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  • 国家先进功能纤维创新中心携手盛虹集团设立千万级应急防护新材料研发基金

    近期,新冠肺炎疫情在全球蔓延,高质量应急防护新材料研发破题刻不容缓。国家先进功能纤维创新中心携手盛虹控股集团有限公司(以下简称“盛...快速预览

    国家先进功能纤维创新中心携手盛虹集团设立千万级应急防护新材料研发基金

    国家先进功能纤维创新中心盛虹集团纤维新材料

    新华网 | 3天前

    近期,新冠肺炎疫情在全球蔓延,高质量应急防护新材料研发破题刻不容缓。国家先进功能纤维创新中心携手盛虹控股集团有限公司(以下简称“盛虹集团”)联合设立盛虹·应急保障与公共安全用纤维材料及制品科研攻关项目专项基金,旨在推动相关学科基础、关键技术和科技成果产业化攻关。


    专项基金由盛虹集团筹资捐赠,总金额1000万元,将用于应急保障与公共安全用纤维材料及制品相关的科研攻关项目。重点包括疫情防护与隔离急需的口罩、防护衣等高阻隔功能纤维材料,轻质舒适纺织材料与复合材料、纳米与生物医用纤维材料与制品、智能纤维与智能防护材料与制品;防护用纤维与产品的检测与评价等。


    专项基金设立期间,将重点在三方面发力:一是针对新冠肺炎、SARS、流感等疫情的个体防护与医疗一线专业防护需求,研发阻隔性与舒适性等功能纤维及其制备技术,提升一次、多次及分类场合下可重复使用的防护纤维及制品技术水平;二是为满足高等级生化防护与生物医用应用需求,构建面向微纳颗粒、气溶胶与生物病毒的高精度过滤与拦截、高耐污高阻隔生化防护材料、一次性可降解的隔离衣和手术衣及防护服、防护特性与人体健康监测的可穿戴智能纺织产品系列化制备与应用体系;三是针对不同专业防护领域的特征,开展防护用纤维及制品检测和评价方向相关课题研究。


    国家先进功能纤维创新中心副总经理梅峰介绍,课题研发周期计划为3-6个月,之后将尽快推动技术产业化,解决行业防护品痛点问题。2021年3月,中心将发布新的课题指南,针对新的应用领域做指引,相信一段时间以后,我国的防护品在抗菌性、抗病毒能力上会有较大提升。


    “这次疫情反映出我国防护用纤维材料及制品的短板和不足,迫切需要加快应急保障与公共安全用纤维材料及制品关键核心技术创新,发挥我国先进功能纤维材料为基础的产业链优势。”纺织材料专家、中国工程院院士俞建勇表示,促进纤维材料相关领域科研院所、重点实验室和行业创新中心、生产企业等成果转化及应用,对完善与提升我国公共安全体系及保障能力具有重要支撑作用。

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  • 河北大学新思路降低太阳能电池制造成本

    日前从河北大学获悉,该校物理学院光伏技术课题组青年教师陈剑辉博士等人经过努力探索,克服高温和真空重装备的技术障碍,不断开辟晶体硅表...快速预览

    河北大学新思路降低太阳能电池制造成本

    河北大学陈剑辉晶体硅硅太阳电池新材料

    科技日报 | 7天前

    日前从河北大学获悉,该校物理学院光伏技术课题组青年教师陈剑辉博士等人经过努力探索,克服高温和真空重装备的技术障碍,不断开辟晶体硅表面钝化领域新的研究方向,给未来进一步降低硅太阳电池制造成本提供了科学基础和技术思路。


    降低成本和提高转换效率是光伏产业永恒的主题。硅太阳电池产业化关键技术——高温或高真空掺杂和介电薄膜钝化,已将电池转换效率提升至接近理论极限,但高温和真空技术严重制约了其成本的进一步降低。据悉,陈剑辉等人早在2017年就已发现带有磺酸基团的聚合物薄膜具有高质量的钝化效果,为晶体硅表面钝化探索出一条低成本技术路线,同时也开辟了晶体硅表面钝化领域一个新的研究方向——新型聚合物钝化技术。


    最近,陈剑辉等人又发现低维导电材料可以很好地结合有机钝化技术,实现导电和钝化的双重效果。他们通过相关技术,获得导电—钝化相图,发现了“导电—钝化共存相”,并提出“导电的钝化性接触”的概念,从科学上解决了“导电不钝化,钝化不导电”的矛盾,使得硅太阳电池技术仅用单层薄膜就可以同时实现两种物理效果,大大简化了制备工艺。


