常压干燥制备SiO2气凝胶复合材料研究进展

SiO_2气凝胶复合材料具有低密度、低热导、高强度等优异性能,已在航空航天、石油化工、建筑保温等领域获得较好应用。然而现有成熟的超临界干燥制备SiO_2气凝胶复合材料工艺需要维持高温、高压条件,能耗高、危险性大且设备复杂,常压干燥制备工艺由于所需条件温和、设备简单,有望实现连续性规模化生产。本文结合国内外关于常压干燥制备SiO_2气凝胶复合材料的研究进展,按照颗粒、纤维等增强相的不同,对常压干燥制备SiO_2气凝胶复合材料进行综述并对其未来发展方向进行了展望。     

聚酰亚胺纤维增强SiO2气凝胶的制备及表征

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,聚酰亚胺(PI)纤维为增强相,采用溶胶-凝胶和超临界干燥工艺制备出PI纤维增强SiO_2气凝胶复合材料,利用傅里叶红外光谱分析仪、N2吸附脱附仪、场发射扫描电子显微镜、万能试验机、热重分析仪及导热系数测量仪表征了气凝胶化学组成、微观结构、力学及热学性能。制备的气凝胶具有低密度、高表面积和较好的隔热性能、热稳定性及压缩性能。PI纤维含量为3%(质量分数,下同)时气凝胶密度为0. 13 g/cm3,比表面积高达997 m2/g,平均孔径为18. 2 nm。常温下导热系数为0. 029 1 W/(m·K),室温到500℃范围内质量损失5%,抗压强度为0. 21 MPa。气凝胶轻质、高比表面积及较好的热学与力学性能使其在舰船的隔热保温领域具有广阔的应用前景。     

常压干燥法制备TiO2气凝胶

以钛酸丁酯为原料, 以甲酰胺为干燥控制化学添加剂控制凝胶网络结构, 采用溶胶－凝胶法制得TiO₂醇凝胶; 结合正硅酸乙酯母液浸泡和低表面张力溶剂替换及常压干燥等后处理步骤, 实现了TiO₂气凝胶的常压干燥法制备. 采用XRD、BET、TEM、SEM、EDS及FT-IR等测试手段对样品进行表征. 结果表明：所制备的TiO₂气凝胶为无定形结构, 表观密度为0.375g/cm³, 比表面积达523m²/g, 平均孔径约9.9nm; 经850℃空气气氛下煅烧4h后, TiO₂气凝胶转变为锐钛矿型结构, 平均孔径增大到16.3nm, 比表面积仍达208m²/g. 本研究提出的制备方法简单, 所制备的气凝胶比表面积高、热稳定好.     

稀释比对常压干燥制备炭气凝胶结构的影响

以间苯二酚和甲醛为原料,氢氧化钠为催化剂,采用溶胶-凝胶法及溶剂置换、常压干燥、炭化等后续工艺,实现了块状炭气凝胶的常压干燥法制备,并考察了稀释比对气凝胶结构性能的影响。采用XRD、BET、SEM及IR等方法对样品进行表征。结果表明:采用氢氧化钠为催化剂制备的炭气凝胶为非晶态,表观密度为1.10g/cm3,比表面积为620m2/g,平均孔径为16.0nm。实验表明,较低的稀释比更有利于制备出表观密度较小、比表面积较高的炭气凝胶。     

