PECVD类金刚石涂层的结构及其摩擦腐蚀行为

采用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)在316L不锈钢上制备类金刚石(DLC)涂层,系统地研究了所制备类金刚石涂层的表面形貌与结构、不同载荷下的摩擦磨损行为以及NaCl溶液(3.5 wt%)中不同腐蚀时间下的腐蚀行为。研究结果表明：制备的DLC涂层是由sp³键和sp²键杂化形成的非晶碳结构,其中sp²-C含量大于sp³-C,具有典型的类金刚石碳特征;DLC涂层结构致密,表面平滑,粗糙度仅为Ra=12.1 nm,能够与316L不锈钢基体结合紧密;DLC涂层的接触角为59.44°,说明涂层表现出一定的润湿性;摩擦磨损测试结果表明DLC涂层具有良好的润滑效果,摩擦系数能低至0.07～0.16,磨损率低至(3.85～6.71)×10^-7 mm³/(N·m);电化学测试得到DLC涂层自腐蚀电流密度为6.72×10^-6 A·cm^-2,阻抗模值高达7.05×10⁴Ω·cm^-2...     

碳纳米环：生长机理、可控合成、性质和应用

碳材料是一类神奇的材料,碳原子可以通过sp、sp²或sp³杂化构筑不同微观结构的碳材料。目前,已经发现的碳的同素异形体有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、碳纳米环、石墨烯和石墨炔。富勒烯和石墨烯因性质独特、应用前景广阔,其发现者分别获得1996年和2010年诺贝尔奖。碳纳米环具有独特的环状结构、优异的机械强度及特殊的物理化学性能,也引起广泛关注。研究者从早期对碳纳米环进行理论计算、预测其性质,到现在已能够通过化学气相沉积、激光辐射、超声诱导自组装等方法制备不同尺寸的碳纳米环,并对其性质和应用进行探索。总结了近30年来有关碳纳米环的生长机理、可控合成、性质和应用等方面的研究进展,对其规模化合成与应用提出了建议与展望。     

基于多弧离子镀TiAlCN涂层的结构、力学及切削性能研究

为提高硬质合金刀具的切削加工性能，研究基于多弧离子镀技术在316L不锈钢及硬质合金(WC/Co)刀具表面制备了C掺杂TiAlCN涂层。首先采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、X射线光电子能谱仪(XPS)分析了TiAlCN涂层的表面形貌、元素成分、物相结构、碳峰位及化学态信息；然后通过二维触针轮廓仪、三维光学轮廓仪、纳米压痕仪及摩擦磨损试验机表征了TiAlCN涂层的表面粗糙度、三维形貌、纳米硬度、弹性模量及摩擦系数；最后利用高速切削测试验证了TiAlCN涂层的切削加工性能。结果表明：TiAlCN涂层表面致密光滑，无针孔、凹坑等缺陷，表面粗糙度Ra为0.066μm;TiAlCN涂层的物相组成复杂，主要为TiN、Ti(C,N)及Ti₃Al(C,N)，且涂层中形成了以sp²及sp³形式杂化的非晶碳；TiAlCN涂层的纳米硬度(H)、弹性模量(E)及H/E、H³/E²分别为34.18 GPa、398.57 GPa及0....     

石墨炔氧还原催化剂的合成及应用

碳基材料一直被认为是替代贵金属氧还原反应(ORR)催化剂的最有潜力的材料。其中，石墨炔作为一种新的碳同素异形体，由于同时具有sp和sp²杂化的碳原子以及单原子层厚度的二维平面结构，因此在具有碳基材料固有的导电性和稳定性的同时，石墨炔基材料表现出更高的本征电化学活性。本文综述了目前用于电化学氧还原催化的各种石墨炔基催化材料合成的最新进展和成果，并从其电子结构和催化活性等角度分析了石墨炔基碳材料在氧还原催化应用方面的优势。最后，对石墨炔基碳材料在电化学氧还原催化方面研究的前景和面临的挑战进行了概述，为实现高质量石墨炔基无机非金属氧还原催化剂的设计合成提供了新的思路。     

面向快充锂离子电池的氮掺杂多孔硬碳负极

石墨基锂离子电池负极有限的理论容量和较慢的充电速度已不能满足需求,开发更高容量且兼具快充能力的锂离子电池负极材料成为研究重点。利用蔗糖与浓硫酸脱水反应得到初始硬碳(R-HC),并在NH₃/Ar气氛中退火,得到了氮掺杂的多孔硬碳(N-HC)。N-HC具有丰富的超微孔结构(孔径<0.75 nm)和较大的层间距(约为0.39 nm),使得锂离子在N-HC中的扩散系数能够达到9.0×10^-8 cm²·s^-1。在0.27 C和2.7 C (1 C=370 m A·g^-1)条件下,N-HC负极经过680和1 400次循环后容量分别为704.0 m A·h·g^-1和269.2 mA·h·g^-1。尽管其首次Coulomb效率还有待提高,N-HC负极已初步达到锂离子电池的快充性能要求。     