    该工艺初步应用在多晶硅电池上,实现了18.8%的电池效率,与工业数据相当,但工艺上不再涉及高温和真空技术。相关成果已发表于《先进能源材料》。该校物理学院硕士研究生万露为第一作者,陈剑辉为通讯作者。


    同时,他们与德国卡尔斯鲁厄理工学院合作,将有机钝化技术应用到碳纳米管硅异质结电池,提出了“具有钝化概念功能的载流子选择接触”的概念,实现了同类电池中最高效率和最大面积纪录的突破,进一步证实了“低维+有机钝化”是一种新的具有很大潜力的高效电池技术。相关成果已发表于《先进功能材料》,陈剑辉为该论文的第一作者和共同通讯作者。

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  • 我国一套新技术让稀土镁合金改头换面

    近日,包头稀土研究院开发出了锆颗粒尺寸低于600 nm的稀土镁锆晶粒细化剂产品,填补了对应高效率、低成本镁合金晶粒细化剂的产品空白。快速预览

    我国一套新技术让稀土镁合金改头换面

    包头稀土研究院锆颗粒稀土镁锆晶粒细化剂

    科技日报 | 10天前

    近日,包头稀土研究院开发出了锆颗粒尺寸低于600 nm的稀土镁锆晶粒细化剂产品,填补了对应高效率、低成本镁合金晶粒细化剂的产品空白。


    “这为开发面向航空飞行器座椅、汽车安全构件、高速列车轻量化等轨道交通装备的高强度铸造/变形镁合金材料提供了可能。”稀土研究院镁合金项目组主任、高级工程师胡文鑫说。


    晶粒细化剂技术获新突破


    目前,我国工业领域普遍采用镁锆中间合金作为晶粒细化剂,市场现有产品存在锆元素细化效率低(低于40%)、锆颗粒大量沉积、细化剂成本高、杂质含量高以及细化工艺操作不稳定等诸多问题,对实际工业应用带来不小困难。


    “镁合金的晶粒尺寸控制技术是对镁合金材料性能调控的最根本、最显著的技术方法之一,锆元素和稀土元素均为镁合金的有效细化元素,如何充分发挥好这些元素在合金中的作用,是我们一直研究的重点。”胡文鑫说。


    基于前期针对稀土和锆元素对镁合金耦合细化机制的研究成果,包头稀土研究院辅之以全新的冶金工艺制备方法,让分布更密集、体积更小的锆粒子为镁晶核提供更多的附着机会,同时稀土元素加强了结晶过程中镁晶核在锆粒子表面的附着能力,可以实现镁合金晶粒的高效率细化。


    数据显示,细化之后的粒子颗粒尺寸为传统镁锆中间合金中锆颗粒尺寸的30%,纳米级颗粒尺寸分布率大于60%,颗粒之间团聚现象低于5%,铸态下合金晶粒尺寸降低20%,达到35 mm以下,晶粒细化效果显著。


    目前该产品已经完成小规模生产工艺的研发,产品已经客户使用验证,产品细化效率大于80%,成本较传统镁锆晶粒细化剂降低20%以上。


    胡文鑫表示:“这项技术对稀土镁合金铸锭产品的产业化意义非凡,它可以有效地减少产品内外金属颗粒的不均匀性,让内外合金颗粒大小基本保持一致,极大地提高合金的应力水平,让合金更耐用。”


    稀土镁合金产品应用获新提升


    伴随新能源汽车以及国内5G通讯的高速发展,更轻、散热性能更好、耐腐蚀性能优异的轻合金材料市场需求强烈,但对应性能的要求也越发苛刻。


    “我们研究镧、铈等稀土元素对镁合金散热性能的作用机制,开发出导热系数100 W/(m×K)的低成本散热稀土镁合金工程材料,综合评定性能已等同于现有铝合金散热材料,比使用铝合金节约成本5%以上。”胡文鑫很自信地说。


