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NiCu双金属纳米粒子的表面偏析、结构特征与扩散

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物理学报 2021年第17期70卷 238-247页

作者：邓永和张宇文谭恒博文大东高明吴安如湖南工程学院计算科学与电子学院湘潭411100 吉首大学物理与机电工程学院吉首416000 湖南工程学院湖南省汽车动力与传动系统重点实验室湘潭411104

NiCu双金属核壳纳米粒子不仅由于其优异的稳定性、选择性以及磁学和催化性能而受到广泛关注,而且可以通过改变其纳米粒子的形貌、表面元素分布和粒径大小而具有可调谐性能.采用分子动力学与蒙特罗方法并结合嵌入原子势对NiCu双金属纳米... 详细信息

NiCu双金属核壳纳米粒子不仅由于其优异的稳定性、选择性以及磁学和催化性能而受到广泛关注,而且可以通过改变其纳米粒子的形貌、表面元素分布和粒径大小而具有可调谐性能.采用分子动力学与蒙特罗方法并结合嵌入原子势对NiCu双金属纳米粒子的表面偏析、结构特征以及Cu吸附原子在Ni基底沉积生长与表面扩散进行了研究,结果表明Cu原子在Ni基底表面具有强的偏析倾向.随着Cu原子浓度的增加,Cu原子优先占据纳米粒子的顶点、边、(100)和(111)面,最终形成完美的Ni核/Cu壳纳米粒子.在生长温度T=400 K时,形成的Ni核/Cu壳结构最稳定.进一步采用肘弹性波方法模拟计算在Ni基表面Cu吸附原子的扩散势垒,结果表明,Cu吸附原子无论是交换还是扩散,都需要克服较大的ES势垒,从而难以在Ni基底表面进行面间扩散.与Ni基底相反,在Cu基底上沉积Ni原子,Ni吸附原子很容易从(111)面迁移至(100)面,且在当前模拟温度下,Ni吸附原子无法在(100)面进行迁移,导致生长构型朝正八面体的形状发展,且其八个顶角几乎被Ni原子所占据.本文经过深入研究,从原子的角度出发,对NiCu纳米催化剂的初步设计提供了一种新的思路和方法.

关键词： NiCu 双金属表面偏析扩散沉积生长 Ni 核/Cu 壳纳米粒子

镧系裂变产物(La、Ce、Pr和Nd)在α-U表面偏析行为的第一原理研究

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原子能科学技术 2021年第7期55卷 1191-1199页

作者：曹金利王志超王瑾豆艳坤贺新福杨文中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所北京102413 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

镧系裂变产物引起的燃料肿胀及包壳脆化是UZr金属燃料服役中的主要问题。其快速扩散通常借助于裂变气体释放通道,实验可观察到镧系裂变产物会在UZr金属燃料氙气泡处偏析。为理解裂变产物扩散机理及表面偏析现象,本文采用第一原理方法,... 详细信息

镧系裂变产物引起的燃料肿胀及包壳脆化是UZr金属燃料服役中的主要问题。其快速扩散通常借助于裂变气体释放通道,实验可观察到镧系裂变产物会在UZr金属燃料氙气泡处偏析。为理解裂变产物扩散机理及表面偏析现象,本文采用第一原理方法,对低温α-U中(100)、(112)、(001)、(021)、(110)、(010)表面的原子结构及形成能进行了研究,并讨论了常见镧系裂变产物La、Ce、Pr和Nd在不同表面的偏析行为。计算结果表明,(110)表面的形成能最低,为1.75 J/m^(2),(112)、(021)和(001)表面的形成能次之,为1.81~1.83 J/m^(2),(010)和(100)表面的形成能最高,分别为1.96 J/m^(2)和2.04 J/m^(2)。4种裂变产物在6种表面都表现出明显的偏析效应,对于同一种表面,其偏析驱动力排序为:La>Ce>Pr>Nd。对于同一种镧系裂变产物,偏析能随层间距的增加而减小。此外,采用Mc-Lean方程从热力学上评估了4种裂变产物在α-U表面的占据率,结果表明在服役温度范围内,4种镧系裂变产物均表现出明显的表面偏析。

