研究了原子尺度下的传质过程,验证了提出的生长机制的正确性。反应物Si:C质量比为6:1时制备的具有堆垛层错结构的双元Si C材料具有明显优于其他一元Si C材料的吸波性能。多孔Si C(Si:C=6:1)的最大反射损耗值为48.8 d B,有效吸波频段(RL>10 d B)为14-18 GHz。吸波性能的增强归因于一元Si C通过固有偶极子取向极化吸收电磁波,而堆垛层错结构的双元Si C在外加电磁场作用下产生了可损耗电磁波的电子极化和界面极化,增强吸波性能。通过对比波导试样与同轴试样的吸波性能,研究发现苹果遗态相互连通的开口孔结构能够起到使电磁波难以“逃离体系”的作用,减少电磁波的反射。同时在多孔结构内部多重反射和散射的过程中电磁波能够更好地被多孔骨架的Si C组分衰减吸收,进一步增强吸波性能。得出苹果遗态的多孔结构能够有效增强吸波性能的结论后,为进一步研究多孔结构与吸波性能间的构效关系,选择流化焦为研究对象,利用化学活化法原位造孔制备流化焦遗态的多孔材料,产物呈现洋葱式的层状多孔结构。分析研究孔结构的改变对材料电磁参数和吸波性能的影响关系。通过调控多孔材料的孔结构有效地调节材料的复介电常数实部和虚部,提高材料的阻抗匹配程度和衰减性能,增强吸波性能。当碱焦比为3.5:1时制备的流化焦遗态多孔碳材料的最大反射损耗为20 d B,有效吸波频段为4.8-18 GHz。利用制备的流化焦遗态多孔碳材料作为多孔结构骨架,设计调控多孔骨架的材料组分。将介电材料与磁性材料复合的C/Ni复合物作为骨架材料,实现介电材料与磁性材料的耦合,制备出多孔结构和骨架组分双重效应相结合的多孔C/Ni复合物吸波材料。建立组分含量和微观结构与介电和磁性能之间的内在联系,考察结构和组分对吸波性能的影响规律并揭示吸波机理。在AFC-2.5和AFC-3.5中Ni引入量分别为5%和10%,负载形貌最佳。在保证负载形貌的条件下,Ni的引入量越多则碳与镍的界面面积在单位质量内越多。在外加电磁场作用下,复合物中的电偶极矩极化弛豫效应使材料的复介电常数实部和虚部增加,增强材料对电磁波的存储和损耗能力,最终作用于增强电磁波吸收性能。在介电材料与磁性材料的耦合作用、介电损耗与磁损耗的协同效应、C/Ni复合层的电偶极矩极化弛豫、多孔结构的多重反射调控电磁参数以及表面效应等机制的共同作用下,AFC-3.5-10%Ni的最大反射损耗值为47 d B,在3.5-18 GHz波段内的吸波性能均大于10 d B,有效吸波频段宽度为14.5 GHz。

关键词： 遗态材料   功能材料   生物结构   复合材料  

摘要： 为了保证生存与繁衍的需求,大自然中的生物,包括微生物、动物以及植物,在亿万年优胜劣汰的进化选择中形成了多种、多样、多维数、多尺度的精细微纳构型,为当今多个领域的科学研究提供了丰富的灵感和启发。遗态材料研究通过直接以生物结构为模板,选择合适的物理化学方法,在保持模板精细分级结构的同时,将自然生物组分转化为目标材质,可制备具有生物精细分级结构的新型功能材料。介绍了利用遗态材料研究思想制备具有生物结构的功能材料的方法,简要介绍了采用几种典型生物结构为模板制备的遗态材料结构,并探讨了不同结构特点材料的相关功能表现。

