39、二硫化钼纳米结构与环氧树脂基砂浆的性能研究

二硫化钼纳米结构与环氧树脂基砂浆的性能研究

二硫化钼纳米结构的多激子产生研究

1. 现实模型的构建与分析

构建了 (MoS₂)ₙ（n = 2, 3, 6, 8 和 12）五种模型，并通过谐波频率分析对其进行优化和验证，以确保其现实性。基于 TD - DFT 计算绘制了激发态电子密度（LUMO）和基态电子密度（HOMO）图。在小模型（n = 2, 3 和 6）中观察到 LUMO 均匀分布，而在较大模型（n = 8 和 12）中，LUMO 密度主要集中在 Mo 原子上。具有均匀 LUMO 分布的 MoS₂ 晶体表明在激子太阳能电池中，从荧光团到金属氧化物半导体的激发态电子注入效率较高。

结构和尺寸	属性	详情
(MoS₂)₂，0.54 nm	带隙	2.1889 eV
	基态	HOMO - 0（-6.7963 eV）
	激发态	LUMO + 12（-0.1197 eV）
	MEG 发生情况	可能发生
(MoS₂)₃，0.62 nm	带隙	1.3674 eV
	基态	HOMO - 0（-4.3171 eV）
	激发态	LUMO + 9（-1.6109 eV）
	MEG 发生情况	可能发生
(MoS₂)₆，0.95 nm	带隙	1.7151 eV
	基态	HOMO - 0（-7.4100 eV）
	激发态	LUMO + 9（-3.9537 eV）
	MEG 发生情况	可能发生
(MoS₂)₈，1.09 nm	带隙	1.2550 eV
	基态	HOMO - 0（-6.8238 eV）
	激发态	LUMO + 20（-1.6163 eV）
	MEG 发生情况	可能发生
(MoS₂)₁₂，1.57 nm	带隙	0.9543 eV
	基态	HOMO - 0（-3.8748 eV）
	激发态	LUMO + 20（-2.0027 eV）
	MEG 发生情况	可能发生

2. MEG 发生分析

基于 TD - DFT 对现实模型的激发态能级进行分析，依据激发源的最低要求 Ephoton = 2Eg。当吸收具有足够能量的光子时，电子会从基态的负能级跃迁到激发态的负能级（成键能级），高能电子随后会弛豫到最低激发态能级。接着，发射的光子会被相邻电子吸收，可能形成二次激子，表明 MEG 可能发生。电子从基态到激发态的跃迁以及 MEG 在预测的现实模型中的发生情况总结如下：

• 电子从基态负能级跃迁到激发态负能级时，MEG 可能发生。
• 电子从基态负能级跃迁到激发态正能级（反键能级）对 MEG 发生无关紧要。因为吸收 Ephoton = 2Eg 的光子可能使电子从未占据分子轨道中释放出来，高能电子不会弛豫到最低激发态能级。

3. 量子限域效应与电子跃迁

当 MoS₂ 尺寸减小到激子玻尔半径以下时，带隙增加，这是量子限域效应的体现，它会改变半导体材料的能级。同时，随着簇尺寸的减小，电子跃迁的数量也会减少，这是由于小尺寸 MoS₂ 纳米晶体在强量子限域效应范围内能级扩展导致的离散能级所致。

环氧树脂基砂浆的强度发展与孔隙率研究

1. 研究背景与目的

传统上，环氧树脂需要与硬化剂结合才能固化。但前期研究表明，环氧树脂有可能在水泥水化产生的氢氧化钙存在下进行固化。本研究旨在探索使用无硬化剂的市售环氧树脂作为添加剂来增强砂浆强度，研究其在热带环境下不同养护方式对砂浆性能的影响。

2. 实验材料与方法

2.1 材料

• 水泥 ：采用马来西亚 Holcim 水泥制造公司生产的符合 ASTM C150 标准的普通波特兰水泥（OPC），其关键成分氧化钙对水化过程至关重要。
• 细骨料 ：使用当地的河砂，比重为 2.62，细度模数为 2.85。实验前需将其烘干并湿润至饱和面干状态。
• 环氧树脂 ：选用双酚 A 型二缩水甘油醚环氧树脂，不添加硬化剂。其特性如下表所示：
  | 环氧当量 | 分子量 | 密度（20 °C，g/cm³） | 粘度（20 °C，MPa·s） | 闪点（°C） |
  | — | — | — | — | — |
  | 184 | 380 | 1.16 | 10,000 | 264 |

2.2 实验流程

• 砂浆配制 ：按照水泥与细骨料质量比 1:3、水灰比 0.48 配制砂浆，环氧树脂含量分别为水泥重量的 5%、10%、15% 和 20%。
• 试件制备 ：制作 70×70 mm 的立方体试件用于抗压强度测试，40×40×160 mm 的棱柱体试件用于抗弯强度测试。同时制作普通波特兰砂浆作为对照试件。
• 养护方法 ：
  • 干湿养护 ：试件先在潮湿粗麻布上放置 2 天，然后在水中浸泡 5 天，最后在室温下放置 21 天。
  • 干燥养护 ：试件先在潮湿粗麻布上放置 2 天，然后在室温下养护 26 天。普通砂浆采用水养护。

