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近年来，全球范围因二氧化碳(CO2)的过量排放导致的环境问题日益严重，引起世界各国人民的广泛关注。电化学还原CO2转化为清洁能源和高价值化学品，不仅可以有效地缓解CO2导致的温室效应，而且有望为解决能源危机提供重要出路。本文简述了电化学还原CO2的反应原理，对近年报道的一些高选择性的二元金属催化剂进行分类归纳。综述了二元金属材料物质组成、原子配比、微观形貌、颗粒尺寸等物化性质对CO2还原性能的影响规律，并对部分催化剂的选择性增强机理重点分析。最后，讨论了二元金属材料高效选择性电化学还原CO2存在的主要问题和未来可能的研究重点。
在双碳目标下，实现CO2光/电催化还原是缓解温室效应和提高碳资源利用率的一种前瞻性策略。然而，由于涉及多质子耦合的电子转移、碳碳偶联和氢化等过程，提高CO2还原反应的转化产率和对单一产物的选择性仍然面临着重大的挑战。由于Cu与CO具有良好的结合能，因此铜基催化剂在提升CO2的还原效率方面极具应用前景。本文以纳米级铜基催化剂为切入点，讨论不同价态的铜离子作光/电催化剂时，催化剂形貌、元素掺杂、与其他材料复合对CO2还原过程的影响，着重论述目前研究中不同形貌、掺杂元素和复合催化剂在反应过程中对含Cu2+，Cu+，Cu0三种铜离子的催化作用，以及对还原产物的选择性和相应的法拉第效率的影响，最后对铜基催化剂未来的研究重点提出一些建议，包括Cu离子价态对生成多碳产物的机理分析、高效且有单一选择性的催化剂制备、采用先进技术进行产物种类调控。
采用自合成大比表面三维有序介孔分子筛MCM-48(≈1400 m2/g)为载体，其上负载Pt，获得负载型Pt/MCM-48，应用于甲苯催化燃烧，与微孔分子筛Silicalite-2、介孔分子筛材料SBA-15和MCM-41以及商用SiO2等硅基载体相比，展示出优异的低温催化氧化性能。在此基础上，考察不同Pt负载量对负载型Pt/MCM-48催化燃烧甲苯性能的影响，筛选出的1%(质量分数)理论负载量的催化剂具备最佳催化氧化性能。对等体积浸渍法、原位合成法、甲醇法、乙二醇法等不同引入方式的考察发现，等体积浸渍法与原位合成法向载体上引入Pt的实际负载量接近于理论添加量，相比之下，甲醇法、乙二醇法等溶剂法获得Pt实际负载量远低于理论负载量。转化频率(turnover frequency, TOF)计算结果表明，甲醇法获得的Pt/MCM-48中Pt转化效率以及Pt原子利用率最高。BET，XPS，STEM以及H2-TPR等表征充分证明，MCM-48超大的比表面为Pt的分散提供了有利条件，有助于获得高比例Pt0；有序的三维介孔结构则大大提高活性位点的可接近性，并减小甲苯分子的扩散阻力，因此呈现出优异的催化氧化甲苯性能。此外，GC-MS研究表明甲苯在Pt/MCM-48上首先转化为醛/酚/酸类中间产物，最终实现深度催化氧化成为二氧化碳。
以月桂酸钠和十六烷基三甲基溴化铵为复配型修饰剂, 采用等离子体辅助球磨法制备表面修饰硼酸钾润滑添加剂, 通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)及同步热分析仪(DSC-TG)对添加剂进行表征分析, 研究其在低碱值船用气缸油中的高温摩擦学性能, 并讨论其减摩自修复机制。结果表明: 在等离子体热效应和钢球机械研磨的耦合作用下, 等离子体辅助球磨10 h的硼酸钾粉体和修饰剂被微区熔融并快速细化, 获得的一次颗粒平均粒径在100~300 nm之间。通过修饰剂中离子对的化学作用, 硼酸钾粉体表面吸附并化学键合—CH2, —CH3有机分子基团, 实现粉体的亲油化改性, 并保障在FEOCY 54低碱值船用气缸油中的分散性。在摩擦过程中, 硼酸钾微粒在电荷作用下不断吸附沉积到摩擦表面, 在金属接触区域形成滚动润滑及抗磨沉积膜, 同时摩擦表面与硼酸钾粉体发生摩擦化学反应生成Fe2O3, Fe3O4, B2O3极具减摩抗磨作用的边界润滑膜, 明显提高船用气缸油的高温摩擦学性能。
