納米多孔鋁
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2021-07-29
納米多孔鋁的實(shí)例教程
通過(guò)脫合金制備的納米多孔金屬在各種功能應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。在脫合金期間，反應(yīng)性元素被選擇性溶解，剩余的反應(yīng)性較低的元素自行組織成均勻的納米多孔結(jié)構(gòu)。脫合金納米多孔結(jié)構(gòu)代表了一種新型的自組織強(qiáng)而輕的材料。納米多孔金屬通常表現(xiàn)出高強(qiáng)度但熱穩(wěn)定性差。由于大量過(guò)剩的表面能，納米多孔金屬（如金）即使在環(huán)境溫度下也易于粗化。如何降低納米多孔金屬的密度并提高其穩(wěn)定性，成為發(fā)展輕質(zhì)高強(qiáng)多功能納米多孔金屬材料的關(guān)鍵。
此外，鋁的反應(yīng)性如此之高，以至于納米多孔鋁的合成通常涉及非水溶液，例如離子液體 ，其中脫合金很慢。用于合成納米多孔鋁的合適的前體合金也受到限制。目前，納米多孔 Al 只能從 Mg-Al 合金中脫合金，因?yàn)?Mg 是少數(shù)比 Al 反應(yīng)性更強(qiáng)的元素之一，可以與 Al 形成合金形成前體合金。直接脫合金的 Mg-Al 合金可以生成結(jié)構(gòu)非常精細(xì)的納米多孔鋁（韌帶尺寸為 10 到 20 nm），但是由于鋁韌帶的快速氧化，它在大氣中可燃。
最近，金屬所金海軍團(tuán)隊(duì)提出在金屬鋁中構(gòu)筑納米多孔結(jié)構(gòu)，利用輕金屬鋁作為骨架降低納米多孔金屬密度，同時(shí)利用鋁表面自發(fā)形成的極薄氧化膜可抑制表面擴(kuò)散，提高材料熱穩(wěn)定性。最終研究人員將脫合金腐蝕與置換反應(yīng)（GRR）相結(jié)合制備出了無(wú)裂紋的納米多孔鋁樣品，相關(guān)研究成果以“Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell”為題近日發(fā)表于Science Advances。
展開(kāi) 來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），日本筑波大學(xué)的科研人員報(bào)道了一種由聚苯胺輔助模板法制備的三維納米多孔氮摻雜碳，該材料具有雙連續(xù)的孔隙率和互連的開(kāi)孔通道。聚苯胺可以有效抑制表面擴(kuò)散模板粗化，從而獲得35 nm的小孔徑。小的多孔形態(tài)導(dǎo)致高達(dá)7.20at%的高氮摻雜劑濃度。這反過(guò)來(lái)又顯示出商業(yè)鉑/碳可比的ORR性能以及在堿性介質(zhì)中令人滿(mǎn)意的耐久性。使用這些納米多孔碳催化劑作為空氣電極，組裝了全固態(tài)柔性鋁-空氣電池，測(cè)量的最大功率密度達(dá)到130.5毫瓦每平方厘米，而使用商用鉑/碳標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為106.2毫瓦每平方厘米。該研究為制備具有雙連續(xù)納米孔道的三維氮摻雜碳提供了一種有效的方法，可廣泛應(yīng)用于便攜式和柔性器件。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202103632
綜上所述，本文采用聚苯胺輔助的方法制備了具有雙連續(xù)開(kāi)放孔隙率的三維納米孔摻氮碳。聚苯胺層可以有效地抑制了Mn2O3模板在800~1000°C熱解過(guò)程中因擴(kuò)散而導(dǎo)致的顆粒粗化和孔膨脹效應(yīng)，制得的三維納米孔炭的孔徑為35 nm。由于N摻雜量高、比表面積大、孔隙率高，因此3D納米多孔碳基全固態(tài)鋁空氣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的放電性能，達(dá)到是130.5 mW cm?2的大功率密度。這項(xiàng)工作為合成三維雙連續(xù)納米多孔摻氮碳材料提供了一條新的途徑，可用于各種電化學(xué)器件中潛在的催化劑。（文：SSC）
圖1|制備和形態(tài)表征。
圖2|結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性
圖3| ORR性能
圖4| 全固態(tài)鋁空氣電池性能
本文來(lái)自微信公眾號(hào)“材料科學(xué)與工程”。
展開(kāi) 納米結(jié)構(gòu)基底的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)激光解吸電離質(zhì)譜的性能有重要影響。對(duì)基底性質(zhì)的基本理解可以為高效LDI矩陣的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供見(jiàn)解。
來(lái)自韓國(guó)延世大學(xué)等單位的科研人員
研究了納米多孔金修飾的二氧化鈦納米線(納米金-TNW)的混合基質(zhì)被開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的LDI-質(zhì)譜性能
。本文基于包括光熱轉(zhuǎn)換和電子能帶結(jié)構(gòu)在內(nèi)的混合矩陣性質(zhì)，研究了它的起源。相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202102475
