表面物理化学摘要

表面物理化学摘要（通用9篇）

1.表面物理化学摘要 篇一

时间和时刻：

①时刻的定义：时刻是指某一瞬时，是时间轴上的一点，相对于位置、瞬时速度、等状态量，一般说的“2秒末”，“速度2m/s”都是指时刻。

②时间的定义：时间是指两个时刻之间的间隔，是时间轴上的一段，通常说的“几秒内”，“第几秒”都是指的时间。

位移和路程：

①位移的定义：位移表示质点在空间的位置变化，是矢量。位移用又向线段表示，位移的大小等于又向线段的长度，位移的方向由初始位置指向末位置。

②路程的定义：路程是物体在空间运动轨迹的长度，是一个标量。在确定的两点间路程不是确定的，它与物体的具体运动过程有关。

位移与路程的关系：位移和路程是在一段时间内发生的，是过程量，两者都和参考系的选取有关系。一般情况下位移的大小并不等于路程的大小。只有当物体做单方向的直线运动是两者才相等。

2.表面物理化学摘要 篇二

镁及镁合金作为可降解植入材料优势明显,在骨修复和血管支架等领域有着广泛的应用前景。但由于其腐蚀降解速率过快,通常需要作表面防护处理。化学镀是镁及镁合金表面制备金属镀层的常用方法[1],与气相沉积[2]、磁控溅射[3]、电镀[4]等其他镀覆方法相比,具有独特的优势,如可在形状复杂的基体上镀覆厚度均匀且性能可调的镀层,且操作方便。目前镁及镁合金化学镀主要有镀镍[5~7]、铜[8]、银[9]等。由于镁及镁合金活性较高,表面易形成氧化物或氢氧化物,较难得到理想的化学镀层,因而镀前常需作清洗、酸洗、活化或浸锌等前处理。然而在酸洗过程中通常会用到的铬酸有毒,活化阶段常用的氢氟酸也有一定毒性,而浸锌过程步骤繁琐,工艺复杂; 此外,镍是一种易致敏、致癌元素,而铁具有足够的强度、良好的生物相密性和降解性,更适用于生物医用材料[10]。目前,化学镀铁的研究主要集中在铁基镀层的制备及其磁学性能的研究[11~14]方面,但所用基体多为铜基体,迄今尚未见针对镁基体的相关研究报道。为此,本工作将纯镁作硝酸酸洗后直接化学镀铁,通过FESEM、GAXRD及电化学测试等,研究了铁镀层的形成过程、表面形貌、结构及耐蚀性。

1 试验

1. 1 基材前处理

基材为99. 9% 的镁,尺寸为 12. 0 mm × 1. 5mm。使用400 号砂纸将其打磨后,用乙醇清洗,之后立即吹干; 用10% 硝酸中清洗10 s,去离子水冲洗后备用。

1. 2 化学镀工艺

以镀层的完整性为主要评价标准,经优化后得到的镀液成分及施镀条件: 75. 0 g /L KNa C4H4O6·4H2O,27. 0 g / L Fe SO4·7H2O,2. 7 g / L KBH4( 还原剂) ,3. 0g / L C12H22O11( 蔗糖) ,33. 0 g /L Na OH; 温度40 ℃,时间10 ~ 40 min。

施镀在加入50 m L镀液的玻璃烧杯中进行,使用纯铝片( 纯度高于99% ) 和镁基体接触。以恒温水浴锅控温至40 ℃。施镀10 ~ 40 min后取出,去离子水冲洗、乙醇清洗、吹干后备测。

1. 3 镀层性能检测

用NOVA Nano SEM450 型场发射电镜( FESEM)观察铁镀层的形成过程。试样用环氧树脂镶嵌制成镀层的横截面样品,并进行打磨、抛光后,用JEOL JEM -6700 型场发射电镜( FESEM) 观察铁镀层的表面和截面形貌,用EDS能谱分析仪( EDAX) 分析铁镀层的成分,测定其截面纵深的Mg和Fe元素分布。用Rigaku D / MAX2500 X射线衍射仪分析铁镀层的物相结构。

使用电化学综合分析仪( Princeton PARSTAT2273)进行腐蚀电化学测试,辅助电极为石墨电极,参比电极为饱和甘汞电极( SCE) ,在室温下测试纯镁及铁镀层在磷酸盐缓蚀液PBS( 8. 00 g /L Na Cl,0. 20 g /L KCl,1. 15 g / L Na2HPO4,0. 20 g /L KH2PO4) 中的耐蚀性( 相对于模拟体液,PBS中缺少了钙、镁等离子,但仍可以模拟人体内主要的体液离子环境,配方简单、稳定,并有一定的缓蚀效果) 。开路电位测试时间为1 800 s,动电位极化曲线测试的电位扫描范围为开路电位 ± 0. 5V,扫描速度为1 m V / s。

2结果与讨论

2. 1 铁镀层的形成过程

化学镀铁是镀液中的还原剂将铁离子还原并沉积的过程,其主要反应:

纯镁材表面施镀10,20,30 min所得镀层的表面SEM形貌见图1。由图1 可见,施镀10 min后,已经有较多的胞状颗粒随机出现,虽有研究发现镀层容易在基体表面划痕或缺陷处形核[15],但在镁材表面并没有优先形核的区域; 形成的胞状颗粒尺寸不一,最大约为1. 5 μm,这意味着施镀前10 min,纯镁表面不断有新核形成,同时这些核心不断生长,直至长大至约1. 5 μm的胞状颗粒就基本不再长大,长大后的胞状颗粒尺寸基本一致。施镀20 min后,镁材表面胞状颗粒增加了许多,其尺寸也稍有长大,最大约为1. 7 μm,且胞状颗粒不断聚集融合,形成大面积覆盖; 但同时还发现,镁材表面裸露的区域依然有少量的新核生产,这有助于形成均匀的涂层。施镀30 min后,随着核心的生成、长大,胞状颗粒生长聚积,形成了紧密排布的铁镀层,基本覆盖整个基体表面。

由上可知,铁镀层的形成过程为岛状生长模式: 首先形核,然后核心不断长大成为微米级别的胞状颗粒,并聚集融合,最终形成完整的镀层。

2. 2 铁镀层的表面形貌、成分和结构

施镀40 min后,宏观上镀层已完全覆盖基体,且较均匀。图2 为施镀40 min所得镀层的表面形貌及成分面扫描EDS谱。图2a显示,镀层表面呈菜花状,胞体的大小约为2 μm,胞体之间存在较明显的界面; 胞状颗粒由一些更小的小胞体组成,小胞体的大小约为100 ~200 nm,且相互之间结合紧密。图2b显示,镀层基本上都是由Fe元素组成的。

图3 为施镀40 min所得铁镀层的XRD谱。XRD谱中只出现了铁的特征衍射峰,表明镁材表面已经沉积了一定厚度的铁镀层,这和铁镀层的成分分析结果相一致。在44. 6°,64. 9° 和82. 9° 的衍射峰分别为α -Fe ( 110) ,( 200) 和( 211) 3 个晶面的特征衍射峰,其中( 110) 面择优取向非常显著,表明铁镀层主要以( 110) 面堆积沉积。

2. 3铁镀层的截面形貌和成分

图4 为施镀40 min所得镀层经镶嵌和抛光后的截面形貌及其Fe和Mg含量分布。由图4a可以看出: 铁镀层比较均匀、完整,但仍存在一些空隙,其厚度约为3. 5 μm,沉积速率约为5. 2 μm / h; 铁镀层的表面呈波浪状,和图2a中铁镀层菜花状的表面结构一致; 铁镀层与基体结合良好。由图4b可以看出: 镀层表面F含量较高,且相对稳定; 接近镁基体后,Fe含量分布曲线出现比较明显的下降。

