具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介_李光吉
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仿生非光滑形态减阻的试验研究一廛围抖夔陈丽莉(安徽工业职业技术学院，安徽铜陵244000)脯要]采用激光雕刻与辊压成型模具等表面加工技术对普通针头进行了加工，通过正交试验方法设计窜擦试验方案，通过华龙万能试验机研究不同表面形态的试拌的减阻规律。
试验结果表明，在相同试验条件下，非光滑结构单元的形态、单元结构的深度、间距以及直径(宽度)减阻幽F有影响。
鹾镄阔]仿生；注射器针头；减阻洼；非光滑表面形态经过亿万年的演化，自然界孕育了各种各样的生物，这些生物通过物竞天择和长期的进化，对自然环境已具有高度的适应性，它们都拥有独特的特征与功能，能在复杂多变的环境中生存下来。
它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构，远比人类曾经制造的机械更为完善。
因此，对各种形状仿生非光滑表面在以固、液、气三相组成的土壤中做减粘降阻试验，验证非光滑表面减粘降阻效果，寻求非光滑表面的实用条件，对非光滑表面减粘降阻研究有着重要的实际意义。
1仿生非光滑减粘降阻研究证实土壤动物体表普遍存在着多种形态的几何非光滑结构，其特征是一定几何形状的几何结构单元，规律地或随机地分布于体表某些部位，结构单元的形状有凸包形、凹坑形、台阶形、棱纹形及鳞片形等。
根据具有非光滑体表形态的典型土壤动物能够在其生存的环境中自由活动而身不粘泥和植物叶面存在着自清洁效应等多方面的事实中得到启示，在进行仿生注射器针头研究的过程中，对针头表面进行仿生非光滑加工一定能够取得良好的减阻效果，为进一步研究仿生无痛注射器提供理论依据。
2试件设计及加工仿生注射器针头是将普通注射针头表面加工成一定形状的并且具有相应分布规律的非光滑形态，使针头表面由原来的光滑形态变成非光滑形态这样减少皮肤与注射器针头的接触面积，减小摩擦阻力。
根据针头的工作特点及研究目的和试验条件，本次研究选择普通6号注射针头作为仿生设计研究对象。
具体参数如下：针头直径06m m，长度为37m m，壁厚为0．1m m。
仿生表面减阻的研究现状与进展_马付良
在海洋经济建设和 海 洋 国 防 中 发 挥 着 重 要 作 用 。 海中航行 体 的 运 行 速 度 和 能 量 消 耗 率 是 评 价 其 性能的 重 要 指 标 ， 运行速度决定着航行体的性
；修 回 日 期 ： ；基 金 项 目 ： ＊ 国 家 自 然 科 学 基 金 （ ；浙 江 省 重 点 科 技 创 新 团 队 项 目 收稿日期 ： ２ ０ １ ５－１ ０－１ ２ ２ ０ １ ５－１ １－２ ０ ５ １ ３ ３ ５ ０ １ ０） （ ） ；宁波市创新团队项目 （ ） ２ ０ １ １ Ｒ ５ ０ ０ ０ ６ ２ ０ １ １ Ｂ ８ １ ０ ０ １ ，男 （ ，研究员 ，博士 ；研 究 方 向 ：海 洋 航 行 体 界 面 调 控 与 仿 生 减 阻 ； ：（ ： 通讯作者 ：曾志翔 （ 汉） １ ９ ８ ２－ ） Ｔ ｅ ｌ ０ ５ ７ ４） ８ ６ ６ ８ ５ ８ ０ ９； Ｅ －ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｅ ｎ ｚ ｈ ｘ＠ｎ ｉ ｍ ｔ ｅ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ｇ ；网络出版地址 ： ： ／ ／ ／ ／ ／ 网络出版日期 ： ２ ０ １ ６－０ １－３ ０ １ ７∶０ ９ ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ｋ ｃ ｍ ｓ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ １ １． ３ ９ ０ ５． ｔ ． ２ ０ １ ６ ０ １ ３ ０． １ ７ ０ ９． ０ ０ ４． ｈ ｔ ｍ ｌ ｐ ｇ ］ （ ） ： 引文格式 ：马付良 ，曾志翔 ，高义民 ，等 ．仿生表面减阻的研究现状与进展 ［ Ｊ ．中国表面工程 ， ２ ０ １ ６， ２ ９ １ ７－１ ５．ＭＡ Ｆ Ｌ， Ｚ Ｅ ＮＧ Ｚ ［ ］ ， Ｘ，ＧＡＯ ｒ ｏ ｒ ｅ ｓ ｓ Ｙ Ｍ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ａ ｎ ｄ ｏ ｆ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｄ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｊ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ２ ０ １ ６， ２ ９ ｐ ｇ ｇ ｇ ｇ （ ） ： １ ７－１ ５．
具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介_李光吉
以减阻为目标 , 国内外研究机构对鲨鱼皮表面 结构仿生与应用进行了探索 .美国宇航局将仿鲨鱼 皮的肋条结构(如图 4 所示)应用于飞行器和船舶表 面以减少阻力 .他们在 NACA 0012 飞机的表面贴 上 V 型沟槽膜后 , 阻力减少了 6 .6 %[ 9] .这一肋条减 阻原理也成 功地应 用于美 国“星 条旗” 帆船比 赛 . S PEEDO 公司 还研发 出了仿 鲨鱼皮 的泳 衣 , 并在 2000 年悉尼奥运会上创造了奇迹 .2004 年 , 该公司 在雅典奥运会上又推出了“鲨鱼皮”第二代产品 ———
船舶在运动时 , 由表面摩擦所引起的阻力约占 总阻力的 70 %～ 80 %, 在高速运动时 , 摩擦阻力约 占总阻力的 40 %左右 .现代民用飞机在飞行时表面 摩擦阻力几乎占总阻力的 50 %, 管道运输中 80 %以 上的能量消耗在表面摩擦阻力上[ 1] .因此 , 减小运动 物体表面与流体之间的摩擦阻力对于设计和制造流 体输送设备 、交通工具等都是非常必要的 .设计和制 备具有减阻功能的新材料无疑是实现节能降耗的重 要途径之一 .
F AST SKINFS II 泳衣(图 5), 该泳衣充分运用了仿 生学原理和新技术 , 性能更加接近鲨鱼皮的特性 .以 疏水的含氟弹性体为主要材料 , 通过压迫身体来降 低阻力[ 10-11] .张德远教授等人[ 12-13] 也注意到了鲨鱼 皮的减阻效应 , 利用生物约束成形法复制了鲨鱼皮 的微观形貌 , 得到以高分子为基体的仿生鲨鱼皮 .将 这一仿生材料用于管道减阻试验 , 结果显示 , 阻力比 普通管道减少了 8 %.深圳百安 百科技公司的研发 人员已就鲨鱼皮盾甲鳞结构在高分子基材上的微复 制方法进行了初步探索 , 尝试了电铸法 、弹性印章等 微复制方法 , 得到了表面具有鲨鱼皮微结构的高分 子膜材 .图 6 为用不同的高分子为基材制备的仿鲨 鱼皮膜材的表面结构 .