    基于稀土对镁合金散热性能的作用机制和对镁合金的晶粒尺寸控制技术的突破,包头稀土研究院在半连续铸造及冷室压铸的产业化方面取得了新突破。


    目前,国内外对稀土镁合金压铸工艺的专项研究较少。“我们联合东北大学、上海交通大学集中自主研发了半连续铸造技术,突破熔体净化细晶技术、低频电磁铸造控制技术、自流式浇铸控制技术等技术,经过技术集成,突破性解决大尺寸稀土镁合金棒材内应力大、径向晶粒尺寸差异大、力学性能不均等技术难点。”胡文鑫介绍说,这项合成技术代表国内领先的镁合金材料半连续铸造技术,为后续大尺寸、高品质锻造轮毂以及挤压型材的低成本化奠定技术与产品基础。


    不仅如此,包头稀土研究院引进的QC830冷室压铸系统,系统锁模力达到850t,最大压射力为756 kN,最大投影面积为1242 cm2,目前已具备实现最大直径为550 mm的大尺寸稀土镁合金棒材的产业化制备技术,同时依托中试平台,实现大尺寸棒材产品的中试化级别制备,实现300吨/年稀土镁合金薄壁器件制备能力,加速推进稀土镁合金材料的下游终端应用。


    对未来的技术研发,胡文鑫表示,研发团队将面向通讯工程及民用电子行业的高性能散热镁合金与功能性镁合金材料;对镁合金材料的低压铸造、半固态成型等加工成型技术进行研发,实现对应器件与制品的示范化应用。

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  • 大连化物所等利用深紫外激光PEEM/LEEM表征晶圆六方氮化硼结构研究获进展

    近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室研究员傅强团队与台积电(TSMC)Lain-Jong Li团队、台湾交通大...快速预览

    大连化物所等利用深紫外激光PEEM/LEEM表征晶圆六方氮化硼结构研究获进展

    六方氮化硼二维半导体研究进展大连化物所

    大连化学物理研究所 | 10天前

    近日,中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室研究员傅强团队与台积电(TSMC)Lain-Jong Li团队、台湾交通大学Wen-Hao Chang团队、美国莱斯大学B. I. Yakobson团队、北京大学教授张艳峰团队合作,在2英寸晶圆衬底上成功外延生长单晶六方氮化硼(hBN)单层薄膜。


    六方氮化硼是一类重要的二维半导体层状材料,如何在晶圆上实现单晶六方氮化硼薄膜的可控生长是六方氮化硼未来应用于集成电路中的关键挑战。研究人员在蓝宝石基底上生长表面取向为(111)的无晶界单晶铜薄膜,以此作为衬底进一步制备完全有序的六方氮化硼晶圆片。对大面积单层薄膜结构单晶性质的表征和确认是两维材料研究中一个公认难题。研究人员借助于实验室自行研制的深紫外激光PEEM/LEEM装备,利用其特有的表面微区成像和衍射功能,在1英寸晶圆表面上选取近百个微米尺寸的微区进行结构分析,实验结果证实,六方氮化硼薄膜与Cu(111)衬底表面取向完全一致,确认了该单层薄膜的单晶特性。


    相关成果发表在《自然》(Nature)上。该工作得到国家自然科学基金科学中心项目、中科院战略性先导科技专项B类“能源化学转化的本质与调控”、国家重大科研装备研制项目等资助。



    大连化物所等利用深紫外激光PEEM/LEEM表征晶圆六方氮化硼结构研究获进展

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  • 科学家为大面积缺陷型石墨烯的应用打开新思路

    日前从河北大学获悉,该校闫小兵课题组通过电子能量损失谱和第一性原理计算,首次在忆阻器中证实了碳导电细丝的存在,并通过电场调控实现了...快速预览

    石墨烯河北大学碳纳米材料电子器件

    浏览量 24 中国科学报 | 10天前

    科学家为大面积缺陷型石墨烯的应用打开新思路

    石墨烯河北大学碳纳米材料电子器件

    中国科学报 | 10天前

    日前从河北大学获悉,该校闫小兵课题组通过电子能量损失谱和第一性原理计算,首次在忆阻器中证实了碳导电细丝的存在,并通过电场调控实现了仿生神经突触功能。该研究为大面积缺陷型石墨烯的应用打开了新思路。相关成果近日发表于国际期刊Materials Horizons。


    “对于石墨烯的研究人们都在追求高质量无缺陷,而大面积制备的石墨烯存在缺陷是无法避免的,并且随着层数增多缺陷也越多,这也是迄今为止石墨烯在电子器件中应用面临的最重要挑战之一。”闫小兵告诉《中国科学报》,课题组设计了一种利用石墨烯缺陷边缘碳原子不稳定性,在电场的调控下形成碳导电细丝,从而实现了具有神经调控功能的忆阻器。解决了传统导电丝成核随机性和不可控性的问题,提高了忆阻器开关电压的均匀性和稳定性,降低了忆阻器器件的功耗。这也是缺陷型多层石墨烯在新型电子器件中的首次应用演示。