不同粒径SiO_2气凝胶/聚四氟乙烯复合材料的制备与表征

以不同粒径大小的二氧化硅气凝胶(100、150、200、300目)和聚四氟乙烯为原材料,采用酸碱催化溶胶-凝胶法制备出4组不同的二氧化硅(SiO_2)/聚四氟乙烯(PTFE)复合材料,以探究不同粒径气凝胶对复合材料结构和性能的影响。通过热重、密度、BET、极限氧指数测试以及X射线衍射等方法对复合材料进行结构和性能的表征。研究结果表明,制备的SiO_2/PTFE复合材料是一种中孔材料,其密度为1.3203～1.5673 g/cm~3,比表面积为60～112 m~2·g~(-1),吸附平均孔径小于50 nm。加入不同粒径大小的SiO_2气凝胶对复合材料的热稳定性影响效果几乎相同。随着加入的SiO_2气凝胶粒径的减小,BET比表面积与密度变化趋势均为先减小再增大,且变化率逐渐变小。加入不同粒径的SiO_2气凝胶后,复合材料的组成空间结构分布相同仅有晶粒大小差异。     

SiO2气凝胶/壳聚糖复合药物载体材料的制备和表征

采用常压干燥法制备了SiO2气凝胶,所得气凝胶为介孔结构,比表面积618.8m2/g,孔径分布5～20nm.以SiO2气凝胶为原料,通过静电吸附法制备了SiO2气凝胶/壳聚糖复合药物载体材料,采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)等对复合材料的结构形貌进行了分析,研究了复合材料对硫酸庆大霉素药物的担载和释放性能.结果表明,所得SiO2气凝胶/壳聚糖复合材料为多孔网络结构,其中,由450℃处理的SiO2气凝胶制得的气凝胶/壳聚糖复合材料对硫酸庆大霉素具有较好的药物担载和缓释性能.     

利用离子液体制备无机气凝胶的研究进展

气凝胶具有三维纳米多孔网络结构,独特的结构使它具有低密度、高比表面积和高孔隙率等性质以及低热导率、低介电常数和低声传播速率等性能,在隔热、介电、隔声、催化、吸附等领域具有广阔的应用前景。然而,溶剂-凝胶法作为目前制备气凝胶最成熟、应用最广的技术,需要使用大量的有机溶剂,严苛而危险的超临界干燥工艺进一步推高了成本,限制了气凝胶的大规模工业化生产和应用,因此,降低成本和在常压干燥条件下制备高比表面积的块状气凝胶是气凝胶产业急需解决的问题。离子液体被称为21世纪的绿色溶剂,具有低蒸气压、低表面张力、高催化性和高溶解性等特殊性质。离子液体与气凝胶材料的发展几乎同步,但直到2000年两种材料才产生交集。离子液体作为模板剂具有微观结构导向作用,使纳米孔结构均一化,其不挥发性和低表面张力保证了老化和常压干燥过程中纳米孔结构不会因毛细管力而坍塌破坏,另外其催化作用可以缩短凝胶时间。因此,离子液体为常压干燥合成气凝胶提供了新的工艺路线。目前,有关借助离子液体制备SiO_2气凝胶、TiO_2气凝胶、SiO_2-TiO_2复合气凝胶、炭气凝胶等无机气凝胶的探索均已展开,其中制备SiO_2气凝胶的研究最多,涉及工艺、微观结构、掺杂和应用等方面。通过常压干燥可获得比表面积高达677m2/g的块状气凝胶,通过选用不同的离子液体还可以控制纳米孔的微观形貌,所得SiO_2气凝胶产物在电化学、生物、吸附等领域有较高的应用潜力。利用离子液体替代有机溶剂可以使得到的TiO_2气凝胶不经煅烧即含有锐钛矿相,通过金属原子Ag、Fe、Ge等掺杂改性,可进一步提高锐钛矿相的结晶度,提升其光催化性能。利用离子液体制得的SiO_2-TiO_2复合气凝胶具有一定强度和良好的光催化活性。此外,除在传统的溶胶-凝胶法中用作模板剂或催化剂外,离子液体还可作为新型的炭源用于制备炭气凝胶,即通过熔盐法高温炭化裂解离子液体"自上而下"直接制备。这种方法可以制备杂原子在原子水平上均匀分布的功能化炭气凝胶,无需制备有机气凝胶前驱物,极大缩短制备周期,并且炭气凝胶产物的比表面积相对更高,得到了科研界的广泛关注。本文介绍了离子液体在气凝胶材料合成过程中的作用原理,归纳了借助离子液体制备前述几种重要的无机气凝胶的国际研究状况。     