3. 实验结果与分析

3.1 密度测试

28 天养护期结束后，对环氧树脂砂浆的密度进行测量。环氧树脂改性砂浆的密度在 2020 - 2160 kg/m³ 之间，平均值约为 2089 kg/m³。普通砂浆的密度为 2200 kg/m³，两者差异不显著，表明环氧树脂的掺入对密度影响较小。尽管环氧树脂改性砂浆的密度略低于普通砂浆，但其抗压强度更高，说明密度变化对砂浆强度影响不大。

3.2 抗压强度

• 28 天养护后，含 10% 环氧树脂的砂浆抗压强度最高，达到 36 MPa。这是因为砂浆中水泥水化产生的羟基离子与环氧树脂链相互作用，形成了更致密的砂浆结构。
• 当环氧树脂含量超过 10% 时，抗压强度下降，这是由于未硬化的环氧树脂过多，破坏了砂浆的粘结性。
• 干湿养护的抗压强度高于干燥养护。例如，含 5% 环氧树脂的砂浆，干燥养护抗压强度为 32 MPa，干湿养护为 34 MPa；含 10% 环氧树脂的砂浆，干湿养护抗压强度为 36 MPa，干燥养护为 33 MPa。干湿养护更有利于水泥水化和环氧树脂聚合，提供了更适宜的条件。

3.3 抗弯和劈裂抗拉强度

• 普通砂浆的抗拉强度低于环氧树脂改性砂浆。在干湿养护条件下，含 10% 环氧树脂的砂浆劈裂抗拉强度最高，干燥养护时为 3.1 MPa，干湿养护时为 3.8 MPa，而普通砂浆仅为 2.3 MPa。
• 当环氧树脂含量超过 10% 时，抗拉强度开始下降。10% 环氧树脂含量的砂浆能快速消耗波特兰水泥水化早期产生的羟基离子，加速试件的水化和聚合，减少孔隙体积，从而提高劈裂抗拉强度。

3.4 强度关系分析

通过回归直线法分析抗压强度与抗弯、劈裂抗拉强度之间的关系，发现它们之间存在很强的相关性。相关系数分别为 0.90（抗拉强度）和 0.94（抗弯强度），表明抗压强度增加时，抗弯和劈裂抗拉强度也随之增加。这凸显了在建筑中使用添加 10% 无硬化剂环氧树脂的混合物的潜力。

3.5 强度发展

对比 10% 环氧树脂砂浆和普通砂浆在 180 天不同养护方式下的强度发展：
- 10% 环氧树脂砂浆的抗压强度在 180 天后持续增加，无论采用何种养护方法。
- 普通砂浆的强度在约 120 天后趋于稳定。
- 干湿养护的 10% 环氧树脂砂浆强度增长更为明显，干燥养护的强度发展与干湿养护趋势一致，但速度较慢。

3.6 初始表面吸收测试

在 28 天龄期时对普通砂浆和不同环氧树脂含量的砂浆进行初始表面吸收测试（ISAT），结果如下：
| 砂浆类型 | 10 分钟 ISAT 读数（ml/m²/s） |
| — | — |
| 普通砂浆 | 0.35 |
| 5% 环氧树脂砂浆 | 0.25 |
| 10% 环氧树脂砂浆 | 0.23 |
| 15% 环氧树脂砂浆 | 0.18 |
| 20% 环氧树脂砂浆 | 0.317 |

随着测试时间的增加，吸收率逐渐降低。所有环氧树脂改性砂浆的吸水率均低于普通砂浆，表明环氧树脂有助于降低水对砂浆的渗透性，这主要归因于环氧树脂与羟基离子的相互作用。

综上所述，本研究为二硫化钼纳米结构在太阳能电池中的应用以及环氧树脂基砂浆在建筑领域的使用提供了有价值的参考。二硫化钼纳米结构的多激子产生特性有望突破传统半导体基太阳能电池的理论光伏转换效率限制；而无硬化剂的环氧树脂作为砂浆添加剂，能有效提高砂浆的强度和耐久性，尤其是 10% 环氧树脂含量的砂浆在干湿养护条件下表现最佳。

研究成果总结与实际应用展望

1. 研究成果总结

1.1 二硫化钼纳米结构研究成果

• 成功构建并验证了 (MoS₂)ₙ（n = 2, 3, 6, 8 和 12）五种现实模型，通过 TD - DFT 计算分析了其激发态和基态电子密度分布。
• 发现小尺寸模型（n = 2, 3 和 6）具有均匀的 LUMO 分布，有利于激发态电子注入，为合成具有类似结构的 MoS₂ 纳米晶体提供了理论依据。
• 基于激发态能级分析，表明在这些模型中 MEG 可能发生，且吸收 Ephoton = 2Eg 的光子是关键条件。
• 揭示了量子限域效应导致 MoS₂ 尺寸减小时带隙增加和电子跃迁数量减少的规律。

