新型阻隔防爆材料——“防爆小球”受关注

近日，由北京理工大学、南京理工大学等国内安全防护学科的优势科研生产单位共同攻关，成功开发出来的新型阻隔防爆材料“防爆小球”开始进入大众视野。据悉，该“球形非金属阻隔防爆材料”是由高分子材料经过精密注塑制成，具有薄壁骨架结构的中空球体材料。具有很好的化学惰性、导热导静电特性和抑菌特性。填充后该材料仅占油箱、油罐总容积的5%以内，在不影响车辆或装备原有功能的前提下，填充在油箱或罐体内部，将内部空间分割成无数个微小空间，瞬时隔断爆炸冲击波的传播路径，吸收爆炸冲击波能量，确保油箱和罐体内的可燃气体不能发生爆炸。由于其先进性和可靠性以及它在燃料领域的防护能力，该新型材料相关技术在交通运输领域和燃料领域受到青睐。

该“球形非金属阻隔防爆材料”应用于石油、危险化学品的储存、运输、油气输送管线等领域。可解决因交通事故、安全生产带来的财产损失和人员伤亡问题，确保社会和谐和国家经济平稳运行，具有重要的安全和社会效益。根据GB14372-2005《危险货物运输爆炸品分级实验方法和判据》，将装有1/2体积汽油柴油和航空煤油的模拟油箱，置于火焰温度不低于800℃的火上烘烤30分钟，填充“球形非金属阻隔防爆材料”后，油箱燃烧和爆炸火球的大小均比未填充该材料的油箱明显减小，“球形非金属阻隔防爆材料”的使用能够起到阻隔火焰传播，减缓爆炸危害的作用。

科学实测表明，填装了这种高分子“防爆小球”的油气罐体，能有效防止易燃易爆轻质石油燃料的储运罐体在储运过程中因意外引发的燃料二次爆炸问题，确保轻质石油燃料和相关危险化学品的储存、运输和使用安全。行业专家指出：把该技术列为强制执行标准，尽快在风险高、隐患多、事故易发多发的行业领域全面落地应用该防爆小球，可从源头上防范化解重大安全风险，可真正把问题解决在萌芽之时、成灾之前。

聚苯胺纳米小球在光电探测器中的应用以及制备方式是什么？

前言

光电探测器可以将吸收的光子能量转化为电流，从而测量光的强度或功率。

这种技术在光通信、成像和遥感等领域得到广泛应用。近年来，对于快速、高灵敏度和宽波段响应的高性能探测器的需求逐渐增加。

尽管传统的硅基探测器技术已经相当成熟，但在实现高性能和小型化方面存在一些限制。

研究表明，当二维原子晶体的厚度减小到原子级别时，它们呈现出与光相互作用强、机械柔韧性优异以及易于多功能集成等特点。

一、聚苯胺纳米小球实验部分

在冰浴条件下，在250毫升的三口烧瓶中加入80毫升去离子水；随后加入1毫升聚苯胺单体，搅拌15分钟。

称取3.0克三氯化铁，溶于5毫升去离子水中，在2分钟内滴加到体系中，然后在N2保护下反应24小时，抽滤，分别用乙醇和去离子水洗涤，真空下在50℃下干燥24小时，即可得到PAN纳米小球。

在制备PAN纳米小球光电化学池工作电极上，将之前制备的PAN纳米小球分散于DMF中，浓度为8 mg·mL⁻¹。

取1毫升制备的PAN纳米小球/DMF分散液，加入1毫升1.0 mg·mL⁻¹的PVDF/DMF溶液。

搅拌均匀后，通过溶液沉积法将这些PAN纳米小球沉积在ITO玻璃片表面，制备出PAN纳米小球光电化学池工作电极，其沉积厚度控制在150～300纳米之间。

使用扫描电子显微镜（SEM，Hitachi-SU8010）和透射电子显微镜（TEM，FEI Tecnai G2 F30）对PAN纳米小球的形貌和尺寸进行表征。采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，Nicolet 6700）对PAN纳米小球的结构进行分析。