2. 4铁镀层的耐蚀性

图5 为纯镁和施镀40 min所得铁镀层在PBS中的开路电位-时间曲线和极化曲线。由图5a可见,化学镀铁后开路电位呈缓慢下降趋势,可能是因为腐蚀产物比铁具有更低的腐蚀电位所致; 镁基体的开路电位不是很稳定,但明显小于铁镀层的。由图5b可见:化学镀铁后腐蚀电位Ecorr( 为- 1. 451 V) 较镁基体( 为- 1. 898 V) 发生了一定的正移,说明发生腐蚀反应的难度变大,但化学镀铁后试样的Jcorr约为2 . 956 × 10- 3A / dm2,较镁基体( 约为1. 297 × 10- 5A / cm2) 有较大提高,表明其腐蚀速率提高。这主要是由于铁镀层的生长过程为岛状生长模式,且其大量形核,在一个个胞状颗粒的交界处,容易形成孔隙或缝隙,这样就会在镁表面产生电偶对,铁为阴极,镁为阳极,试样表现出强烈的电偶腐蚀,对形成保护性好的镀层不利。因此,需要进一步改善铁镀层的致密性及厚度,以防止其形成孔隙或缝隙,从而能更好地保护镁基底。

3结论

( 1) 以硝酸酸洗对纯镁基体进行前处理后直接化学镀铁,在纯镁表面制备了铁镀层,沉积速率约为5μm / h,镀层与基体结合良好,是一种简便、安全、环保的化学镀处理方法。

( 2) 铁镀层的生长过程为岛状生长模式: 首先形核,然后核心不断长大成为微米级别的胞状颗粒,并聚集融合,最终形成完整的镀层。所得铁镀层表面为菜花状结构,且呈现为单一的 α -Fe相结构。

3.钛种植体表面改性的生物化学方法 篇三

【关键词】钛；种植体；表面改性；生化方法

【中图分类号】R783 【文献标识码】A 【文章编号】1004-7484（2013）06-0149-01

1 概述

钛及其合金材料在生物医学领域应用广泛，由于其优越的生物相容性，良好的耐腐蚀性及优良的生物安全性，使得其在与其他传统的合金的相比中显示出了优势。钛种植体比重轻，弹性模量小，可以减少金属植入体和骨界面的应力集中[1]，也就减少了种植体植入后折断、脱落等并发症发生的机会。在钛及钛合金应用的早期，化学纯Ti 和Ti-6Al-4V得到了广泛的研究和应用，现如今，现代钛合金和正畸用的β钛合金也得到了一定的发展。

基于它的优良性能，钛广泛的应用于人工骨骼，关节硬组织的替代品及牙科的种植体领域[2]。作为牙种植体，可根据其植入的位置分为，牙内种植体，粘膜下种植体，骨内种植体等。这些种植体从单个牙的缺失到全口牙列的缺失都可以应用，牙种植体和自身骨组织之间形成“骨整合”，使得种植体在口内得以发挥良好的作用。一些种植体的表面改性技术，例如化学酸蚀术，喷砂术等，经常被用来提高牙种植体的骨整合性能

2 表面改性及其生化方法

2.1 钛的表面结构及改性原因

现如今，关于钛和钛合金的结构、组成、性能方面已有大量的研究和报道。钛的很多性能源自于其表面的氧化层，众所周知，当钛暴露在空气中时，其表面会自发的形成一层氧化膜，正是这个几微米厚的薄膜，使得钛拥有了较强的化学惰性，耐腐蚀性及其生物相容性。

种植体植入体内后，材料表面和生物环境之间会相互影响，并发生一系列生物学反应，同时也会出现由机体导致的特殊应答反应。虽然钛有很多良好的生物学特征，但钛种植体还是和骨组织有很多不同的性质，钛本身是惰性材料，它与骨组织的结合是一种机械锁合，而不能像很多生物材料一样与骨组织发生化学结合，所以通过表面的生化改性植入生物活性物质，可以使一般的物理结合达到稳定化学结合，在促进术区愈合的同时缩短愈合时间[3]。同时为了提高钛表面的生物学特征，也需要相应的表面改性来获得一些特殊的表面性质，例如，为了达到生物整合，良好的骨成形性是十分必要的，通过新的生物材料的植入，可以加强骨组织的诱导性，使其与种植体牢固的结合，并增强种植体在体内的长期稳定性；还有在一些生物装置中，可以通过生化改性，来获得材料良好的耐磨耗性、耐腐蚀性和种植体表面的稳定性。

2.2 表面改性的生化方法

目前很多种植体表面改性的方法为物理机械法，例如喷砂，酸蚀等，通过改善金属表面特征来达到提高材料生物相容性的目的，但是此种方法属于比较间接的改性方法。而生物化学技术是利用细胞粘附、分化、重组等生物学知识，将酶、蛋白质、多肽等有机分子引入种植体表面，使其具有更优良的生物活性，因而具有更直接、更有效的特点[3]。生化改性技术通过表面移入新的分子生物材料，引发所需的特异生物反应，使其能按照研究者的要求，促进某些有利于组织愈合的反应的发生。

2.2.1 蛋白阻抗及蛋白移植术

蛋白移植技术是通过生物化学方法将有生物活性的多肽或蛋白质引入材料表面，以改善材料的生物性能，将某些具有促进骨组织生长的蛋白质移入种植体表面，可以增强对成骨细胞的诱导能力，加快组织的愈合过程。

很多种与骨生长相关的生长因子（如IGF-1，FGF-2等）都对骨组织在种植体表面的生长起到促进作用，如何提供一种途径，将这些生长因子引入种植体-骨界面是一直以来研究的课题，一种最简单的方法是将种植体浸入带有这种蛋白质的溶液中，然后进行种植手术[10]，通过这种方法将转化生长因子β引入种植体表面，可以促进成骨细胞在种植体表面的生长，用同样的方法将碱性磷酸酶植入，也可得到类似的结果。

2.2.2 自组装单分子膜技术（Self-assembled mono-layers，SAMs）

自组装单分子膜（SAMs），现如今已成为一种重要的材料表面生化改性的新技术，其原理是将需改性的表面物质置于带有活性的有机溶液中，活性剂分子与表面物质发生自动连续的化学反应，并形成紧密有序的自组装单分子膜，由于其堆积紧密和结构稳定，因而具有防止腐蚀，减小摩擦及降低磨损的作用，同时SAMs具有空间有序性，是生物医学领域良好的研究模型，包括细胞表面相互作用的研究，以及通过接触模拟体液而造成的自发矿化的表面化学的研究等。

通过SAMs可以引入不同的末端基团，其中硅烷化的方法是一个简便且通用的提高材料表面性能的方法，使用硅烷化有助于将生物分子移植于种植体表面，以用来提高材料的生物相容性。同时，硅烷化这一过程根据在化学粘附过程中，参与反应的多肽和蛋白的残基分类，可以分为三种类型，即巯基，氨基和羧基指导的反应[15]。

最近由磷酸盐形成的单层分子膜已应用于钛表面，它可以用来提高材料表面的理化性质，如增强润湿性和改善表面电荷[16，17]。SAMs也被广泛应用于材料表面生物污染的研究[18]，一些含有磷脂胆碱的表面层由于能起到降低生物污染的作用，吸引了相关研究者的兴趣。如今，氯，羧酸，磷酸等化合物相继被提出制成SAMs，用于更进一步的生物学研究。

