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  • 材料工程
      2022年, 第50卷, 第2期 刊出日期:2022-02-20 上一期    下一期
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    2022, 50 (2): 0-0.  
    摘要 ( 42 )   HTML ( 2 )   PDF (4589KB) ( 40 )   引文文本
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    生物医用材料专栏
    牙科陶瓷材料的摩擦学性能研究进展
    雷磊, 伍雨驰, 程子晋, 刘莉, 郑靖
    2022, 50 (2): 1-11.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000295
    摘要 ( 172 )   HTML ( 41 )   PDF (10043KB) ( 87 )   引文文本

    陶瓷材料因其优异的耐磨性、化学稳定性、生物相容性和美观性被广泛用于牙齿缺损和缺失修复。本文首先介绍了牙科陶瓷材料的化学成分、微观结构和力学性能,基于陶瓷材料的磨损与磨蚀机制,归纳总结了牙科陶瓷材料摩擦学性能优化方面所取得的进展,指出陶瓷材料和天然人牙摩擦学性能失配严重制约了陶瓷修复体的临床应用,进而从室验介质、对摩副以及载荷、位移和循环次数等方面分析汇总牙科陶瓷材料摩擦学性能的体外测试方法。最后,从仿生摩擦学角度探讨了牙科陶瓷材料的未来发展趋势,并指出研制仿生陶瓷基复合材料是解决陶瓷修复体与天然人牙摩擦学性能失配难题最具潜力的策略。

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    可降解水凝胶作为关节软骨修复材料的研究进展
    吴晓芳, 陈凯, 张德坤
    2022, 50 (2): 12-22.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000193
    摘要 ( 135 )   HTML ( 15 )   PDF (4018KB) ( 85 )   引文文本

    可降解水凝胶因其良好的生物相容性和生物降解性被广泛用于关节软骨的修复和再生。本文以可降解水凝胶在软骨组织工程中的三类应用策略为主线,概述了用于原位成型可注射水凝胶的蛋白多糖类材料及纳米复合类材料;系统总结了传统工艺制造组织工程支架的优缺点及多种工艺结合的制备方法;重点归纳了近年来3D打印组织工程支架从纯软骨到骨/软骨一体化、从单层到多层的研究进展;最后分析了可降解水凝胶作为关节软骨支架材料在微观定向结构和生物活性功能化方面的局限性,并作出展望:未来开展多材料、多尺度、多诱导的高仿生梯度支架是关节软骨组织工程的一个重要研究方向。

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    电子皮肤热点核心材料及其在生命健康领域中的应用研究进展
    张晟, 曾俊彦, 尚方方, 曾祥琼
    2022, 50 (2): 23-37.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000318
    摘要 ( 111 )   HTML ( 3 )   PDF (9103KB) ( 96 )   引文文本

    人体皮肤能够感知外界的信息,在与外界交流中起着重要的作用。模仿人体皮肤特性和环境感知能力的电子皮肤在医疗监控、仿生假肢与机器人触觉感知等领域中有着广泛的应用。与传统的可穿戴传感器相比,电子皮肤更轻、更灵活、更具延展性,而且具有无线、透明、与人体皮肤兼容等特性,已成为新兴的研究领域之一。电子皮肤可以连续检测人体的大量物理和生化参数、人体运动、气体等,以实时监测人体健康、体育运动以及各种环境中的气体。本文综述了电子皮肤所使用的最新材料,包括零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)微纳米材料、聚合物材料、水凝胶材料及其复合材料等;详细归纳了基于这些热点核心材料所构建的电子皮肤在健康监测、运动监测以及气体监测等生命健康领域中的应用;指出了电子皮肤在研究过程中依然存在着成本高、工艺复杂等技术难题,但电子皮肤发展趋势朝着多功能化和多种外界刺激同步检测发展,并且在医疗设备、机器技术及未来的制造领域中应用前景广阔。