“铝合金表面激光熔覆耐磨、减磨涂层技术研究”项目通过鉴定
合力弱的缺点， 为铝合金表面强化提供了新途径 ， 在现代工业生产 中具有广泛 的应用前景， 对学科发展
有较 大 的推ห้องสมุดไป่ตู้作 用．
（ 技处 科
郭建 辉 ）
部无气孔 或少 气孔 的涂 层 ． 用 Ｘ Ｄ、 Ｅ Ｔ Ｍ 等 分 析 了 Ａ 采 Ｒ Ｓ Ｍ、 Ｅ １一Ｓ ＋Ｔ ＋Ｃ Ａ —Ｓ ＋ＳＣ和 Ａ —Ｓ ＋ ｉ ｉ 、ｌ ｉ ｉ Ｉ ｉ Ａ： ， １ 激光熔 覆层 中原位 合成 ＴＣ颗 粒和外 加 ＳＣ Ａ： ， Ｏ ｉ ｉ、 １ 颗粒 的尺 寸 、 Ｏ 形态 、 布及 其界 面特征 ；ｕ—Ａ 分 Ｃ Ｉ
由我校机 械 电子学 院孙荣禄 教授 承担并 完成 的天津 市应 用基础 研究计 划 （ 自然科 学 基金 ） 目“ 项 铝 合金表 面激光 熔覆 耐磨 、 减磨涂 层技术 研究 ” 于 ２０ ， ０７年 ２月 ６日通过 了天津市 科委 组织 的专 家验 收． 本课 题通 过涂层 材料设 计 和涂层制 备工 艺优 化在 铝合 金 表面制 备 出结 合牢 固、 裂 纹 的 ＴＣ ／ １ 无 ｉｐ Ａ 、 ＳＣ Ａ 、 １ Ａ 和 Ｍ Ｓ／ ｕ复合 材料涂层 ， 用 Ｘ Ｄ、Ｅ Ｔ Ｍ 等 分析 了激 光 快 速熔 凝 条件 下 涂层 ｉ／ １Ａ ／ １ Ｏ ｏ Ｃ 采 Ｒ Ｓ Ｍ、Ｅ 的微观 组织特 征 ， 测试 了激 光熔 覆层 的硬 度 和摩擦 磨损性 能 ， 为铝合金 激光 熔覆表 面强化 技术 的发展提
纺、 交织产品的组分定量分析 ， 但仍有待于做进一步的
研究 ．
４ 结论
（ ） 纶基 和维纶 基 牛奶 蛋 白纤 维在 形 态结 构 特 １腈 征上具 有明显 差异 ． 腈纶 基 牛奶 蛋 白纤 维纵 向表 面 呈
材料现代分析测试方法
材料现代分析方法深圳大学材料学院主讲:李均钦材料现代分析方法主要参考书:1. 周玉主编，材料分析方法，哈工大出版社2007年版。
2. 黄新民、解挺编，材料分析测试方法，国防工业出版社2006年版。
3. 王富耻主编材料现代分析测试方法，北京理工大学出版社2006年版。
4. 梁敬魁编，粉末衍射法测定晶体结构，科学出版社2003年版。
绪论能源人类文明的三大支柱｛｛信息材料结构材料功能材料材料：用以制造有用构件、器件或其它物品的物质结构材料: 耐高温、耐高压、高强度材料等功能材料: 磁性材料、半导体材料、超导体材料化学成分材料的性能主要取决于｛结构组织形态为了了解所获材料的化学组成、物相组成、结构、组织形态及各种研究技术对材料性能的影响，需要采用相应的分析表征方法。
材料现代分析方法是一门技术性实验方法性的课程。
绪论材料现代分析测试方法的含义：广义：技术路线、实验技术、数据分析狭义：测试组成和结构的仪器方法如：X射线衍射分析电子显微分析表面分析热分析光谱分析（光谱和色谱－高分子方向单独开）绪论化学成分材料的性能主要取决于｛结构组织形态本课程主要介绍研究材料化学组成、物相组成、结构、组织形态的现代分析方法。
本课程的内容主要有：1、X射线粉末衍射分析（XRD：X-ray diffraction）主要用于物相分析和晶体结构的测定。
它所获取的所有信息都基于材料的结构。
绪论本课程的内容主要有：1、X射线粉末衍射分析（XRD：X-ray diffraction）主要用于物相分析和晶体结构的测定。
它所获取的所有信息都基于材料的结构。
绪论本课程的内容主要有：2、透射电子显微镜（TEM）（transition electron microscope）电子束透过薄膜样品，用于观察样品的形态，通过电子衍射测定材料的结构，从而确定材料的物相。
分辨率：0.34nm● 加速电压：75kV－200kV；放大倍数：25万倍● 能谱仪：EDAX －9100；扫描附件：S7010 透射电镜绪论本课程的内容主要有：3）扫描电子显微镜（SEM）电子束在样品表面扫描，用于观察样品的形貌（具有立体感）；通过电子束激发样品的特征X射线获取样品的成分信息。
典型生物非光滑理论及其仿生应用
自 ２０ 世纪 ８０ 年代以来 许多学者开展了土壤 动物体表非光滑脱附方面的研究 结果表明 土壤 动物体表存在着多种形态的几何非光滑结构，结构 单元的形状有凸包形 凹坑形 台阶形 棱纹形及 鳞片形等 同一土壤动物体表各部位呈现的几何非 光滑形态亦不完全相同 所谓非光滑表面 是指在 一光滑表面上至少在某一方向上存在引起非光滑效 应的宏观区域的表面 从而首次定义了非光滑并且 指出其特性 它是存在于系统中影响切向阻力的各 种因素 由于非光滑效应的不同而产生了几何非光 表面 力学非光滑表面 化学非光滑表面和动态非
成图快的优点 可以极大地满足基准地价图更新处 理的要求 ５．２ 利 于 地 价 信 息 的 管 理
ＧＩＳ 技术实现了地理空间数据和属性数据的有 机结合 通过 ＯＤＢＣ 可以与 Ｏｒａｃｌｅ 等大型数据库连 接 实现信息的及时更新 查询 统计及分析 实 现地价的信息化管理 ５．３ 直 观 的 显 示 效 果
地理信息系统的最大优点即空间分析功能 由 Ａｒｃｖｉｅｗ 的各种空间分析扩展模块可以将城区内的 地价差异用立体形式表现出来 比单纯的平面图形 更加直观 形象
［ 参 考 文 献 ］ ［１］ 秦 其 明 ， 曹 五 丰 ．陈 杉 ．Ａｒｃｖｉｅｗ 地 理 信 息 系 统
实用教程［Ｍ］．北京．北京大学出版社．２００１ 年． ［２］ 汤国安，陈正江，赵牡丹，等．Ａｒｃｖｉｅｗ 地理信息系统
讨论 并进行了相关的研究 通过研究动物 植物 过程中可以减阻 ５０％ 也就意味着鱼雷形状 大小
非光滑表面结构及其功能 设计出各类仿生产品
动力不变时前进速度增加 １ 倍 若能研制出一种更
均达到预期减粘 脱附的效果 通过对非光滑形态 接近海豚皮的人造材料 将其贴在舰艇表面 其快
仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述
仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述作者：王政李田李明张继业来源：《河北科技大学学报》2017年第04期摘要：介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物，阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律，针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述，提出了沟槽扩展类型，并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。
分析表明：微结构类型对减阻效果有较大影响，减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点，仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率，在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。
关键词：仿生学；表面微结构；减阻；湍流结构；气动阻力中图分类号：Q692文献标志码：A收稿日期：20161206；修回日期：20170323；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51605397）；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目（2016TPL_T02）第一作者简介：王政（1993—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事列车空气动力学方面的研究。
通信作者：李田博士。