2.2.3 光化学技术

光化学也可以将生物分子移植到鈦表面，现在两种方法已经提出[19]。第一种方法就是合成一种生物共轭化合物，它既包含生物活性体，又包含光敏体，这种共轭化合物吸附至钛表面后，通过被光或热激活引发非特异性反应，理想情况下，这种激活的光敏反应体应该只与材料表面反应，并且形成一个均匀的单层。

2.2.4 其他

钛表面自发形成的氧化物对于很多蛋白的吸附是有益处的。但是在一些应用中，例如支架或传感器一类的血液接触装置，就需要减少表面蛋白的吸附。最简单的控制蛋白吸附的方法是用一层惰性蛋白使表面钝化，例如可以使用白蛋白[16]。研究表明，将聚乙二醇（PEG）移植于钛表面也可以降低蛋白的吸附[26]。

3 总结

综上所述，现如今，钛及其合金的应用在生物医学等领域已占有重要的位置，对其表面结构和改建方法的研究也日益加深，通过硅烷化，光化学技术等生化改建方法，可以提高钛表面的生物活性，生物相容性等性能，同时也可以达到消除污染，表面净化的目的[27]，有利于钛种植体在体内更好的发挥作用，最终实现良好的骨整合效应。相信通过进一步的改进和研究，会不断的推出新的表面改建方法，提高种植体的成功率，并能满足临床上多种情况的需求。

参考文献：

[1] 唐浩方，冯颖芳.钛合金植入物材料的表面改性研究进展，钛工业进展，2003.20（4～5）：53-55.

[3] 庄燕燕，胡仁，陈菲等人.钛植入体表面生物化学改性的研究进展，生物医学工程杂志，2005.22（3）：618-621

4.表面物理化学摘要 篇四

一、论文撰写说明

1.论文应观点明确，数据准确、完整，文字精练，层次分明。页面设置为A4，页边距为“适中”，上下边距为2.54 cm，左右边距为1.91 cm；

2.请使用论文模板，在相应位置填写论文内容，并删除提示内容；

3.论文中的中、英文摘要明确写明重要的实验条件、数据和结论。文中插图清晰，坐标标度准确标明，不做彩页。

4.论文摘要全部内容不超过两页A4纸；

5.论文撰写完成后，保存为 Word 97-2003文档提交。

二、论文格式要求

1.论文中文题目要求简洁清晰，三号黑体字体，加粗，居中；

2.作者姓名：四号华文仿宋字，居中，作者单位、通讯地址：小五号宋体，居中；电子信箱：小五号Times New Roman字体。

3.论文摘要正文：五号宋体字体，单倍行距。

4.文中图表应用英文表述。题注：英文、小五号Times New Roman字体；图、表题号及图中曲线号一律用阿拉伯数；图表超过两幅须平行排列。

5.关键词：2－5个关键词，五号宋体。

6.中英文参考文献格式见模板。中文参考文献用小五号宋体字，排序为：作者姓名、杂志中文全称、出版年份（阿拉伯数字、加粗）、卷（期）号（阿拉伯数字、加粗）、起始页码（阿拉伯数字）；英文用小五号Times New Roman字体，排序为作者姓名、期刊名称（国际通用缩写、斜体）、出版年份（阿拉伯数字、加粗）、卷（期）号（阿拉伯数字、加粗）、起始页码（阿拉伯数字）。

5.表面物理化学摘要 篇五

2012年继续教育知识更新培训化工专业学习心得

为贯彻落实《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020）》和《关于加强专业技术人员继续教育工作的意见》（国人部发〔2007〕96号）精神，不断提高专业技术人员的专业水平、科学素质和创新能力，并根据《黑龙江省人力资源和社会保障厅关于开展2012专业技术人员继续教育知识更新培训工作的通知》要求，我2012年继续教育知识更新的学习。在这次知识更新学习中，我学习了公需课《TRIZ理论》和专业课程《表面活性剂及应用》，主要收获如下：

一、学习内容概要

我通过下载培训教材和课件视频讲座等形式完成了所有学时公需科目及专业科目的学习。

（一）公需科目学习概要

《TRIZ理论》课程主要包括以下部分：1 TRIZ理论的定义、核心思想和解题模式、主要内容和体系架构。2 什么是资源，及其类型。信息资源和能源资源的具体事例。3 如何利用TRIZ理论解决实际问题，TRIZ理论的讲师们通过具体事例深入浅出的为我们讲解了利用TRIZ理论如何解决我们在生产实践中可能遇见的问题，如何查找解题方法，如何筛选出最简单有效的解决方案。

（二）专业科目学习概要

《表面活性剂及应用》主要介绍下面几部分内容：1 表面活性剂概要是关于表面活性剂的定义、结构特点、分类及其主要作用；2 表面活性剂的结构与性能介绍了表面活性剂的基团构成、表面活性剂的亲水疏水平衡值（HLB）及分子量和不同基团对其数值的影响，以及几种典型的基团结构与性能的关系；3 表面活性剂的乳化和增溶介绍了乳化和增溶的定义及他们的原理，表面活性剂的乳化和增溶现象在生产和生活中具体应用；4 表面活性剂在染色与纤维加工中的应用；5 表面活性剂的安全性主要关于如何判断表面活性剂的毒性强弱、如何降低表面活性剂的毒性对人类的伤害等方面。

二、学习体会

通过对姜兆华教授的《表面活性剂及应用》教材的学习，我清楚了表面活性剂的定义、结构特点、分类及作用。深入了解到表面活性剂具有分散、乳化、增溶、起泡、洗涤、润滑、防腐和杀菌等作用，表面活性剂几乎用在各行各业。其 黑龙江省2012专业技术人员继续教育知识更新培训学习心得

涉及到的领域有：洗涤剂、金属加工、水基涂料、印染、制药、电镀、农药、矿物浮选、石油化工、纺织工业以及食品、化妆品等等众多领域。这使我对表面活性剂有了更深的认识，学习过程中体会颇深。以下就是我学习表面活性剂及应用的过程和体会：表面活性剂概要

主要介绍了表面活性剂的定义、结构特点、分类及表面活性剂的基本作用。学习这章后我对表面活性剂有了清晰的认识。了解到表面活性剂的分类方法，首先表面活性剂根据亲水基团的带电特性，可分为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂、非离子型表面活性剂和两性表面活性剂四大类别。除这四大类外，还有特殊的表面活性剂，如氟碳类、硅化合物类、高分子聚醚类、硼化合物类及生物表面活性剂。通过学习，我懂得了不同种类的表面活性剂的结构特点、作用及主要用途，学会了如何科学合理使用表面活性剂，例如，已知是阴离子型的，便不能与阳离子型的同时使用，否则会生成沉淀；通过对水质硬度了解，我们能够确定使用哪一类型的洗涤用品等。表面活性剂结构与性能关系