    在本研究中,课题组对石墨烯层中碳原子的缺陷能进行了阐述,突破了石墨烯缺陷在电子器件中应用的局限性,创造性地设计了一种基于碳导电丝机制的忆阻器。首次提出用碳原子扩散动力学模拟生物突触内钙离子的动力学。并且获得了高开关稳定性和低功耗的神经形态忆阻器。通过电子能量损失谱实验数据和第一性原理计算,证明了由碳原子组成的细丝的形成以及碳原子在AlN膜中的扩散可能性。该研究为碳导电丝基忆阻器的发展及其在神经形态忆阻器中的应用提供了参考。


    相关论文信息: https://doi.org/10.1039/C9MH01684H

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  • 欧盟研究降低数据中心碳排放方法

    据欧盟“地平线2020”秘书处消息,欧盟资助的GREENDC项目正在开发新的技术方案来降低数据中心碳排放强度,以应对全球数据中心日...快速预览

    欧盟数据中心碳排放二氧化碳

    浏览量 33 科技日报 | 14天前

    欧盟研究降低数据中心碳排放方法

    欧盟数据中心碳排放二氧化碳

    科技日报 | 14天前

    据欧盟“地平线2020”秘书处消息,欧盟资助的GREENDC项目正在开发新的技术方案来降低数据中心碳排放强度,以应对全球数据中心日益增长的能源消耗和温室气体排放所带来的严峻挑战。


    人们在刷手机或看视频时,通常想不到,自己正在制造二氧化碳排放,但事实证明,数据中心已经成为全球二氧化碳排放的主要来源之一,占全球总排放量的2%。


    近年来,随着信息和通信技术设备的指数化增长,大型私人和公共数据中心如雨后春笋一般建立起来。当苹果公司决定在欧盟设立其首个数据中心时,首先把目光投向了爱尔兰。但苹果公司最终放弃了该计划,原因是一项环境影响评估报告预估,这个数据中心将导致爱尔兰国家电网耗能增加6%—8%。事实上,无论选择哪一个国家,高能耗的问题始终存在,必须得到认真解决。


    汇集了来自英国、保加利亚和土耳其的5个学术、工业联合团体的GREENDC项目,其宗旨正是有效降低能耗,创建更加绿色环保的数据中心。目前大多数研究都集中在如何直接降低数据中心能耗上,但提高数据中心运营效率似乎也是一个上佳选择。理论上讲,提高运营效率只需要较少的实质性硬件改善,成本效益性价比更高,而且可以更快地推广到位于全球的各个数据中心。


    GREENDC项目正在使用土耳其最大的数据中心TURKSAT来测试数据模型。将传感器放置在数据中心的操作设备上,以实时测量服务器处理工作负荷所产生的热量与已安装的空调所产生的冷空气之间的温度变化。


    GREENDC项目协调员、英国布鲁内尔大学李海滨说:“IT和冷却设备占据数据中心所需能源的90%。为了确保设备正常运行,需要保持设备冷却,如何确保两者之间的正确协调比例,实现最佳性能运转,正是我们面临的最大难题。”

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  • 世界气象组织称全球变暖未来5年可能再破纪录

    世界气象组织3月10日发布最新报告说,2019年是全球有气温记录以来第二热的年份,仅次于2016年。由于温室气体水平持续上升,新的...快速预览

    世界气象组织称全球变暖未来5年可能再破纪录

    世界气象组织全球气候变暖气温温室气体厄尔尼诺事件

    中国科学报 | 15天前

    世界气象组织3月10日发布最新报告说,2019年是全球有气温记录以来第二热的年份,仅次于2016年。由于温室气体水平持续上升,新的“史上最热年”可能在5年内出现。


    这份名为《2019年全球气候状况声明》的报告显示,2019年全球平均温度比工业化前水平高出1.1摄氏度,仅次于2016年创下的高温纪录。2016年,强烈的厄尔尼诺事件促使全球平均温度升幅高于整体变暖趋势。如果剔除该因素,2019年则是全球有气温记录以来最热的一年。此外,2015年至2019年是有记录以来最热的5年,2010年至2019年是有记录以来最热的10年。


