50、掺杂镍/钴离子及天然纤维填充复合材料的性能研究

掺杂镍/钴离子及天然纤维填充复合材料的性能研究

1. 掺杂镍/钴离子对氧化锌性能的影响

在材料科学领域，对氧化锌（ZnO）进行掺杂改性是一个重要的研究方向。通过掺杂镍（Ni）和钴（Co）离子，可以显著改变ZnO的结构、光学和催化等性能。
- 比表面积与光催化性能 ：从比表面积的结果可以讨论纯ZnO、Co - ZnO和Ni - ZnO的光学和催化等性能。Ni - ZnO具有最大的表面积，这意味着它能为光催化过程提供更多的反应和吸附位点，通过改善其表面电荷载流子的传输来促进反应进行。然而，Ni - ZnO较小的孔径会限制表面电荷载流子的传输，从而降低亚甲基蓝（MB）的光催化降解效率。而ZnO的孔径值过大，导致可用于电荷载流子传输的表面积减少。相比之下，Co - ZnO具有合适的表面积与孔径比，其较低的孔体积也有助于在光催化过程中实现MB的稳定吸附速率，从而促进MB的光降解。
- 形态学研究 ：利用扫描电子显微镜（SEM）对ZnO、Co - ZnO和Ni - ZnO的形态、形状和分布进行了研究。结果显示，ZnO呈现不规则的纳米晶粒分布，直径在180 - 472 nm之间，由紧密堆积的球形和椭圆形颗粒组成。掺杂Co离子到ZnO中，形成了准球形和棒状的异质结构，且颗粒尺寸发生变化，得到了更大的纳米棒，纳米棒的直径在410 - 506 nm之间。Ni - ZnO颗粒的直径范围为261 - 1266 nm。通过能谱分析（EDX）证实了所有样品中存在Zn、Ni、Co和O元素，表明掺杂材料（Co和Ni）在ZnO的初级晶核中的浓度逐渐增加。
|材料|形态特征|直径范围（nm）|
| ---- | ---- | ---- |
|ZnO|不规则纳米晶粒分布，由紧密堆积的球形和椭圆形颗粒组成|180 - 472|
|Co - ZnO|准球形和棒状异质结构|410 - 506|
|Ni - ZnO|颗粒状|261 - 1266|
- 光学分析 ：使用Tauc方程从吸收光谱计算了ZnO、Co - ZnO和Ni - ZnO的带隙能量。ZnO由于其较大的激子结合能，属于直接带隙半导体。当Co和Ni掺杂到ZnO中时，光学能隙Eg显著降低。这是由于掺杂引起的带边移动，以及带电子与取代Zn²⁺离子的掺杂离子的局域d电子之间的sp - d相互作用增加。带隙能量的降低和掺杂材料的电子跃迁证明了Ni和Co已掺入ZnO晶格中。ZnO的带隙值Eg为3.11 eV，而Co - ZnO和Ni - ZnO由于不同带隙的半导体区域之间的界面，显示出异质结特性，其带隙能量分别降低到2.98 eV和3.02 eV。这种带隙能量的降低与结构结果一致，随着颗粒尺寸的增加（添加Co和Ni掺杂剂），量子限制效应减小。此外，掺杂过程提高了催化剂表面纳米异质结的形成效率，促进了电荷载流子的分离。

graph LR
    A[ZnO] -->|掺杂Co/Ni| B[Co - ZnO和Ni - ZnO]
    B -->|带边移动| C[带隙能量降低]
    C -->|sp - d相互作用增加| D[电荷载流子分离效率提高]
    D -->|促进光催化反应| E[MB光降解]

• 光催化活性测试 ：比较了在紫外光照射30分钟下，10 mM MB染料水溶液与光催化剂Co - ZnO和Ni - ZnO的紫外 - 可见吸收光谱。结果表明，在30分钟的照射后，MB在Co - ZnO和Ni - ZnO光催化剂的作用下发生了降解。有趣的是，Co - ZnO在较低浓度（10 mg/ml和30 mg/ml）下表现出更好的光降解效果，而Ni - ZnO需要50 mg/ml的浓度。这可能是由于Co - O - H的形成促进了光催化机制。光催化过程中，MB吸附在Co - ZnO和Ni - ZnO纳米结构上，导致ZnO中产生电子 - 空穴（e⁻ - h⁺）对。光生电子与吸附在ZnO上的氧分子相互作用形成超氧阴离子自由基，而空穴与OH⁻反应形成羟基自由基。这些活性自由基与吸附在ZnO纳米结构上的MB染料反应，导致其降解为无色形式。

2. 红麻纤维填充天然橡胶/热塑性聚氨酯复合材料的性能研究

在复合材料领域，天然纤维由于其诸多优点，近年来受到了科学家和工程师的广泛关注。红麻纤维作为一种天然纤维，具有优异的性能，可用于制备复合材料。本研究探讨了用氢氧化钠（NaOH）进行碱性处理对红麻填充天然橡胶（NR）和热塑性聚氨酯（TPU）复合材料性能的影响。
- 研究背景 ：在过去的几十年中，聚合物在一些应用中逐渐取代了传统的金属和矿物。聚合物具有加工简单、效率高和成本低等优点，并且在大多数应用中，填料和纤维被用于改变聚合物的特性，以满足高强度和高模量的需求。与传统的增强材料相比，天然纤维具有成本低、密度低、可生物降解和耐磨等优点，并且对环境和经济有益。红麻是一种快速生长的植物，属于锦葵科，具有高纤维素含量，可作为塑料和石油基材料的潜在替代品用于复合材料的生产。热塑性聚氨酯（TPU）具有高耐磨性、优异的机械性能和撕裂抗性等特点，而天然橡胶在许多应用中也有广泛的用途。目前关于红麻纤维增强TPU的研究较多，但将天然橡胶作为填料用于红麻/TPU纤维增强复合材料的研究较少。
- 实验方法
- 样品制备 ：将红麻纤维浸泡在6%的氢氧化钠（NaOH）溶液中24小时进行处理，然后清洗并干燥。按照以下比例制备样品：
|样品|TPU（g）|红麻（g）|天然橡胶（g）|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|样品1|200| - | - |
|样品2|200|10| - |
|样品3|200|10|10|
- 测试方法 ：将处理后的红麻纤维、TPU和NR使用单螺杆挤出机混合，制备出的样品进行拉伸和冲击测试，以确定应力 - 应变曲线，得到伸长百分比和拉伸应力值。

