关键词： 三维石墨烯   羟基氧化铁   氧空位   稀土掺杂   超级电容器  

摘要： 近年来,由于化石燃料的过度使用,不可再生能源严重短缺,环境持续恶化,新型储能器件的研发已势在必行。超级电容器因充放电速度快、功率密度高、循环寿命长及环境友好等优点被应用于军事和民生的各个领域,成为新型储能领域最有前途的候选产品之一,吸引了国内外研究人员的高度关注。在过渡金属（羟基）氧化物中,（羟基）氧化铁具有高的理论比电容,但其导电率和稳定性差、易团聚等问题,严重影响了电化学性能的展示。基于此,本文通过简单温和的水热法在氧化铁晶体中引入氧空位,并与具有高理论比表面积、高机械柔性和良好导电性的石墨烯复合。随后,通过稀土元素Sm、Nd掺杂策略构建不同组成的羟基氧化铁电极材料体系,并对其微观结构、空位浓度和电化学性能进行表征。 在水热还原条件下采用络合-还原法构建富含氧空位的氧化铁/三维石墨烯复合电极材料（OV-Fe2O3/3D rGO）,考察了引入空位后对材料晶体结构和电化学性能的影响。研究发现,X射线衍射谱中氧化铁晶体中引入氧空位后导致晶格膨胀,晶格间距增大。通过形貌观察,纳米级OV-Fe2O3呈不规则几何多面体结构,在3D rGO表面和三维孔隙内均匀分布。电子顺磁共振谱和X射线光电子能谱表明Fe2O3中氧空位的存在,并计算氧空位浓度达14.7%。电化学测试表明,当电流密度为0.5 A·g-1时,比电容为928.3 F·g-1。组装OV-Fe2O3/3D rGO||3D rGO非对称型器件提供的能量密度为95.07 Wh·kg-1,通过20 000次充放电循环,电容保持率为94%。OV-Fe2O3/3D rGO||3D rGO理想的超电容性能归因于Fe2O3晶格结构中氧空位的产生改善了Fe2O3的导电率,同时3D rGO的构建也为OV-Fe2O3提供了三维导电通道。 为了进一步提升材料的电化学性能,将六水合硝酸钐作为稀土掺杂剂,采用水热法制备钐掺杂羟基氧化铁/三维还原氧化石墨烯（Sm-FeOOH/3D rGO）复合电极材料,研究了Sm掺杂前后的结构及电化学性能。研究表明,Sm的掺杂电极材料具有更大的比表面积(62.4 m2·g-1)和更高的氧空位浓度（25.7%）。通过电化学测试,在0.5 A·g-1电流密度下,Sm-FeOOH/3D rGO的比电容为1128.9 F·g-1。组装Sm-FeOOH/3D rGO||3D rGO非对称超级电容器,提供的能量密度为106.81 Wh·kg-1。经过20 000次充放电循环后电容保持率为93.4%。丰富的氧空位有效地增强了本征导电率,并且Sm掺杂后石墨烯具有更丰富的褶皱和孔隙,有利于电解质的渗透和扩散,进而使电极具有优越的储能性能。 Nd比Sm具有更大的原子半径,能够使FeOOH晶体产生较大的晶格畸变,有望获得更优异的电化学性能。我们以六水合硝酸钕为掺杂剂,采用水热法合成不同含量（3%、5%和7%）钕掺杂羟基氧化铁/三维还原氧化石墨烯（Nd-FeOOH/3D rGO）复合电极材料,探索了不同掺杂含量对电极材料的结构和电化学性能的影响。结果表明,随着钕掺杂含量的增加FeOOH晶体尺寸逐渐减小,5%Nd-FeOOH/3D rGO氧空位浓度为28.6%。经过电化学测试,5%Nd-FeOOH/3D rGO电极材料具有最佳电化学性能,在电流密度为0.5 A·g-1时,比电容为1358.4 F·g-1。组装5%Nd-FeOOH/3D rGO||3D rGO非对称超电器件,其能量密度高达117.98 Wh·kg-1。经过20 000次循环测试后,其电容保持率是92.3%。合理的掺杂浓度可以显著改善电极材料的离子扩散速率和导电性,能够获得电化学性能更出色的电极材料,使储能器件具有更高的能量密度。

关键词： 共价有机框架   石墨烯   超级电容器   能量密度   循环稳定性  

摘要： 随着可再生能源技术的快速发展,开发新型储能材料成为解决能源存储瓶颈的关键。本研究围绕亚胺基共价有机框架材料（COFs）的分子设计、复合结构构筑及其在超级电容器中的电化学性能展开系统研究,通过实验优化与理论计算相结合,揭示了其电荷存储机制,为高性能储能器件的开发提供了新思路,本论文由两部分组成。 第一部分,设计并合成了一种具有高结晶度与多孔结构的磺酰基功能化亚胺基共价有机框架材料（SLD-COF）,通过一系列结构表征技术确认了该材料的高度有序层状结构和均匀的孔隙分布。此外,磺酰基团的引入增加了氧化还原活性位点,在电化学反应过程中参与氧化还原过程产生了赝电容效应。进一步通过密度泛函理论（DFT）构建单层SLD-COF的理论模型,系统分析发现K+在其孔道内的迁移能垒低于0.3 eV,证实其具有快速离子传导特性。为突破二维材料层间堆叠对离子扩散动力学的限制,采用水热法制备SLD-COF与还原氧化石墨烯的复合材料（SLD-COF/rGO）,两者共同构筑了具有连续电子传输通道的三维互穿导电结构。这种独特的复合体系通过协同效应显著改善了材料的电荷传输动力学特性,为电化学性能的优化奠定了坚实的结构基础。基于该材料的对称型超级电容器（SLC3//SLC3）在能量密度（9.92 Wh/kg）与功率密度（250.3 W/kg）方面实现显著提升,并且在经过5000次循环后仍能保持86.4%的电容,展现出优异的循环稳定性。 第二部分,通过单体设计与合成策略优化,进一步制备了含1,3-双（4-氨基苯基）-1,3-丙二酮的亚胺基共价有机框架材料（APD-COF）,并对比其在酸性和碱性电解质中的电化学性能差异。实验表明,APD-COF在3 M KOH中比电容达105.3F/g,而在1 M H2SO4中性能显著下降（7.4 F/g）。同时,通过DFT计算揭示了APD-COF在碱性条件下,K+与OH-的协同作用可降低电荷转移阻抗,而H+在酸性环境中形成的质子化层会阻碍电子传导。通过复合还原氧化石墨烯构筑APD-COF/rGO复合材料,并用其组装的柔性对称器件比电容较APD-COF有了显著提升（0.5 A/g电流密度下达170.4 F/g）,能量密度为11.83 Wh/kg,功率密度为249.9W/kg,且循环5000次后电容保持率达88.3%。