    世界气象组织秘书长彼得里·塔拉斯说:“鉴于温室气体水平持续上升,变暖仍将继续。最近的10年预报表明,未来5年内可能会创下新的全球年度温度纪录。这只是个时间问题。”


    报告说,气候变化不仅会造成冰川消退、海平面上升、海洋升温和酸化,还会对人类健康、粮食安全等产生重大影响。

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  • 北京大学学者发明新一代无机超疏水材料

    最近,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋和吴忠振团队成功制备出一种含有负表面能θ-Al2O3纳米材料修饰的多相氧化铝与纳米/微米空隙结...快速预览

    北京大学学者发明新一代无机超疏水材料

    北京大学潘锋吴忠振无机超疏水涂层复合材料氧化铝纳米

    北京大学新闻网 | 17天前

    超疏水材料是疏水角超过150°的疏水材料,因此具有独特的润湿性能,可以大幅降低水滴的粘附性能,在自清洁、防结冰以及水中减阻等领域具有重要的应用价值。然而,超疏水性能的实现大多需要微纳结构及低表面能有机材料的修饰,因此其力学、耐高温、抗老化等方面的性能较差。相比于有机材料,无机材料具有更好的力学性能和耐久性,因此开发无机超疏水材料具有重要的研究意义与应用价值。


    最近,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋和吴忠振团队成功制备出一种含有负表面能θ-Al2O3纳米材料修饰的多相氧化铝与纳米/微米空隙结构组合形成新型无机超疏水涂层复合材料,进而提出由“正+负+零”表面能组合材料形成新一代的纯无机超疏水材料结构。


    新一代无机超疏水表面制备示意图


    2004年,Norskov通过理论计算提出θ-Al2O3相在固/水界面具有负表面能(“A negative surface energy for alumina” ,Nature Materials,vol. 3,no. 5,pp. 289–293)。新材料学院研究团队基于自主研发的电弧等离子体和水基电解液的超临界电化学技术,通过调控高温快冷与酸碱性变化等多步连续电化学反应,在铝合金表面实现了多相氧化铝微纳结构涂层的制备,并通过微刻蚀使得基于负表面能的θ-Al2O3纳米相嵌在低表面能的微结构表面,从而实现整体的超疏水性能。研究团队对其进行了耐高温、抗老化、耐磨及耐腐蚀等方面的测试,测试结果表明该涂层在明火烤烧、300 °C高温加热等处理后均能保持150°以上的超疏水性能;在日光下暴晒360天后,疏水角未发生明显下降;在10 N载荷下与无纺布对磨2000次仍可以维持130°以上的疏水角;由于水滴在其表面不润湿,其耐腐蚀性能突出,尤其是腐蚀电流达到10-10 A/cm2数量级。


    G1-低表面能的第1代、G2-低表面能与零表面能空气微/纳孔结构的第2代及G3-低表面能中嵌负表面能与零表面能空气微/纳孔结构的第3代的超疏水材料结构示意图


    这项工作首次实现了低表面能材料中嵌负表面能(θ-Al2O3)与零表面能空气微/纳孔结构一起组成新一代超疏水材料结构,并实现了其一步法连续制备。其优异的力学、耐高温、抗老化及耐磨损等性能,将满足工程领域复杂苛刻的应用需求,在航空航天、海洋装备等领域展现出广阔的应用前景。相关工作由黄维院士邀请,以“Tuning superhydrophobic materials with negative-surface-energy domains”为题发表在Research【Science Partner Journal (SPJ) program】期刊(Research, 2019, 1391804, DOI: 10.34133/2019/1391804)。


    该工作得到国家材料基因工程重点研发计划、广东省重点实验室和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。


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  • 宁波材料所在铝基非晶合金在环境能源领域的应用研究取得系列进展

    过去几年,中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队围绕铝基非晶合金在环境和能源方面的功能特性开展了一系列研究,团...快速预览

    宁波材料所在铝基非晶合金在环境能源领域的应用研究取得系列进展

    宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能铝基新材料

    中科院宁波材料所 | 17天前

    社会的快速发展对能源产生了更迫切的需求,也导致了一系列危及自身生存和发展的环境问题,解决能源开发与环境之间的矛盾冲突是当今世界面临的巨大挑战。过去几年,中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队围绕铝基非晶合金在环境和能源方面的功能特性开展了一系列研究,团队主要通过两个方面着手:一是开发能够用来清洁水污染的铝基非晶合金,二是探究铝基非晶合金在储能和析氢等能源方面的应用。