Email：litian2008@王政，李田，李明，等.仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述[J].河北科技大学学报，2017，38（4）：325334.WANG Zheng，LI Tian，LI Ming，et al.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（4）：325334.Review of mechanical research and aerodynamic dragreduction of bionic surface microstructuresWANG Zheng1， LI Tian1， LI Ming2， ZHANG Jiye1（1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610036， China； 2.CRCC Tangshan Company Limited， Tangshan， Hebei 064000，China）Abstract：Some typical living creatures with a nonsmooth surface in nature are introduced. The law of the fact that an appropriate microstructure surface can transform the turbulent structure of nearwall region is briefly stated. The research status of the type of microstructure surface， the drag reduction of microstructure surface， the mechanism of drag reduction of microstructure surface and its application so far are commented. The extended types of grooves are proposed， and it is suggested that the current research on drag reduction should be extended for structures with complexshapes. The analysis indicates that the types of bionic microstructure surfaces have great effect on drag reduction， the mechanical research and aerodynamic drag reduction are focal points of the bionic microstructure surface drag reduction technology， which can further improve the efficiency of energy conservation and reduce consumption， and has a great prospect in engineering fields such as aircraft， highspeed trains， cars， etc.Keywords：bionics； microstructure surface； drag reduction； turbulent structure；aerodynamic drag《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》提出“科学合理使用能源，大力提高能源效率，推进重点领域和关键环节节能”。
g-C3N4
第42卷第10期2023年10月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.10October,2023g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂降解环境污染物的研究进展柏林洋1,蔡照胜2(1.江苏旅游职业学院,扬州㊀225000;2.盐城工学院化学化工学院,盐城㊀224051)摘要:光催化技术在太阳能资源利用方面呈现出良好的应用前景,已受到世界各国的广泛关注㊂g-C 3N 4是一种二维结构的非金属聚合物型半导体材料,具有合成简单㊁成本低㊁化学性质稳定㊁无毒等特点,在环境修复和能量转化方面应用潜力较大㊂但g-C 3N 4存在对可见光吸收能力差㊁比表面积小和光生载流子复合速率高等缺点,限制了其实际应用㊂构筑异质结光催化剂是提高光催化效率的有效途径之一㊂基于Ag 基材料的特点,前人对g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂进行了大量研究,并取得显著成果㊂本文总结了近年来AgX(X =Cl,Br,I)/g-C 3N 4㊁Ag 3PO 4/g-C 3N 4㊁Ag 2CO 3/g-C 3N 4㊁Ag 3VO 4/g-C 3N 4㊁Ag 2CrO 4/g-C 3N 4㊁Ag 2O /g-C 3N 4和Ag 2MoO 4/g-C 3N 4复合光催化剂降解环境污染物的研究进展,并评述了g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂目前面临的主要挑战,展望了其未来发展趋势㊂关键词:g-C 3N 4;Ag 基材料;二元复合光催化剂;光催化性能;环境污染物中图分类号:TQ426㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)10-3755-09Research Progress on g-C 3N 4/Ag-Based Binary Composite Photocatalysts for Degradation of Environmental PollutantsBAI Linyang 1,CAI Zhaosheng 2(1.Jiangsu Institute of Tourism,Yangzhou 225000,China;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224051,China)Abstract :Photocatalysis technology shows a good application prospect in the utilization of solar energy resource and has attracted worldwide attention.g-C 3N 4is a two-dimensional polymeric metal-free semiconductor material with the characteristics of facile synthesis,low cost,high chemical stability and non-toxicity,which has great potential in environmental remediation and energy conversion.However,g-C 3N 4has the drawbacks of poor visible light absorption capacity,low specific surface area and high recombination rate of photogenerated charge carriers,which limits its practical application.Constructing heterojunction photocatalyst has become one of effective pathways for boosting photocatalytic efficiency.Based on the inherent merits of Ag-based materials,a lot of researches have been carried out on g-C 3N 4/Ag-based binary photocatalysts and prominent results have been achieved.Recent advances on AgX (X =Cl,Br,I)/g-C 3N 4,Ag 3PO 4/g-C 3N 4,Ag 2CO 3/g-C 3N 4,Ag 3VO 4/g-C 3N 4,Ag 2CrO 4/g-C 3N 4,Ag 2O /g-C 3N 4and Ag 2MoO 4/g-C 3N 4composite photocatalysts for the degradation of environmental pollutants were summarized.The major challenges of g-C 3N 4/Ag-based binary composite photocatalysts were reviewed and the future development trends were also forecast.Key words :g-C 3N 4;Ag-based