Author Affiliations
Abstract
1 School of Environmental and Chemical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China
2 College of Materials Science and Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China
3 College of Pharmacy, Xinjiang Medical University, Engineering Research Center of Xinjiang and Central Asian Medicine Resources (Ministry of Education), Urumqi 830000, China
4 Institute for Carbon Neutralization, College of Chemistry and Materials Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China
5 School of Physics and Electronic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
6 Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry (Ministry of Education), Nankai University, Tianjin 300071, China
Anode materials are an essential part of lithium-ion batteries (LIBs), which determine the performance and safety of LIBs. Currently, graphite, as the anode material of commercial LIBs, is limited by its low theoretical capacity of 372 mA·h·g?1, thus hindering further development toward high-capacity and large-scale applications. Alkaline earth metal iron-based oxides are considered a promising candidate to replace graphite because of their low preparation cost, good thermal stability, superior stability, and high electrochemical performance. Nonetheless, many issues and challenges remain to be addressed. Herein, we systematically summarize the research progress of alkaline earth metal iron-based oxides as LIB anodes. Meanwhile, the material and structural properties, synthesis methods, electrochemical reaction mechanisms, and improvement strategies are introduced. Finally, existing challenges and future research directions are discussed to accelerate their practical application in commercial LIBs.
alkali-earth metal iron-based oxides anodes lithium-ion batteries electrochemical energy storage Journal of Semiconductors
2024, 45(2): 021801
1 大连理工大学材料科学与工程学院辽宁省先进连接技术重点实验室，辽宁 大连 116024
2 株洲齿轮有限责任公司，湖南 株洲 412000
针对球墨铸铁与合金钢异种材料焊接界面容易形成碳偏聚进而产生裂纹的问题，通过采用连续-脉冲同轴双激光焊接工艺及填充镍基合金焊丝，实现了QT500与20MnCr5的优质焊接。研究了同轴双激光中不同脉冲激光功率（360、400、440、480 W）对焊缝成形质量的影响规律，讨论了激光作用位置向钢侧偏移（偏移量）对焊接接头界面碳元素偏聚现象的影响机制，对焊接接头力学性能、金相组织及硬度分布进行了综合分析。结果表明：同轴双激光焊接工艺可用于球墨铸铁与合金钢的焊接，球墨铸铁侧的热输入对焊缝的成形质量及力学性能的影响较为显著；由于球墨铸铁侧莱氏体及马氏体的析出，断裂主要发生在该侧的熔合区；在保证熔深稳定的前提下，分别研究了不同偏移量（0.1、0.2、0.3 mm）对接头的影响，激光作用位置向钢侧偏移能够有效减小球墨铸铁侧的热输入，避免碳元素过度偏聚，力学性能得到相应的提升，断裂位置向热影响区移动，焊缝接头的强度得到优化。