关键词： 氧化石墨烯   压阻式传感器   分层结构   超弹性   碳纤维  

摘要： 气凝胶是一种拥有纳米多孔网络结构的固体材料,其孔隙中充满气态分散介质,因密度极低,被誉为世界上最轻的固体。这种独特结构赋予气凝胶在热学、声学、电学和力学等多领域的优异性能。其中将其组装为柔性可穿戴压力传感器已经成为压力传感、电子皮肤、人体健康监测等领域备受瞩目的研究热点,备受瞩目。作为新一代的压阻传感器基底,石墨烯气凝胶具有高比表面积和优异的导电性等优点。然而,因其机械性能和柔性较差,很难保持长时间使用,如何提高基于石墨烯气凝胶的压阻传感的机械性能和耐久性仍是一个难题。本文以氧化石墨烯GO)为主体,用碳纤维CF)提升力学性能,甲基三甲氧基硅烷MTMS)作为交联剂,制备高弹导电石墨烯复合气凝胶,将其应用于传感器的组装测试,本文所制备的传感器具有高灵敏度、优异抗疲劳性、环境友好等特点。 1)利用水热还原、冷冻干燥和高温退火的方法制备出具有三维网络结构的碳纤维和甲基三甲氧基硅烷增强的石墨烯气凝胶复合材料aCF-MGA),通过化学表征方法如扫描电子显微镜SEM)以及X射线光电子能谱XPS)测试验证了甲基三甲氧基硅烷MTMS)的交联作用。得益于aCF-MGA气凝胶显示的优异性质,使其具有的高灵敏度9.4 k Pa-1)和超高弹性、超轻密度4.5 mg/cm3)、高导电性2.85 S/cm)、高抗疲劳压缩10,000次循环)、极短的响应时间96ms)、短的松弛时间68 ms)等优异性能。证明了aCF-MGA气凝胶作为压阻式传感器和可穿戴电子防护设备的候选材料在人体健康检测、人机交换领域具有潜在的应用前景。 2)采用氧化锆和聚丙烯腈共混静电纺丝出的纳米纤维ZrO2/PAN)和引 入导电聚合物Mxene进一步增强气凝胶的机械性能和导电性,并赋予其在隔热等方面的优异性能,使其具有多功能化。我们所制备的ZrO2/CF-MMGA气凝胶传感器能够检测各种运动信号,压缩测试时由于多种物质的协同作用,它具有14.8 k Pa-1的高灵敏度和优异的性能如超高弹性,低导热系数0.0225 W·m-1·K-1),轻密度20.8 mg/cm3),高疲劳抗压性（1,000次循环高度保持率在97%以上）,极短的响应时间48 ms)和短的松弛时间40 ms),使其能够检测到各种各样的运动。该传感器可灵敏检测人体关节弯曲、脉搏跳动等微小运动信号,其性能优势源于材料设计中“刚性-柔性”结构的平衡;ZrO2/PAN骨架提供力学支撑,Mxene导电网络优化电荷传输,而气凝胶的多孔特性则通过应力集中效应放大外部刺激的响应。这一研究为开发高性能柔性电子器件提供了新的材料设计策略。

摘要： 申请公布号：CN 119264674A申请公布日：2025年1月7日申请人：合肥大学发明人：鲁红典、江志坤、陈梓坚等本发明介绍了一种可低温烧结发泡的可瓷化阻燃聚二甲基硅氧烷（PDMS）/羟基磷灰石纳米纤维硅橡胶复合材料、制备方法及其应用。复合材料由端乙烯基聚二甲基硅氧烷、含氢硅油、羟基磷灰石纳米纤维、硼酸锌、氢氧化铝和低熔点玻璃粉经液相共混、真空脱泡处理和热压成型工艺制备而成。

关键词： 外源式   自修复   复合材料   研究进展  

摘要： 外源式自修复复合材料的开发与应用已成为推动航空材料可持续发展的重要研究领域。本文系统阐述微胶囊剂技术、空心纤维系统的优化设计、血管网络自修复技术、超分弹性体、纳米微粒自修复材料、记忆合金导线等外源式自修复复合材料研究进展及应用，基于修复机理、其机械测试下修复效果评估和制备技术，分析外源式复合材料的发展方向。本文针对外源式自修复复合材料其智能化、多功能化、环保化和高效化的发展方向进行综述，展望外源式复合材料有助于为更多领域的创新性研究提供借鉴。