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FEI 实验室——纳米结构材料合成与...
研究摘要：我的研究小组专注于纳米结构材料及其复合材料的设计、合成和工程，以应用于能量存储和转换、表面涂层、催化和水净化。其中，锂离子电池等能量存储和转换是我们研究的主要重点。锂离子电池 (LIB) 在便携式电子产品、电动汽车和智能电网中发挥着至关重要的作用。然而，阳极稳定性差、阴极理论容量低以及液态有机电解质引起的安全问题仍然限制了更轻、更小、更安全且使用寿命更长的 LIB 的进一步发展。我的研究目标是通过开发用于电极和电解质的新型功能纳米材料以及新的电极制造方法来应对这些挑战，从而为更轻、更小、更安全且使用寿命更长的 LIB 做出贡献。
纳米结构材料、结构与力学性能、加工与应用
纳米材料正成为高性能产品和服务不可或缺的一部分。随着技术的进步，利用纳米材料设计组件的可能性越来越大，充分利用这些材料可能提供的优势。纳米结构材料具有体积尺寸，结构包括纳米级特征，并且已经存在了很长一段时间，隐藏在日常用品中。最近，它们已经能够通过越来越复杂的仪器和工艺进行分析和操作。这种能力使它们更容易获得，然而，在更广泛地采用这些材料以利用其优势方面仍然存在挑战。本文概述了纳米结构材料在纳米材料更广泛背景下的地位和出现，研究了它们的机械性能、生产方法和应用。
用于能量存储和转换的纳米结构材料
可再生能源的转换和储存是我们实现从化石燃料经济向低碳社会转型的迫切挑战。我很难想象，如果没有材料科学和技术的进一步突破，这场革命会如何发生。事实上，当代材料史凸显了许多改变游戏规则的材料，这些材料对我们的生活产生了深远的影响，并有助于减少二氧化碳排放。高效光伏电池、蓝色发光二极管和锂离子电池阴极是基于知识的材料发展最具启发性的例子，它们经历了指数级的市场渗透，并获得了最高的科学奖项。这些成功案例与材料科学中的许多其他案例一样，都是建立在对纳米级相互关联的过程进行定制控制的基础上的，例如电荷激发、电荷传输和复合、离子扩散、插层以及物质和电荷的界面转移。纳米结构材料由于其超小的构造块和较高的界面体积比，为那些希望提高材料的能量转换效率或功率和能量密度的科学家提供了丰富的工具箱。纳米科学使材料定制工具的例子包括：（i）快速分离和收集光激发电荷，避免复合问题；（ii）由于表面积大而具有高催化活性；（iii）加速离子和原子沿纳米晶体界面的扩散，以及（iv）由于纳米结构表面的低反射率而增强的光收集。此外，纳米粒子（NPs）中还会出现新现象，例如表面等离子体共振，它极大地改变了金属和电磁场之间的相互作用，超顺磁性，将铁磁粒子变成集体顺磁体，以及激子约束，这会导致半导体量子点的尺寸相关颜色。本期特刊发表的 10 篇文章展示了纳米材料在能量存储和转换领域的不同应用，包括锂离子电池 (LIB) 电极及其他应用 [ 1 – 3 ]、光伏材料 [ 4 – 6 ]、热释电能量收集 [ 7 ] 和 (光) 催化过程 [ 8 – 10 ]。以下简要总结了这些科学贡献。目前正在研究用于替代 LIBs 中石墨的三种主要阳极材料：(i) 新型碳质材料，(ii) 转化型过渡金属化合物，以及 (iii) Si 和 Sn 基阳极。Dai 等人报道了通过脉冲激光沉积在纳米多孔氧化铝模板上制备的有序 SnO 2 纳米柱阵列的电化学性能，并用作 LIBs 的转化型阳极 [ 1 ]。有序的纳米柱结构为锂化/脱锂过程中的体积膨胀提供了充足的空间，提供了一种缓解影响转化型阳极的性能下降的策略。改进的结构完整性和稳定性使其在 1100/6500 次循环后仍能保持 524/313 mAh/g 的高比容量。在 Azib 等人的研究中，Si/Ni 3.4 Sn 4 复合阳极中 Si 纳米粒子的表面化学性质通过碳或氧化物涂层进行改性 [ 2 ]。在通过球磨制备复合材料的过程中，涂层大大降低了 Si 和 Ni 3.4 Sn 4 之间的反应。碳涂覆的 Si 粒子具有更好的锂化性能，可以提供超过
与结构材料的生物降解和微生物腐蚀有关的微生物
摘要：微生物学上影响的腐蚀（MIC）是在存在微生物及其生物膜的情况下材料降解的过程。这是一种环境辅助的腐蚀类型，非常复杂且具有挑战性。不同的金属材料，例如钢合金，镁合金，铝合金和钛合金，据报道有MIC对其应用的不利影响。尽管许多研究人员报告了细菌作为微生物腐蚀的主要罪魁祸首，但已发现包括真菌，藻类，古细菌和地衣在内的其他几种微生物在金属和非金属表面上引起MIC。但是，对真菌，藻类，古细菌和地衣引起的麦克风的关注更少。在本文论文中，已经详细讨论了不同微生物，包括细菌，真菌，藻类，古细菌和地衣的影响，对工程材料的腐蚀特性进行了详细讨论。本综述旨在总结直接或间接导致结构材料降解的所有腐蚀性微生物。指责每种MIC病例的细菌，而无需对腐蚀部位进行适当研究，并深入研究生物膜和分泌的代谢物可能会在理解材料失败的实际原因方面造成问题。要在任何环境中识别真正的腐蚀剂，研究在特定环境中存在的各种微生物非常重要。