material;binary composite photocatalyst;photocatalytic performance;environmental pollutant㊀收稿日期:2023-05-15;修订日期:2023-06-12基金项目:江苏省高等学校自然科学研究面上项目(19KJD530002)作者简介:柏林洋(1967 ),男,博士,副教授㊂主要从事光催化材料方面的研究㊂E-mail:linybai@通信作者:蔡照胜,博士,教授㊂E-mail:jsyc_czs@0㊀引㊀言随着全球经济的快速增长和工业化进程的加快,皮革㊁印染㊁制药和化工等行业排放的环境污染物总量3756㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷也不断增长㊂这些环境污染物存在成分复杂㊁毒性大㊁难以降解等特点,对人们的身体健康和生态环境产生严重威胁,已成为制约经济和社会发展的突出问题㊂如何实现环境污染物的高效降解是目前亟待解决的重要问题㊂效率低㊁能耗高及存在二次污染是利用传统处理方法处置环境污染物的主要缺陷[1]㊂光催化技术作为一种新型的绿色技术,具有环境友好㊁成本低㊁反应效率高和无二次污染等优点,在解决环境污染问题方面具有很大的发展潜力,深受人们的关注[2-4]㊂g-C3N4属于一种非金属聚合物型半导体材料,具有二维分子结构,即C原子和N原子通过sp2杂化形成的共轭石墨烯平面结构,具有适宜的禁带宽度(2.7eV)和对460nm以下可见光良好的响应能力㊂g-C3N4具有合成原料成本低㊁制备工艺简单㊁耐酸耐碱和稳定性好等特点,在催化[5]㊁生物[6]和材料[7]等领域应用广泛㊂然而,g-C3N4较小的比表面积㊁较弱的可见光吸收能力和较快的光生载流子复合率等不足导致其光量子利用率不高,给实际应用带来较大困难[8]㊂为了克服上述问题,前人提出了对g-C3N4进行形貌调控[9]㊁元素掺杂[10-11]和与其他半导体耦合[12-13]等方法㊂其中,将g-C3N4与其他半导体耦合形成异质结光催化剂最为常见㊂Ag基半导体材料因具有成本合理㊁光电性能好和光催化活性高等特点而深受青睐,但仍存在光生载流子快速复合和光腐蚀等缺陷㊂近年来,人们将Ag基材料与g-C3N4进行复合,整体提高了复合光催化剂的催化性能,并由此取得了大量极有价值的科研成果㊂本文综述了近年来g-C3N4/Ag银基二元复合光催化剂的制备方法㊁性能和应用等方面的研究现状,同时展望了未来的发展趋势,期望能为该领域的研究人员提供新的思路㊂1㊀g-C3N4/Ag基二元复合光催化剂近年来,基于Ag基半导体材料能与g-C3N4能带结构匹配的特点,构筑g-C3N4/Ag基异质结型复合光催化体系已成为国内外的研究热点㊂这类催化剂通常采用沉淀法在g-C3N4表面负载Ag基半导体材料㊂其中,Ag基体的成核和生长是关键问题㊂通过对Ag基材料成核和生长工艺的控制,实现了Ag基材料在g-C3N4上的均匀分布㊂此外,通过对g-C3N4微观结构进行调控,使其具有较大的比表面积和较高的结晶度,从而进一步提高复合光催化剂的催化性能㊂相对于纯g-C3N4和Ag基光催化剂,g-C3N4/Ag基二元复合光催化剂通过两组分的协同效应和界面作用,不仅能提高对可见光的吸收利用率,而且能有效抑制g-C3N4和Ag基材料中光生e-/h+对的重组,从而提高复合光催化剂的活性和稳定性㊂在g-C3N4/Ag基二元复合光催化材料中,以AgX(X=Cl,Br,I)/g-C3N4㊁Ag3PO4/g-C3N4㊁Ag2CO3/g-C3N4㊁Ag3VO4/g-C3N4㊁Ag2CrO4/g-C3N4㊁Ag2O/g-C3N4和Ag2MoO4/g-C3N4为典型代表㊂1.1㊀AgX(X=Cl,Br,I)/g-C3N4二元复合光催化剂AgX(X=Cl,Br,I)在杀菌㊁有机污染物降解和光催化水解产氢等方面展现出优异的性能㊂但AgX (X=Cl,Br,I)是一种光敏材料,在可见光下容易发生分解,形成Ag0,从而影响其催化活性及稳定性㊂将AgX(X=Cl,Br,I)与g-C3N4复合是提升AgX(X=Cl,Br,I)使用寿命㊁改善光催化性能最有效的方法之一㊂Li等[14]采用硬模板法制备出一种具有空心和多孔结构的高比表面积g-C3N4纳米球,并以其为载体,通过沉积-沉淀法得到AgBr/g-C3N4光催化材料㊂XRD分析显示AgBr的加入并没有改变g-C3N4的晶体结构,瞬态光电流试验表明AgBr/g-C3N4光电流密度高于g-C3N4,橙黄G(OG)染料经10min可见光照射后的降解率达到97%㊂Shi等[15]报道了利用沉淀回流法制备AgCl/g-C3N4光催化剂,研究了AgCl的量对催化剂结构及光催化降解草酸性能的影响,确定了最佳修饰量,分析了催化剂用量㊁草酸起始浓度㊁酸度和其他有机成分对光催化活性影响,通过自由基捕获试验揭示了光降解反应中起主要作用的活性物质为光生电子(e-)㊁羟基自由基(㊃OH)㊁超氧自由基(㊃O-2)和空穴(h+)㊂彭慧等[16]采用化学沉淀法制备具有不同含量AgI的AgI/g-C3N4光催化剂,SEM测试表明AgI纳米颗粒分布在层状结构g-C3N4薄片的表面,为催化反应提供了更多的活性位㊂该系列催化剂应用于光催化氧化降解孔雀石绿(melachite green,MG)的结果显示,AgI/g-C3N4(20%,质量分数,下同)的光催化性能最好,MG经2h可见光辐照后去除率达到99.8%㊂部分AgX(X=Cl,Br,I)/g-C3N4二元复合光催化剂的研究现状如表1所示㊂第10期柏林洋等:g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂降解环境污染物的研究进展3757㊀表1㊀AgX (X =Cl ,Br ,I )/g-C 3N 4二元复合光催化剂光降解环境污染物的研究现状Table 1㊀Research status of AgX (X =Cl ,Br ,I )/g-C 3N 4binary composite photocatalysts forphotodegradation of enviromental pollutantsPhotocatalytst Synthesis method TypePotential application Photocatalytic activity Reference AgBr /g-C 3N 4Sonication-assisted deposition-precipitation II-schemeDegradation of RhB,MB and MO 100%degradation for RhB,95%degradation for MB and 90%degradation for MO in 10min [17]AgCl /g-C 3N 4Precipitation Z-schemeDegradation of RhB and TC 96.1%degradation for RhB and 77.8%degradation for TC in 120min [18]AgCl /g-C 3N 4Solvothermal +in situ ultrasonic precipitation Z-scheme Degradation of RhB 92.2%degradation in 80min [19]AgBr /g-C 3N 4Deposition-precipitation II-schemeDegradation of MO 90%degradation in 30min [20]AgI /g-C 3N 4In-situ growth II-scheme Degradation of RhB 100%degradation in 60min [21]㊀㊀Note:MO-methyl orange,RhB-rhodamine B,TC-tetracycline hydrochloride,MB-methyl blue.1.2㊀Ag 3PO 4/g-C 3N 4二元复合光催化剂纳米Ag 3PO 4禁带宽度为2.5eV 左右,对可见光有很好的吸收作用,且光激发后具有很强的氧化性,在污染物降解和光解水制氢等领域有良好的应用前景[22]㊂但是,纳米Ag 3PO 4易团聚,光生载流子的快速重组使光催化活性大大降低,此外,Ag 3PO 4还易受光生e -的腐蚀,从而影响稳定性㊂Ag 3PO 4与g-C 3N 4复合可显著降低e -/h +对的重组,有效提高光催化性能㊂Wang 等[23]采用原位沉淀法获得Z-型异质结构g-C 3N 4/Ag 3PO 4复合光催化剂,并有效地提高了e -/h +对的分离效率㊂TEM 结果显示,Ag 3PO 4粒子被g-C 3N 4纳米片所覆盖,UV-DRS 