选用2-甲基咪唑锌(ZIF-8)作为前驱物, 经高温煅烧形成多孔网状衍生物氮掺杂碳(ZIF-NC)。通过机械球磨法将ZIF-NC和有机半导体3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PTCDA)复合制备ZIF-NC/PTCDA(PxZy)。采用粉末X射线衍射(PXRD), 傅里叶红外变换光谱(FTIR), 扫描电镜(SEM), 紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS), X射线光电子能谱(XPS)等对材料的形貌和结构进行表征。研究不同比例ZIF-NC/PTCDA光催化活化过二硫酸盐降解诺氟沙星的效果。探究不同pH值、不同过二硫酸盐(PDS)投加量和共存离子对最佳比例P120Z80降解诺氟沙星性能的影响。经过3次循环后, P120Z80仍对诺氟沙星有较好的降解效果。通过循环前后PXRD, FTIR和SEM等表征进一步证明其具有良好的循环稳定性能。最后, 通过电化学测试和活性物质捕捉实验, 提出并证实了P120Z80光催化活化过二硫酸盐降解诺氟沙星的机理。
以钛酸丁酯为钛源、冰醋酸为抑制剂, 通过水热法合成白云母/TiO2(M/T)复合光催化材料。采用X射线衍射(XRD), 拉曼光谱(Raman), 扫描电子显微镜(SEM), 能谱仪(EDS), N2吸附-脱附(BET), 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis), 荧光光谱(PL)对样品的物相结构、表面形貌、元素分布、孔隙结构及光学特性进行表征, 并以甲基橙(MO)溶液为目标污染物, 考察水热温度、水热时间、TiO2负载量对M/T复合材料光催化性能的影响。结果表明: 100 ℃水热16 h, TiO2负载量为20%(质量分数)的M/T复合材料光催化性能最好; 紫外光照射60 min, 对MO的降解率达到99.62%, 总有机碳(TOC)去除率为63.58%, 重复使用5次, 光催化活性没有明显降低, 且M/T复合材料光降解MO过程符合一级反应动力学模型, 最大反应速率常数kapp为0.049 min-1。
自1960年代以来, 全球持续开展了铝基复合材料研究, 研发了损伤容限型、耐蚀型、高强型、耐热型、低膨胀型等一系列高性能铝基复合材料。这些复合材料已应用于航空、航天、电子和交通领域。然而, 与传统金属材料和树脂基复合材料相比, 目前高性能铝基复合材料的应用市场仍然很小。本文综述了高性能铝基复合材料在增强体、铝基体、制备方法、组织、性能和应用等方面的进展, 讨论了在原材料、工程化、质量稳定性、性能数据、成本、应用和材料研制等方面存在的问题, 从应用基体研究、材料研制、工程化、应用等方面展望了未来发展方向。高性能铝基复合材料的未来发展方向包括提升原材料质量、改善工艺稳定性、降低成本、加强工程化、扩大应用、探索增材制造+模锻技术及研制新一代纳米增强和纳米/微米混杂增强铝基复合材料。
近年来, 三维纺织复合材料因其整体性能优异、结构丰富和净成形等特点, 被广泛地应用于国防重大工程领域。其中, 三维异型纺织复合材料理论研究仍远落后于应用。从三维异型纺织复合材料构件的应用出发, 根据各种构件的典型特征分类归纳了三维异型纺织结构件的应用现状, 总结了三维异型纺织复合材料预制体的主要织造工艺和织造装备的发展现状, 并从不同的层级分析国内外对三维异型纺织复合材料的力学性能、细观结构建模、数值模拟等方面的研究进展, 提出了三维异型纺织复合材料研究面临的关键问题, 以期为三维异型纺织复合材料在未来的应用提供支撑。