使用热重分析法（TGA，PerkinElmer Pyris 6 TGA）在氮气条件下以10℃/min的升温速率来评估PAN纳米小球的热稳定性。采用紫外-可见吸收光谱仪（UV-Vis）来测定PAN纳米小球的光学特性，测试波长范围为200～1200纳米。

光电化学性能评估使用模拟太阳光（300～800纳米混合光）或单一波长的激光（如350、380、400、475、520、550和650纳米）照射PAN纳米小球光电化学池工作电极，在控制的周期内使用斩波器来控制激光的开关时间（此工作中为5秒/5秒）。

光电化学工作池采用标准的三电极系统，PAN纳米小球作为光电化学池工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂作为对电极。所采用的电解质为不同浓度的KOH（0.01 M、0.10 M和1.0 M）。

为了了解PAN纳米小球的制备情况，并对其形貌和尺寸进行描述，使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对其进行表征。

通过化学氧化聚合法制备的PAN纳米小球的SEM表征图，可以清晰地看出这些纳米小球具有均匀的尺寸分布。此外，使用TEM进一步对PAN纳米小球的形貌和尺寸进行了表征。

通过化学氧化聚合法制备的球形PAN纳米材料，其尺寸约为120纳米，分布均匀。

所制备的PAN纳米小球的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱曲线，从中可以观察到C=N（1568 cm⁻¹）、C=C（1489 cm⁻¹）、C-N（1291 cm⁻¹）、C-H（1142 cm⁻¹）以及N-H（803 cm⁻¹）等键的信号峰，这与文献中的报道一致。

从热重分析（TGA）曲线可以看出，PAN纳米小球的5 wt%热分解温度达到了414℃，这表明所制备的PAN纳米小球具有良好的热稳定性。

采用典型的电化学工作池方法评估了制备的PAN纳米小球的光电探测能力，制备的PAN纳米小球工作电极的光电流密度随电解质浓度的增加而增加。

例如，在0.6V电位和118mW·cm⁻²激光照射下，PAN纳米小球的光电流密度从0.01M KOH条件下的1.71μA·cm⁻²增加到0.10M KOH条件下的3.15μA·cm⁻²，再增加到1.0M KOH条件下的3.62μA·cm⁻²。这主要是因为随着电解质浓度的增加，界面电阻R明显减小。

PAN纳米小球的界面电阻随着KOH浓度变化的趋势：在0.01M KOH下，R1为51.9Ω；在0.10M KOH下，R2为12.1Ω；而在1.0M KOH下，R3为2.4Ω。

值得注意的是，PAN纳米小球表现出优异的光电流响应能力（在0.10M KOH条件下为3.15μA·cm⁻²），优于目前主流的二维材料，如二维黑磷（约380nA·cm⁻²，0.5M KOH）和碲烯材料（242nA·cm⁻²，0.5M KOH）等，表现出巨大的潜在应用前景。

制备的PAN纳米小球的紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光学吸收曲线，从中可以看出PAN纳米小球具有宽广的光学吸收特性（300～1200纳米波长范围），在紫外、可见和近红外波段具有良好的应用潜力。

为了验证UV-Vis-NIR光学吸收，我们采用了不同波长的激光来研究PAN纳米小球的特性。鉴于高浓度的KOH（1.0M）会对PAN纳米小球的工作电极产生一定的电化学氧化作用，因此我们选择在相对较低浓度的KOH（0.1M）电解质下，研究外界电压、激光波长和强度等参数对其光电化学性能的影响。

PAN纳米小球在0.1M KOH电解质下，光电化学性能随外界电压和激光功率变化的情况。测试过程中使用的入射光光密度如下表所示。为了定量评估制备的PAN纳米小球工作电极在KOH电解质下的光电化学性能，使用以下公式计算光电流密度（Pph）和光响应度（Ｒph）：