改性剂对二氧化硅气凝胶性能的影响

本文以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱体,通过酸碱两步溶胶-凝胶法,常压干燥制备疏水性SiO2气凝胶。研究了两种改性剂(三甲基氯硅烷、六甲基二硅氮烷)对二氧化硅气凝胶结构和性能的影响。对制备的气凝胶样品进行表面微观形态分析、热重差热分析、傅里叶红外分析以及比表面积分析。结果表明,通过改性制备的样品具有较好的性能,使用六甲基二硅氮烷改性得到的SiO2气凝胶密度为0.204g/cm3,接触角为128°,BET比表面积为973m2/g,平均孔径7.57nm;使用三甲基氯硅烷改性得到的SiO2气凝胶密度为0.115g/cm3,疏水性优良,接触角为158°,BET比表面积为1067m2/g,平均孔径13.40nm。综合考虑各种因素,采用TMCS进行改性制备得到的SiO2气凝胶综合性能更加优异。     

石英玻璃纤维/气凝胶复合材料的热导率计算及优化

纤维含量和直径是影响纤维/气凝胶复合材料热导率的重要参数。采用常压干燥工艺实验制备了石英玻璃纤维/SiO_2气凝胶复合材料,基于材料微观结构表征结果建立了纤维/气凝胶复合材料总体热导率的计算模型,研究了纤维含量和纤维直径对复合材料热导率的影响规律。通过二元优化(即同时优化纤维体积分数和直径)获得了复合材料的最小总体热导率,与单一优化纤维含量或纤维直径相比总体热导率可分别减少50%和20%(以1000K为例);并探讨了在不同温度条件下复合材料中最优纤维含量和纤维直径的变化规律,发现随温度升高最优纤维含量增大而最优纤维直径减小。研究结果可用于指导纤维/SiO_2气凝胶复合材料的结构设计和性能优化,促进气凝胶复合材料在航空航天、工业、建筑等领域的节能应用。     

SiO2/TiO2复合气凝胶的孔道结构研究

为了在常压干燥下制备高比表面积且具有多级孔道结构的SiO2/TiO2复合气凝胶,以正硅酸乙酯、钛酸丁酯为原料,利用低聚体聚合将分相平行引入到溶胶凝胶过程中,获得SiO2/TiO2醇凝胶,并通过溶剂替换技术实现气凝胶的常压干燥制备.不同硅钛比气凝胶的内部结构研究表明:合成的气凝胶是由纳米SiO2和TiO2颗粒分散复合而成的介孔块体,其中Ti—O—Ti、Si—O—Si和Ti—O—Si键相互交织.气凝胶的结构变化是分相与溶胶凝胶过程相互竞争的结果.Si含量能显著改善气凝胶的结构,当n(Ti)∶n(Si)为3∶1时,比表面积高达712.2 m2/g,平均孔径为3.36 nm;当n(Ti)∶n(Si)为1.5∶1时,复合气凝胶具有明显双连续孔道,比表面积高,同时孔状结构清晰.     

Mass Absorption Coefficient of Tungsten and Tantalum, 1450 eV to 2350 eV: Experiment,Theory, and Application

The mass absorption coefficients of tungsten and tantalum were measured with soft x-ray photons from 1450 eV to 2350 eV using an undulator source. This region includes the M₃, M₄, and M₅ absorption edges. X-ray absorption fine structure was calculated within a real-space multiple scattering formalism; the predicted structure was observed for tungsten and to a lesser degree tantalum as well. Separately, the effects of dynamic screening were observed as shown by an atomic calculation within the relativistic time-dependent local-density approximation. Dynamic screening effects influence the spectra at the 25 % level and are observed for both tungsten and tantalum. We applied these results to characterize spatially-resolved spectra of a tungsten integrated circuit interconnect obtained using a scanning transmission x-ray microscope. The results indicate tungsten fiducial markers were deposited into silica trenches with a depths of 50 % and 60 % of the markers’ heights.     

