材料科学与工程进展(1)

材料科学与工程进展

2019.04.14

——多孔材料1、在新能源领域中多孔材料有哪些？关注其什么特点？

答：在新能源领域方面，多孔材料常在锂离子电池的电极材料中有较多的应用，比如最常见的有多孔金属材料——泡沫镍电极，主要因为泡沫镍具有很大的比表面积，它在电化学中被利用来制造电化学电极，可以大大提高电化学反应过程中能量的释放。同时还有多孔碳电极材料，主要由于多孔碳材料由于具有高的电导率、酸碱及水热稳定性强、比表面积大和孔结构发达等特点而被广泛用作电极材料。

在自己最近关于水污染控制的研究课题中，关注比较多的一种多孔材料就是多孔陶瓷材料，多孔陶瓷在水污染控制方面的应用主要是将其作为过滤材料，利用其截留、吸附、表面络合、离子交换等作用机理。同时由于多孔陶瓷材料具有相对密度小、比表面积大、热导率低、比强度高及吸附性能好等特性，与一般多孔材料相比还具有化学稳定性好、机械强度和刚度高、耐热性佳、孔隙率高、体积密度小、自身洁净状态好，无毒无味、无异物脱落、不会产生二次污染等优点。

2、常用的多孔材料的制备方法？如何控制孔结构？

答：多孔材料的制备方法比较多，针对不同的材料有不同的制备方法。

对于目前多孔泡沫金属的制备工艺有十几种，其中一部分与制备泡沫高分子材料的工艺方法相近，还有一些与金属材料的传统加工方法有所相近，这些方法有发泡法、铸造法、烧结法和沉积法。其中发泡法是制备闭孔泡沫金属材料的常用方法也是较为成熟的泡沫金属材料制备方法，其基本原理是在液态金属中通入气体或加入发泡剂产生多孔结构，所以可以通过改变发泡剂的种类、数量来控制孔的结构；铸造法的基本原理是提供一定形状和空隙率的模具，然后将液态金属注入模具中，待冷却凝固后再用一定的方法将模具去除，所以不同的模具可以产生不同的孔结构。

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对于多孔陶瓷材料最常用的制备方法有发泡法、添加造孔剂法、固态烧结法、溶胶-凝胶法、微波烧结，同时还可以烧结具有孔道结构的原料制备多孔陶瓷。发泡法是向陶瓷组分中添加有机或无机化学物质，在处理期间形成挥发性气体，产生泡沫，经干燥和烧成制得多孔陶瓷（包括网眼型和泡沫型两种）；添加造空剂法通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用这些造孔剂在高温下燃尽或挥发而在陶瓷体中留下孔隙，造孔剂种类和用量的选择制得形状复杂、气孔结构各异的多孔制品；最新的冷冻干燥工艺首先用于制备各种高活性超微离子，现在这种方法也应用于制备多孔陶瓷，该工艺通过控制金属盐溶液的冷冻方向来控制孔的结构以获得了方向性极好、气孔率很高的多孔陶瓷。

——石墨烯3、根据微机械法的原理，其他材料的薄片是否也能由此制备，有哪些？

答：微机械剥离是一种传统的制备薄片材料的方法，它通过使用胶带对层状结构块体进行剥离。这种方法最初是通过胶带的机械力来削弱块状晶体的层间范德瓦耳斯力的，因为这并不会破坏面内的共价键，因此可以得到单层或多层的二维晶体。即使不同材料的成分和晶体结构有差别，但还是可以将它们分为两大类别：层状和非层状材料。对于层状材料来说，每一层中的原子通过相互间强烈的化学键相连接，同时层间通过较弱的范德瓦尔斯力结合组成块状晶体。

石墨就是典型的层状材料。除了石墨外，还有很多其他层状材料，例如六方氮化硼（h-BN）、过渡金属硫化物、石墨氮化碳、硅烯、黑磷、过渡金属氧化物和层状双氢氧化物等。这些物质的层状结构决定了它们可以通过自上而下的剥离方法得到超薄二维纳米片，所以这些材料的薄片可以根据微机械法的原理制备。

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4、根据液相剥离法的原理，如何在制备其他材料的薄片时，控制其厚度？

答：石墨烯的液相剥离法将是将石墨分散到特定的溶剂或表面活性剂中，通过超声波的能量将单层或多层石墨稀从石墨表面直接剥离，得到石墨烯分散液，保持了石墨烯完整的形貌和性能，可在多种环境和不同的基体上沉积石墨烯。

可以看出在制备一些层状材料时，通过研究在液相剥离石墨烯薄片时，控制其厚度的方法来控制其他薄片的厚度。所以，可以根据超声波辅助剥离的机理，比如超声波功率、超声时间等因素的影响，通过机理控制所制备石墨烯片层的厚度和大小，来控制其他材料的薄片厚度。同时，也可以通过改变材料的溶液浓度或者溶剂的种类来控制其厚度。

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