关键词：镧系裂变产物 UZr金属燃料表面偏析第一原理

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表面偏析法修饰聚合物膜的计算机模拟研究

表面偏析法修饰聚合物膜的计算机模拟研究

作者：霍进豪华南理工大学

学位级别：硕士

膜分离是对多组分混合物进行分离与提纯的高效节能新技术,然而在膜分离过程中,蛋白质、油污等污染物容易形成连续的污染层覆盖在膜的表面,降低分离效率。利用表面偏析方法修饰多孔膜来改善其防污性能是膜科学的研究热点,目前在实验上已... 详细信息

膜分离是对多组分混合物进行分离与提纯的高效节能新技术,然而在膜分离过程中,蛋白质、油污等污染物容易形成连续的污染层覆盖在膜的表面,降低分离效率。利用表面偏析方法修饰多孔膜来改善其防污性能是膜科学的研究热点,目前在实验上已取得一定的技术进展,但在分子水平上对膜材料表面的化学结构、表面偏析的机制仍未完全了解。借助计算机模拟的手段来探究成膜的机理则可以从微观上解释实验现象,探究其成膜的影响因素,预测实验结果,实现功能材料的分子设计。本文采用耗散粒子动力学(DPD)模拟的方法,研究高分子在非溶剂诱导相分离(NIPS)下的自组装行为,深入研究相分离过程的形貌变化、表面偏析和NIPS的机理。首先,采用把良溶剂替换为非溶剂的方式,研究了NIPS法制备三嵌段共聚物均孔膜的强制表面偏析过程。该共聚物包含疏水性的醋酸纤维素(CA)嵌段、亲水性的聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)嵌段和低表面能聚甲基丙烯酸六氟丁酯(PHFBM)嵌段。结果表明,均孔结构仅在聚合物浓度为150%时才能形成。不同的PHFBM/PEGMA嵌段比例会引起不同程度的相分离。PEGMA嵌段的存在促使低表面能PHFBM嵌段向膜表面的偏析。在00%范围内调整CA-PHFBM-PEGMA与CA混合比例,可以实现通道孔结构的调控。随后构建了一个由非溶剂水浴和铸膜液组成的模型。铸膜液中包含了成膜主体材料—聚醚砜(PES)、改性添加剂—PES与羧酸甜菜碱PCBMA的嵌段共聚物;非溶剂水浴用于与铸膜液进行溶剂/非溶剂交换,分析其NIPS法成膜过程和影响因素。模拟结果表明,亲水性PCBMA片段通过表面偏析富集在膜表面。由于PCBMA的羧酸基团是弱电解质,其赋予膜表面pH响应性。随着膜表面的PCBMA链羧基的质子化程度的增加,链构象从坍塌变为伸展。进而以无机材料的二氧化硅纳米颗粒(SNPs)为研究对象,探讨其在以表面偏析方法修饰聚合物膜的过程中,在聚合物网络中的行为。研究发现,在NIPS过程中,溶剂/非溶剂界面会形成一聚合物富集层,为SNPs提供了附着环境,并在膜表面自组装成均匀有序的结构。聚合物浓度增加会弱化SNPs的表面偏析效果,而聚合物浓度过低会导致SNPs的洗脱。调整接枝链长度可以调节膜表面SNPs的间距。

关键词：聚合物膜表面偏析非溶剂诱导相分离耗散粒子动力学自组装

面向体外膜肺氧合的表面偏析改性聚4-甲基-1-戊烯膜

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面向体外膜肺氧合的表面偏析改性聚4-甲基-1-戊烯膜

作者：邵丽萍天津大学

学位级别：硕士

体外膜肺氧合(ECMO)作为一种体外生命支持技术,常用于ICU中为心肺功能衰竭患者提供长时间的呼吸支持,膜式氧合器作为ECMO系统的核心组成部分,其模拟人体肺泡功能,在体外实现血液的氧合和二氧化碳的脱除。制备具有优异气体渗透性、良好... 详细信息