关键词： 蝉翼   减反射   光催化   仿生  

摘要： 减反射结构（ARSs）能显著抑制光的反射,从而增强光的吸收和透射。目前太阳能电池、光学显示器和光学检测等光学器件极速发展,其日益增长的需求亟需在加速研究具有宽谱、全向减反性能的微纳光学结构。而已有的减反射微纳结构往往多仅针对狭窄波段或固定入射角度,难以满足性能的要求。反观自然生物,多种经亿万年进化而成的生物减反微纳结构能为现今的减反射结构研究设计带来启发。目前,仿生模板合成制备法是复制生物精细微纳结构、重现其精细功能特性的最有效方法之一。生物减反射结构中,具有二维乳突状阵列结构的蝉翼是目前自然界中最为有效的构型模板。这一结构被发现适合制造具有纳米结构的功能性材料,该构型可在更宽波段范围内具有减反射性能。在本研究中,基于蝉翼生物模板,制备了具有ARSs的光学功能材料。然后分别研究了具有ARSs的二氧化钛（TiO2）和二氧化硅（SiO2）在不同角度下的减反射性能。同时通过制备了具有负纳米孔结构的金属半导体（Ag-TiO2）,研究了蝉翼仿生构型的可见光增强吸收和光催化降解性能。主要结果如下:1.利用简捷、高效的溶胶-凝胶工艺,并结合后续煅烧工艺精确的制备了具有生物结构形态的TiO2减反射结构。制备出的蝉翼遗态TiO2不仅有效地继承了ARSs,而且展现出从法线到45°的高性能角度依赖性减反射性能。反射光谱表明,在较大的可见光波长范围内,随着入射角增大,具有ARSs的生物型TiO2的反射率由1.4%逐渐变为7.8%。2.制备所得的蝉翼遗态SiO2构型材料,具有更为广角的减反效果,在入射角（10°-60°）内表现出良好的变角减反射性能。随着入射角的增加,蝉翼遗态SiO2的反射光谱（可见光波长）的变化从0.3%仅到3.3%。3.制备具有纳米孔结构的蝉翼反向构型遗态TiO2,可直接通过蝉翼的纳米乳头阵列结构有效地制备出来,纳米孔阵列结构经高温煅烧后仍保持良好的微纳构型。Ag纳米颗粒（10nm-25nm）可均匀装饰在纳米孔结构表面和侧壁上。在紫外-可见光照射下,蝉翼遗态Ag-TiO2在降解甲基蓝（MB）中表现出显着的光催化活性。与无负载的蝉翼遗态TiO2和商业P25相比,蝉翼遗态Ag-TiO2表现出优异的光催化活性。其光催化活性可归因于纳米孔结构、Ag纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）性质和增强的电子空穴分离。本论文研究,启迪于具有减反射特性的蝉翼表面微纳构型,研究了不同光学材料的宽谱、全向减反射性能。同时研究了基于该特性的多种功能材料,该工作为未来新型减反射光功能材料的研究提供了新的研究构型参考和数据支持。

关键词： 桉树遗态结构   羟基磷灰石(HAP)   复合材料   吸附   镉   机理  

摘要： 利用遗态转化工艺制备获得桉树遗态结构HAP/C复合材料(PBGC-HAP/C),将其用于含Cd(Ⅱ)模拟废水的吸附净化处理,研究了p H、初始含量、投加量、吸附剂粒径和吸附剂种类对Cd(Ⅱ)吸附的影响,并且进行了材料吸附前后进行X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪表征和吸附机理探讨。结果表明,对50 m L含Cd(Ⅱ)模拟废水,当pH为5、初始Cd(Ⅱ)质量浓度为5 mg/L、PBGC-HAP/C投加量为0.1 g时,吸附平衡时间为120 min,去除率可达97.88%。Langmuir等温模型和准2级动力学模型更适合描述该吸附过程;材料表面Cd^(2+)取代了部分钙离子位置,表面基团与Cd^(2+)发生络合反应,吸附过程主要以单分子层化学吸附为主,该反应为吸热反应,升高温度有利于吸附进行。