值得注意的是，納米金-TNW比原始的TNW和無(wú)孔金納米修飾的TNW(AuTNW)雜化物的性能獲得了進(jìn)一步的改善，這歸因于激光誘導(dǎo)的表面重構(gòu)/熔化現(xiàn)象。通過(guò)高孔隙率納米金的高效光熱轉(zhuǎn)換和激光曝光，納米金發(fā)生明顯的表面重組/熔化。在納米金結(jié)構(gòu)改變的瞬間，內(nèi)部能量從納米金轉(zhuǎn)移到被吸附的分析物被促進(jìn)，這有利于解吸。此外，在重組npAu附近的TNW處原位產(chǎn)生應(yīng)變，使TNW晶格發(fā)生畸變。應(yīng)變的發(fā)展通過(guò)在帶隙中引入淺陷阱能級(jí)降低了電荷載流子的復(fù)合速率，從而增強(qiáng)了電離過(guò)程。最后，通過(guò)對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）的分析，證明了基于npAu-TNW混合矩陣的LDI-MS的高性能。
圖1.npAu-TNW的特性
圖2.TnW、Au-TnW和npAu-TnW納米結(jié)構(gòu)中混合酪氨酸的DSC熱分析。
圖3.基于水接觸角(WCA)測(cè)量的TNW、Au-TNW和npAu-TNW的光催化活性
圖4.激光誘導(dǎo)npAu-TNW的結(jié)構(gòu)變化。
展開(kāi) 【成果簡(jiǎn)介】
近日，北京理工大學(xué)的陳人杰教授和北京大學(xué)的郭少軍教授（共同通訊作者）等報(bào)道了一種完全錨定在N摻雜碳納米纖維（Ir NSs-CNFs）表面上的起皺、超薄Ir納米片，作為改善鋰—二氧化碳電池性能的有效陰極。改善后的電池可以穩(wěn)定地放電并充電至少400次循環(huán)，截止容量為1000 mAh g-1—500 mA g-1。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了目前最小電荷過(guò)電位現(xiàn)象，即陰極通過(guò)在100 mA g-1下顯示低于3.8 V的充電終止電壓來(lái)有效地降低電荷過(guò)電位。在放電過(guò)程中，對(duì)中間產(chǎn)物的非原位分析表明Ir NSs-CNFs可以極大地穩(wěn)定無(wú)定形顆粒中間體（可能是Li2C2O4）并延遲其進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)楸“鍫頛i2CO3；而在充電過(guò)程中，它可以使Li2CO3易于完全分解，大大提高鋰—二氧化碳電池的性能。研究成果以為“Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO2 Batteries”題發(fā)布在國(guó)際著名期刊Adv. Mater.上。
展開(kāi) 然而，納米級(jí)孔隙對(duì)熱電性能的作用目前仍存在爭(zhēng)議，因?yàn)樵谀承┣闆r下，電導(dǎo)率的降低速率比熱導(dǎo)率的降低速率快得多，這將導(dǎo)致ZT惡化。這種明顯的反差可能與孔隙的大小和分布以及材料的本征性質(zhì)有關(guān)。
02
成果掠影
納米晶粒和孔隙作為兩種常見(jiàn)的微結(jié)構(gòu)缺陷，能夠阻礙聲子的傳輸。然而，迄今為止，納米晶粒在高溫下的穩(wěn)定性以及多孔性在提高熱電優(yōu)值ZT方面的可行性仍是熱電領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題。近日，哈工大材料學(xué)院隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學(xué)、中科院物理研究所組成的研究團(tuán)隊(duì)首次利用超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)的鎂銀銻（MgAgSb）基熱電材料制備了高性能熱電制冷器件，在α-MgAgSb中設(shè)計(jì)的主要由納米晶區(qū)域內(nèi)的超細(xì)晶粒和隨機(jī)分布的孔隙組成的微結(jié)構(gòu)，在300?K時(shí)，產(chǎn)生了超低的晶格熱導(dǎo)率0.46?W/mK，突破了估計(jì)最小值的限制，為熱電制冷性能優(yōu)化提供了新思路。研究成果以“Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials”為題發(fā)表在《Materials Today》上。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1. 微觀結(jié)構(gòu)演變的原理圖、改進(jìn)的熱電性能、模塊的冷卻性能。
展開(kāi) 
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納米多孔鋁的最新內(nèi)容
泡沫金屬，亦稱(chēng)多孔金屬，涵蓋了如泡沫鋁、泡沫鎳及泡沫鈦等多種類(lèi)型，是一種具備三維連通孔隙結(jié)構(gòu)的先進(jìn)工程材料。該材料融合了金屬與泡沫材料的特性?xún)?yōu)勢(shì)，形成了獨(dú)特的物理和力學(xué)性能，因而被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。本案例旨在描述如何在COMSOL軟件中構(gòu)建具有連通孔隙結(jié)構(gòu)特征的三維泡沫金屬模型。
泡沫金屬的建模可通過(guò)CAD球體密堆積3D插件V2.0版本實(shí)現(xiàn)，其中為確保生成模型中孔隙的連通性