体外膜肺氧合(ECMO)作为一种体外生命支持技术,常用于ICU中为心肺功能衰竭患者提供长时间的呼吸支持,膜式氧合器作为ECMO系统的核心组成部分,其模拟人体肺泡功能,在体外实现血液的氧合和二氧化碳的脱除。制备具有优异气体渗透性、良好血液相容性和持久抗血浆渗漏性的氧合膜是实现长期高效血液氧合的关键。本研究以聚4-甲基-1-戊烯(PMP)为膜材料,以热致相分离法(TIPS)为制膜方法,通过表面偏析策略构筑具有亲疏水异质结构的PMP氧合膜,探索中空纤维氧合膜成型过程,以期实现PMP氧合膜的性能强化和规模化制备。主要研究结果如下:(1)基于表面偏析的平板式PMP氧合膜:选择两亲嵌段共聚物Pluronic F127为表面偏析剂,在热致相成膜的过程中发生亲水PEO链段的表面偏析,以实现PMP膜的原位表面改性,制备得到具有亲水表面和疏水主体的PMP氧合膜。亲水表面的水化层效应和空间位阻效应可有效提高膜的血液相容性,连续疏松的孔道结构有助于实现优异的气体交换性能,非对称结构保障了良好的抗血浆渗漏性能。在体外膜肺氧合过程中,当改性剂添加量为10 wt%时,PMP-F127-10膜O交换速率达122.94 ml min m,CO交换速率达129.21 ml min m,具有较大的应用潜力。(2)基于表面偏析的中空纤维PMP氧合膜:将表面偏析策略应用于PMP中空纤维膜的成型,以实现PMP氧合膜的规模化制备与应用。所制备的中空纤维膜呈现出由致密皮层和多孔支撑层组成的非对称结构。致密皮层可有效防止血浆渗漏,双连续多孔支撑层保证了良好的气体渗透性。探索了纺丝过程中操作参数(喷丝头温度、芯液流量、牵引比)对于膜丝成型以及膜尺寸、结构的影响,从而实现对于膜气体渗透性和机械性能的有效提升。所制备的中空纤维膜在体外膜肺氧合过程中,O交换速率达51.44 ml min m,CO交换速率达168.57 ml min m,与未经改性的空白膜相比性能明显提升。本工作已制备出的超细化(外径428μm,内径234μm)表面偏析中空纤维PMP氧合膜,相关性能明显优于商业膜和文献值。

关键词：膜式氧合器聚4-甲基-1-戊烯热致相分离表面偏析血液相容性

He,Au离子辐照AuCu_3致元素表面偏析

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物理学报 2016年第3期65卷 353-359页

作者：法涛陈田祥韩录会莫川中国工程物理研究院材料研究所绵阳621900 表面物理与化学重点实验室绵阳621900 中国科学院高能物理研究所北京100049

采用磁控溅射方法在单晶硅(111)衬底上制备了AuCu_3薄膜,用2 MeV He离子和1 MeV Au离子对薄膜进行辐照,用卢瑟福背散射对He,Au离子辐照前后AuCu_3薄膜近表面的成分变化进行了分析,对不同离子辐照导致的表面元素偏析行为进行了研究.结果... 详细信息

采用磁控溅射方法在单晶硅(111)衬底上制备了AuCu_3薄膜,用2 MeV He离子和1 MeV Au离子对薄膜进行辐照,用卢瑟福背散射对He,Au离子辐照前后AuCu_3薄膜近表面的成分变化进行了分析,对不同离子辐照导致的表面元素偏析行为进行了研究.结果表明:当2 MeV He离子辐照时,随着辐照剂量增大,观察到样品近表面Au元素偏析的趋势;当1 MeV Au离子辐照时,随着辐照剂量增大,观察到样品近表面Cu元素偏析的趋势,与He离子辐照相反.通过对He,Au离子在样品中产生的靶原子空位及其分布分析,发现靶原子空位浓度分布的梯度是导致两种不同表面元素偏析趋势的原因,空位扩散是其中的主要机理.