通过以上研究，我们可以深入了解掺杂镍/钴离子对氧化锌性能的影响以及红麻纤维填充天然橡胶/热塑性聚氨酯复合材料的性能特点，为相关材料的应用和进一步研究提供了重要的参考依据。

3. 实验结果分析

• 掺杂镍/钴离子对氧化锌性能实验结果
  • 光催化性能对比 ：在光催化活性测试中，Co - ZnO和Ni - ZnO对MB的降解效果存在差异。Co - ZnO在较低浓度（10 mg/ml和30 mg/ml）下就表现出较好的光降解效果，而Ni - ZnO需要较高的浓度（50 mg/ml）才能达到类似的效果。这一结果与它们的比表面积和孔径等结构特性密切相关。Co - ZnO合适的表面积与孔径比以及较低的孔体积，使得它在光催化过程中能够更有效地吸附MB，并促进电荷载流子的传输，从而提高光降解效率。而Ni - ZnO虽然具有较大的表面积，但较小的孔径限制了电荷载流子的传输，影响了其光催化性能。
  • 光学性能变化 ：从光学分析结果可知，掺杂Co和Ni离子后，ZnO的带隙能量显著降低。Co - ZnO和Ni - ZnO的带隙能量分别降低到2.98 eV和3.02 eV，这使得它们能够吸收更宽范围的光，从而提高光催化效率。带隙能量的降低是由于掺杂引起的带边移动以及sp - d相互作用的增加，这也证明了Co和Ni成功掺入了ZnO晶格中。不同的带隙能量还导致了Co - ZnO和Ni - ZnO表现出异质结特性，进一步促进了电荷载流子的分离，有利于光催化反应的进行。
• 红麻纤维填充复合材料实验结果
  • 力学性能表现 ：对制备的样品进行拉伸和冲击测试后发现，样品1（仅含200 g TPU）具有最高的杨氏模量，其次是样品2（200 g TPU + 10 g红麻）。样品3（200 g TPU + 10 g红麻 + 10 g天然橡胶）在添加了天然橡胶后，其性能也得到了一定的改善。这表明红麻纤维和天然橡胶的加入对复合材料的力学性能产生了影响。红麻纤维的高拉伸强度和刚度为复合材料提供了一定的增强作用，而天然橡胶的加入可能进一步改善了复合材料的韧性和抗冲击性能。
  • 性能改善原因 ：红麻纤维经过NaOH处理后，其表面的杂质和部分非纤维素成分被去除，使得纤维与基体材料（TPU和NR）之间的界面结合力增强。同时，天然橡胶具有良好的弹性和柔韧性，能够在复合材料中起到缓冲和分散应力的作用，从而提高复合材料的整体性能。

graph LR
    A[样品制备] --> B[拉伸和冲击测试]
    B --> C[分析力学性能]
    C -->|红麻纤维增强| D[提高拉伸强度和刚度]
    C -->|天然橡胶增韧| E[改善韧性和抗冲击性能]

4. 结论与展望

• 结论总结
  • 氧化锌掺杂方面 ：通过掺杂镍/钴离子对ZnO进行改性，能够显著改变其结构、光学和催化性能。Co - ZnO具有合适的表面积与孔径比、较低的带隙能量以及良好的光催化活性，在较低浓度下就能有效地降解MB。这表明Co - ZnO在光催化领域具有潜在的应用价值，可用于处理有机染料废水等环境问题。
  • 复合材料方面 ：红麻纤维填充天然橡胶/热塑性聚氨酯复合材料的研究表明，红麻纤维和天然橡胶的加入能够改善复合材料的力学性能。经过NaOH处理的红麻纤维与基体材料之间的界面结合力增强，而天然橡胶的弹性和柔韧性进一步提高了复合材料的整体性能。这种复合材料具有轻质、环保等优点，可在汽车、航空航天等领域得到应用。
• 未来展望
  • 氧化锌研究方向 ：未来可以进一步优化掺杂工艺，探索不同的掺杂比例和掺杂方式，以提高ZnO的光催化性能。还可以研究将Co - ZnO与其他材料复合，构建更高效的光催化体系。此外，可以深入研究光催化反应的机理，为光催化技术的实际应用提供更坚实的理论基础。
  • 复合材料研究方向 ：对于红麻纤维填充复合材料，可以继续研究不同的纤维处理方法和基体材料的选择，以进一步提高复合材料的性能。还可以探索复合材料的成型工艺，开发更适合大规模生产的方法。同时，可以研究复合材料在不同环境条件下的性能变化，拓展其应用范围。

总之，掺杂镍/钴离子对氧化锌性能的影响以及红麻纤维填充天然橡胶/热塑性聚氨酯复合材料的研究为材料科学领域提供了有价值的信息，未来的研究有望进一步推动这些材料的发展和应用。