本章详细讲解了疏水基和亲水基的结构和性能、连接部分的作用及几种典型的结构与性能的关系。通过本章学习，我们了解到不同类表面活性剂具有不同性能的原因。不同表面活性剂，其润湿性、起泡性和去污力等性质各不相同。这主要是由表面活性剂的结构有关。表面活性剂的洗涤能力不仅和它的化学结构有关，还与被洗物的性质有关。只有在其他条件相同时，表面活性剂的洗涤能力和化学结构关系才真正显示出来。亲水基团的种类，对洗净力影响比较明显，是由于被洗物基质表面，有时直接与亲水基团作用。当使用与被洗物基质所带电荷相反的离子型表面活性剂时洗净力差；对油脂性污垢或尘土，使用非离于效果好；对棉织物污垢，一般使用阴离子型表面活性剂较好。增加亲油基长度或将亲水基团自分子中部移向分子的终端，对洗涤有利，如LAS中，烷基链的碳原子数在C8-C18范围内，洗净力是随碳原子数的增加而提高的。但洗净力随亲油基链长增加有一定限度。这是由于链长增加同时，其在水中的溶解度也迅速下降。其次，直链比支链表面活性剂在链长相等时洗涤效力更强。这些，不但丰富了我的专业知识，也丰富了我的生活常识。

黑龙江省2012专业技术人员继续教育知识更新培训学习心得 表面活性剂的乳化和增溶。

⑴ 表面活性剂的乳化和增溶原理：乳化是由于表面活性剂分子内有对水和油都有亲和性的活性基团。在活性基团的作用下，使不能混合的两液相的一相在另一相中均匀分散而形成稳定的乳液。增溶是指在活性剂的存在下使水溶性低的物质达到溶解度以上的表观溶解现象，也是不溶于水的物质溶入活性剂的胶束中的一种现象，增溶是使胶束变大的因素。也就是说形成胶束的的活性剂的亲油基越长，增溶量也越大。由于被增溶物质的化学结构不同，增溶量也不同。一般同系化合物中分子越大的增溶量越小，而烷基链长度相同的，极性的比非极性化合物的增溶量大。增溶有两种类型：一种是非极性物质被增溶时，在胶束中心里夹层型(Sandwich）溶解。另一种是极性物质被增溶时，增溶物在构成胶束的活性剂分子之间呈楔形的栅状层增溶。

⑵ 乳液的配置方法

乳液配置方法有乳化剂加入水相法，乳化剂加入油相法（转相乳化法），初生态法，交替添加法，转相温度乳化法和自然乳化法。

⑶ 乳化剂的选择方法，当乳化时，作为乳化剂使用的活性剂的亲水亲油平衡值HLB(Hydrophilic lipophilic balance）是制取稳定乳液的重要因素。

⑷ 乳化、增溶在化妆品方面的应用。包括在雪花膏、冷霜、露液和化妆水中的应用。根据化妆品的性质不同，在化妆品配方中选择的表面活性剂及表面活性剂的用量种类变化很大。通过学习，我对化妆品的成分构成和性质有了深入了解和认知。乳液聚合

乳液聚合所使用的活性剂是乳化剂和分散剂。其中包括脂肪酸皂，歧他松香酸皂以及其它合成活性剂，最近，作为工业用活性剂的需要仅次于纤维工业。在乳液聚合方面，各公司均有各自独特的活性剂配方。此外，也有加高分子性的胶体保护剂，根据加颜料及其它用途，在生成的胶乳中还要加入作为后添加剂的活性剂以提高胶乳的化学稳定性和机械稳定性。但是，乳液聚合的乳化剂所生成胶乳的耐水性不好，因此，对作为涂料用的胶乳等必须注意乳化剂的浓度。最近，对化学物质的安全性（生降解性、鱼类的一次蓄积作用）也有一定的要求。此外，对于聚合成橡胶及合成树脂制作食品包装容器、器皿、用具的加工材料以及添加 3 黑龙江省2012专业技术人员继续教育知识更新培训学习心得

剂（包括活性剂，稳定剂和染料等），也必须同样考虑安全性的问题。

5表面活性剂在农药、食品、沥青、石油处理剂方面的应用。

⑴ 在农药方面主要是为了达到安全和经济的喷洒效果，利用活性剂的乳化、分散和增溶作用，将农药添加活性剂制成乳剂或水合剂，用水稀释后使用。在田间使用农药是，充分利用活性剂的乳化力和分散力使喷撒的药液通过对植物体、虫体和菌体能润湿、均匀地附着和停留一定时间而发挥效果。

⑵ 在食品工业上，食品工业所使用的活性剂是作为食品添加剂，表面活性剂的主要用途多半是作为乳化剂。例如，在油脂食品方面采用乳化剂已成为常识。此外，作为起泡剂、消泡剂、润湿剂，分散剂、防结晶剂，以及使淀粉和蛋白质形成复合体，甚至作为抗菌剂、抗氧化剂等，活性剂有其很宽广的利用途径。和其它工业相比，食品工业对原材料的使用是有严格限制的。实际应用上，对于活性剂的相互配合是有限制的，而且还常常和浆料、磷酸盐等稳定剂或质量改进剂并用。因此，在使用时应该充分了解表面活性剂的性能。常用的食品表面活性剂有酰基甘油、脂肪酸丙二醇酯、失水山梨醇脂肪酸酯、脂肪酸蔗糖酯和卵磷脂以及天然表面活性剂蛋白质、蛋黄、芥末（芥子粉）。

⑶ 沥青乳液

沥青的用途以道路工程和养护为主，在防水粘合、地面工程材料、农业、铁道路面处理、垃圾处理等方面需求量很大，是重要的粘合剂。沥青在常温下成固体乃至半固体状态，在使用时必须进行预处理。处理方法之一是沥青和水的乳化法。在沥青乳化中，对于选择调制乳液所必需的乳化剂及其作用机理，以及乳液的各种性能和对骨材的作用等都有较高和系统的要求。

⑷ 石油处理剂

石油处理剂是将流出的油严密地进行化学处理的药剂，包括集油剂、沉降剂、凝固剂、乳化分散剂等。通常把乳化分散剂称为油处理剂，石油处理剂（oil dispersant）是应用活性剂的乳化分散作用，将流出的油用活性剂进行乳化，形成微粒子，使之在海水中扩散的处理剂。表面活性剂在染色与纤维加工中的应用。因为活性剂分子内有亲水（极性）基和疏永（非极性）基，不但有在气-液、液-液、固-液界面定向吸附的性质及在液-液内形成稳定的集合体（胶束）的性质，而且，作为第三种特性，有和其它物质相互作用的性质。特别是与染料共存时，由于染料本身和活性剂一样，一般有极性和非极性结构，在溶液中或在各种介质中，有各种各样相互结合的可能性。4 黑龙江省2012专业技术人员继续教育知识更新培训学习心得

在实际染色中，活性剂作为助剂的意义是要求染色时能提高对纤维的润湿浸透性，或使难溶性的染料在水中均匀增溶分散，或谋求染色完全等，活性剂作为染色助剂使用就是由于其有界面活性。与其结合性直接应用于染料或纤维的有匀染剂、缓染剂、促染剂、牢固促进剂等，都是表面活性剂的重要应用。教材从表面活性剂和染料的相互作用角度说明了表面活性剂作为染色活性助剂的应用。