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    骨软骨组织工程仿生梯度支架研究进展
    万李, 王海蟒, 蔡谞, 胡刻铭, 岳文, 张洪玉
    2022, 50 (2): 38-49.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000185
    摘要 ( 115 )   HTML ( 0 )   PDF (7460KB) ( 80 )   引文文本

    骨软骨缺损是导致关节发病和残疾的重要原因,骨软骨组织工程是修复骨软骨缺损的方法之一。骨软骨组织工程方法涉及仿生梯度支架的制造,该支架需模仿天然骨软骨组织的生理特性(例如从软骨表面到软骨下骨之间的梯度过渡)。在许多研究中骨软骨仿生梯度支架表现为离散梯度或连续梯度,用于模仿骨软骨组织的特性,例如生物化学组成、结构和力学性能。连续型骨软骨梯度支架的优点是其每层之间没有明显的界面,因此更相似地模拟天然骨软骨组织。到目前为止,骨软骨仿生梯度支架在骨软骨缺损修复研究中已经取得了良好的实验结果,但是骨软骨仿生梯度支架与天然骨软骨组织之间仍然存在差异,其临床应用还需要进一步研究。本文首先从骨软骨缺损的背景、微尺度结构与力学性能、骨软骨仿生梯度支架制造相关的材料与方法等方面概述了离散和连续梯度支架的研究进展。其次,由于3D打印骨软骨仿生梯度支架的方法能够精确控制支架孔的几何形状和力学性能,因此进一步介绍了计算仿真模型在骨软骨组织工程中的应用,例如采用仿真模型优化支架结构和力学性能以预测组织再生。最后,提出了骨软骨缺损修复相关的挑战以及骨软骨组织再生未来研究的展望。例如,连续型骨软骨仿生梯度支架需要更相似地模拟天然骨软骨组织单元的结构,即力学性能和生化性能的过渡更加自然地平滑。同时,虽然大多数骨软骨仿生梯度支架在体内外实验中均取得了良好的效果,但临床研究和应用仍然需要进行进一步深入研究。

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    综述
    先进航空材料焊接过程热裂纹研究进展
    李红, 闫维嘉, 张禹, 杜文博, 栗卓新, MARIUSZBober, SENKARAJacek
    2022, 50 (2): 50-61.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000676
    摘要 ( 101 )   HTML ( 0 )   PDF (6338KB) ( 195 )   引文文本

    高焊接热裂纹敏感性是制约新一代合金材料在航空航天领域推广应用的技术瓶颈。本文分别从焊接热裂纹的产生机理和各类合金裂纹敏感性实验的角度梳理该方向的研究进展。焊接热裂纹主要包括凝固裂纹(在焊缝内部产生)和液化裂纹(在焊缝与部分熔化区交界处产生)。影响焊接热裂纹产生的因素包括材料成分、焊接热循环以及接头热应力。在梳理焊接热裂纹机理研究的基础上,分别总结了铝合金、镁合金、先进高强钢以及镍基合金焊接热裂纹的实验研究进展。建立考虑复杂多组元以及结晶形态对裂纹敏感性影响的量化判据,是该领域未来的重要发展方向。针对母材和焊材进行成分优化、添加形核剂或实施辅助工艺措施,是工程应用领域抑制热裂纹缺陷的有效方法。开展焊接热裂纹产生机理及其抑制方法研究,有助于突破新一代合金材料加工技术瓶颈,推进其在航空航天领域的应用。

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    纳米材料模拟酶应用进展
    吴鹏, 陈诚, 赵雪伶, 林东海
    2022, 50 (2): 62-72.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000073
    摘要 ( 126 )   HTML ( 1 )   PDF (5203KB) ( 77 )   引文文本