激光技术 连续-脉冲双激光 球墨铸铁 合金钢 镍基合金 中国激光
2024, 51(16): 1602102
西南石油大学 新能源与材料学院, 成都 610500
化学动力学疗法(CDT)利用肿瘤细胞内源性H2O2与芬顿催化剂反应生成高毒性的羟基自由基(•OH), 从而杀死肿瘤细胞, 但内源性H2O2不足和纳米粒子转运效率较低导致抗癌效果不理想。本研究制备了一种分散性良好、尺寸较小的铜掺杂介孔二氧化硅(Cu-MSN), 负载化疗药物阿霉素(DOX)和抗坏血酸盐(AA)后, 表面经叶酸(FA)和二甲基马来酸酐(DMMA)改性的壳聚糖(FA-CS-DMMA)以及羧甲基壳聚糖(CMC)包裹, 得到pH响应型靶向纳米催化剂FA-CS-DMMA/CMC@Cu-MSN@DOX/AA(缩写为FCDC@Cu-MSN@DA)。扫描电镜显示纳米粒子FCDC@Cu-MSN@DA粒径约为100 nm。体外48 h内Cu2+释放量可达80%, 药物DOX释放达到57.3%。释放的AA经自氧化后产生H2O2, 诱导Cu2+发生类芬顿反应, 从而增强CDT。细胞实验证明, FCDC@Cu-MSN@DA联合化疗药物表现出优异的抗肿瘤活性, 说明该多功能纳米催化剂在癌症治疗中具有潜在应用前景。
癌症治疗 铜离子 过氧化氢 纳米催化剂 化学动力学疗法 tumor therapy copper iron hydrogen peroxide nanocatalyst chemodynamic therapy
1 1.电子科技大学 电子科学与工程学院, 国家电磁辐射控制材料工程技术中心, 多频谱吸波材料与结构教育部重点实验室, 成都 611731
2 2.中国科学技术大学 材料科学与工程系, 能量转换材料重点实验室, 合肥 230026
随着5G无线通信与低频雷达侦察技术的飞速发展, 低频电磁波辐射已成为当代的严重问题。目前, 中高频段吸波材料的研究已趋于成熟, 而设计低频段吸波材料仍面临巨大的挑战, 亟待研究者们解决。基于四分之一波长相消机制, 本研究设计了0.5~3 GHz低频段复合吸波材料。采用简单的一步水热法, 诱导铁氧体在羰基铁粉与碳纳米管表面生长, 制备出CIPs@Mn0.8Zn0.2Fe2O4-CNTs三元复合材料, 对比研究了碳纳米管含量对材料吸收峰频率的影响。实验结果表明, 引入碳纳米管, 一方面为材料带来了界面极化、偶极极化等额外的损耗机制, 增加了材料的衰减系数; 另一方面基于四分之一波长相消机制, 高介电与高磁导率的耦合, 使材料在低频段获得良好的阻抗匹配。最终, 在4 mm厚度下, 样品分别在2.11与1.75 GHz处, 获得了-40.8与-32.1 dB的反射损耗, -10 dB带宽分别为1.70~2.70 GHz和1.40~2.20 GHz。该复合材料制备工艺简单, 低频吸收性能良好, 具有很大的应用潜力, 为开发更有效的低频吸波材料提供了新的思路和方法。
碳纳米管 复合材料 羰基铁粉 波长相消 低频吸波 carbon nanotubes composite material carbonyl iron powder wavelength cancellation low- frequency absorption
1 苏州热工研究院有限公司苏州 215004
2 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
3 西南石油大学 新能源与材料学院成都 610500
4 国家核电厂安全及可靠性工程技术研究中心苏州 215004
镍、铁和钨基合金常被用来作为反应堆的候选结构材料，在反应堆中面临中子辐照的严苛服役环境。本文采用分子动力学方法研究了金属镍、铁、钨三种金属材料的辐照级联过程，获得材料在不同温度（300?500 K）下、不同初级碰撞原子（Primary Knock-on Atom，PKA）能量（<20 keV）沿不同晶格方向（<135>、<122>和<100>）入射的辐照级联损伤过程。结果表明：金属镍和铁的稳态辐照缺陷数相当，当PKA能量较低（<5 keV）时，金属镍的稳态缺陷数比金属铁略少；而当PKA能量较高（>5 keV）时，金属镍的稳态缺陷数逐渐超过铁；在相同辐照条件下，金属钨的稳态辐照缺陷数最少，表现出更为良好的抗辐照性能。通过分析三种金属辐照级联过程中不同阶段的缺陷复合率及缺陷存活率，进一步理解其耐辐照损伤能力的差异。相关计算结果为理解不同金属的辐照性能提供数据支撑，作为金属初级辐照损伤数据集，为更大尺度的速率理论和团簇动力学等模拟材料辐照效应提供微观缺陷结构和参数。