    印染等有机污水是工业污水的重要源头,近年来国内外同行发现铁基、镁基、钴基等非晶合金在降解偶氮染料溶液方面具有优异的性能,其褪色速率可以达到相应晶态合金的几十甚至上千倍。研究团队前期通过球磨法引入残余应力提高铁基和镁基非晶合金粉表面能量状态,显著提高了其降解偶氮染料活性,降解偶氮染料速率分别达到商业铁粉的200倍和1000倍(Adv. Funct. Mater. 22, 2567 (2012). Sci. Rep. 2, 418 (2012).《中国材料进展》(Materials China)33(5), 270 (2014))。然而,一般情况下褪色速率随着溶液pH值的升高会迅速降低。考虑到实际染料污水很多都是碱性溶液,因此开发在碱性溶液中可以快速褪色的非晶合金体系对促进其应用有重要意义。为了解决这个问题,团队发现铝基非晶合金在较宽pH范围内都可以快速降解偶氮染料,而且在碱性(pH=12)和酸性(pH=2)溶液中比中性条件下降解速率快1.5和189倍。研究表面结构和元素成分表明,铝元素首先发生去合金化反应,表面形成富镍和富钇纳米多孔层,从而增强染料吸附的作用,加快染料褪色降解过程,如图1。这些结果表明铝基非晶合金在降解碱性、酸性和中性染料污水方面都有良好的应用前景,相关结果发表在J. Alloys Compounds 701,759(2017)。


    纳米多孔材料由于比表面积大,成分可调,在催化、储能等诸多技术领域引起了人们的广泛关注。研究团队在之前工作的基础上继续深入研究了合金成分、晶化组织结构等因素对AlNiCo非晶合金去合金化形成纳米多孔结构的影响,并研究了其赝电容特性。发现3 at.%铜的加入可使纳米孔复合材料的比电容增加至1.22 F cm2,工作发表在J. Alloys Compounds 703,461(2017)。团队进一步通过引入预晶化工艺,设计出具有三重尺寸的多级纳米多孔复合结构,纳米多孔支架也形成了金属/氧化物核壳复合结构,从而大幅提高了离子和电子的输运特性,最终比电容增加至3.35 F cm2,如图2,文章发表在J. Alloys Compounds 772,164(2019)。由于Al基非晶合金弹性好、强度高,这种高储能密度纳米多孔材料有望作为柔性自支撑超级电容器电极获得应用。


    非晶合金作为非平衡材料,其最大特点就是可以在非常宽的成分范围内添加不同的合金元素,实现材料的多功能化。研究团队以Al基非晶合金为基体,少量添加贵金属元素控制材料成分,探索开发具有高性能活性的析氢催化剂,成功开发出Al80Ni6Co3Mn3Y5Au3非晶合金材料,发现其在酸性环境中析氢反应过电位约为70 mV @ 10 mA cm-2,Tafel斜率约为39 mV dec-1,可与商业贵金属Pt/C电极(33 mV @ 10 mA cm-2, 38 mV dec-1)相媲美。通过对微结构和反应机制的研究,团队发现这种高催化活性可以归因于表面形成的多组元高熵合金纳米多孔结构,其中均匀分散的多重元素的协同作用使其获得了非常高的氢转化频率和离子输运电导率,如图3。非晶态中独特的原子均匀扩散效应,使得界面形成富金保护层,从而表现出长时间稳定性。而且该材料还带有非常高的屈服强度、较大的弹性和良好的导电性,是一种理想的独立式催化电极,相关工作发表在J. Mater. Chem. A 8, 3246 (2020)。


    该系列成果得到了国家重点研发计划项目(2018YFA0703604)、国家自然科学基金优秀青年基金和面上基金(NSFC 51922102、51827801、51771216)、浙江省杰出青年基金(LR18E010002)等项目的资助。



    图1 Al基非晶合金降解偶氮染料溶液效果、溶液浓度衰减曲线和反应后表面形貌图



    图2 Al基非晶合金柔韧性演示和不同纳米材料赝电容的倍率特性对比



    图3 Al基非晶合金条带电催化析氢反应的示意效果图和各种电极材料性能对比图

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  • 《Nature》:聚电解质助力 搅拌竟能加速晶体生长 提速171倍