结果表明,Ag 3PO 4的添加使g-C 3N 4吸收边发生红移,且吸收光强度显著增强,光降解实验结果显示,30%g-C 3N 4/Ag 3PO 4光催化剂在40min 内能去除约90%的RhB㊂胡俊俊等[24]利用了原位沉淀法合成了一系列Ag 3PO 4/g-C 3N 4复合光催化剂,研究了Ag 3PO 4和g-C 3N 4的物质的量比对催化剂在可见光下催化降解MB 性能的影响,发现在最优组分下,MB 经可见光辐照30min 后可以被完全降解㊂Mei 等[25]采用焙烧-沉淀法制备了一系列Ag 3PO 4/g-C 3N 4复合光催化剂,并用于可见光条件下降解双酚A(bisphenol A,BPA),发现Ag 3PO 4质量分数为25%时,光催化降解BPA 的性能最好,3h 能降解92.8%的BPA㊂潘良峰等[26]采用化学沉淀法制备出一种具有空心管状的Ag 3PO 4/g-C 3N 4光催化剂,SEM 结果表明,Ag 3PO 4颗粒均匀分布于空心管状结构g-C 3N 4的表面,两者形成一个较强异质结构,将其用于盐酸四环素(tetracycline hydrochloride,TC)光催化降解,80min 能降解98%的TC㊂Deonikar 等[27]研究了采用原位湿化学法合成催化剂过程中使用不同溶剂(去离子水㊁四氢呋喃和乙二醇)对Ag 3PO 4/g-C 3N 4的结构和光降解MB㊁RhB 及4-硝基苯酚性能的影响,发现不同溶剂对复合光催化剂的形貌有着重要影响,从而影响光催化性能,其中以四氢呋喃合成的复合光催化剂的催化降解性能最佳,这是由于g-C 3N 4纳米片均匀包裹在Ag 3PO 4的表面,从而促使两者界面形成较为密切的相互作用,有利于e -/h +对的分离㊂部分Ag 3PO 4/g-C 3N 4二元复合光催化剂的研究进展见表2㊂表2㊀Ag 3PO 4/g-C 3N 4二元复合光催化剂光降解环境污染物的研究现状Table 2㊀Research status of Ag 3PO 4/g-C 3N 4binary composite photocatalysts for photodegradation of environmental pollutantsPhotocatalyst Synthesis method Type Potential application Photocatalytic activity Reference g-C 3N 4/Ag 3PO 4In situ precipitation Z-scheme Degradation of BPA 100%degradation in 180min [28]g-C 3N 4/Ag 3PO 4Hydrothermal Z-schemeDecolorization of MB Almost 93.2%degradation in 25min [29]g-C 3N 4/Ag 3PO 4In situ prepcipitation II-scheme Reduction of Cr(VI)94.1%Cr(VI)removal efficiency in 120min [30]g-C 3N 4/Ag 3PO 4Chemical precipitation Z-scheme Degradation of RhB 90%degradation in 40min [31]g-C 3N 4/Ag 3PO 4In situ precipitation Z-scheme Degradation of levofloxacin 90.3%degradation in 30min [32]Ag 3PO 4/g-C 3N 4Chemical precipitation Z-schemeDegradation of gaseous toluene 87.52%removal in 100min [33]Ag 3PO 4/g-C 3N 4Calcination +precipitation Z-scheme Degradation of diclofenac (DCF)100%degradation in 12min [34]Ag 3PO 4/g-C 3N 4In situ deposition Z-scheme Degradation of RhB and phenol 99.4%degradation in 9min for RhB;97.3%degradation in 30min for phenol [35]3758㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷续表Photocatalyst Synthesis method Type Potential application Photocatalytic activity Reference Ag3PO4/g-C3N4In situ hydrothermal II-scheme Degradation of sulfapyridine(SP)94.1%degradation in120min[36] Ag3PO4/g-C3N4In situ growth Z-scheme Degradation of berberine100%degradation in15min[37] g-C3N4/Ag3PO4In situ deposition Z-scheme Degradation of ofloxacin71.9%degradation in10min[38] Ag3PO4/g-C3N4Co-precipitation Z-scheme Degradation of MO98%degradation in10min[39]g-C3N4/Ag3PO4Calcination+precipitation Z-scheme Degradation of MO,RhB and TC95%degradation for MO in30min;[40]96%degradation for RhB in15min;80%degradation for TC in30min1.3㊀Ag2CO3/g-C3N4二元复合光催化剂Ag4d轨道和O2p轨道杂化,形成Ag2CO3的价带(valence band,VB);Ag5s轨道和Ag4d轨道进行杂化,形成Ag2CO3导带(conduction band,CB),而CB中原子轨道杂化会降低Ag2CO3带隙能,从而提高光催化活性[41]㊂纳米Ag2CO3带隙能约为2.5eV,可见光响应性好,在可见光作用下表现出良好的光催化降解有机污染物特性[42-43]㊂然而,经长时间光照后,Ag2CO3晶粒中Ag+会被光生e-还原成Ag0,导致其光腐蚀,引起光催化性能下降[44]㊂Ag2CO3与g-C3N4耦合,能够有效地抑制光腐蚀,促进e-/h+对的分离,进而改善光催化性能㊂An等[45]通过构筑Z型核壳结构的Ag2CO3@g-C3N4材料来增强Ag2CO3和g-C3N4界面间的相互作用,从而有效防止光腐蚀发生,加速光生e-/h+对的分离,实现了催化剂在可见光辐照下高效降解MO㊂Yin等[46]通过水热法制备Ag2CO3/g-C3N4光催化剂,探讨了g-C3N4的含量㊁合成温度对催化剂结构和光降解草酸(oxalic acid,OA)性能的影响,获得最优条件下合成的催化剂能在45min光照时间内使OA去除率达到99.99%㊂Pan等[41]采用煅烧和化学沉淀两步法,制备了一系列Ag2CO3/g-C3N4光催化剂,TEM结果显示,Ag2CO3纳米粒子均匀分布在g-C3N4纳米片表面,且形貌规整㊁粒径均一,光催化性能测试结果表明,60% Ag2CO3/g-C3N4光催化活性最高,MO和MB分别经120和240min可见光光照后,其降解率分别为93.5%和62.8%㊂Xiu等[47]使用原位水热法构筑了Ag2CO3/g-C3N4光催化剂,光降解试验结果表明,MO经可见光辐照1h的去除率为87%㊂1.4㊀Ag3VO4/g-C3N4二元复合光催化剂纳米Ag3VO4带隙能约为2.2eV,可用于催化可见光降解环境污染物,是一种具有应用前景的新型半导体材料㊂然而,如何提高Ag3VO4光催化性能,仍然是学者研究的重点㊂构建Ag3VO4/g-C3N4异质结催化剂是提高Ag3VO4的催化性能的一种有效方法㊂该方法能够降低Ag3VO4光生载流子的复合率,拓宽可见光的吸收范围㊂Hind等[48]通过溶胶凝胶法制备出一种具有介孔结构的Ag3VO4/g-C3N4复合光催化剂,该复合催化剂经60min可见光照射能将Hg(II)全部还原,其光催化活性分别是Ag3VO4和g-C3N4的4.3倍和5.4倍,主要是由于异质结界面处各组分间紧密结合以及催化剂具有较