镍 铁 钨 中子辐照 初级辐照损伤 分子动力学 Nickel Iron Tungsten Neutron irradiation Primary radiation damage Molecular dynamics
1 1.贵州梅岭电源有限公司 特种化学电源全国重点实验室, 遵义563003
2 2.南昌工学院 机械与车辆工程学院, 南昌 330108
氧还原反应(ORR)是燃料电池阴极重要的电化学反应过程, 其自发反应进程缓慢, 对氧还原反应起高效催化作用的催化剂面临价格昂贵、合成流程复杂、污染环境等问题, 因此探索合成简单、环境友好的氧还原催化剂制备方法具有重要意义。铁氮共掺杂介孔碳材料(Fe-N/MC)是一种有巨大应用价值的非贵金属氧还原反应催化剂。本工作通过在马弗炉中的半封闭体系内高温碳化小分子前驱体得到介孔碳材料(MCM), 再把获得的MCM与铁盐混合在管式炉中高温处理制备得到铁氮共掺杂介孔碳材料(Fe-N/MCMT)。该方法热解条件简单, 无需模板剂和NH3、HF等有毒物质。由于MCM含有较高的氮和氧元素, 有利于提升介孔碳材料表面的亲水性和配位能力, 通过MCM和铁盐制备出的Fe-N/MCMT含有丰富的、催化ORR的Fe-Nx活性位点, 其起始电位和半波电位分别为0.941和0.831 V (vs RHE), 比商业化Pt/C催化剂的起始电位和半波电位分别正34和16 mV。氧还原反应按照反应过程分为二电子过程和四电子过程, Fe-N/MCMT和Pt/C的转移电子数分别为3.77和3.91, 表明具有四电子反应过程。
铁氮共掺杂介孔碳 氧还原反应 半封闭体系 催化剂 iron-nitrogen co-doped mesoporous carbon oxygen reduction reaction semi-containment system catalyst
1 1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院, 轨道车辆安全监测与健康管理研究中心, 北京 100044
2 2.北京建筑材料科学研究总院有限公司 固废资源化利用与节能建材国家重点实验室, 北京 100041
为拓展铁尾矿的资源化利用途径, 本研究分别以细颗粒高硅铁尾矿、铁尾矿+石墨粉以及铁尾矿+石墨粉+碳化硅粉为原料, 采用泡沫注凝成形-常压烧结、泡沫注凝成形-反应烧结和模压成形-反应烧结工艺制备了铁尾矿多孔陶瓷和三种以碳化硅为主晶相的多孔陶瓷。通过DSC-TG和XRD分析, 研究了铁尾矿自身的烧结过程以及铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应烧结过程, 对比分析了四种多孔陶瓷材料的孔隙率、压缩强度、热导率等性能。结果表明, 以铁尾矿为原料可制备具有较高孔隙率(87.2%)、压缩强度(1.37 MPa)和低热导率(0.036 W/(m·K))的铁尾矿多孔陶瓷, 它是一种高效保温隔热材料; 利用铁尾矿与石墨之间的碳热还原反应可获得碳化硅多孔陶瓷, 其热导率显著提高, 但强度偏低; 而在原料中加入部分碳化硅, 可以明显改善多孔陶瓷的压缩强度, 获得具有高孔隙率(91.6%)、较高压缩强度(1.19 MPa)和热导率(0.31 W/(m·K))的碳化硅多孔陶瓷, 它可作为轻质导热材料或复合相变材料的载体使用; 与泡沫注凝成形工艺相比, 采用模压成形工艺制备的碳化硅多孔陶瓷虽然孔隙率有所降低(79.3%), 但热导率得到显著提升(1.15 W/(m·K)), 同时原料和生产成本大幅降低, 有利于实现产品的工业化生产。
铁尾矿 多孔陶瓷 碳化硅 反应烧结 泡沫注凝成形 iron tailing porous ceramics SiC reactive sintering foam gel-casting
1 华东交通大学轨道交通基础设施性能检测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013
2 浙江师范大学浙江省城市轨道交通智能运维技术与装备重点实验室，浙江 金华 321005
研究所设计Fe基和Co基合金激光熔覆层的组织结构及海水环境下摩擦磨损行为，用于解决地铁ER9车轮钢表面防护与修复问题。采用激光熔覆技术在ER9车轮钢表面制备Fe基合金涂层和Co基合金涂层，利用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对比分析了两种熔覆层的微观组织结构、物相及化学元素组成，利用往复摩擦试验机考察了其在海水环境下的摩擦学性能。结果表明：在海水环境下的滑动摩擦中，车轮钢基体表面覆盖了大面积腐蚀产物且呈现出大量平行于滑动方向的沟槽。而在两种熔覆涂层中，铁基合金涂层主要由α-Fe、(Fe,Ni)和Cr7C3等固溶体组成，平均硬度(约638.8 HV)相当于基体(284.8~293.2 HV)的2.21倍，摩擦因数约为0.270，磨损率为9.64×10-5 mm3/(N·m)，磨损机制以轻微磨粒磨损为主，同时伴有腐蚀磨损。钴基合金涂层的结晶相主要是FeNi3相、γ-Co相和Cr23C6相，平均硬度(约467.9 HV)是基体约1.62倍，摩擦因数约为0.225，磨损率为3.06×10-5 mm3/(N·m)，磨损机制主要为轻微氧化磨损。