关键词：离子辐照表面偏析 AuCu3

通过表面偏析法以两亲性聚合物为改性剂制备pH响应性膜（英文）

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Chinese Journal of Chemical Engineering 2015年第8期23卷 1283-1290页

作者：苏延磊刘媛赵雪婷李亚飞姜忠义 Key Laboratory for Green Chemical Technology School of Chemical Engineering and TechnologyTianjin University Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering (Tianjin) Tianjin University

Novel pH-responsive membranes were prepared by blending pH-responsive amphiphilic copolymers with polyethersulfone(PES) via a nonsolvent-induced phase separation(NIPS) technique. The amphiphilic copolymers bearing Pluronic F127 and poly(methacrylic acid)(PMAA) segments, abbreviated as PMAA n–F127–PMAA n,were synthesized by free radical polymerization. The physical and chemical properties of the blend membranes were evaluated by scanning electron microscopy(SEM), Fourier transform infrared(FTIR) spectrum, water contact angle, Zeta potential and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS). The enrichment of hydrophilic PMAA segments on the membrane surfaces was attributed to surface segregation during the membrane preparation process. The blend membranes had signi ficant p H-responsive properties due to the conformational changes of surface-segregated PMAA segments under different pH values of feed solutions. Fluxes of the blend membranes were larger at low p H values of feed solutions than that at high pH values. The pH-responsive ability of the membranes was enhanced with the increase of the degree of PMAA near-surface coverage.

关键词：两亲性嵌段共聚物表面偏析制备过程分离方法聚甲基丙烯酸傅里叶变换红外光谱 pH敏感膜 Pluronic

Integral PVA-PES Composite Membranes by Surface Segregation Method for Pervaporation Dehydration of Ethanol

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Chinese Journal of Chemical Engineering 2011年第5期19卷 855-862页

作者：吴洪李宪实聂明成李犇姜忠义 Key Laboratory for Green Chemical Technology of Ministry of Education School of Chemical Engineering and TechnologyTianjin University Tianjin Key Laboratory of Membrane Science and Desalination Technology Tianjin University

一个灵巧的表面分离方法被利用 poly 制作(乙烯基白酒)-polyethersulfone (PVA 足) 合成的膜。PVA 和足首先在 dimethyl sulfoxide (DMSO ) 被溶解，然后一个玻璃盘子上的 casted 并且在凝结洗澡沉浸。在在凝结洗澡的阶段倒置进程期间，... 详细信息

一个灵巧的表面分离方法被利用 poly 制作(乙烯基白酒)-polyethersulfone (PVA 足) 合成的膜。PVA 和足首先在 dimethyl sulfoxide (DMSO ) 被溶解，然后一个玻璃盘子上的 casted 并且在凝结洗澡沉浸。在在凝结洗澡的阶段倒置进程期间， PVA 自发地分离了到聚合物答案 / 凝结洗澡接口。表面上的充实的 PVA 是由 glutaraldehyde 的进一步的 crosslinked。扫描电子显微镜学(SEM ) ， X 光检查光电子光谱学(XPS ) 和散分光计(版本) 证实了的精力有稠密的充实 PVA 的表面和多孔的充实足的支持的不可分、不对称的膜结构，以及 PVA 的表面丰富。当在膜配方的 PVA 内容是 16.7% 时，由 PVA 的膜表面的范围部分到达了多达 86.8%( 由质量) 。水接触角度随 PVA 内容的增加减少了。膜结构上的凝结洗澡类型的效果被分析。膜 pervaporation 表演被改变 PVA 内容评估，退火的温度，喂集中和操作温度。膜展出了一个相当好的乙醇脱水能力和长期的运作的稳定性。

关键词：聚乙烯醇复合膜表面偏析乙醇脱水渗透汽化 PES 积分 X射线光电子能谱 PVA膜

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二维材料生长诱导表面偏析的理论探究

二维材料生长诱导表面偏析的理论探究

作者：陈瑶华东师范大学

学位级别：硕士

表面偏析在表面科学中是指多组分材料中的某一组分在表面的富集。自Miedema提出合金表面偏析理论并获得实验结果支持以来,表面偏析现象在合金催化剂领域获得了广泛关注。由于合金中不同金属的表面能不同,导致合金在降温过程形成某一组... 详细信息