高的比表面积和体积比,从而促进光生载流子的分离㊂蒋善庆等[49]利用化学沉淀法制备了系列Ag3VO4/g-C3N4催化剂,催化性能研究结果表明,Ag3VO4负载量为20%(质量分数)时,其光催化降解微囊藻毒素的效果最好,可见光辐照100min后降解率为85.43%,而g-C3N4在相同条件下的降解率仅为18.76%㊂1.5㊀Ag2CrO4/g-C3N4二元复合光催化剂纳米Ag2CrO4具有特殊的晶格和能带结构,其带隙能为1.8eV,可见光响应良好,是一种非常理想的可见光区半导体材料㊂然而,Ag2CrO4存在自身的电子结构和晶体的缺陷,导致其光催化效率性能较差,严重影响了实际应用[50-52]㊂将Ag2CrO4与g-C3N4复合形成异质结光催化剂是提高其光催化效率和稳定性的一种有效途径,因为Ag2CrO4在光照下产生的光生e-快速地迁移到g-C3N4表面,可避免光生e-在Ag2CrO4表面聚集而引起光腐蚀㊂Ren等[53]利用SiO2为硬模板,以氰胺为原料,合成出具有中空介孔结构的g-C3N4,再通过化学沉淀法制备了系列g-C3N4/Ag2CrO4光催化剂,并将其用于RhB和TC的可见光降解,研究发现g-C3N4/Ag2CrO4催化剂具有较高比表面积和丰富的孔道结构,在可见光辐射下表现出较高的光催化活性㊂Rajalakshmi等[54]利用水热方法合成了一系列Ag2CrO4/g-C3N4光催化剂,并将其用于对硝基苯酚的光催化降解,结果表明,Ag2CrO4质量分数为10%时,其降解率达到97%,高于单组分g-C3N4或Ag2CrO4,原因是与第10期柏林洋等:g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂降解环境污染物的研究进展3759㊀Ag 2CrO 4和g-C 3N 4界面间形成了S-型异质结,能提高e -/h +对的分离效率㊂1.6㊀Ag 2O /g-C 3N 4二元复合光催化剂纳米Ag 2O 是一种理想的可见光半导体材料,在受到光辐照后,其电子发生跃迁,CB 上光生e -能够将Ag 2O 晶粒中Ag +还原成Ag 0,而VB 上h +能够使Ag 2O 的晶格氧氧化为O 2,导致其结构不稳定㊂然而,纳米Ag 2O 在有机物污染物降解方面表现出良好的稳定性[55],这是因为Ag 2O 的表面会随着光化学反应的进行被一定数量的Ag 0纳米粒子所覆盖,而Ag 0纳米粒子作为光生e -陷阱,能够降低e -在Ag 2O 表面的富集,同时,由于光生h +具有较强的氧化性能力,既能实现对有机污染物的直接氧化,又能避免其对晶格氧的氧化,从而提高了纳米Ag 2O 光催化活性和稳定性㊂Liang 等[56]在常温下采用简易化学沉淀法制备了p-n 结Ag 2O /g-C 3N 4复合光催化剂,研究发现,起分散作用的g-C 3N 4为Ag 2O 纳米颗粒的生长提供了大量成核位点并限制了Ag 2O 纳米颗粒聚集,p-n 结的形成以及在光化学反应过程中生成的Ag 纳米粒子,加速了光生载流子的分离和迁移,拓宽了光的吸收范围,在可见光和红外光照下降解RhB 溶液过程中表现出良好的催化活性,其在可见光和红外光照下反应速率分别是g-C 3N 4的26倍和343倍㊂Jiang 等[57]通过液相法制备了一系列介孔结构的g-C 3N 4/Ag 2O 光催化剂,试验结果表明,Ag 2O 的添加显著提高了g-C 3N 4/Ag 2O 光催化剂的吸光性能和比表面积,因此对光催化性能的提升有促进作用,当Ag 2O 含量为50%时,光催化分解MB 的效果最好,经120min 可见光光照后,MB 的脱除率达到90.8%,高于g-C 3N 4和Ag 2O㊂Kadi 等[58]以Pluronic 31R 1表面活性剂为软模板,以MCM-41为硬模板,合成出具有多孔结构的Ag 2O /g-C 3N 4光催化剂,TEM 结果显示,球形Ag 2O 的纳米颗粒均匀地分布于g-C 3N 4的表面,催化性能评价表明0.9%Ag 2O /g-C 3N 4复合光催化剂光催化效果最佳,60min 能完全氧化降解环丙沙星,其降解效率分别是Ag 2O 和g-C 3N 4的4倍和10倍㊂1.7㊀Ag 2MoO 4/g-C 3N 4二元复合光催化剂Ag 2MoO 4具有良好的导电性㊁抗菌性㊁环保性,以及优良的光催化活性,在荧光材料㊁导电玻璃㊁杀菌剂和催化剂等方面有着广阔的应用前景[59]㊂但Ag 2MoO 4带隙大(3.1eV),仅能对紫外波段光进行响应,限制了其对太阳光的利用㊂当Ag 2MoO 4与g-C 3N 4进行耦合时,可以将其对太阳光的吸收范围由紫外拓展到可见光区,从而提高太阳光的利用率㊂Pandiri 等[60]通过水热合成的方法,制备出β-Ag 2MoO 4/g-C 3N 4异质结光催化剂,SEM 结果显示该催化剂中β-Ag 2MoO 4纳米颗粒均匀地分布在g-C 3N 4纳米片的表面,光催化性能测试结果表明在3h 的可见光照射下,其降解能力是β-Ag 2MoO 4和g-C 3N 4机械混合物的2.6倍,主要原因在于β-Ag 2MoO 4和g-C 3N 4两者界面间形成更为紧密的异质结,使得e -/h +对被快速分离㊂Wu 等[61]采用简单的原位沉淀方法成功构建了Ag 2MoO 4/g-C 3N 4光催化剂,并将其应用于MO㊁BPA 和阿昔洛韦的降解,结果表明该催化剂显示出良好的太阳光催化活性,这主要是因为Ag 2MoO 4和g-C 3N 4界面间存在着一定的协同效应,可有效地提高对太阳光的利用率,降低载流子的复合概率㊂2㊀g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂电荷转移机理模型研究g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂在可见光的辐照下,价带电子发生跃迁,产生e -/h +对㊂e -被催化剂表面吸附的O 2捕获产生㊃O -2,并进一步与水反应生成㊃OH,形成的三种活性自由基(h +㊁㊃O -2和㊃OH),实现水中有机污染物的高效降解(见图1)㊂而光催化反应机理与载流子的迁移机制密切相关㊂目前,g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂体系中主要存在三种不同的光生载流子的转移机制,分别为I 型㊁II 型和Z 型㊂图1㊀g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂降解有机污染物的光催化反应机理Fig.1㊀Photocatalytic reaction mechanism of g-C 3N 4/Ag-based binary composite photocatalyst for degradation of organic pollutants3760㊀陶㊀瓷硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷2.1㊀I 型异质结载流子转移机理模型图2(a)为I 型异质结构中的光生e -/h +对转移示意图㊂半导体A 和半导体B 均对可见光有响应,其中,半导体A 的带隙较宽,半导体B 的带隙较窄,并且半导体B 的VB 和CB 均位于半导体A 之间,在可见光的照射下,e -发生跃迁,从CB 到VB,半导体A 的CB 上的e -和VB 上的h +分别向半导体B 的CB 和VB 转移,从而实现了e -/h +对的分离㊂以Ag 2O /g-C 3N 4复合催化剂为例[58],当Ag 2O 和g-C 3N 4相耦合时,因为g-C 3N 4的VB 具有更正的电势,h +被转移到Ag 2O 的VB 上,同时,光激发e -在g-C 3N 4的CB 上,其电势较负,e -便传输到Ag 2O 的CB 上,CB 上e -与O 2结合形成㊃O -2,并进一步与H +结合生成了㊃OH,而有机物污染物被Ag 2O 的价带上h +氧化分解生成CO 2和H 2O㊂2.2㊀II 型异质结载流子转移机理模型II 型异质结是一种能级交错带隙型结构,如图2(b)所示,其中半导体A 的CB 电位较负,在可见光照射下,e -从CB 上转移到半导体B 的CB 上,h +从半导体B 的VB 转移到半导体A 的VB 上,从而使e -/h +对得以分离㊂以Ag 3PO 4@g-C 3N 4为例[62],由于g-C 3N 4的CB 的电势较Ag 3PO 4低,光生e -从g-C 3N 4迁移到Ag 3PO 4的CB 上,而Ag 3PO 4的CB 电势较g-C 3N 4高,h +从Ag 3PO 4的VB 迁移到g-C 3N 4的VB 上,从而实现e -/h +对的分离,g-C 3N 4表面的h +可直接氧化降解MB,而Ag 3PO 