表面活性剂的安全性。表面活性剂的毒性与杀菌力关系密切，毒性小的杀菌力弱，毒性大的杀菌力强，两者基本上是一致的。阳离子型表面活性剂中的季按盐对生物有较大的毒性。非离子表面活性剂毒性小，有的甚至无毒，但其杀菌力相应很弱。阴离子表面活性剂的毒性和杀菌力介于两者之间。表面活性剂中含有芳香基者，毒性较大。聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂的毒性以链长者较大。非离子型表面活性剂的毒性虽小，但往往构成污水域，在水中浓度只要百分之几就能杀害鱼类。对于洗涤剂和日用化妆品而言，还要考虑对皮肤的刺激和对粘膜的损伤，与其毒性大体相似。阳离子型的刺激性大大超过阴离子型，两性型和非离子型为最小。因为作为洗涤剂和日用化妆品的表面活性剂中以离子型最多，对皮肤的刺激的作用顺序大致上是烷基硫酸钠最大，其次为烷基苯磺酸钠、羧酸盐等。而以疏水基而言，碳原子数小于12者刺激性最大，12以上刺激性较小，非离子型刺激性小，而醚型又大于酯型。使用表面活性剂，除了要考虑安全性外，还必须考虑其生物降解性。因为表面活性剂最后大多混入污水进入自然环境中，含表面活性剂的污水释放到自然环境中，对环境的生态体系影响很大。因此表面活性剂不仅对我们的生活具有极大贡献，同时还对人类存在有不利因素的一面，因此我们从事化工研发、生产及使用化工产品的人员应该增强了的环保安全意识和社会责任感。

通过对以上内容的学习，使我对表面活性剂有了深刻的了解，学到了很多与生活、工作密切相关的科学知识。就我本人来说，我最近几年从事的工作一直需要与表面活性剂打交道，但是我所学习的专业中恰恰没有表面化学相关的知识，一直以来每当我需要了解表面活性剂的知识时，我都是临时从网上下载些资料研究一下，从来没有这样系统的学习过。因为我的表面活性剂知识都是拼凑起来的，当在实践中遇到棘手的问题时，常常找不到合适的处理方法。例如对于乳化物料进行破乳处理，以前我们经常用的方法是静止，因为我知道通过静止，乳化的粒 5 黑龙江省2012专业技术人员继续教育知识更新培训学习心得

子会凝聚而沉降破乳。虽然我也知道可以机械破乳或改变温度破乳，但是对于我们的产品来说，机械破乳根本行不通，而改变温度我们只知道加热破乳，但是加热破乳在我们这里是万万不可行的，因为会造成我们的产品降解。现在通过这次继续教育学习，我了解到还可以通过降低温度进行破乳，因此这次学习解决了我们现在面临的一个大的技术难题。学到这些知识后，不仅丰富了我的专业知识，对我的工作有很大的增强作用。同时，增强了我的环境保护意识，增加了我的社会责任感。在此我对姜兆华教授表示深深的感谢，感谢您给我带来系统的表面活性剂知识。

6.表面物理化学摘要 篇六

摘要：活性炭纤维(ACF)作为第三代活性炭,是一种新型的高效吸附剂和催化剂.它具有独特的物理性能和化学性能,对烟气中的SO2具有很强的吸附和催化氧化作用,因此作为烟气脱硫方面极具前景的.催化剂而受到人们的普遍关注.以聚丙烯腈基活性炭纤维(PAN-ACF)为代表,主要深入探讨了ACF表面化学官能团对脱硫性能的影响.作 者：张强波 黄盼 李月丽 尹华强 郭家秀 楚英豪 ZHANG Qiang-bo HUANG Pan LI Yue-li YIN Hua-qiang GUO Jia-xiu CHU Ying-hao 作者单位：张强波,尹华强,ZHANG Qiang-bo,YIN Hua-qiang(国家烟气脱硫工程中心,四川,成都,610065;四川大学,建筑与环境学院,四川,成都,610065)

黄盼,李月丽,郭家秀,楚英豪,HUANG Pan,LI Yue-li,GUO Jia-xiu,CHU Ying-hao(四川大学,建筑与环境学院,四川,成都,610065)

7.论表面活性剂的绿色化学发展方向 篇七

绿色化学, Green Chemistry, 是一种以环境污染最小化为研究目的的科学, 因此又被称之为“Environmental Benign Chemistry”, 即环境无害化学。绿色化学的具体研究目的是利用各种化学理论和化学方法来降低化学产品在设计、生产以及使用等环节造成的环境污染, 降低有害物质对人体、对环境的危害, 最终实现化学产品的无害化和绿色化。基于以上研究目的的化学过程、化学方法以及化学技术均可以纳入到绿色化学的范畴当中。绿色化学所需要的反应物应该具备以下几种特征:原料无毒无害、反应条件无毒无害、反应具有高选择性、获得产品具有绿色性。

2 表面活性剂的绿色化学研究

2.1 表面活性剂和生物降解的关系分析

在上个世纪的五十年代及其以前, 当时所采用的洗涤剂以烷基苯磺酸钠作为表面活性剂, 而烷基苯磺酸钠当中含有四聚丙烯烷基苯, 该物质很难进行生物降解;而后, 随着洗涤剂使用数量的越来越多, 河流以及城市下水道当中出现了大量的泡沫, 严重污染了环境。为了解决一问题, 人们对洗涤剂进行了一系列的研究, /n-C12-Ph C9-C (C) 2-Ph C-C (C) -C-C (C) -Ph1最终发现了疏水链结构与生物降解存在着一定的关系。其具体关系见下表。为了解决河流以及城市下水道当中出现的大量泡沫问题, 在上个世纪的流失年代便出现了制备烷基苯的氯化法, 随后经过近二十年的发展, 在上个世纪的七十年代末、八十年代初, 当时所使用的洗涤剂当中的烷基苯已经基本上被脱氢法直链烷基苯代替, 而脱氢法直链烷基苯的生物降解率高达90%以上。

2.2 极性基团和刺激性的关系分析

表面活性剂的极性基团和刺激性之间存在着比较大的关系, 它们的具体关系见表2。

一般来说, 在疏水链相同的情况下, 钠盐的刺激性大于铵盐和胺盐。因此, 餐洗剂和洗发水等日化用品的配方当中, 烷基硫酸钠已经被烷基硫酸铵和烷基硫酸三乙醇胺所代替, 钠盐已经被醇醚硫酸的铵盐和胺盐所代替。阳离子和阴离子的表面活性剂对人体的皮肤及兔眼的刺激性要显著大于非离子与两性表面活性剂。以醇醚类为代表的非离子表面活性剂来说, 极性基团数的增加使得表面活性剂的亲水性显著提高、刺激性10显0著%降低。

2.3 反应过程的环境友好化

第一, 咪唑啉、甜菜碱类两性表面活性剂产品。为降低氯乙酸钠及可能的二氯乙酸钠含量, 增加了产品的后处理工序。第二, AES类产品。为了降低二噁烷的含量, 使醇醚 (AE) 的磺化由不脱气老化变为调整工艺后的脱气老化。第三, AOS (烯基磺酸盐) 产品, 为了避免磺内酯对皮肤的刺激, 强化了水解工序。

2.4 实现化学反应的绿色化

第一, 减少中间过程, 提高反应选择性。

第二, 采用环境友好的高效催化剂如天然脂肪醇的生产, 上个世纪六十年代生产饱和醇多用Cu-Cr或Cu-Zn-Cr催化剂;生产不饱和醇多用含Cd催化剂。上个世纪八十至九十年代, 生产饱和醇采用Cu-Zn-Al系列催化剂;而生产不饱和醇则采用无Cd催化剂。又如烷基苯生产中的烷基化反应。上个世纪五十至六十年代主要是Al Cl3烷基化, 七十年代主要是HF烷基化, 进入九十年代国外开始采用分子筛固体酸催化烷基化。

3 结束语

综合来看, 表面活性剂的绿色化学发展方向主要是:通过对表面活性剂的结构性能进行分子设计, 实现表面活性剂及其产品的对人体温和、容易生物降解的要求;减少表面活性剂及其产品当中的有害物质含量;实现表面活性剂及其产品的绿色化;满足表面活性剂及其产品生产过程中原料使用和化学反应的绿色化;保证表面活性剂及其产品具有原有的影响界面过程的功能。

参考文献

[1]刘军海, 冯练享.表面活性剂的研究热点及其绿色化发展[J].中国洗涤用品工业, 2008, (02) :120-122.[1]刘军海, 冯练享.表面活性剂的研究热点及其绿色化发展[J].中国洗涤用品工业, 2008, (02) :120-122.