关键词： 桉树遗态结构HAP/C复合材料   吸附   锌  

摘要： 通过遗态转化工艺制备桉树遗态结构HAP/C复合材料(PBGC-HAP/C),并将该材料用于废水中Zn(Ⅱ)的吸附净化,探讨溶液pH、吸附剂投加量、吸附时间和温度等影响因素对吸附效能的影响,并讨论吸附动力学和热力学特性,通过SEM、XRD和FT-IR分析手段对吸附前后PBGC-HAP/C材料进行表征,揭示吸附机理。结果表明,对50m L的Zn(Ⅱ)模拟废水,pH为5适宜吸附高效进行,吸附剂适宜投加量为0.5 g;准2级动力学模型和Freundlich等温模型可以很好地用来描述吸附Zn(Ⅱ)的过程,吸附过程以化学吸附为主,物理吸附为辅,同时还存在络合作用,材料中部分Ca位置被Zn所替代。

关键词： 生物遗态材料   锂离子电池   分级孔结构   负极材料  

摘要： 以橙子皮为原材料,通过高温热解制备出具有分级多孔结构的生物遗态碳材料,并以这种碳材料作为锂离子电池负极考察其电化学性能。研究表明,橙子皮基碳为无定型碳材料,从SEM照片可以看出,其具有相互连通的蜂窝状孔结构,孔径约在1-4μm。BET测得的比表面积约为52 m^2·g^(-1)。以橙子皮碳为原材料制备锂离子电池负极,在电流密度100 mAg^(-1)下,具有832 m Ahg^(-1)、393 mAhg^(-1)的首次放充电比容量,首次循环库伦效率为47.2%。200次循环后比容量仍保持在343 mAhg^(-1),库伦效率在95%以上,在2 Ag^(-1)的电流密度下仍具有149 mAhg^(-1)的比容量。

关键词： 遗态结构   羟基磷灰石   Cu(Ⅱ)   动力学   热力学   吸附机制  

摘要： 采用自制桉树遗态羟基磷灰石/碳复合材料(PBGC-HAP/C)为吸附剂,溶液体系pH值、Cu(Ⅱ)初始浓度和材料粒径为影响因素,研究了PBGC-HAP/C吸附Cu(Ⅱ)的具体特征与机制.结果表明,当溶液为弱酸性时(pH=5),吸附效果最佳;增大反应体系初始浓度不利于吸附效果的提升;减小吸附剂粒径对吸附有促进作用.准二级动力学可准确描述该吸附过程,计算获取的吸附容量0.99、1.93和4.03 mg·g-1与实验值0.99、1.93和4.05 mg·g^(-1)高度接近;Langmuir模型很好地拟合了吸附过程,表明吸附是单层吸附,温度升高有利于吸附进行;热力学实验结果ΔGθ<0、ΔSθ>0和ΔHθ>0,显示该吸附过程是自发、熵增的吸热过程.SEM、EDS、XRD和FTIR对吸附前后材料表征分析可知PBGC-HAP/C表面的含氧官能团与Cu(Ⅱ)发生的化学络合反应为主要净化机制,同时伴随着物理吸附、静电吸附和离子交换作用.