4表面积聚的电子又会被氧捕获,产生H 2O 2,并进一步分解成㊃OH,从而加快MB 的降解㊂上述I 型和II 型结构CB 的氧化能力和VB 还原能力低于单一组分,造成复合半导体的氧化还原能力降低[63]㊂2.3㊀Z 型异质结载流子转移机理模型构建Z 型异质结光光催化剂使得e -和h +沿着特有的方向迁移,有效解决复合催化剂氧化还原能力降低问题[64]㊂Z 型异质结催化剂e -/h +对的迁移方向如图2(c)所示,e -从半导体B 的电势较高的CB 转移到半导体A 的电势较低的VB 进行复合,从而实现半导体A 的e -和半导体B 的h +发生分离㊂h +在半导体B 表面氧化性能更强,在半导体A 上e -具有较高还原特性,两者共同作用使环境污染物得以顺利降解㊂为了更好地解释Z 型异质结h +和e -迁移机理,以Ag 3VO 4/g-C 3N 4复合光催化剂为例[48],复合光催化剂经可见光激发后,Ag 3VO 4和g-C 3N 4都发生了e -跃迁,在Ag 3VO 4的CB 上e -与g-C 3N 4的VB 上h +进行复合时,e -对Ag 3VO 4的腐蚀作用被削弱,同时,也实现了g-C 3N 4的CB 上e -和Ag 3PO 4的价带上h +发生分离,g-C 3N 4的CB 上e -具有较强的还原性,将Hg 2+还原成Hg 0,而Ag 3PO 4的VB 上h +具有较强的氧化性,可将HOOH氧化生成CO 2和H 2O㊂图2㊀电子-空穴对转移机理示意图Fig.2㊀Schematic diagrams of electron-hole pairs transfer mechanism 3㊀结语和展望g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂因其较强的可见光响应和优异的光催化性能,在环境污染物的降解方面具有广阔的发展空间㊂近年来,国内外研究人员在理论研究㊁制备方法和光催化性能等多个领域取得了重要进展,为光催化理论的发展奠定了坚实的基础㊂然而,g-C 3N 4/Ag 基二元复合光催化剂在实际应用中还面临诸多问题,如制备工艺复杂㊁光腐蚀㊁光催化剂回收利用困难㊁光催化降解污染物的反应机理尚不明确等,第10期柏林洋等:g-C3N4/Ag基二元复合光催化剂降解环境污染物的研究进展3761㊀现有的光催化降解模型仍有较大的分歧,亟待深入研究㊂为了获得性能优良的g-C3N4/Ag基复合光催化剂,实现产业化应用,应进行以下几方面的研究:1)在g-C3N4/Ag基二元光催化剂的基础上,构建多元复合光催化剂,是进一步提升光生载流子分离效率的有效㊁可靠手段,也是当今和今后光催化剂的研究重点㊂2)对g-C3N4/Ag基二元光催化剂体系中e-/h+对的转移㊁分离和复合等过程进行系统研究,并阐明其光催化反应机制㊂3)针对当前合成的g-C3N4材料多为体相,存在着颗粒大㊁比表面积小㊁活性位少等缺陷,应通过对g-C3N4材料的形状㊁形貌及尺寸的调控,来实现Ag 基材料在g-C3N4材料表面的均匀分布,降低e-/h+对的重组概率,从而大幅度提高复合光催化剂的性能㊂4)Ag基材料的光腐蚀是导致光催化活性和稳定性下降的重要因素,探索一种更为有效的光腐蚀抑制机制,是将其推广应用的关键㊂5)当前合成的g-C3N4/Ag基二元复合光催化剂多为粉末状,存在着易团聚㊁难回收等问题,从而限制了其循环利用㊂因此,需要开展g-C3N4/Ag基二元复合光催化剂回收和再利用的研究,这将有利于社会效益和经济效益的提高㊂参考文献[1]㊀LIN Z S,DONG C C,MU W,et al.Degradation of Rhodamine B in the photocatalytic reactor containing TiO2nanotube arrays coupled withnanobubbles[J].Advanced Sensor and Energy Materials,2023,2(2):100054.[2]㊀DIAO Z H,JIN J C,ZOU M Y,et al.Simultaneous degradation of amoxicillin and norfloxacin by TiO2@nZVI composites coupling withpersulfate:synergistic effect,products and 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图 3 蜣螂头部推土板的非光滑 结构 (a)凸包 ;(b)单个凸包的局部放大
第 2 卷 第 4 期 2 008年12 月
材 料 研 究 与 应 用 M A T ERIA L S RESEA RCH A ND AP P LICA T ION
V o1 .2 , N o .4 Dec .2 0 0 8
文章编号 :1673-9981(2008)04-0455-05
具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介 ＊
2 .3 仿土壤动物的柔性非光滑表面的研究
吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 通过对土壤动物的研究 , 研制出各种仿生非光滑表 面产品 , 如仿生犁 , 仿生非光滑推土板等 , 有效地解 决了农业及工程机械在工作过程中的粘附问题 .任 露泉教授等人在研究与蜣螂推粪球行为最相关的头 部的非光滑表面形貌的基础上 , 设计了非光滑推土 板 , 并进行了防粘减阻试验[ 18-19] .结果表明 , 仿蜣螂 头部的非光滑表面设计的推土板和犁具有良好的脱 附作用 .在相同土壤的耕地实验中 , 与用 20 号钢和 35 号钢制作的光滑犁相比 , 相同材质的仿生犁的减 阻达分别达 12 .7 %和 18 %, 省油 12 .6 %, 精选仿生 推土板的平均最大减阻率可达 30 %.采用表面堆焊
1 .2 沟槽型表面微结构减阻特性及减阻机理
沟槽型非光滑表面又称肋条样表面 , 其几何单 元由薄条和其间的沟槽构成 .德国科学家[ 3] 通过对 鲨鱼皮肤的细致观察和研究发现 , 鲨鱼皮肤的表面 布满了 V 形肋条 , 具有典型的冠状结构 , 每一块冠 状组织上有几条径向沟槽 , 在指向尾部的尖头处中 止 , 如图 2 所示[ 4] .Becher t 等人[ 5] 研究发现 , 鲨鱼皮 的这种 V 形肋条结构其实是一种三维互锁式结构 , 即在 2 个肋条之间又插入一个小的肋条 , 这样有可
2 00 8
图 2 鲨鱼皮表面的肋条结构
图 1 海豚和仿海豚皮肤的结构 (a)海豚皮肤的三层结 构 ;(b)各构型 结构 ;(c)科 学家 研 发的仿海豚皮柔性表面
1 .3 土壤动物皮肤的防粘减阻特性与机理
我国学者对生活在土壤中的蜣螂的皮肤结构 、 防粘减阻特性和机理进行了研究 .任露泉教授等人 发现 , 蜣螂体表不同部位具有不同的几何非光滑形 态 .蜣螂的头和爪上分布着许多凸包 , 如图 3 所示 . 而在蜣螂的胸节背板表面则分布着近似椭圆形的小 凹坑 .进一步研究表明[ 7] , 几何非光滑体表是土壤动 物具有防粘减阻特性的重要原因之一 .
3 结束语
大量的研究已经证实 , 无论是水生动物还是陆 上动物的体表 , 普遍具有非光滑表面 , 并表现出优异 的抗粘减阻效应 .对生物体表的微结构 、抗粘减阻特 性及其原理的研究推动了非光滑表面的制备与控制 技术的发展 , 展示了仿生非光滑表面的防粘减阻功 能在工程领域中的应用前景 .目前 , 对生物体表面的 非光滑现象的认识还不够系统深入 , 对生物非光滑 表面的构造规律及其防粘减阻机理还不能给出比较 令人信服的理论分析 .就目前可望应用于空中和水 中航行器的仿生非光滑表面而言 , 表面呈精致的微 米-纳米复合结构 , 现有的加工手段还不易达到所要 求的精度 .因此 , 需寻求适合的表面基材 , 并探索适 宜的制备技术来构建仿生非光滑表面 .这将使人们 在仿生材料的研究与应用方面大有所为 .
船舶在运动时 , 由表面摩擦所引起的阻力约占 总阻力的 70 %～ 80 %, 在高速运动时 , 摩擦阻力约 占总阻力的 40 %左右 .现代民用飞机在飞行时表面 摩擦阻力几乎占总阻力的 50 %, 管道运输中 80 %以 上的能量消耗在表面摩擦阻力上[ 1] .因此 , 减小运动 物体表面与流体之间的摩擦阻力对于设计和制造流 体输送设备 、交通工具等都是非常必要的 .设计和制 备具有减阻功能的新材料无疑是实现节能降耗的重 要途径之一 .
收稿日期 :2008-09-10 ＊基金项目 :国家自然科学基金资助项目(50873039) 作者简介 :李光吉(1959 —), 云南人 , 教授 , 博士 .