8.表面物理化学摘要 篇八

表面及界面化学的研究对象是分散体系, 该体系包括分散相和分散介质。从分子或原子的尺度上研究各种界面的组成、结构性质和吸附性质的变化过程[2]。要借助数学、物理、化学等学科的理论知识来理解和学习物体的表面性质、过程机理、化学结构等知识[3]。该课程的主要内容包括毛细现象、界面吸附、表面活性剂溶液化学等几个方面, 其中毛细现象是由最基本的界面性质———表面张力和界面张力所导致的界面现象[4]。

作为物理化学的一个重要分支, 表面及界面化学还和高分子化学、油田化学、材料化学、生物学等其他学科相互交叉、渗透, 并应用在石油生产、催化、纺织、印刷等生产领域[5]。课程基础理论性强、应用范围广, 近年来很多高校的化学、化工专业都将该课程开设为专业基础课, 其重要性可见一斑[6]。文章根据当前的研究热点, 结合课程内容讲述以下几个关于《表面及界面化学》教学改革的方法。

一、激励教学法

近几年来, 教育界主张实施“素质教育”, 素质教育着眼于人的全面、和谐、长远、健康发展, 强调的是知识的内化和人的潜能的发展, 强调人的素养和品质的全面发展。高校素质教育是一种指导思想, 重点关注学生的科学与人文, 这就要求老师进行教学实验, 如情景教学、愉快教学等模式。最突出的教学方法是罗玲[7]提出的“激励教学法”, 该方法以激励为主, 以学生为本, 通过激励学生参与教学来提高和培养学生的学习兴趣, 从而达到理论教学与素质教育的结合, 提高学生的创新和实践能力。该方法有一个较完整的激励教学过程, 即“目标 (问题) —激励—自学—研讨—测评”五步教学程序。教师上课时引入目标问题, 激励学生去思考并自学课本寻找解决问题的方法, 引导学生讨论, 使学生都踊跃参与, 最终老师再进行讲评确保学生获悉较系统的知识。许多教师认为激励教学法只适用于中小学生, 对大学生的效果不明显。其实, 大学生更需要激励。激励的本质是激发人的动机, 激励教学法可以帮助教师激发学生的学习动机, 使其产生一种内在驱动力, 诱发其积极参与学习和讨论, 可以提高课堂效率, 促进教学任务顺利地完成。《教育心理学》中的耶尔克斯·道德森定律揭示了学习动机和学习效率的关系:学习动机的最佳水平因学习课题的性质不同而不同。在比较容易的课题中, 学习效率随动机强度的增大而上升;学习任务的难度适中, 最佳动机激起水平也适中;在比较复杂的课题中, 学习效率随动机强度的增大反而下降。大学生进入高校后, 惰性增强, 不愿意听课, 学习兴趣不浓, 学习动机不高, 采用激励教学法可以调动和发挥学生学习的积极性、主动性和参与性。

在《表面及界面化学》课程中讲到固体—液体界面作用中的润湿作用时, 没有按照课本的内容直接讲授该作用的概念、机理, 而是首先提出了自然界中可以很好表现润湿作用的一些自然现象, 如荷叶的出淤泥而不染;沙漠甲虫在沙漠中积蓄水分并很好地生存;清晨青草上的“露似珍珠”;水渑号称“水上漂”在水面上自由行走;等等。提出这些身边常见却又不知原因的现象, 让学生带着问题去学习课程, 成功激发了学生的好奇和求知的欲望, 鼓励学生积极地去自学课本, 了解什么是润湿作用, 向课本找答案, 进而学习了与润湿相关联的接触角、杨氏方程、固体表面能等知识, 提高了他们的自学能力, 最终他们通过课本的学习表达了各自的见解, 什么情况下发生沾湿, 什么情况下发生浸湿, 什么情况下发生铺展, 都一一做了讨论, 同学之间互相学习, 成功地理解和学习了润湿作用, 也收到了很好的教学效果。在这整个过程中, 巧妙地应用了激励教学法, 激发学生的自主性, 鼓励学生的自我实现, 让学生体验到成功, 肯定其学习的潜能, 激发了学生的学习动机, 较好地完成了教学。

二、互动式多媒体教学

随着科学技术的发展, 多媒体技术被广泛应用于现代教学, 多媒体教学可以将传统教学手段下不易表达的内容, 通过动画、视频等形象生动地呈现在学生面前, 使课本上枯燥的理论知识更易被学生理解和吸收[8]。同时也解决了教师在黑板上不断板书的辛苦, 这样在一定的教课时间内, 教师可以轻轻松松地将大量的信息知识传授给学生。多媒体教学逐渐取代了传统教学, 其局限性也日益凸显。多媒体教学信息量大, 教师备课时往往会把与讲点相关的所有知识汇总在课件上, 老师不断地讲, 而学生忙着埋头记笔记, 这样学生很难将课上的知识全部消化吸收, 比如一些重要公式的推导, 教师直接将过程展现在课件上, 没有带领学生亲自推导, 就达不到给学生指导思路的目的, 不能调动学生学习的积极性。结合多媒体教学的利弊将互动式教学吸收进来, 改变多媒体教学机械灌输的弊端, 在课堂上教师要针对学生进行一些调整, 将“问、答”部分作为教学的重点, 将学生的思维、行动和情绪调动起来, 使他们敢于向老师发问, 勇于发言, 教师也要多表扬课堂活跃的同学, 从而建立活跃、愉快的课堂氛围。Malamah-Thomas指出:互动就是指人/物之间通过行为互动, 互相影响的过程。根据互动对象的不同, 互动可以分为人机互动、人人互动, 学习者与学习内容之间的互动。根据互动形式的不同, 互动可以是一对一的, 一对多的, 也可以是多对多[9]。另外, 互动的模式不仅是同时也可以是异时的。互动式教学是指教师和学生在课堂教学中为了达到一定的目标, 相互影响, 相互作用, 共同推动教学的过程。互动式多媒体教学方式是将多媒体教学方式运用在互动式多媒体教学中, 教师首先要做好角色的转换, 教师思考的重点不再是讲授什么内容、怎样讲授, 而应该是完成教学内容需要哪些条件, 如何在课堂上创造这些条件, 如何组织协调、引导好教学进程, 从什么角度、哪些方面、如何为学生的学习充当顾问、提供资料帮助。教师要关注学生在课堂上的个体差异, 倾听学生的问题, 深入了解学生。此外, 教师还要不断地学习, 更新知识储备, 掌握新的技术和技能。