为研究5083铝合金均匀化过程中难溶相含量、种类以及晶粒尺寸的变化, 采用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、差示扫描量热仪(DSC)和X射线衍射仪(XRD)对材料组织进行表征。结果表明: 铸态5083铝合金中的难溶相由Al(FeMnCr)相、Al(FeMnCr)Si相和Mg2Si相组成。使用相图计算对铸态组织成分进行验证, 结果与实验基本吻合。随着温度从460 ℃升高至560 ℃, 导电率先升高后降低。这与组织中的弥散相析出和难溶相溶解有关。均匀化制度为540 ℃/10 h, 560 ℃/10 h时, 难溶相主要以针片状Al(FeMnCr)相为主, Mg2Si相回溶充分, 面积分数分别为0.730%和0.632%, 未出现过烧组织的同时, 晶内有明显的弥散相粒子析出。因此均匀化温度只有≥540 ℃才能实现5083铝合金凝固组织中部分难溶相的回溶。提高均匀化温度和延长均匀化时间均会增加晶粒尺寸, 当均匀化温度小于540 ℃时, 难溶相变化对晶粒长大影响不大, 当均匀化温度大于540 ℃时, 难溶相回溶的同时平均晶粒直径开始大于140 μm。
针对工业化生产条件下制备的ϕ250 mm×20 mm和ϕ340 mm×30 mm两种规格的7A36铝合金挤压管材, 开展单级/双级固溶工艺和110~135 ℃下的单级时效-拉伸性能曲线研究, 并采用优选的热处理工艺, 对两种规格管材的拉伸性能进行对比研究。采用差热分析仪测试相转变温度, 利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜进行显微组织与拉伸断口观察。结果表明: 7A36合金管材在优选的热处理工艺下, 其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别可达696, 655 MPa和14.0%;相比常规的半连续铸造(direct chill casting, DC)铸锭+大挤压比工艺, 采用锻造铸锭+常规热挤压工艺, 合金管材表现出晶粒和晶界/晶内析出相尺寸更小以及晶界无沉淀析出带(precipitation free zone, PFZ)更窄的组织特征, 该组织特征是影响强度性能的主要原因; 同时, 该合金具有较高的淬火敏感性, 固溶处理过程中, 易在富Fe相附近诱发淬火微裂纹, 显著影响合金管材的伸长率。
为研究舰载航空发动机关键部件的氧化腐蚀防护, 开展镍基粉末高温合金FGH4095和FGH4096在750~1100 ℃空气环境中的高温氧化实验, 采用静态增重法测定两种合金在不同温度下的氧化动力学曲线, 利用金相显微镜、扫描电子显微镜、电子探针分析仪和X射线衍射仪对合金试样表面与截面氧化层的形貌、结构以及组成进行观察和分析。结果表明: FGH4095和FGH4096两种合金在750~900 ℃时属于完全抗氧化级, 在1000~1100 ℃时属于抗氧化级, 而两种合金的实际服役温度在900 ℃以下, 所以在其工作温度范围内抗氧化性能优异。在750~900 ℃时, 两种合金的抗氧化性能相近, 无明显差别, 氧化膜均未发生剥落。高温氧化后, FGH4095和FGH4096的氧化膜分为两层, 内层都是以Al2O3为主, FGH4095的外层由Cr2O3, Nb2O5和TiO2组成, 而FGH4096的外层仅为Cr2O3和TiO2。在1100 ℃时, 两种合金都发生明显氧化, 大量氧化皮破裂, 由于合金成分不同, 此温度下两种合金的抗氧化性能差别较大, 相比之下FGH4095合金具有更好的抗氧化性能。
分别从复合材料热氧化失重、表面和微观形貌、力学性能和玻璃化转变温度等方面, 对比研究了碳纤维退浆和未退浆两种状态的聚酰亚胺复合材料在330 ℃下热老化过程中的性能变化规律及机理。结果表明: 碳纤维退浆可以降低聚酰亚胺复合材料的热氧化失重率。碳纤维未退浆的复合材料由于界面层含耐温性低的环氧上浆剂, 在热老化过程中界面容易破坏, 导致裂纹较多, 边缘纤维较快发生脱离。未退浆的复合材料虽然在老化前具有较高的层间剪切强度, 但在热老化前期降低较快, 退浆的复合材料在200 h老化后层间剪切强度反而更高。两种复合材料老化前的弯曲强度基本相当, 但未退浆的复合材料在老化前期弯曲强度下降较快; 退浆对弯曲模量影响不大。退浆后的复合材料玻璃化转变温度提高了15 ℃左右; 经热老化后, 未退浆的复合材料玻璃化转变温度略有提高, 而退浆的复合材料基本不变。因此, 对碳纤维进行高温退浆处理有利于提高聚酰亚胺复合材料在高温下长期使用的稳定性。