泡沫金屬，又稱(chēng)為多孔金屬，常見(jiàn)的類(lèi)型有泡沫鋁、泡沫鎳、泡沫鈦等，是一種具有三維連通孔隙結(jié)構(gòu)的新型工程材料。它結(jié)合了金屬和泡沫材料的優(yōu)點(diǎn)，擁有獨(dú)特的物理、力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立具備連通孔隙結(jié)構(gòu)的三維泡沫金屬結(jié)構(gòu)模型。
泡沫金屬通過(guò)CAD球體密堆積3D插件V2.0版本建立，其中的球體最小間距參數(shù)應(yīng)設(shè)置為負(fù)數(shù)，以確保生成的模型中的孔隙具備連通性
多孔結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于過(guò)濾、催化、能量吸收等領(lǐng)域。基于Voronoi圖的方法通過(guò)調(diào)整生成點(diǎn)的位置和密度，控制多孔結(jié)構(gòu)的孔隙大小和分布，可用于模擬自然界中的多孔介質(zhì)，如泡沫金屬、骨小梁等。本案例介紹在ABAQUS內(nèi)建立三維多孔材料。
首先采用CAD Voronoi 3D插件建立圓柱體試件晶粒模型。
2.1.問(wèn)題描述
納米壓痕是確定金屬材料特性的最廣泛使用的方法之一。分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬是一種強(qiáng)大的工具，可以研究納米壓痕過(guò)程中原子尺度上的材料行為，并深入了解材料的塑性變形。本工作采用單晶鋁作為原材料，旨在為使用MD設(shè)計(jì)納米壓痕模擬提供指導(dǎo)。
2.2.模型描述
對(duì)單晶鋁納米壓痕的分子動(dòng)力學(xué)模擬通過(guò)原子/分子大規(guī)模并行模擬器(LAMMPS)實(shí)現(xiàn)，模擬結(jié)果采用OVITO進(jìn)行可視化和晶體結(jié)構(gòu)缺陷分析
來(lái)源 | Materials Today
01
背景介紹
熱電( TE )技術(shù)作為一種綠色的工程解決方案，在小規(guī)模制冷和余熱回收方面越來(lái)越受到關(guān)注。在實(shí)際應(yīng)用中，固態(tài)冷卻是其主導(dǎo)應(yīng)用，由于具有高可靠性和緊湊性、無(wú)噪音運(yùn)行、精確控溫等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)具有成熟的商用市場(chǎng)。除了邊界或界面，孔隙率是另一種有效的策略，有望干擾聲子輸運(yùn)以提高
納米多孔金屬是通過(guò)化學(xué)或物理方法從合金前驅(qū)體中有選擇地去除犧牲元素而合成的，范圍從鋰到金，從薄片到塊狀樣品，從單孔結(jié)構(gòu)到分層多孔結(jié)構(gòu)。納米多孔金屬具有高比表面積、納米尺寸的溝道、整體相對(duì)于納米顆粒、優(yōu)異的導(dǎo)電性以及相對(duì)于納米孔聚合物或陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度，因此在能量存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)換到二氧化碳還原等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。脫合金納米多孔金(NP-Au)可作為鋰空氣電池和燃料電池中的氧還原催化劑，或作為將電能轉(zhuǎn)化
在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：52071340、51820105001、51531009、51711530713）等資助下，中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜勇教授團(tuán)隊(duì)楊明軍博士生、李凱副教授等在鋁合金針狀納米析出相的力學(xué)行為及其機(jī)制研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果以
以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）為原料的廢棄飲料瓶是常見(jiàn)的生活垃圾。控制類(lèi)似的塑料污染，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”過(guò)程中值得考慮的問(wèn)題之一。新冠疫情持續(xù)在全球傳播導(dǎo)致的個(gè)人防護(hù)用具和企業(yè)過(guò)濾設(shè)備和器材需求維持增加。聚合物的原材料供應(yīng)和回收成為了近期亟待解決的課題。利用回收的塑料瓶制備納米纖維膜，開(kāi)發(fā)空氣過(guò)濾產(chǎn)品可以兼顧以上兩方面的問(wèn)題
由于N摻雜量高、比表面積大、孔隙率高，因此3D納米多孔碳基全固態(tài)鋁空氣電池表現(xiàn)出優(yōu)異的放電性能，達(dá)到是130.5 mW cm?2的大功率密度。這項(xiàng)工作為合成三維雙連續(xù)納米多孔摻氮碳材料提供了一條新的途徑，可用于各種電化學(xué)器件中潛在的催化劑。（文：SSC）
圖1|制備和形態(tài)表征。
納米多孔鋁的優(yōu)異熱穩(wěn)定性源于韌帶表面氧化鋁層的存在。由于氧化物殼占據(jù)材料體積的很大一部分，并且天然氧化物層在其熱穩(wěn)定性和機(jī)械響應(yīng)中起著重要作用，脫合金腐蝕與置換反應(yīng)（GRR）制備的納米多孔鋁樣品是納米多孔 Al-Al2O3 核殼復(fù)合材料。
圖 1 具有天然氧化物殼的納米多孔鋁的微觀結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性。