关键词： 白果壳   遗态结构   吸附材料   铁改性   水污染物   净化处理   吸附剂  

摘要： 本研究以白果壳作为植物模板，硝酸铁为前驱体浸渍液，获取一种白果壳遗态结构Fe2O3/Fe3O4/C复合材料（简称Fe/C-G），并将该材料用于含铬（VI）、砷（V）和锑（III）模拟废水的静态吸附，探讨重金属溶液的pH值、初始浓度、吸附剂投加量、温度及吸附时间等因素对吸附效果的影响，采用动力学模型和等温线模型讨论其吸附机理，为控制和净化水中污染物提供理论依据。\n 通过元素分析、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、X射线衍射（XRD）、比表面积及孔隙率度分析仪、红外吸收光谱（FT-IR）、X-射线光电子谱（XPS）和Zeta电位分析仪等手段对Fe/C-G进行分析，研究其表面特征及物化性能。综合实验结果及工艺可行性，确定Fe/C-G制备的适宜工艺条件为：硝酸铁溶液浓度为0.6mol/L；60℃条件下浸渍5天，烘干1天，重复浸渍3次；300℃条件下焙烧2小时。在该工艺条件下，复合材料能很好地保留白果壳天然多孔分级遗态特征。Fe/C-G主要含有α-Fe2O3、Fe3O4和C三种物质，其比表面积为46.42m2/g，平均孔径为40.2nm，孔容为0.38cm3/g；粒径小于100目Fe/C-G的比表面是66.63m2/g，孔容是0.15cm3/g，平均孔径为9.26nm；Zeta电位为18.23mV，零电点pHPZC为3.5。\n 以Fe/C-G为吸附剂，对水中铬（VI）、砷（V）和锑（III）进行静态吸附实验研究。结果显示，Fe/C-G对铬（VI）、砷（V）和锑（III）的吸附动力学特征很好地遵循准二级动力学模型；在25℃、35℃和45℃实验条件下，Fe/C-G对铬（VI）、砷（V）和锑（III）的等温吸附可用Langmuir等温模型进行拟合；吸附去除铬（VI）、砷（V）和锑（III）的吸附剂用量分别是0.1g/50mL、0.2g/50mL和0.2g/50mL，适宜pH值分别是1、3、7，吸附剂粒径小于100目。\n 通过正交实验确定Fe/C-G吸附铬（VI）、砷（V）和锑（III）的优化工艺组合。铬（VI）：铬（VI）初始浓度为20mg/L；pH=1；吸附剂投加量为0.15g/50mL；温度为45℃；吸附剂粒径<100目；振荡时间是6h。砷（V）：砷（V）始浓度为20mg/L；pH=3；投加量为0.25g/50mL；吸附剂粒径<100目；温度为25℃；振荡时间为6h。锑（III）：锑（III）初始浓度为10mg/L；温度为45℃；吸附剂投加量为0.25g/50mL；吸附剂粒径<100目；pH=7；振荡时间为5h。

关键词： 超疏水表面   遗态材料   铜   单晶硅   环氧树脂   模版印刷   接触角  

摘要： 超疏水表面材料具有防水、防雾、自洁性等特点,是当前功能材料研究的热点。其中超疏水表面的制备方法是研究的关键点。目前,制备超疏水表面的方法有很多,然而这些方法主要是通过化学原理制备,所构造的表面结构多为人工预设几何图案。自然界有很多超疏水表面,于是科学家们将注意力放在自然界的完美疏水结构中,但基于仿生学的思想仅可人为大致复制出动植物叶面的表面结构,自然界中生物体表面经过进化得到的微纳米特殊精细结构很难达到。因此,本研究课题充分借鉴自然,直接将自然界生物结构作为模版,利用遗态学思想制备得到超疏水表面,为制备超疏水表面提供新的思路,拓宽了遗态材料的研究范围。主要通过遗态模版法在单晶硅、金属和有机物表面构造超疏水表面。研究内容和结论如下:(1)采用自然界中的柳桉、白松以及水曲柳为生物模板,通过烧结的方法制得了保留有木质材料原有结构的多孔碳,其表面经过氟硅烷修饰以后表现出优异的超疏水性能;证明了木质孔结构具有超疏水性。(2)在木质多孔碳表面电镀少量铜,制备保留有木质材料原有结构的超疏水Cu/C表面,并研究不同参数对疏水性能的影响。(3)以单晶硅为基底,采用木质结构材料金属辅助化学刻蚀的方法,以Cu/C为模版,其中Cu作催化剂,制备具有木质反向结构的单晶硅粗糙疏水表面。(4)在木质多孔碳表面电镀铜,在与多孔碳接触部位可获得木质反向结构的铜表面。其表面经过氟硅烷修饰以后表现出优异的超疏水性能;分析电镀浓度和时间参数的改变对样品表面接触角的影响,从中总结出最佳工艺条件。(5)利用模版印刷法在环氧树脂表面构造木质反向疏水结构。我们利用碳素遗态多孔碳为模版,在环氧树脂表面进行拓印得到多孔碳的反向结构。分析改变参数等对环氧树脂基超疏水表面的影响,最高接触角达到154°。