    韩国基础科学研究院Grzybowski教授课题组的研究颠覆了人们对传统晶体生长机理的认知,他们发现在聚电解质的存在下,搅拌会让晶体生长...快速预览

    《Nature》:聚电解质助力 搅拌竟能加速晶体生长 提速171倍

    韩国聚电解质均苯三酸晶体新材料

    高分子科学前沿 | 18天前

    在有机合成以及制药行业,制备粒径合适、高质量的晶体至关重要。目前,制备出这样的晶体往往需要数小时甚至数天的时间,更重要的是制备过程中不能有任何的搅拌,传统结晶理论认为机械搅拌带来的扰动会导致二次成核效应,这会造成晶体尺寸的下降。


    韩国基础科学研究院Grzybowski教授课题组的研究颠覆了人们对传统晶体生长机理的认知,他们发现在聚电解质的存在下,搅拌会让晶体生长的更大、更快。只需要10分钟,均苯三酸(TA)晶体就可以生长到440微米,生长速度提高了171倍。而且,这种方法可以用于制备有机分子、无机盐、金属-有机配合物,甚至某些蛋白质分子,表现出广泛的适用性。研究者将这种晶体生长的促进归因于两种协同效应:剪切作用下聚电解质及其聚集体发生了解缠结,会“窃取”更多的溶剂分子,使得结晶分子缺乏溶剂而“析出”结晶;晶体尺寸越大,聚电解质对溶剂分子的“窃取”效应越强,生长速率越快。



    剪切促进TA晶体的生长



    图1. 在聚电解质存在下剪切促进了TA晶体的生长。(a)实验装置示意图;(b和c)在有(b)和没有(c)剪切的情况下,在相同的TA/PIL-1/DMF溶液中,10分钟后生长的TA晶体的光学图像;(d)晶体粒径随时间的变化曲线(蓝色曲线有聚电解质PIL-1和剪切,绿色曲线没有聚电解质但是有剪切,黑色曲线有聚电解质但是没有剪切);(e)在PIL-1/DMF溶液中,剪切速率为167 s-1时(蓝色曲线)和没有PIL的情况下从TA/DMF溶液中蒸发溶剂得到的TA单晶(黑色曲线)的1H NMR谱图;(f)在167 s-1的剪切速率下PIL-1/DMF中生长的TA晶体的 X射线衍射光谱(蓝色曲线)与DMF中生长的TA晶体(黑色曲线)的文献数据相比;(g和h)机理示意图:聚电解质(蓝色)和结晶物质(绿色)竞争溶剂(灰色),当不存在剪切时(g),缠结聚电解质溶剂化的溶剂量低于(h)中存在剪切时解缠结的聚电解质溶剂化的溶剂量,解缠结的聚电解质从结晶物质的分子中“窃取”更多的溶剂,使这些分子在附近的晶体上析出。


    研究者在二甲基甲酰胺(DMF)中进行了TA晶体的生长实验,以3-氰基甲基-1-乙烯基咪唑双(三氟甲磺酰基)亚胺(PIL-1)为聚电解质。当内筒开始旋转时,在溶液中产生了剪切流动,旋转30秒后,在溶液中肉眼即可看到针状晶体,在10分钟后晶体尺寸生长至440μm,一小时后尺寸增加到740μm。XRD和1H NMR表明制备的晶体质量好,纯度高,与重结晶和蒸发法制备的晶体质量相同。与之形成鲜明对比的是,在相同溶液中,在没有搅拌的情况下,晶体生长10分钟后尺寸仅2μm;当不加入PIL-1但有搅拌时,晶体生长10分钟后尺寸为44μm,在搅拌情况下加入聚电解质后,TA的晶体生长速度提高了171倍。研究者在其它20多种体系中都观察到了晶体生长速率的提高,平均生长速率增加约为16倍,其中NaI晶体生长速率可以提高42倍,生长速率最少可以提高2倍。


    多种聚电解质均可促进TA晶体的生长



    图2. 可以促进结晶的聚电解质。(a)在不同的聚电解质中,PIL1~7对结晶的促进效果最好;(b)在PMMA/DMF和PVDF/DMF溶液中生长的TA晶体的尺寸分布,平均粒径约2μm;(c)加入不同聚电解质时TA的晶体尺寸,长方形下边和上边为25%和75%的尺寸分位数,中线为中位数,直线下边和上边为尺寸最小值/最大值。