航天器结构材料碳/酚醛复合材料的降解
摘要。由于复合材料在强度、刚度和密度方面可以进行定制，因此在航空航天领域是一种宝贵的商品。但是，复合材料也会随着时间的推移而变质，就像其他材料一样，特别是在太空等恶劣条件下。飞机环境中温度突然变化引起的热降解会导致复合材料的尺寸变化、开裂甚至分解，这些降解问题可能会影响复合材料在航空航天中的应用。在本研究中，对碳/酚醛复合材料进行了热重分析 (TGA)，作为纤维使用平纹碳纤维 (Kyoto - 碳)，作为基质使用 ARMC-551-RN 酚醛树脂。此外，测试方法参考 ASTM E1131-08 标准。热重成分分析测试方法。最终，工程师希望通过使用 TGA 分析来了解用于航天器部件的碳/酚醛复合材料的热特性和稳定性，从而改善航天器的设计、可靠性和严酷太空任务的安全性。
纳米结构材料-Nanocat®超细氧化铁
nanocat®超细氧化铁（SFIO）是一种比任何其他商业上可用的形式，具有更细粒径和比表面积更大的无定形氧化物。它可以作为化学过程的催化剂，包括合成，破裂和氧化。在固体火箭推进剂中，它提供了高燃烧速率，低压指数和安全性。正确分散，它是紫外线的非常有效的筛选剂。通过独特的蒸汽相过程合成，纳米型SFIO没有毒性毒性的杂质，适合用于食品，药物和化妆品。
用于未来电动飞机储能的纳米结构材料
摘要。随着全球对可持续交通的需求日益增加，电动航空成为寻求传统化石燃料系统绿色替代品的重要前沿，其中光电聚合太阳能电池 (OPV) 和储能技术的进步站在改变航空业的前沿。随着仪器技术和量子力学的进步，纳米材料作为一门新学科出现，在储能领域有广泛的应用。本文研究了各种纳米结构材料（如碳基材料、金属氧化物、导电聚合物和混合纳米结构）在增强电动飞机储能能力方面的潜力。以石墨烯为例，这些材料通过利用其固有特性，提供了更大的表面积、缩短了电极材料内的离子和电子传输路径、提高了机械稳定性并增强了电导率。研究结果强调了结合不同纳米材料的协同效应，这不仅可以增强储能系统的电化学性能，而且可以为克服电动航空面临的重大挑战铺平道路。尽管取得了令人鼓舞的进展，但人们承认，在材料集成以及这些技术在商业应用中的更广泛采用方面仍存在障碍。总之，本文为进一步推进和发展电动飞机提供了机会。
用于脑的导电聚合物基纳米结构材料......
Yasamin Ziai、Seyed Shahrooz Zargarian、Chiara Rinoldi、Paweł Nakielski、Antonella Sola、Massimiliano Lanzi、Yen Bach Truong 和 Filippo Pierini，用于脑机接口的导电聚合物基纳米结构材料，WIREs Nanomed Nanobiotechnol.，2023 年，e1895，p. 1-33。
电化学和热能领域结构材料的数字化设计与增材制造
摘要 增材制造在能源转换和存储领域的应用越来越广泛。它为制造具有改进物理性能的结构材料提供了极大的灵活性，并且还具有其他优势，例如减少材料浪费、缩短制造时间和提高成本效益。本文讨论了储能设备增材制造的最新发展。总结了结构材料的数字设计方法和主流增材制造技术，包括大桶光聚合、粉末床熔合、材料喷射、粘合剂喷射、材料挤出和定向能量沉积。然后，全面回顾了电化学和热能存储领域的最新进展。最后，提出了一个考虑数字设计和增材制造的综合框架，适用于广泛的能源应用。
异质结构材料简介：一个快速崛起的领域
坚固而坚韧的材料是轻量化、节能应用（如电动汽车和航空航天应用）所必需的。最近发现，异质结构具有前所未有的强度和延展性，这在我们的教科书中的材料科学中被认为是不可能实现的。如此优异的机械性能是由一项新的科学原理实现的：异质变形诱导 (HDI) 强化和加工硬化。异质结构 (HS) 材料由流动应力相差巨大（> 100%）的异质区域组成。区域间相互作用在软区域产生背向应力，在硬区域产生正向应力，从而共同产生 HDI 应力。HS 材料具有显著的协同效应，其综合性能超出了混合物规则的预测。重要的是，HS 材料可以通过现有的工业设施大规模低成本生产。新材料科学和有前景的应用正在推动 HS 材料作为一个新兴领域的快速发展。为了有效地设计出性能优越的 HS 材料，有许多基本问题需要探究。要解决这些问题，需要实验材料科学、计算材料科学和力学界的共同努力。