1.2 环氧树脂基砂浆研究成果

• 证明了无硬化剂的环氧树脂可在水泥水化产生的羟基离子作用下固化，能作为添加剂增强砂浆强度。
• 确定了 10% 环氧树脂含量的砂浆在干湿养护条件下具有最佳的抗压、抗弯和劈裂抗拉强度。
• 分析了不同养护方式对砂浆性能的影响，干湿养护更有利于水泥水化和环氧树脂聚合，提高砂浆强度和耐久性。
• 通过初始表面吸收测试，证实环氧树脂能降低砂浆的水渗透性。

2. 实际应用展望

2.1 二硫化钼纳米结构在太阳能电池中的应用

二硫化钼纳米结构的多激子产生特性为提高太阳能电池效率提供了新途径。未来可以尝试以下应用方向：

• 合成特定结构的 MoS₂ 纳米晶体 ：根据小尺寸模型（n = 2, 3 和 6）的结构特点，开发实验室合成技术，制备具有均匀 LUMO 分布的 MoS₂ 纳米晶体，应用于激子太阳能电池中，有望提高电子注入效率，突破传统半导体基太阳能电池的理论光伏转换效率限制。
• 优化太阳能电池设计 ：结合 MEG 发生的条件和规律，对太阳能电池的结构和材料进行优化。例如，调整激发源的能量，使其满足 Ephoton = 2Eg 的要求，促进 MEG 的发生，从而提高太阳能电池对光子的利用效率。

2.2 环氧树脂基砂浆在建筑领域的应用

无硬化剂的环氧树脂作为砂浆添加剂具有广阔的应用前景：

• 建筑修复与加固 ：在热带气候地区，传统的混凝土修复技术受湿度和温度变化影响较大。使用 10% 环氧树脂含量的干湿养护砂浆，可以提高修复结构的强度和耐久性，延长建筑的使用寿命。
• 新型建筑材料开发 ：基于环氧树脂与水泥水化的相互作用机制，可以进一步探索开发新型的建筑材料。例如，调整环氧树脂的类型和含量，结合不同的养护方式，开发出具有特定性能的建筑材料，满足不同建筑工程的需求。

3. 未来研究方向

虽然本研究取得了一定的成果，但仍有许多方面需要进一步深入研究：

• 二硫化钼纳米结构 ：深入研究 MEG 发生的具体机制和影响因素，探索提高 MEG 效率的方法。同时，研究 MoS₂ 纳米结构与其他材料的复合体系，以进一步提高太阳能电池的性能。
• 环氧树脂基砂浆 ：研究不同类型环氧树脂在不同环境条件下与水泥的相互作用机制，优化砂浆的配合比和养护工艺。此外，还可以研究环氧树脂砂浆的长期性能和耐久性，为其在实际工程中的应用提供更可靠的依据。

4. 总结

本研究通过对二硫化钼纳米结构和环氧树脂基砂浆的研究，为太阳能电池和建筑领域提供了有价值的理论和实践参考。二硫化钼纳米结构的多激子产生特性和环氧树脂基砂浆的增强性能展示了其在相关领域的巨大应用潜力。未来的研究将进一步深化对这些材料的认识，推动其在实际工程中的广泛应用。

下面通过一个 mermaid 流程图总结整个研究过程：

graph LR
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    A(研究开始):::process --> B(二硫化钼纳米结构研究):::process
    A --> C(环氧树脂基砂浆研究):::process
    B --> B1(构建现实模型):::process
    B --> B2(MEG 发生分析):::process
    B --> B3(量子限域效应研究):::process
    C --> C1(材料准备):::process
    C --> C2(试件制备与养护):::process
    C --> C3(性能测试与分析):::process
    B1 --> B4(分析电子密度分布):::process
    B2 --> B5(确定 MEG 发生条件):::process
    B3 --> B6(研究带隙和电子跃迁规律):::process
    C1 --> C4(选择水泥、骨料和环氧树脂):::process
    C2 --> C5(采用不同养护方式):::process
    C3 --> C6(测试密度、强度和吸水性):::process
    B4 --> B7(指导纳米晶体合成):::process
    B5 --> B8(优化太阳能电池设计):::process
    C6 --> C7(确定最佳配合比和养护方式):::process
    B7 --> D(应用于太阳能电池):::process
    C7 --> E(应用于建筑领域):::process
    D --> F(提高太阳能电池效率):::process
    E --> G(增强建筑结构性能):::process

通过以上的研究和分析，我们对二硫化钼纳米结构和环氧树脂基砂浆有了更深入的了解，为其在实际应用中的推广和发展奠定了坚实的基础。未来，我们期待这些材料能够在太阳能电池和建筑领域发挥更大的作用，为解决能源和建筑领域的问题提供新的解决方案。