为了改善g-C3N4光催化还原CO2过程中的气体传质、吸附和光生电荷分离效率, 分别从泡沫孔结构构筑和构建异质结两方面进行光催化材料设计。采用表面活性剂发泡法制备g-C3N4泡沫(g-C3N4 Foam), 以此为基体通过化学镀铜和氢氧化处理制备g-C3N4泡沫负载Cu(OH)2纳米片(Cu(OH)2/CNF)复合材料, 对其结构和光催化性能进行分析。结果表明: g-C3N4 Foam和Cu(OH)2/CNF均展现出发达的三维微米孔网络结构, 这种结构可从动力学层面优化CO2在气-固催化反应中的传质和吸附, 使CO2吸附容量分别达到3.97 cm3/g和3.59 cm3/g, 为g-C3N4粉末的2.96倍和2.68倍; 同时, Cu(OH)2/CNF样品中还形成大量二维Cu(OH)2纳米片结构, 不仅可以拓宽复合材料的光利用范围, 还可通过g-C3N4/Cu(OH)2异质结的构建促进光生电子向Cu(OH)2表面转移, 提升光生电荷分离效率; 制备的Cu(OH)2/CNF复合样品CO产率达到11.041 μmol·g-1·h-1, 为g-C3N4 Foam和g-C3N4粉末样品的2.76倍和6.83倍。
管内多孔涂层是增强传热性能和提高换热效率的有效途径。采用电爆喷涂制备管内多孔涂层，研究0.5 mm铜丝在不同初始电压下涂层的表面形貌、粗糙度和孔隙分布，并通过沉积能量和爆炸产物讨论微结构涂层的形成机理。结果表明：改变初始电压可以得到不同微观形貌的涂层。初始电压为14.0 kV时，得到最优多孔涂层，形成由小颗粒堆积而成的多孔结构，其表面积是未喷涂涂层管的4.47倍，孔隙率高达57.8%；15.2 kV时，由小熔池凝固后形成均匀的圆形多孔涂层，孔隙率为40.3%。涂层的形成主要取决于不同电压下爆炸时铜丝沉积的能量，它作为喷涂粒子的热动条件，决定了喷涂粒子的能量和粒径大小，不同状态的喷涂粒子与基管表面碰撞后或颗粒堆积或形成熔池，最终导致涂层微观形貌的差异。
采用脉冲微孔喷射法(POEM)成功地制备出粒径分布范围小、圆球度高、外观形貌一致的Al-70%Sn(质量分数)核壳结构粒子。探究了粒径大小、过热度及气体氛围对粒子内部形貌的影响，结合电子探针、能谱分析及冷却速率模拟计算，探讨富Al相为核心和富Sn相为壳层的核壳结构形成机理。结果表明，随着粒径的增大，粒子由非核壳结构向液珠朝核心聚集型、规则核壳型及核心偏离圆心型的核壳结构转变。采用切面修正方法计算了规则核壳结构粒子核的真实体积分数，发现核的真实体积分数随着液相分离过冷度的增大而增大。该方法可用来估算规则核壳结构粒子发生液相分离时过冷度的大小。
超细纤维(MF)与天然皮革具有相似的结构。将La，Ce，Gd，Er四种稀土元素，通过植物单宁负载到超细纤维表面，制备了可穿戴超细纤维基X射线防护材料(RE-MF)，并对其进行了X射线屏蔽性能测试。紫外吸收光谱(UV-Vis)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)等分析结果表明，通过植物单宁不仅能够成功地将稀土元素负载到超细纤维表面，而且能够实现稀土元素在纤维表面的均匀分布。X射线屏蔽性能测试结果表明，在光子能量100 keV以内，负载四种稀土元素的超细纤维材料都具有良好的X射线屏蔽性能，且屏蔽效率随着负载量和厚度的增加而增大，在20~80 keV能量段，2.6 mm Gd4-MF对X射线的屏蔽效率可达60%，接近0.25 mm厚度的铅板，可代替铅板成为无毒、柔软的可穿戴X射线防护材料。力学性能测试结果表明，超细纤维基X射线防护材料保持了超细纤维原有的良好力学性能，有望在X射线防护领域得到广泛应用。