表面偏析在表面科学中是指多组分材料中的某一组分在表面的富集。自Miedema提出合金表面偏析理论并获得实验结果支持以来,表面偏析现象在合金催化剂领域获得了广泛关注。由于合金中不同金属的表面能不同,导致合金在降温过程形成某一组分在表面富集的核壳结构,这类核壳结构在催化领域有着极为重要的应用前景。近年来,随着二维材料的迅速发展,表面偏析也被应用于二维材料的生长。与表面自限制的化学气相沉积(CVD)生长相比,表面偏析可以实现多层二维材料的生长,但与此同时,利用表面偏析合成的多层二维材料的质量普遍较低。而现阶段,关于材料生长引起的表面偏析的研究还相对较少,相关的理论仍然缺乏。因此,了解材料生长过程中表面偏析的产生机制,探究其影响因素,有望为多层二维材料的可控生长和催化剂的结构调控提供重要的理论指导。本论文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,从材料生长的角度对表面偏析的产生条件以及对催化剂结构的影响进行了探究。研究内容如下:(1)基于已有的降温偏析的理论模型,我们提出了间隙原子在合金催化剂表面发生等温偏析需要满足的条件:1)在表面与在块体中相近的化学势;2)间隙原子化学势高于二维材料中原子的化学势;3)较高的平衡溶解度。我们以石墨烯在合金催化剂表面的生长为例,验证了这一理论模型的合理性并提出了适合石墨烯等温偏析的合金催化剂。在我们的研究中,任意Ni组分的Pt Ni(111)、Cu组分比例小于25%的Pt Cu(111)、Ni组分大于50%的Cu Ni(111)衬底以及Ni组分在12.5%和25%的Cu Ni(100)均有可能实现石墨烯的等温偏析生长。合金催化剂的成分和材料生长温度都对等温偏析的发生起到了关键作用。我们的研究为合金催化衬底在多层二维材料生长领域的应用提供了重要理论指导,为指导实验合成高质量多层二维材料提供了新的途径。(2)我们提出了Cu Ni合金中的间隙碳原子的偏析会改变Cu Ni合金催化剂的稳定结构。研究发现,溶解在Cu Ni合金中的碳原子能够改变组分原子的偏析倾向,使原本表面富Cu的合金转变为表面富Ni的合金,主要原因是碳和Ni之间存在很强的相互作用,使得碳原子在偏析过程中把块体内的Ni原子带到了合金表面。而合金表面生长的石墨烯则对合金中的组分原子的偏析倾向没有显著影响。这一研究结果为控制合金催化剂表面组分并进而优化其催化活性提供了新的思路。

关键词：第一性原理计算表面偏析二维材料化学气相沉积生长合金催化剂

fcc金属表面能的各向异性分析及表面偏析的预测

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物理学报 2011年第1期60卷 506-514页

作者：王博张建民路彦冬甘秀英殷保祥徐可为陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710062 石河子大学生态物理重点实验室石河子832003 石河子大学校长办公室石河子832003 西安交通大学金属材料强度国家重点实验室西安710049

本文将元素变量(φ*和nWS)和MAEAM相结合,从原子尺度上对10种fcc金属Cu,Ag,Au,Ni,Pd,Pt,Rh,Al,Ir和Pb的38个不同晶面的表面能进行模拟计算及各向异性分析.结果表明,fcc金属的密排面(111)的表面能最小,则该晶粒取向优先生长,与实验结果... 详细信息

本文将元素变量(φ*和nWS)和MAEAM相结合,从原子尺度上对10种fcc金属Cu,Ag,Au,Ni,Pd,Pt,Rh,Al,Ir和Pb的38个不同晶面的表面能进行模拟计算及各向异性分析.结果表明,fcc金属的密排面(111)的表面能最小,则该晶粒取向优先生长,与实验结果和第一原理的LMTO-ASA计算结果一致;各个晶面的表面能均随着其他晶面与(111)晶面的夹角cosθ(hkl)的增长而呈线性增长关系,因此利用(111)面可推导出其他各面的表面能量.并利用图解法解释了表面能与表面偏析能之间的关系,得到具有较低表面能的杂质(溶质)才会偏析到具有较高表面能的基体(溶剂)的表面,产生表面偏析现象这一结论.

关键词： FCC金属 MAEAM 表面能表面偏析