其中，Ilight和Idark分别代表有光和无光情况下的光电流强度；Pλ和S分别表示入射到ITO玻璃上PAN纳米小球样品的光功率密度和有效面积。

PAN纳米小球的Pph基本上随着不同波长的激光功率的增加而增加，这与模拟太阳光下的情况一致。

例如，在0.1M KOH条件下，0.6V电压和475nm激光照射下，PAN纳米小球的Pph从1.91mW·cm⁻²的0.52μA·cm⁻²增加到4.33mW·cm⁻²的0.81μA·cm⁻²，再增加到7.01mW·cm⁻²的1.05μA·cm⁻²、10.1mW·cm⁻²的1.35μA·cm⁻²以及10.6mW·cm⁻²的1.37μA·cm⁻²。

这主要是因为入射光强度的增加导致电子-空穴对的更有效分离。在IV级（10.1mW·cm⁻²）和IV级（10.6mW·cm⁻²）下，PAN纳米小球的Pph基本相当，这主要是因为入射光强度相近。

在0.1M KOH条件下，0.3V外加电压产生类似的趋势，如图4b所示。PAN纳米小球的Pph随着入射光强度和外部电压的增加而明显增加，如图4c所示。例如，在0.1M KOH和475nm入射光照射下，PAN纳米小球的Pph从0.3V、10.1mW·cm⁻²条件下的0.26μA·cm⁻²增加到0.6V、10.1mW·cm⁻²条件下的1.35μA·cm⁻²。

这主要是因为外部电压在PAN纳米小球周围形成电势梯度，促进空穴-电子对的分离，从而有利于光电流的产生。这表明通过调节外部电压，可以合理优化PAN纳米小球的光电化学性能。

然而，PAN纳米小球的Ｒph相对于Pλ来说表现出相对稳定的响应性，但是对施加的外部电压变化较为敏感，

例如，在475nm波长、10.1mW·cm⁻²激光照射下，当外部电压从0.3V增加到0.6V时，PAN纳米小球的Pph从0.025μA·W⁻¹增加到0.134μA·W⁻¹。

需要注意的是，在相同条件下，不同波长下的低Pλ（如475nm和650nm）所得到的Ｒph远高于高功率模拟太阳光条件下所得到的Ｒph。

例如，在0.1M KOH条件下，475nm波长、1.91mW·cm⁻²激光照射下，PAN纳米小球的Ｒph（0.272μA·W⁻¹，0.6V）远高于模拟太阳光、26.2mW·cm⁻²激光照射下所得到的PAN纳米小球的Ｒph（0.047μA·W⁻¹，0.6V）。

这说明PAN纳米小球在较低Pλ下表现出更好的Ｒph，更有利于基于PAN纳米材料异质结等新型光电子器件的设计和实际应用。

光电化学响应时间（tres）和恢复时间（trec）分别定义为光电化学响应信号从10%增加至90%的时间以及从峰值的90%衰减至10%的时间。

PAN纳米小球的tres为1.1秒，trec为2.5秒，与目前新型纳米材料，如二维黑磷（tres=0.5秒，trec=1.1秒）相当，表现出其较快的光电化学响应能力。

光电探测器的光电响应稳定性对其长期应用具有重要意义。图6展示了PAN纳米小球在0.1M KOH中的光电化学能力稳定性结果。

在一个月的测试后，基于PAN纳米小球的光电化学能力虽然稍微减弱，但仍然保持着优异的光电化学响应能力，这证明它具备出色的光电响应稳定性。

在9500～9600秒的测试时间范围内，新制备的PAN纳米小球工作电极的光电流密度为105 nA·cm⁻²，而一个月后的光电流密度为93.8 nA·cm⁻²。

相对于新制备的PAN纳米小球工作电极，一个月后的光电流密度减少了10.6%。与新型纳米材料如二维黑磷（减少82%）和铋量子点（减少56.7%）相比，PAN纳米小球在这方面具有明显的优势，表明它在实际应用中具有良好的实用价值。

结语

通过溶液沉积法，制备了PAN纳米小球光电化学工作电极，并将其成功应用于光电化学探测器中。

通过化学氧化聚合法制备的PAN纳米小球表现出优异的光电探测性能。其在光电流密度、光电响应稳定性和光电化学响应速度方面的表现均优于一些新型纳米材料。

这种材料有望在光电子器件领域发挥重要作用，为实际应用提供了有力支持。

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