锂离子电容器硬碳负极材料的表面改性及其电化学性能研究

以浓硫酸和浓硝酸为氧化剂,采用超声氧化法对硬碳进行表面氧化处理,并研究其作为锂离子超级电容器负极材料的电化学性能。采用扫描电镜、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征手段研究了超声氧化处理对硬碳形貌、结构以及表面含氧官能团相对含量的影响。采用恒电流充放电、循环伏安法及交流阻抗法等电化学测试手段对处理前后硬碳的电化学性能进行研究。结果表明：超声氧化处理能在硬碳表面引入适量的含氧官能团,添加额外的活性中心,提高电子迁移率,进而提高硬碳材料的电化学性能。半电池测试中,在2 A·g^-1的高电流密度下,氧化硬碳的比容量是未处理硬碳的2倍,具有优秀的倍率性能。以氧化硬碳负极和活性炭正极制备出锂离子电容器,能量密度为37.6 W·h·kg^-1,功率密度可达9415 W·kg^-1,在1.0 A·g^-1电流密度下,经过4000次充放电循环后,容量保持率为99.1%,具有良好的循环稳定性。     

Yb3+掺杂VSB-1的合成及其光谱性质研究

为了合成理想的发光材料，将微孔磷酸镍材料VSB-1与稀土元素相复合，研究其光谱性质。研究表明，在波长为346 nm的紫外光激发下，随着Yb³⁺添加量的增加，发光强度逐渐增强。证明VSB-1与Yb³⁺相复合，在一定条件下能合成良好的发光材料。     

压缩玻璃碳的基础研究取得重要进展

<正>碳具有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等多种同素异形体,石墨在高压下可直接转变成超硬金刚石。对于这种高温高压截获的亚稳相,其晶体结构与初始前驱体结构、压力温度条件以及加载或卸载方式密切相关,为探索新奇碳材料提供了机会。亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室(燕山大学)田永君教授、赵智胜教授等人与国内外科学家合作,以玻璃碳为初始原料,利用高压配合较温和的温度条件合成了一种新型碳的同素异形体。其保留了玻璃     

基于分子动力学模拟的Fe2O3纳米颗粒烧结机制研究

氧化铁是化工、冶金和能源等领域重要的原料,其在高温下的烧结性对产品性能至关重要。通过分子动力学模拟(MDS)研究了不同温度、粒径与空位缺陷浓度条件下Fe₂O₃纳米颗粒的烧结机制。结果表明,Fe₂O₃纳米颗粒粒径由3 nm增加至5 nm,烧结后收缩率由25.0%降低至10.8%,相对颈部宽度由96.6%降低至49.5%。当温度由900 K升高至1300 K,烧结过程原子扩散系数由1.758×10^-3 nm²/ps增至4.303×10^-3 nm²/ps,增大1.45倍。高温下(1300 K)原子迁移使颗粒部分结构由HCP和BCC结构转变为非晶结构,非晶原子比例为66.7%。含10.0%初始空位缺陷浓度纳米颗粒烧结过程的扩散活化能相比完美晶体(0空位浓度)降低约63.5%,原子迁移性及烧结致密化程度增强。研究结果对氧化铁颗粒高温热处理工艺优化具有指导意义。     

氮掺杂中空多孔碳材料活化过一硫酸盐催化降解双酚A

在高级氧化（AOPs）过程中，合理设计出环境友好、稳定高效的催化剂对水污染降解具有重要意义。使用原位聚合的方法合成了氮掺杂中空多孔碳材料（NHPC），并将其作为催化降解双酚A （BPA）的过一硫酸盐（PMS）活化剂；结合动力学分析与多种表征手段，探究了结构缺陷、sp²杂化碳、氧官能团和3种典型的N键构型（吡啶N、吡咯N和石墨N）等因素对催化氧化反应性能的影响。BPA的反应速率常数与石墨N含量呈线性相关，表明石墨N是主要活性位点。同时，热处理可以通过再生石墨N来恢复催化剂活性，再生后的催化剂性能优于未使用的催化剂。自由基猝灭实验和电化学测试分析确定了NHPC-800/PMS体系主要是通过超氧自由基（O₂^·-）介导的自由基过程降解双酚A （BPA）。加深了对氮掺杂碳基催化剂活化过硫酸盐的理解，对其在环境修复中的实际应用具有指导意义。     

