WCA January 2020

美国展望

界不稳定， Hall-Petch 关系就会失去效力。把铜加入银中时，铜会 被晶格中的缺陷吸引。铜原子比银原子稍小，可以增加晶格稳定 性，但其浓度很低，所以不会影响原有的导电性。 “铜原子杂质会沿着每个界面游走，不会介入它们中间，” Sansoz 解释道，“因此不会妨碍电子的扩散。” 该团队将这一合金称为“纳米晶体-纳米孪晶金属”，并称其在 研发过程中拥有“史无前例的机械物理性能”。这款新型合金不 仅克服了纳米晶体和孪晶界过小时出现的软化问题，它还突破了 Hall-Petch 的理论限制，即晶体尺寸的减少不再增加材料强度。 Sansoz 认为这款新型金属可应用于多个领域，其研发原理也可 应用于其他金属。“这是一款新的材料类型，我们才刚开始了解 它的工作原理。”他表示。“如果你能增加材料强度，就可以减少 材料的使用量，而导电性在很多应用领域都很重要。” 俄勒冈大学的一支团队通过原子力显微镜，分析了镍纳米粒子催 化剂在半导体中如何收集由光线激发的电荷。 其研究结果以论文形式发布在 Nature Materials 上，并且由 The Engineer 报导。这些研究结果可能有助于研发可通过光线生产化 学品和燃料的系统——如通过分解水来生产氢气，或者通过结合 二氧化碳和水来生产碳基燃料或化学品。 “我们通过晶界处的物理现象，发现了一个可以让催化颗粒变得 很小的设计原理，这样可以提升效率。”俄勒冈大学化学与生物 化学系教授兼该校材料科学研究所成员 Shannon Boettcher 表 示。“我们的技术可以让我们在纳米级分辨率下观察被激发电荷 的流向，对于使用催化组件和半导体组件来制造氧气以备未来之 需的设备而言，这一技术比较有用。” Boettcher 团队采用的是一个模型系统，该系统包括一个单晶硅 片，硅片外涂有大小不一的金属镍纳米颗粒。 硅片可以吸收阳光，激发出正电荷和负电荷。镍纳米颗粒会选 择性收集正电荷，并加快正电荷与水分子内电子的反应，使其分 离。 他解释道，先前的研究员的局限在于，他们只测量流过上述表面 的平均电流以及光线打在半导体上时生成的平均电压。通过与 Bruker Nano Surfaces 公司合作， Boettcher 团队可以研发出在 纳米层面测量电压的技术。 Bruker Nano Surfaces 是俄勒冈大学原子力显微镜的制造商， 这款显微镜可以通过尖端对表面进行测绘。 在电极头触碰到每个镍纳米颗粒时，研究员可以通过测量电压 来记录电洞的组成。当催化颗粒小于 100 纳米时，被激发正电荷 （亦称“电洞”）的收集效率要远远高于被激发负电荷的收集效 率。 这一现象可以避免被激发的正电荷和负电荷再次结合，并且可以 提升系统效率。小颗粒可以更轻松地在被激发的正负电荷之间选 择正电荷，减少电荷再结合率，生成更高的电压，使水分子更容易 被分解。 Boettcher 在一份声明中表示，发生在镍纳米颗粒表面的氧化反 应可以生成一个障碍层，阻止携带负电荷的电子流向催化剂并破 坏携带正电荷的电洞。 研究给化学品和燃料的未来生产提供灵感

“这项新技术是分析电化学环境下纳米级特征状态的通用方 法。”该研究的第一作者 Forrest Laskowski 表示。“尽管我们的 研究结果有助于理解光电化学储能的原理，但该技术还有更广泛 的应用，它可用于研究燃料电池、电池甚至生物膜等活跃系统的 电化学过程。”

提升电池性能，降低充电时间

来自印第安纳州普渡大学西拉法叶校区的科学家和工程师，开发 设计了一个重组可充电电池锂离子的方法。这些材料经重组后可 形成新的电极设计，增加电池的寿命和稳定性，同时缩短充电时 间。 该研究发布于 Applied Nano Materials ，研究中分析了锑元素的 一种网状纳米链结构，锑是一种类金属元素，可以提升电池中锂 离子的蓄电量。 这支来自普渡大学的小组对纳米链电极和石墨电极进行了对比， 发现带纳米链电极的纽扣电池在充电仅 30 分钟后，锂离子蓄电量 就已经达到了 100 次充放电循环的 2 倍。 某些电池商品已经采用了类似于锑金属负电极的碳金属复合材 料，但这种材料在锂离子蓄电时，其体积往往会膨胀至 3 倍，因此 这种电池在充电时存在安全风险。“对于智能手机的电池而言， 这种膨胀问题需要得到解决。这样你随身携带的手机便不会有安 全隐患了。”普渡大学化学工程系副教授 Vilas Pol 表示。 普渡大学的科学家通过添加一定的化合物（还原剂和成核剂）， 将锑颗粒连接成了一个纳米链形状，可以解决膨胀问题。 推动阻燃 TPU 的发展 现代塑料在材料要求中添加了一项阻燃要求。研发新型阻燃 热塑聚氨酯( TPU )的目的是，实现阻燃、加工性和机械性能的 最佳结合。来自弗劳恩霍夫结构耐久性和系统可靠性研究所 ( Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF ) 和德国联邦材料研究和测试机构 ( BAM, Bundesanstalt für Materialforschung und – prüfung )的科学 家演示了如何可以更快实现上述目标。 TPU 聚合物具有阻尼性、低温柔韧性、化学稳定性和耐磨性等一 系列特征，但也具有热不稳定性和光可燃性，因此对阻燃材料的 研发十分重要。 弗劳恩霍夫的研究员为三种具有不同肖氏硬度的 TPU 基底材料， 研发出了具有不同配方的阻燃化合物，其目的是确定所需的材料 性能。添加阻燃剂的目的是将对机械参数造成的影响将至最低。 快速质量量热仪可对防火性能进行快速分析，所有结果都会与锥 形量热仪测得的相应结果进行对比。分析流程包括用热分析法 进行热解，如使用傅里叶转换红外光谱仪的热重分析，裂解气分 析，和结合了质谱分析的裂解气相色谱法。 弗劳恩霍夫研究所在报告中指出，快速质量热量仪适用于评估任 何阻燃TPU的阻燃性。不同 TPU 类型表现出的差异数很少，但差 异很明显，如在热解过程的单独分解阶段出现的质量损失差异， 以及机械性能方面的差异。某些氮基阻燃剂配方在纯材料区表 现出了机械性能。 在研究项目《阻燃热塑聚氨酯的快速发展( Rapid Development of Flame Retarded Thermoplastic Polyurethane )》下进行的 多次分析，为人们提供了宝贵数据。在具体应用方面，这些数据可 应用于中型企业，帮助他们优化现有的或新研发的阻燃配方。 这种电极设计还可以进行扩展，以适应体积较大的电池。

该现象被称为“夹止”，尽管长期的假设是该现象会出现在固态 设备中，但目前尚未在可生成燃料的光电化学系统中观察到。

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Wire & Cable ASIA – January/February 2020