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材 料 研 究 与 应 用
能减少流体的晃动 , 从而实现减阻 .经过测试 , 其减 阻效果达 9 %以上 .对鲨鱼皮的结构及其减阻原理 已有大量的研究和探索 .目前比较得到认同的观点 是 :鲨鱼皮表面的肋条结构能够改变表皮附近层的 流体运动状况 , 抑制和延迟湍流的发生 , 从而实现减 阻 ;三维互锁结构可以起到稳定层流的作用 , 以达到 更好的减阻目的 .鲨鱼皮肤的“鲨鱼皮效应”为人类 提供了非常完美的减阻模板[ 6] .
李光吉1 , 蒲 侠1 , 雷朝媛2 , 苏炳煌2 , 鲁 毅2
(1 .华南理工大学材料科学与工程学院 , 广东 广 州 510640;2.深圳市百安百科技有限公司 , 广东 深圳 518067)
摘 要 :介绍了几种典型的水生和陆生动物体表非光滑表面的 减阻特性 、减阻机理及对其进 行仿生研 究 与应用的成果 .这种基于非光滑表面的仿生减阻抗粘 技术已成为仿生学研究和应用的一个新领域 . 关键词 :非光滑表面 ;减阻 ;仿生材料 ;减阻机理 ;抗粘 中图分类号 :T B17 文献标识码 :A
根据海豚皮肤的自适应性 , 科学家研发了一种 “自适应表层减阻技术” , 即将仿照海豚皮肤所制成 的柔性表层覆盖在与空气-水介质相接触的物体表 面 , 这种仿真皮肤表面光滑 , 内部有内置式棱纹状凸 起 .当流经这种柔性表层的流体的动能达到一定程 度时 , 内置式棱纹突出 , 形成非光滑表面 , 从而使流 体能够稳定地流过这种表面 , 实现减阻 .
的方法 , 在犁壁表面上随机设置凸包 , 并进行田间试 验 , 与一般二铧犁体相比 , 在相同的条件下 , 仿生非 光滑犁壁的减阻达 6 .6 %～ 12 .7 %.在此基础上 , 任 露泉教授等人又将非光滑表面的防粘减阻技术与电 渗技术相结合 , 形成非光滑表面电渗系统 , 原理性实 验表明 , 它不仅具有非光滑表面的防粘减阻的优点 , 还克服了电极无法在同一部件上布置 , 电极间距大 、 电压高 、能耗大等缺点 .以凸包和斜纹两种非光滑表 面形式作推土板动态非光滑电渗试验 , 与光滑推土 板作对比 .在相同的条件下 , 不采用电渗 , 凸包板减 阻 6 %～ 10 %, 斜纹板减阻 5 %～ 8 %;采用电渗 , 相 对于光滑板电渗 , 凸包板减阻 15 %～ 30 %, 斜纹板 减阻 20 %～ 40 %, 减阻效果十分显著 .
科学家们发现 , 海洋中的速度之王“鲨鱼” 、“海 豚” , 在潮湿土壤中能够运动自如而不粘土的蚯蚓 、 蜣螂等生物体都具有非光滑的表面结构 .这种非光 滑表面具有神奇的微纳结构特性 , 使之表现出优异 的减阻 、抗粘附和抗磨损的能力 .因此 , 非光滑表面 仿生学成为一个新的研究领域 .本文着重介绍三种 典型非光滑表面的减阻和抗粘特性 、减阻机理及其 在仿生材料领域的应用 .
第 2 卷 第 4 期
李光吉 , 等 :具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介
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2 仿生非光滑表面减阻材料的 研究现状
2 .1 人造海豚皮的研究
1960 年 , Kramer 提出了这样的假设 :由于海豚 皮肤的自适应性 , 水流可稳定流过海豚表面 , 使发生 紊流的转折点推后 , 从而减少了海水在海豚表面的 粘附阻力 .根据 这一减阻原理 , 人们仿 造出了一种 “人造海豚皮” , 即用密封的橡胶包裹着细长形物体 做成弹性覆盖层(外套), 再用销钉将外套固定在物 体表面 ;在外套与物体之间填充具有一定粘度的液 体 .将这样的物体在水中作拖拽运动时 , 与相同形状 和尺寸的光洁硬壳模型相比 , 阻力减小 , 相同功率下 的运动速度提高了近一倍 .
1 仿生非光滑表面减阻机理的分析
1 .1 自适应性非光滑表面的减阻特性及减阻机理 海豚的皮肤如图 1 所示 , 最外面的表皮上有薄
而光滑的角质膜 , 中间的真皮层上 长有许多乳突 , 像海绵一样 的中空 乳突间 充满 着血 液或体 液 , 这
些乳突在海豚运动时能承受很大的压力 , 皮肤的 最里面是由交错的胶质和弹性纤维组成的 , 中间 充满了脂 肪细 胞 .1936 年 , Gray 等人 发现 海豚 的 实际游泳速度要比其生理上所 能达到的游泳 速度 要高 , 这一发现引起了众多科学家的 兴趣 .进 一步 的研究表明, 海豚能高速游泳 , 不仅得益于它的纺 梭状的流线型体形 , 更重要的是它的弹性皮肤能 产生“ 自适应表面” .当海豚快速游动 时 , 随着 水的 阻力的增加 , 海豚的皮肤可由光滑逐渐变为具有 一定几何形状的非光滑形态, 以降低游动时的阻 力 .这种现象被称为“自适 应性” 或“ 顺应性” .这种 皮肤就像一个减振器 , 在与外界流体发生相对运 动的情况下, 会改变层流附面层的边界条件 , 使边 界柔顺化 , 减小边界面的流速梯度和边界面的剪 切力 , 防止湍流或紊流产生[ 2] .
2 .2 仿鲨鱼皮的研究
以减阻为目标 , 国内外研究机构对鲨鱼皮表面 结构仿生与应用进行了探索 .美国宇航局将仿鲨鱼 皮的肋条结构(如图 4 所示)应用于飞行器和船舶表 面以减少阻力 .他们在 NACA 0012 飞机的表面贴 上 V 型沟槽膜后 , 阻力减少了 6 .6 %[ 9] .这一肋条减 阻原理也成 功地应 用于美 国“星 条旗” 帆船比 赛 . S PEEDO 公司 还研发 出了仿 鲨鱼皮 的泳 衣 , 并在 2000 年悉尼奥运会上创造了奇迹 .2004 年 , 该公司 在雅典奥运会上又推出了“鲨鱼皮”第二代产品 ———
F AST SKINFS II 泳衣(图 5), 该泳衣充分运用了仿 生学原理和新技术 , 性能更加接近鲨鱼皮的特性 .以 疏水的含氟弹性体为主要材料 , 通过压迫身体来降 低阻力[ 10-11] .张德远教授等人[ 12-13] 也注意到了鲨鱼 皮的减阻效应 , 利用生物约束成形法复制了鲨鱼皮 的微观形貌 , 得到以高分子为基体的仿生鲨鱼皮 .将 这一仿生材料用于管道减阻试验 , 结果显示 , 阻力比 普通管道减少了 8 %.深圳百安 百科技公司的研发 人员已就鲨鱼皮盾甲鳞结构在高分子基材上的微复 制方法进行了初步探索 , 尝试了电铸法 、弹性印章等 微复制方法 , 得到了表面具有鲨鱼皮微结构的高分 子膜材 .图 6 为用不同的高分子为基材制备的仿鲨 鱼皮膜材的表面结构 .