    天然酶是人体活细胞产生的微量蛋白质,正是由于酶的存在,生物体的日常运行才能有序进行。目前,酶在生物医药、催化和检测等领域有着广泛的应用。然而天然酶存在易失活、稳定性差、合成困难、纯化复杂、价格昂贵等缺点,阻碍了其大规模应用。近几十年来,纳米材料模拟酶作为新一代人工酶,由于其稳定性高和重复性好等优点,逐渐成为天然酶的替代品。纳米材料模拟酶在许多领域发挥着重要作用,本文重点介绍了纳米材料模拟酶在电化学传感领域检测O2·-和丹参酸,还可以检测谷胱甘肽、葡萄糖、胆固醇以及H2O2等生物小分子,在环境污染防治领域中能够有效检测重金属盐类和农药的含量,纳米模拟酶还能够通过检测特定序列的DNA对癌症、病毒感染等疾病做出提前预防。今后的重点研究方向将聚焦在纳米模拟酶之间的偶联、反应机理研究、优化酶反应环境和解决底物选择性等方面。

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    功能性填料改性聚合物材料的摩擦学研究进展
    万长鑫, 詹胜鹏, 陈辉, 李银华, 贾丹, 李健, 段海涛
    2022, 50 (2): 73-83.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000435
    摘要 ( 137 )   HTML ( 1 )   PDF (7686KB) ( 103 )   引文文本

    聚合物材料因其质轻、价廉、耐腐蚀以及优异的自润滑特性而广泛应用于工程机械润滑领域中。加入功能性减摩和增强填料复合改性聚合物树脂可以克服本征型高分子材料的一些固有缺陷,得到低摩擦因数、高耐磨性、高承载力以及耐高温等优异特性的摩擦学复合材料。本文综述了功能性填料如碳基材料、过渡金属硫化物、微胶囊、软金属、陶瓷纳米颗粒、矿物盐以及自润滑高分子对复合材料的减摩抗磨效果及机理。同时,力学性能是保证聚合物材料服役性能和使役寿命的关键参数,也会对材料的摩擦学性能带来显著影响。本文还重点论述了纳米颗粒和纤维等填料对复合材料的增强和增韧机理。最后,展望了功能性填料对力学性能与摩擦学性能的协效作用,以及计算机模拟在复合材料摩擦学中应用的发展趋势。

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    研究论文
    人工时效对激光选区熔化AlMg4.5Sc0.55Mn0.5Zr0.2合金显微组织和力学性能的影响
    唐鹏钧, 房立家, 王兴元, 李沛勇, 张学军
    2022, 50 (2): 84-93.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000273
    摘要 ( 91 )   HTML ( 0 )   PDF (22844KB) ( 146 )   引文文本

    采用激光选区熔化制备AlMg4.5Sc0.55Mn0.5Zr0.2合金,研究人工时效工艺参数对合金维氏硬度的影响规律,分析沉积态和优选时效态合金的室温拉伸性能和显微组织。结果表明:人工时效使该合金的维氏硬度由102HV提升至140HV以上。随着时效温度升高(305~335℃)或时效时间延长(1.5~48 h),维氏硬度呈现先增加、再降低、最后逐渐趋于稳定的规律。在315℃时效3 h或12 h后,合金的室温拉伸性能基本相当,无明显的各向异性;抗拉强度和屈服强度分别达到470 MPa和410 MPa,断后伸长率保持在15.0%。力学性能的提升得益于人工时效过程中弥散析出且与基体共格的纳米增强颗粒Al3(Sc,Zr)。

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    氮掺杂碳纤维包覆石墨烯纳米片的构建及电容特性
    阚侃, 王珏, 付东, 郑明明, 张晓臣
    2022, 50 (2): 94-102.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000461
    摘要 ( 93 )   HTML ( 0 )   PDF (11066KB) ( 62 )   引文文本

    以石墨烯纳米片为骨架,聚吡咯为碳源,设计构建氮掺杂碳纤维包覆石墨烯纳米片(NFGNs)复合材料。采用SEM,XRD,Raman,FTIR,XPS和BET对材料进行表征,结果表明:相互连通的氮掺杂碳纳米纤维均匀地包覆生长在石墨烯纳米片层表面;NFGNs-800复合材料的氮原子分数为11.53%,比表面积为477.65 m2·g-1。电容特性测试结果表明:NFGNs-800电极材料的比电容为323.3 F·g-1(1.0 A·g-1),且具有良好的倍率特性;NFGNs-800超级电容器在功率密度为10500 W·kg-1时,能量密度为87.1 Wh·kg-1;经过10000次恒流充放电循环后,比电容保持率95.9%,库仑效率保持在99%以上。