激光熔覆 海水 铁基合金涂层 钴基合金涂层 微观组织 摩擦磨损 laser cladding seawater iron-based alloy coating cobalt-based alloy coating microstructure friction and wear
中国地质大学(武汉)珠宝学院, 湖北 武汉 430074
方沸石作为一种工业常见矿物, 在工业中被广泛应用, 方沸石的合成方法也极其成熟, 但可以用作宝石的天然方沸石却在世界范围内都非常少见。 该文讨论对象为湖北大冶矿区产出的天然宝石级方沸石, 旨在为对其进行种类鉴别并阐述其产地特征与鉴定依据。 该产地的方沸石多呈无色透明, 晶型完整者多见, 晶面花纹清晰, 晶体粒径最大可达36 mm, 总体净度较好。 通过背散射电子观察结果确定样品成分均匀, 结合XRD谱图及能谱分析结果计算确定该晶体为方沸石; 内部可见白色包裹体, 具束状结构与一组解理, 电子探针结果计算判断内部包裹体为交代残余结构的的斜钙沸石。 拉曼光谱特征如下: 81、 139、 201和298 cm-1的峰是由沸石的晶格振动导致; 298 cm-1的强峰可能代表金属氧的振动; 491 cm-1的极强峰是由O-Si-O键的弯曲振动导致的; 390、 671 cm-1的峰可能归因于硅氧和铝氧四面体的移位; 1 105 cm-1的一组峰指示硅氧四面体的伸缩振动, 这是天然沸石的典型峰位。 1 624 cm-1的弱峰则代表水的弯曲振动, 3 557 cm-1的强峰代表水的伸缩振动。 样品红外光谱主要表现为: 红外吸收谱线788、 1 259 cm-1是由硅氧四面体的伸缩振动导致的。 1 646 cm-1是由水的弯曲振动导致的; 3 635 cm-1弱吸收是由水的伸缩振动导致的。 部分样品仅可见3 635 cm-1一处吸收, 表明其内部水分子仅以一种形式参与晶格, 可见溶蚀凹坑与绿泥石的样品除3 635 cm-1一处吸收外, 在其左侧均可见吸收但3 635 cm-1强度相对较高, 表明其结构内水分子以多种形式参加晶格且数量稍多, 但总体仍较少。 结合光谱、 成分测试推测湖北大冶宝石级方沸石为高温沉积型方沸石, 交代斜钙沸石成矿, 后期经历了局部绿泥石化。
宝石级方沸石 大冶铁矿 红外光谱 激光拉曼光谱 Gem-gradeanalcime Daye iron ore Infrared spectrum Laser Raman spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(9): 2799
1 上海海关工业品与原材料检测技术中心, 上海 200135
2 上海海关工业品与原材料检测技术中心, 上海 200135上海理工大学材料与化学学院, 上海 200093
3 上海理工大学材料与化学学院, 上海 200093
快速准确测定铁矿石中的硅、 铝、 钙、 镁含量对铁矿石质量评价具有重要作用。 受制于多变量分析方法过拟合现象以及不同种类样品基体效应, 使用激光诱导击穿光谱（LIBS）准确测定铁矿石中硅、 铝、 钙、 镁含量仍然是当前存在的挑战。 采用变量重要性-反向传播人工神经网络（VI-BP-ANN）辅助LIBS定量分析铁矿石中硅（以SiO2计）、 铝（以Al2O3计）、 钙（以CaO计）和镁（以MgO计）的含量。 在这项研究中, 收集了12种244批铁矿石代表性样品的LIBS光谱, 优化了光谱预处理方法, 使用随机森林（RF）对LIBS光谱特征的重要性进行了测量, 使用袋外(OOB)误差优化RF模型参数, 变量重要性阈值用于优化BP-ANN校准模型的输入变量。 变量重要性阈值和神经元数量通过五折交叉验证（5-CV）的测定系数（R2）和均方根误差（RMSE）进行优化。 结果显示测试样本SiO2、 Al2O3、 CaO和MgO含量预测均方根误差（RMSEP）分别为0.377 2 wt%、 0.133 9 wt%、 0.059 2 wt%和0.141 1 wt%, R2分别为0.970 1、 0.955 4、 0.987 1、 0.997 5。 相比于使用相同的预处理方法作为PLS、 SVM、 RF和BP-ANN四种模型的输入, VI-BP-ANN在校准集和预测集都显示出出色的预测能力。 结果表明LIBS与VI-BP-ANN的结合有潜力在实际应用中实现铁矿石硅、 铝、 钙、 镁含量的快速准确预测。
铁矿石 反向传播人工神经网络 变量重要性 定量分析 激光诱导击穿光谱 Iron ore Back propagation artificial neural network Variable importance Quantitative analysis Laser-induced breakdown spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(10): 3132