反应时间对CH3NH3PbBr3钙钛矿纳米晶形貌及荧光性能的影响

有机-无机杂化钙钛矿(CH_3NH_3PbX_3,X=Cl、Br、I)材料正成为最近全世界研究的热点,在太阳能电池、量子点发光等众多领域有着广泛的应用。本研究重点考察反应时间对热注入法合成的CH_3NH_3PbX_3纳米晶的形貌及荧光性能的影响,并采用吸收光谱、荧光光谱、X射线衍射、透射电镜及扫描电镜等手段对材料进行分析。研究表明,随着反应时间的延长,产物从6nm左右的球状纳米颗粒变为层状纳米片;反应时间继续延长,纳米片的尺寸变大,厚度变厚;同时,产物的吸收峰和荧光发射峰都发生蓝移。通过绝对量子产率的分析,发现反应时间为180s时产物的量子产率最高。     

铁酸锌作为光催化剂的研究进展

铁酸锌是具有较高光催化活性及对可见光敏感的n型半导体,其独特的磁性能和化学稳定性使其在光催化领域有着广泛的应用。针对不同形貌的铁酸锌,采用不同的改性方法,可将其与其他材料结合制备出更为高效、实用的光催化剂。近年来,利用铁酸锌的特性,制备磁性可回收且性能稳定的复合光催化剂引起了科研人员的广泛关注。概述了铁酸锌作为光催化剂的基本性质,对不同形貌铁酸锌的制备方法进行了总结,并重点讨论了铁酸锌在光催化方面的改性技术及改性机理,最后对目前存在的问题和未来的研究方向做了简要的总结和预测。     

Nb2O5对透辉石基矿渣微晶玻璃显微结构和力学性能的影响

为研究Nb_2O_5对透辉石基矿渣微晶玻璃显微结构和力学性能的影响机理,以富铁白云鄂博西尾矿、粉煤灰为主要原料,采用熔融工艺制备了添加质量分数0%~4%Nb_2O_5的透辉石基矿渣微晶玻璃。DTA、XRD、SEM和力学测试结果表明,Nb_2O_5主要以Ca2Nb2O7第二相的形式存在于辉石相界,其含量随Nb_2O_5添加量升高而增大。同时辉石主晶相从类菊花状枝晶组织转变成平均尺寸逐渐减小的圆角岛状组织。微晶玻璃的抗折强度平均为207 MPa,当Nb_2O_5质量分数为2%时最高,达236 MPa。     

磁性CuFe2O4纳米棒的合成及其芬顿反应降解刚果红性能的研究

以α-FeOOH纳米棒为模板,通过高温烧结法制备了磁性CuFe2O4纳米棒,并研究其芬顿氧化降解刚果红染料的性能。结果表明CuFe2O4纳米棒在150min内可以有效降解90%以上的刚果红染料,经过5次循环后,降解率并无明显下降,同时还考察了其他反应条件对降解率的影响。这种新型磁性芬顿试剂在水处理方面有较好的应用前景。     

溶胶-凝胶法制备铜锌锡硫材料的研究进展

四元硫化物铜锌锡硫(CZTS)是一种新型薄膜太阳电池材料,具有锌黄锡矿结构,呈p型导电性,带隙约为1.5eV,光学吸收系数高于10~4cm~(-1),这些特性与太阳光谱相匹配。基于上述原因,CZTS薄膜是一种有望能低成本、可规模化开发利用的新型薄膜太阳电池材料。简要阐述了CZTS性质及其薄膜太阳能电池的器件结构,详细介绍了溶胶-凝胶方法制备CZTS薄膜及其相应器件效率的研究进展。最后,总结了此方法制备CZTS薄膜及其相关电池性能难以突破的关键技术问题,并提出了有效的改进措施,对CZTS薄膜太阳电池未来的研究进行了展望。     