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    硫化物固态电解质Li6PS5Cl的球磨-固相烧结制备与性能
    吕娜, 孙振, 胡雅琪, 李炳勤, 景圣皓, 张宗良, 蒋良兴, 贾明, 刘芳洋
    2022, 50 (2): 103-110.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000264
    摘要 ( 94 )   HTML ( 1 )   PDF (10104KB) ( 72 )   引文文本

    硫银锗矿结构的硫化物固态电解质Li6PS5Cl(LPSC)具有离子电导率高(>3×10-3 S·cm-1)和对锂稳定性良好等特点,是构建全固态锂离子电池的理想电解质材料之一,具有良好的发展前景。本工作采用高能球磨和惰性气氛固相烧结相结合的方法制备硫银锗矿型固态电解质LPSC,并采用粉末X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman spectra)和扫描电子显微镜(SEM)等对其进行表征,探究制备工艺对LPSC结构、成分和电学性质等的影响。结果表明:高能球磨会破坏原料的晶粒,降低晶粒尺寸,延长球磨时间有利于LPSC前驱体粉末的非晶化和后续烧结,提高烧结温度将促进制备的LPSC电解质的物相变纯和离子电导率升高,但烧结温度过高会导致LPSC的分解。综合考虑球磨时间和烧结温度对材料离子电导率和电子电导率的影响,经8 h球磨和500℃烧结制备的LPSC在室温下具有最高的离/电子电导率比(2.091×105),其离子电导率高达4.049×10-3 S·cm-1,而电子电导率仅为1.936×10-8 S·cm-1。利用该电解质制备的712 NCM/LPSC/In-Li全固态电池在0.1 C的充放电倍率下首周放电比容量高达151.3 mAh·g-1,且具有优良的循环稳定性。

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    溶解乳化法制备SBS包覆FeSiAl片状吸收剂的微波电磁性能
    马国庆, 陈亮, 崔正明, 李维, 官建国
    2022, 50 (2): 111-117.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000314
    摘要 ( 68 )   HTML ( 1 )   PDF (7128KB) ( 46 )   引文文本

    片状FeSiAl吸收剂低频磁性能优异,但复介电常数大、阻抗失配严重,导致难以兼顾高频吸波性能。通过将有机高分子溶解、混合、乳化及吸附析出的多步骤过程,直接将线性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)包覆到微米级片状FeSiAl合金粒子表面,并研究其电磁性质。结果表明,SBS在片状FeSiAl合金粒子表面形成了均匀致密的包覆层,显著提高了合金粒子的电阻率,其与石蜡2:1混合样品复介电常数的实部由72降低到30左右。包覆后片状FeSiAl合金粒子的低频磁性能没有受到负面影响,而其高频性能由于阻抗匹配性的提升得到了明显的改善,因而片状FeSiAl@SBS复合粒子具有兼顾低频与宽带的吸波特性。

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    双组元液体动力环境下3D C/SiC复合材料喷管烧蚀性能
    白龙腾, 成来飞, 杨晓辉, 曹晶, 王毅
    2022, 50 (2): 118-126.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000641
    摘要 ( 82 )   HTML ( 2 )   PDF (10190KB) ( 62 )   引文文本

    为明确C/SiC陶瓷基复合材料喷管在液体火箭发动机工作环境的烧蚀特性,采用先驱体浸渍-裂解(PIP)工艺制备得到3D C/SiC复合材料喷管,并对喷管进行多种工况环境下的地面热试车烧蚀考核。结果表明:制备得到的3D C/SiC复合材料喷管能够满足液体火箭发动机多种工况环境下抗烧蚀性能要求,喷管喉部线烧蚀率约为3.92×10-4 mm/s;热试车烧蚀实验后喷管入口圆柱段、收敛段、喉部及扩张段外型面均残留有大量白色物质SiO2,喉部局部出现烧蚀坑洞现象;C/SiC复合材料液体火箭发动机工作环境下的烧蚀机理为机械冲刷烧蚀和氧化烧蚀。