芦苇碳量子点的微波法制备及对Co2+的检测

以芦苇为碳源，以3-氨丙基三甲氧基硅烷(APS)为修饰剂，600 W的条件下微波消解反应2 min,用微波法合成的荧光碳量子点(APS-CQDs)稳定性好、灵敏度高。将合成的碳量子点溶液在电压为600 V,狭缝为10 nm的条件下，在465 nm可见光下呈现出淡绿色荧光。基于Co²⁺对芦苇碳量子点具有良好的荧光猝灭效应，建立了一种简单且快速检测Co²⁺的新方法。实验结果表明，对于0.01～0.1 mmol/L的Co²⁺对芦苇碳量子点的荧光猝灭程度呈现最好的线性关系(R²=0.991 1),检出限可达0.118μmol/L。     

合成超硬复合体原料的状态方程及应用

基于CASTEP的第一性原理方法,研究了六面顶压机高压腔体常用组装材料在30GPa以内的压力与晶胞参数关系,给出了超硬材料工程压力范围内(3~10GPa)的常用材料的布里奇曼状态方程。以0℃~1800℃、高压下氯化钠的压力-体积实测数据,进行了布里奇曼状态方程的拟合,讨论了状态方程在合成金刚石复合片条件下的有效性。利用材料的布里奇曼方程和高压腔体中组装材料的压缩率,进行组装材料的体积和结构的设计,在相同表压的条件下,实现了高压腔体内压力的明显提高。在六面顶压机上进行了合成了金刚石/硬质合金复合体试验,验证了这种设计方法的可靠性。     

基于Aldol缩合反应的碳碳双键共价有机框架材料的设计合成

具有C₃对称性的三甲基三嗪（TMT）分别与2,4,6-三(4-醛基苯基)-1,3,5-三嗪（TFPT）、均三苯甲醛（TFB）和四氟对苯二甲醛（TFBA）在酸或者碱催化条件下发生Aldol缩合反应,成功构建出3种新型的碳碳双键桥联的共价有机框架材料（TMT-TFPT-COF、TMT-TFB-COF、TMT-TFBA-COF）。本研究通过Material Studio、ZEO⁺⁺等软件对材料进行结构的精确解析,并结合粉末X射线衍射（PXRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）等表征手段确定了材料的结构、连接方式及其荧光特性。结果表明,这3种较高结晶度的新型共价有机框架材料均为二维层层堆积结构,其中碱催化条件下合成的TMT-TFPT-COF、TMT-TFB-COF材料呈现出良好的荧光性质,此类荧光COFs材料在光催化、化学传感器等方面具有很好的应用潜力。     

热解法合成生物质碳量子点及其在Fe3+检测中的应用

本文通过一步热解香蕉皮并优化反应条件，合成了一种具有蓝色荧光发射的碳量子点(CDs)，其荧光量子产率约为8.9%。该碳量子点的最佳激发波长为270 nm，最佳发射波长为423.4 nm。利用TEM、XRD、XPS、FTIR、紫外及荧光光谱仪等手段表征了其形貌和结构。通过离子选择性测试发现Fe³⁺能较好的猝灭其荧光强度，在0～160μmol·L^-1的浓度范围内，碳点的荧光猝灭效率F/F₀与Fe³⁺浓度c之间呈现良好的线性关系，其线性回归方程为F/F₀=-0.00113c+1.00151，相关系数R²为0.99833，检出限为12.6μmol·L^-1。对广州市花都区天马河河水进行Fe³⁺加标检测，回收率达到102.84%～112.11%，相对标准偏差RSD约为2.5%～3.2%。     

高温下Cr2AlB2粉末在铝碳耐火材料中的结构演变及其对性能的影响

铝碳耐火材料是连铸滑动水口用关键材料，提高其强度和抗氧化性等服役性能，对于保障炼钢过程安全高效生产具有重要的意义。近年来，一种新型的MAB型层状化合物Cr₂AlB₂受到广泛关注，其具有高断裂韧性、高损伤容限和优异的抗氧化性。本工作在铝碳耐火材料中引入合成的Cr₂AlB₂，借助X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜等测试手段，研究了高温下Cr₂AlB₂在铝碳材料中的结构演变及其对材料性能影响。结果表明：Cr₂AlB₂在800～1 200℃热处理后逐步分解生成Al₂O₃包覆CrB的核壳结构，并在核壳结构表面催化生成碳纳米管、碳纤维；在1 200～1 600℃热处理后，核壳结构内部进一步演变，生成了Cr₃C₂和BN。因此，Cr₂AlB₂在铝碳耐火材料中发生的上述结构演变，促进了...     