三、理论与实践结合的教学

理论教学的主要目的是将知识的理论及原理传授学生, 有了知识储备, 使以后遇到一些现象时可以用学到的知识去解释。为了使学生更好地记住和理解事物现象, 就需要安排实验课, 让学生亲自动手实验, 去参与, 这样学生才更好地理解和记住所学的知识。理论是指导实践的工具, 而实践是理论产生与发展的基础。在教学过程中, 无论是加强理论教学, 还是加强实践教学, 都必须要很好地处理理论教学与实践教学的关系。理论与实践结合教学的前提是理论与实践并重, 不能偏废任何一方。理论与实践既相互独立, 又相互渗透, 在每个教学阶段, 教育都是为了满足不同层次的知识、技能需求。比如, 可以分几个阶段进行教学, 首先, 叫学生查阅资料, 使其了解知识的重要性;其次, 学习专业课程知识, 有针对地展开实践训练;最后, 结合课程学习和已掌握的知识和能力, 进行理论与实践结合在一起的综合训练, 全面培养学生的综合素质。理论实践结合教学模式下, 要求教师不但要具备一定的理论知识, 而且还必须具备丰富的实践经验, 这就是双师型教师。双师型教师队伍的构建是理论实践结合教学的基础和前提, 是实行理论实践相结合教学模式的核心之一。

四、结语

《表面及界面化学》是研究表面和界面现象的一门科学, 与能源、材料、生物、化学制造和环境科学有密切的关系, 渗透到国民经济的各个主要领域中, 涉及到其中的一些重大科学问题, 如土壤改良、三次采油、人造血浆、油漆涂料等, 与国家安全、能源开发、环境保护和人民生活等方面密切相关, 在社会与经济可持续发展中具有重要的地位。为了满足科学技术的快速发展, 需要深化《表面及界面化学》课程的教学改革, 找到更好的教学方法, 这要求任课教师大胆探索, 积累经验, 因材施教。在教学中, 讲清基本内容, 阐明基本原理, 突出重点, 解剖表面及界面化学的实际问题, 使学生迅速掌握基本原理、基本内容, 做到举一反三、理论与实践相结合, 最终培养出基础知识扎实, 专业技能优秀的人才。

摘要：《表面及界面化学》是一门专业性和实用性很强的基础课程, 该课程内容丰富, 涉及内容广泛。本文介绍了激励教学法、互动式多媒体教学、理论与实践结合的教学等教学改革方法在《表面及界面化学》教学中的应用, 希望能将课程中的理论知识很好地教授给学生, 提高他们的学习能力和兴趣, 使其学会将理论知识应用到实践当中, 以达到较好的教学目的。

关键词：表面及界面化学,激励教学法,多媒体教学,理论与实践结合

参考文献

[1]钟勇为.冲突与调谐:大学教学改革的基本问题探讨[D].武汉:华中科技大学博士论文, 2009.

[2]颜肖慈, 罗明道.界面化学[M].北京:化学工业出版社, 2004.

[3]崔正刚.表面活性剂、胶体与界面化学基础[M].北京:化学工业出版社, 2013.

[4]赵振国.应用胶体与界面化学[M].北京:化学工业出版社, 2008:10.

[5]赵继宽, 孟阿兰, 全贞兰.浅谈青年教师参与胶体与界面化学教学改革的几点体会[J].化工高等教育, 2008, (2) :75-76.

[6]郭荣.我国胶体与界面化学的发展[J].化学通报, 2012, 75 (1) :6-14.

[7]罗玲.“激励教学法”初探[J].职业教育研究, 2006, (11) :139-140.

[8]朱红祥, 覃程荣, 王双飞.轻化工程专业《胶体与界面化学》课程教学改革初探[J].高教论坛, 2011, (11) :41-43.

9.表面物理化学摘要 篇九

活性炭表面化学性质是影响活性炭吸附性能的一个关键因素。活性炭表面含有多种含氧官能团, 比如羧基、酸酐、内酯基、羟基等, 这些表面官能团的数量和种类可以通过物理或化学方法进行调节。比如氧化改性[4]、热处理改性、还原改性[5]、负载金属离子改性[6]、酸碱改性[7]、等离子体改性等。现阶段关于活性炭表面改性的研究主要通过改变官能团数量和种类来增强其吸附性能, 并应用于水污染处理[8]、空气净化[9]等方面, 而关于活性炭表面改性对双电层电容器电化学性能影响的研究甚少[10,11]。

本工作以毛竹废料为原料, 采用磷酸-二氧化碳活化法制备中孔活性炭, 以硝酸、盐酸、硫酸为改性剂, 对活性炭进行表面氧化改性, 并在二氧化碳气氛中进行二次活化, 考察不同酸对活性炭比表面积、孔径分布以及表面官能团性质的影响, 并研究其电化学性能。

1 实验

称取定量竹片, 加入磷酸溶液 (质量分数85%) , 浸泡7d, 干燥后置于管式炉中, 在N2气氛保护下以5℃/min升温速率升温至500℃, 并通入CO2气体恒温活化3h, 结束后切回N2气氛冷却至室温, 将产品取出碾碎用去离子水洗至滤液pH值大于6, 干燥, 过200目筛。

使用HNO3、HCl、H2SO4对产物进行表面氧化改性。具体实验步骤如下。

分别称取0.5g上述自制活性炭粉末加入到质量分数为60%的HNO3、HCl、H2SO4溶液中, 在70℃水浴中加热搅拌2h后, 过滤洗涤, 120℃干燥。再将活性炭放入管式炉中, 以5℃/min的升温速率加热至750℃, 切换为CO2保护, 控制流量为60cm3/min, 在该温度下保温1.5h, 活化结束后切换回N2保护, 自然冷却至室温后, 将产品取出。将经HNO3、HCl、H2SO4氧化改性的样品分别命名为AC-N、AC-Cl、AC-S。

精确称取活性物质 (原炭及改性后活性炭) 、导电剂 (乙炔黑) 、粘结剂 (质量分数60%的聚四氟乙烯 (PTFE) 乳液) , 按85∶10∶5比例混匀, 于无水乙醇溶液中超声搅拌, 制成浆状物质, 然后均匀涂到20 mm×20 mm的泡沫镍上, 于120℃真空干燥12h, 再用粉末压片机以15 MPa的压力保压30s, 压制得到工作电极。将制备好的电极片作为电容器的正负极, 组装成双电层电容器, 放入电解液 (30%KOH水溶液) 中浸泡6h后即可进行电化学性能测试。

采用物理吸附仪 (ASAP2020) 测定活性炭的比表面积和孔结构, 以77K的N2为吸附介质;采用岛津公司KRATOS AXIS ULTRA型X射线光电子能谱仪对样品进行宽扫和窄扫, 以确定官能团类型。

采用新威高精度电池性能测试系统 (CT-3008W-5V3A-S1) 对双电层电容器进行恒流充放电测试来计算活性炭的比电容及充放电效率。采用上海辰华电化学工作站 (CHI660C) 进行电化学循环伏安及交流阻抗测试。

2 活性炭表面性质及孔隙结构表征

2.1 比表面积和孔径分布

图1为活性炭原样品AC与酸改性处理后的样品AC-Cl、AC-N、AC-S在77K时的氮气吸-脱附等温线。

从图1可以看出, 经酸处理后, 活性炭样品吸-脱附曲线与原样品形状基本一致, 都属于Ⅳ型等温线, 吸附量随相对压力增大而增大, 不存在吸附平台, 有较明显的滞后环, 说明样品为高中孔率活性炭;但是吸附量均有不同程度的下降。其原因是: (1) 由于活性炭表面产生了一些官能团, 堵塞了部分孔径较小的孔道, N2分子无法进入, 从而导致比表面积和孔容降低; (2) 酸具有氧化性, 有可能导致活性炭的部分结构坍塌, 或是微孔腐蚀成中孔, 从而使比表面积下降。