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    氮化铝/氮化硼/碳纳米管/硅橡胶复合材料的力致填料取向对导热性能的影响
    刘旺冠, 蒋兴华, 郭建华
    2022, 50 (2): 127-134.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000123
    摘要 ( 89 )   HTML ( 1 )   PDF (8985KB) ( 95 )   引文文本

    随着科学技术的发展,电子元器件发热量大幅度增加,因此开发兼具高导热和高绝缘性能材料日益迫切。以甲基乙烯基硅橡胶(SR)为基体,碳纳米管(CNTs)、六方氮化硼(BN)以及氮化铝(AlN)为导热填料,通过机械共混法制备导热复合材料。研究3种导热填料复配对复合材料的导热性能、绝缘性能和力学性能的影响,研究填料取向对复合材料导热性能的影响,研究材料表面温升与加热时间的关系。采用Agari模型预测复合材料的理论热导率。通过热红成像、扫描电子显微镜、X射线衍射分析、热重分析等对复合材料进行表征。结果表明:随着复配导热填料中AlN用量的减少,BN和CNTS用量的增加,复合材料的热导率逐渐升高;当AlN为80 phr,BN为68 phr,CNTs为2 phr时,复合材料的垂直热导率为1.857 W·m-1·K-1,平行热导率为2.853 W·m-1·K-1,体积电阻率为2.18×1012 Ω·cm,拉伸强度达4.3 MPa,复合材料的综合性能较好。

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    亲疏水性SiO2复合有机树脂包覆对FeSiCr磁粉芯性能的影响
    赖晓翔, 余红雅, 冯越, 钟喜春, 刘仲武
    2022, 50 (2): 135-143.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000053
    摘要 ( 61 )   HTML ( 0 )   PDF (14585KB) ( 43 )   引文文本

    研究了亲疏水性SiO2复合有机树脂对FeSiCr磁粉芯性能的影响以及退火热处理对磁粉芯磁性能的影响。将FeSiCr合金粉末经磷化处理后,分别采用疏水性、亲水性两种不同类型的SiO2复合有机树脂对粉体进行绝缘包覆,经压制成型并固化制备成FeSiCr磁粉芯。结果表明,采用偶联改性亲水性SiO2复合有机树脂的包覆效果明显优于疏水性SiO2复合有机树脂包覆。随着SiO2添加量的增加,磁粉芯的体电阻率和矫顽力增加,而密度、饱和磁化强度及磁导率降低;采用质量分数0.5%疏水性SiO2复合有机树脂包覆工艺制备的FeSiCr磁粉芯退火后综合性能最优,在20 mT,100 kHz测试条件下,磁损耗仅为49.84 kW/m3,相比于采用纯树脂包覆工艺制备的磁粉芯损耗下降了16.9%。退火热处理能够有效提高FeSiCr磁粉芯的磁性能。

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    硅烷偶联剂KH570改性TiO2超疏水滤料的制备与性能
    李晴, 钱付平, 董伟, 韩云龙, 鲁进利
    2022, 50 (2): 144-152.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000006
    摘要 ( 98 )   HTML ( 1 )   PDF (10964KB) ( 61 )   引文文本

    通过溶胶-凝胶法以钛酸四丁酯为前驱体,醋酸为催化剂制备TiO2溶胶,利用γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)对其进行低表面能修饰,得到疏水改性的TiO2溶胶,然后喷涂到滤料表面使其具有超疏水性。对改性前后滤料的润湿性、表面形貌、化学成分和过滤性能进行分析。结果表明:改性涂层均匀沉积在滤料表面,将纤维表面完整包裹,改性后滤料的水接触角达156.29°。在过滤风速为0.043~0.127 m/s时对粒径为0.3 μm的颗粒进行过滤性能测试,改性后滤料的过滤效率比未改性滤料平均增加2.7672%,过滤品质因数增加0.34%,提高了滤料的过滤性能。此外,在经50次砂纸磨损循环和30 h酸碱溶液浸泡后,疏水滤料仍具有超疏水性。通过清洁煤粉污染的表面发现改性滤料具有优异的自清洁性能。