调控炭化过程优化煤基硬炭负极储钠性能

我国煤炭资源丰富多样、价格低廉、分布广泛,将煤转化为新材料,是提高其附加价值和技术含量的有效途径。煤含碳量高、芳环结构丰富,热解炭化可制备钠离子电池硬炭负极材料。以新疆烟煤为碳源,采用低温热解复合高温炭化的两步过程,并调控相应工艺条件,研究了烟煤中间相的发展过程对硬炭结构及其储钠行为的影响。经研究发现,改变低温热解的温度区间、载气流速和升温速率,可以调节胶质体生成阶段内的分解和解聚反应,调节挥发分生成和逸出以及胶质体固化等过程进行的程度,从而调控硬炭的比表面积和石墨化程度等。在温度区间为350~550℃、载气流速为60 ml·min^-1、升温速率为1℃·min^-1条件下,炭化得到的硬炭负极可逆比容量和首周库仑效率最佳,在0.02 A·g^-1的电流密度下分别达到314.3 mA·h·g^-1和82.8%,良好的性能归因于煤基硬炭材料中有序结构和缺陷结构的协调和平衡。     

α-Al2O3小孔径超滤膜低温制备与性能研究

α-Al₂O₃以低廉的价格与优秀的性能成为制备陶瓷膜的经典材料,然而α-Al₂O₃需高温驱动相变,高温会导致晶粒的过度生长与孔隙的聚结,这不利于超滤膜的制备。为制备具有高选择性的α-Al₂O₃小孔径超滤膜,采用聚合溶胶路线,通过调节溶胶合成参数影响其热处理过程中的结构转化以促进α-Al₂O₃的低温制备。在950℃下煅烧的前驱体完全转变为α-Al₂O₃。通过考察涂膜时间提升膜面完整性并采用该热处理条件制备了具有超薄分离层的α-Al₂O₃超滤膜。该膜展现出良好的分离与渗透性能,并具有较好的重复性,截留相对分子质量约为75 kDa,渗透率约为250 L·m^-2·h^-1·bar^-1。     

磷酸盐调控纳米TiO2微结构及其表面羟基密度

以冰乙酸作诱导剂,研究磷酸盐在溶胶-凝胶法合成纳米二氧化钛过程中对其微结构及其表面羟基密度的影响,并利用XRD、BET、EDS、SEM、FT-IR和TGA等方法对二氧化钛相变过程和表面结构变化进行表征.结果表明:合成过程中添加磷酸根可增加纳米二氧化钛的表面羟基密度,500℃、700℃煅烧6h,其表面羟基密度分别为10.74nm^-2、4.03nm^-2,而对照样在500℃煅烧条件下其表面羟基密度为4.95nm^-2;同时磷酸根的添加,有利于锐钛型晶相结构的热稳定性,锐钛型向金红石转变的相变温度达800℃.这可能是由于PO₄^3-与TiO₂晶相生长基元[TiO₆]八面体易发生多齿螯合,不利于金红石相形成.     

葡萄糖基多孔碳材料对CO2/CH4的分离性能

以淀粉糖（主要成分为葡萄糖）为碳前体,制备了一系列多孔碳材料（C-GLCs-800）,对其进行孔隙结构分析,并应用FT-IR、SEM、TGA对其进行了表征,测定了材料在288、298和308 K下的CO₂和CH₄吸附等温线,根据IAST理论预测了材料对CO₂/CH₄二元体系的吸附选择性。实验结果显示,活化条件对材料的孔隙结构有明显影响,随着KOH/C质量比的增加,所制备的C-GLCs-800比表面积和总孔容先增加后降低。其中C-GLC-800-4的BET比表面积高达3153 m²·g^-1,总孔容为2.056 cm³·g^-1。C-GLC-800-2的窄微孔（V_d<1 nm,孔容0.3538 cm³·g^-1）含量最高,为30.63%。C-GLC-800-2在298 K和10⁵ Pa下对CO₂吸附量高达3.96 mmol·g^-1,明显高于许多传统吸附材料和MOFs材料在相同条件下对CO₂的吸附容量。应用Clausiuse-Clapeyron方程计算了CO₂和CH₄在材料上的吸附热,应用IAST理论计算了CO₂/CH₄的吸附选择性,结果显示C-GLC-800-2对CO₂/CH₄的吸附选择性为8.35。     

超疏水聚苯胺用于提高丝光蜡涂层的耐腐蚀性研究

通过原位聚合法制备了十二烷基苯磺酸钠(SDBS)与硫酸共同掺杂的超疏水聚苯胺复合材料，使用紫外、红外以及扫描电镜对材料进行分析，同时优化其合成条件，并将其与丝光蜡混合制备成复合涂料，测试了涂层在酸性环境下的耐腐蚀性。结果表明：在室温条件下，当SDBS浓度为0.025 mol/L、pH<7，反应3 h，合成的超疏水聚苯胺水接触角>150°，达到超疏水的水平。当超疏水聚苯胺的加入量为0.75%时，涂层的腐蚀电位为195.88 mV，腐蚀电流为2.16μA/cm²，防腐蚀效率高达99.07%，具有比纯蜡涂层更加优良的耐腐蚀性。