图2为活性炭原样品AC和改性后活性炭样品的孔径分布图。从图2可以看出, 基本孔结构特征整体类似, 细节上有些许差别。 (1) 相同点:在小于5nm内有大量孔容分布, 在2nm处存在一个肩峰, 大于5nm的孔容分布量较少; (2) 差别:原活性炭样品在小于5nm区域有最大孔容分布, 峰面积和高度最大, 盐酸改性后的样品孔径分布图在小于5nm区域峰宽及高度最小, 孔容最小。总体而言, 改性后孔径分布变化不大。

表1为活性炭样品改性前后比表面积及孔结构参数的变化情况。可以发现, 改性处理并没有使活性炭样品孔隙结构发生较大的变化, 样品依然保持高中孔率的特征。但是改性处理会造成碳材料比表面积降低, 从原来的1833m2/g降低到1004~1222m2/g;中孔体积也有所下降, 从2.057cm3/g减小到1.119~1.336cm3/g, 微孔体积下降更明显, 说明酸处理对活性炭孔径还是有一定的影响。综上所述, 用3种酸改性后, 比表面积和孔容均有一定程度的下降, 但是样品的孔径结构特征均未发生显著变化, 依然保持中孔活性炭的特点, 这一点可以从活性炭经酸处理前后平均孔径的变化上得以证明。

2.2 活性炭表面官能团

采用X射线光电子能谱仪 (XPS) 对改性前后的活性炭样品表面碳和氧元素的相对质量比及C 1s峰谱线进行分析, 各样品的C 1s峰谱分析图和各含氧官能团的分析结果见图3和表2。从图3中可以看出, 表面含氧官能团主要以-C-C、-C-O、C=O、-O-C=O 4种形式存在, 各种官能团含量见表2。由表2可见, 经过酸处理后, 氧和碳元素的相对质量比均有所下降, 其中AC-N样品下降最多。-C-O和C=O官能团含量呈增加趋势, -C-C和-O-C=O官能团正好相反, 含量有所下降。根据有机物氧化反应规律[12], 脂肪烃首先被氧化成醇类, 部分醇类氧化成酮或醛, 最后被氧化成酸, 但是羧酸随着氧化程度的增加会分解成CO2, 所以随着氧化的进行-C-C含量下降, -C-O和C=O含量则因脂肪烃的氧化而增多, -O-C=O含量因高温分解而有所下降。

2.3 改性碳材料电化学性能研究

2.3.1 充放电性能

将原活性炭样品AC与经硝酸、硫酸、盐酸处理的活性炭样品AC-N、AC-S、AC-Cl样品分别组装成双电层电容器并进行恒流充放电测试。其中, 电流为0.4A/g, 电压范围为0~0.8V。图4是各电容器的充放电曲线。

从图4可见, 各电容器充放电曲线均呈现较对称的三角形分布, 各恒流充放电的斜率基本保持恒定, 具有良好的电容特性。根据公式C=2IΔt/ (mΔV) 计算各电容器的比电容, 可知改性后的活性炭比电容比原活性炭样品有较大幅度的提高。在0.4A/g电流密度下, AC的比电容仅为175F/g, 而经酸处理后的AC-N、AC-S、AC-Cl的比电容分别达到258F/g、225F/g、203F/g, 相比未改性AC增长了47.4%、28.6%、16.0%。

活性炭的比表面积和孔容均有所下降, 但是比电容反而增加, 可见决定比电容大小的不仅仅是比表面积, 表面性质也起了很大作用。

从XPS结果可知, 活性炭改性后表面性质发生了较大变化, 官能团-C-O及C=O的含量有所增加, 这些表面含氧官能团一方面能增加碳材料的湿润性及对电解质的亲和性, 增强碳材料表面吸附电解质的能力, 从而提高碳材料表面形成双电层的能力和电容特性;另一方面, 在电容器充放电过程中含氧官能团能发生可逆的氧化还原反应从而产生赝电容, 进而提高电容器电容量[13]。文献[14]指出, 羟基、羰基等官能团能够提高比电容, -O-C=O官能团则会降低碳材料比电容, 这与本工作所得到的结果一致。

2.3.2 比电容性质

各活性炭在不同电流密度下的恒流充放电曲线 (图5) 比较相似, 都具有良好的对称性, 呈等腰三角形分布。图6是各活性炭样品在不同电流密度下进行恒流充放电测试计算得到的比电容。从图6可见, 电流密度从0.1 A/g增大到0.3A/g时, AC的比电容下降了8.3%, AC-N、AC-S、AC-Cl的比电容分别下降了5.3%、11.1%、11.9%, 说明经盐酸处理后AC的电容下降最为明显。这可能是因为经盐酸改性后的活性炭样品平均孔径最小, 在小电流密度下, 孔径对比电容起着主导作用。当电流密度增大到1A/g时, AC比电容下降了23.0%, 而AC-N、AC-S、AC-Cl的比电容分别只下降了17.2%、16.1%、17.7%。这说明除了孔径是一个影响因素外, 表面的官能团也对比电容有重要影响, 对比电容的保持起到积极作用。也说明经酸改性后的样品既能在小电流下充放电, 也适合在大电流下充放电, 尤其是经硝酸改性后的样品AC-N, 在1A/g电流密度下仍能保持230F/g的比电容, 而原活性炭样品的比电容此时只有150F/g左右。

2.3.3 稳定性及充放电效率

在0.1A/g的电流密度下对AC-N为电极材料制备的电容器进行200次恒流充放电测试, 研究其循环稳定性及充放电效率, 结果如图7所示。由图7可知, 经过200次循环后其放电比电容基本维持在233F/g, 与首次放电相比, 电容保持率为83.3%。电极充放电效率为95%左右。

2.3.4 循环伏安特性

图8 (a) 是未改性及经硝酸、硫酸、盐酸改性后的AC电容器在10mV/s扫描速率下的循环伏安曲线。可以看出, 经过酸改性后, 在同一扫描速率条件下, 改性后的活性炭电极的响应电流都比未改性的活性炭电极大。这说明经过酸改性后电极材料的比电容都有所提高, 其中AC-N>AC-S>AC-Cl>AC。并且4种样品的循环伏安曲线在0~0.6V范围内都未出现明显的氧化还原峰, 呈现出比较理想的双电层电容器循环伏安特性。AC-N和AC-S在0.8V时均有较明显的尾部上翘, 出现氧化还原峰, 表面电极在充放电过程中发生了法拉第反应, 从而提高了电容器的比电容。

图8 (b) 是AC-N电容器在不同扫描速率 (箭头所指由内到外依次为2mV/s、10mV/s、30mV/s、50mV/s、100mV/s) 下的循环伏安曲线。可以看出随着扫描速率的增加, 响应电流相应成比例增大, 说明电解质离子在活性炭孔道内迁移速度快, 阻力小。循环伏安曲线基本呈矩形, 可逆性好, 具有良好的充放电性能。

2.3.5 交流阻抗测试

图9为活性炭电极改性前后的交流阻抗谱图, 其低频区几乎与横轴垂直, 表明所得电极材料具有很小的扩散阻抗, 中高频区域表现为明显的Warburg特征45°曲线[15], 体现了电解质离子是由扩散控制的特点。

在高频区, 交流阻抗谱中未出现明显半圆, 说明电荷转移阻抗很小。从图9中可以看出, AC、AC-Cl、AC-S、AC-N电极在实轴上的截距都很小, 说明电容器的内阻很小, 大约为0.5Ω, 其中改性后的活性炭电极的内阻略有下降, 这是由于改性处理显著提高了活性炭的润湿性, 改善了其亲水性, 从而减小了离子扩散阻力。

3 结论