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    缓蚀剂组合的容器负载方式对铝合金涂层耐蚀性能的影响
    陈高红, 张月, 李应权, 刘建华, 于美
    2022, 50 (2): 153-163.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000051
    摘要 ( 71 )   HTML ( 0 )   PDF (15105KB) ( 62 )   引文文本

    采用减压吸附和层层自组装技术在介孔二氧化硅纳米颗粒(mesoporous silica nanoparticles,MSN)上同时负载8-羟基喹啉(8-hydroxyquinoline,8-HQ)和苯并三氮唑(1H-benzotriazole,BTA),制备缓蚀剂复合纳米容器(MSN-QB),并将其添加至环氧涂层中从而获得新的涂层(MQB)。利用扫描电镜、透射电镜、傅里叶红外光谱、Zeta电位测试、热重分析等研究缓蚀剂负载前后纳米容器结构的变化和缓蚀剂的刺激响应释放行为,并通过电化学测试和盐雾实验研究层层自组装方式对涂层防护性能的提升。结果表明:MSN-QB中8-HQ和BTA的负载量分别为6.8%(质量分数,下同)和7.1%。MSN-QB具有pH响应特性,8-HQ和BTA在中性条件下释放均受到抑制,在碱性(pH=10)和酸性(pH=4)条件下均可释放,碱性条件下的释放速率更高。MQB涂层具有最佳的耐蚀性能,在3.5% NaCl溶液中浸泡20天后,MQB涂层的低频阻抗值(2.0×109 Ω·cm2)最大,是缓蚀剂单独负载并添加到涂层中的两倍以上。

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    多孔α-Mn2O3的制备及其催化过一硫酸盐降解亚甲基蓝溶液的性能
    向小倩, 夏强, 廖小刚, 郑林, 李纲, 胡学步
    2022, 50 (2): 164-172.   DOI: 10.11868/j.issn.1001-4381.2021.000142
    摘要 ( 87 )   HTML ( 1 )   PDF (9862KB) ( 66 )   引文文本

    采用草酸盐热分解法制得由微米板堆垛而成的呈无规则颗粒状形貌的多孔α-Mn2O3,探索其作为催化剂活化过一硫酸盐(PMS)降解模拟染料废水亚甲基蓝(MB)溶液的性能。系统考察催化剂的煅烧温度、催化剂投加量、PMS用量和阴离子种类等工艺参数对锰氧化物催化PMS降解MB溶液的影响。结果表明:450℃煅烧温度下所获产物表现出最为优异的活化PMS的能力,α-Mn2O3/PMS体系对MB的降解率达75.88%,而单一PMS或α-Mn2O3对MB的降解率仅为22.19%和5.72%。该催化体系降解500 mL浓度为10 mg/L的MB溶液的优化实验参数为:PMS(0.1 mol/L)用量为3 mL,催化剂投加量为0.05 g,反应50 min后MB的降解率可达83.55%。反应体系中引入C2O42-或PO43-后会对MB溶液的降解产生抑制作用,抑制率分别为49.11%和10.27%,但Cl-的存在对MB降解无影响。此外,借助淬灭实验和电子顺磁共振技术(EPR)对反应体系中存在的活性物种进行鉴定,α-Mn2O3催化PMS可产生·OH,SO4-·,·O2-和单线态氧(1O2),且1O2是参与直接氧化降解MB的最主要活性中间体。动力学分析表明,α-Mn2O3催化活化PMS对MB溶液的降解为二级反应,反应速率常数为3.53 L·mmol-1·min-1

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