    研究者尝试了不同结构的聚电解质,研究了聚电解质结构对晶体生长的促进作用,发现含有正电荷(PIL1~5和7)或者负电荷的PIL聚电解质(PIL6)都可以促进晶体的生长,但是加入PMMA和PVDF时,对TA晶体的生长没有任何提高。通过选择不同的PIL,可以在极性溶剂(DMF、DMSO、水和甲醇)、弱极性溶剂(DCM)中促进晶体的生长。当聚电解质的浓度为每0.75毫升75毫克,生长时间为3小时,平均剪切速率为 85 s-1时,加入聚电解质后,晶体的生长普遍高于未加聚电解质的溶液,加入PIL时,得到的晶体尺寸分布更窄。


    剪切可以促进不同晶体的生长



    图3.聚电解质对不同晶体的生长促进。(a)有搅拌(红色)和无搅拌(蓝色)时不同晶体的生长尺寸;(b)生长的晶体结构;(c)生长晶体照片,图1~19中标尺为50微米,20标尺为0.5微米。


    研究者将这一方法应用到其它类型的结晶体系中,包括有机分子、无机盐、金属-有机配合物、蛋白质分子等20种晶体,在这些体系中均发现了剪切对结晶生长的促进现象,晶体平均生长速率提高了16倍,其中NaI晶体生长速率提高了42倍,TA体系中更是高达171倍,最小的速率提高也有2倍,而且不同晶体的相和结晶度与传统溶剂蒸发法得到的晶体一致。与不加入聚电解质的传统方法相比,多孔材料17和共价有机骨架20的BET表面积提高了51%,金属有机骨架19则提高了24%。


    剪切促进晶体生长机理研究



    图4.剪切速率和聚电解质链长对TA晶体生长的影响。(a)在不同剪切速率下PIL-1/DMF溶液中TA生长3h后的晶体尺寸分布图;(b)在85 s-1剪切速率下加入不同分子量的PIL-1溶液中生长3h后的晶体尺寸分布图;(c)b中得到的TA晶体的平衡溶解度;(d)不同剪切速率下的溶液粘度。


    为了更好地了解剪切促进晶体生长的机理,研究者系统研究了剪切速率和聚电解质链长对晶体生长的影响。当其它条件不变时,晶体的尺寸随剪切速率的增加而增加,当剪切速率为167 s-1时,晶体生长速率受到反应装置间隙的影响。当剪切速率一定时,晶体尺寸随着PIL-1链长的增加而提高,同时晶体溶解度下降,溶液的粘度提高。这一结果说明剪切对晶体生长的促进作用不能用剪切促进了晶体之间的传质来解释,因为溶液粘度越高传质速率越慢。研究者认为剪切对结晶的促进是由于在剪切作用下,溶液中的聚电解质发生了解缠结,被“拉长”的聚电解质与结晶分子之间对溶剂进行竞争,聚电解质得到了更多的溶剂分子,而结晶分子失去了溶剂只能进行结晶,这一效果类似于“盐析”。



    图5. 粒径对局部剪切速率的影响。(a)晶体附近最大剪切速率随晶体尺寸和角度的变化曲线;(b)在水平Couette流中一根长的,可自由旋转的杆附近的剪切速率理论计算结果。


    研究者采用计算流体力学计算了晶体附近剪切速率的变化,发现晶体尺寸越大,晶体的生长速率更快,这是由于在剪切流动中,具有尖锐边缘的颗粒附近的局部剪切随粒径尺寸的增加而增加,所以在较大的颗粒附近,PIL链段解缠结效应更加显著,对溶剂的“竞争”更加有效,因此晶体尺寸越大越优先增长。


    小结


    在传统的晶体生长过程中,机械搅拌会导致二次成核,从而降低晶体尺寸,韩国基础科学研究院Grzybowsk教授课题组对晶体生长的研究彻底颠覆了人们的传统认知,他们发现在DMF溶液中加入聚电解质后,搅拌会让TA晶体生长的更大、更快,10分钟后,TA晶体就可以生长到440微米,生长速度比传统方法提高了171倍,在有机分子、无机盐、金属-有机配合物和蛋白质体系中这一方法均有效,平均晶体生长速率提高了16倍。研究者认为剪切之所以会促进晶体生长,是由于剪切促进了聚电解质的解缠结,增加了聚电解质对溶剂的竞争,使得晶体分子“被迫”析出,而且晶体尺寸越大,生长速率越快。


    原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2042-1

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