热处理对Bi2O3-B2O3-SiO2凝胶玻璃粉体结构与性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备了一种Bi₂O₃-B₂O₃-SiO₂系玻璃粉体,在200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃温度下分别对凝胶玻璃粉体进行热处理,借助SEM、TEM、XRD、FT-IR、Raman、XPS、DSC、热膨胀仪及“纽扣”烧结实验分别测定了经不同温度热处理后玻璃粉体的结构与性能,分析了其结构变化对玻璃粉体转变温度T_g和烧结特性的影响。结果显示,在实验温度范围内,随热处理温度升高,Bi³⁺逐渐进入玻璃网络中,[BiO₆]八面体和[BiO₃]三角体、[BO₄]四面体和[BO₃]三角体分别与[SiO₄]四面体以顶角相连的方式构建玻璃网络结构。O1s和Bi4f的电子结合能逐渐增大,B1s的电子结合能减小,玻璃网络结构稳定性增强,导致玻璃转变温度T_g及玻璃膨胀软化点温度T_d升高、 润湿性降低且热膨胀系数略有降低。经600 ℃热处理后,玻璃粉体具有较优的烧结性能,T_g、T_d分别约为485 ℃及542 ℃,热膨胀系数α约为7.067×10-6/℃。     

纳米MoS2的合成及其在重油深度转化中的应用

MoS_2是在催化剂领域、光化学领域以及润滑油领域都广受关注的材料。因其良好的加氢活性,通常在石油化工领域中作为加氢过程的催化剂活性组分。介绍了纳米MoS_2的插层剥离法、气相化学沉积法、前驱物分解法、水热合成法等多种合成方法,列举了不同方法合成MoS_2产品在形貌、大小、比表面积等方面的特点,并针对重油转化所需催化剂的特性对不同合成方法的优缺点进行了对比。最后简单介绍了意大利ENI公司以非负载MoS_2作为催化剂在浆态床加氢工业应用的实例。     

电沉积法制备铜锌锡硫薄膜太阳能电池吸收层的研究进展

直接禁带半导体材料铜锌锡硫(CZTS)四元硫化物是近年来研究较多的具有锌黄锡矿结构的化合物半导体,由于其光吸收系数较高,禁带宽度适中,是太阳能电池理想的候选材料,使其在薄膜太阳能电池中迅速崛起。由于目前报道的最高转换效率距离其理论转换效率还存在相当差距,因此,研究CZTS(Se)四元硫(硒)化物半导体仍然是当前的研究热点之一。简单介绍了CZTS薄膜太阳能电池的结构组成,并详细介绍了3种主要制备CZTS薄膜的电沉积方法,即分步沉积Cu/Sn/Zn金属层、连续沉积Cu-Zn-Sn金属层、一步沉积Cu-Zn-Sn-S(Se)制备CZTS薄膜太阳能电池吸收层的电化学技术及相应器件,对其研究进展进行了综述,指出了相应方法存在的问题。还将3种电沉积方法进行了分析比较,提出了优化方法,展望了未来的发展趋势。     

硅藻土/TiO2复合光催化剂制备及表征

以硅藻土和TiCl4为原料,采用水解沉淀法制备了硅藻土/TiO2复合光催化剂。采用XRD、SEM、FTIR和TGA对复合材料进行表征,考察反应温度、硅藻土用量对复合光催化剂结构的影响。结果表明,当反应温度为30℃、硅藻土与TiO2质量比为2∶1时,生成锐钛矿型TiO2,其平均粒径为19.64nm,且大多被吸附进硅藻土的孔隙内;复合光催化剂热稳定性良好,800℃失重率仅为5%。