MXenes作为一种新兴的二维(2D)层状材料, 具有电子电导率高、比表面积大、亲水性良好以及表面基团可控等优点, 在能源、催化、防腐蚀和电磁屏蔽等领域展现出广阔的应用前景。其中, Mo₂CT_x MXene因其优异的电催化析氢活性而备受关注。本文旨在系统梳理Mo₂CT_x MXene的制备及其在电催化析氢领域的研究现状, 为该体系进一步深入研究提供全面且清晰的参考框架。本文全面综述了近年来Mo₂CT_x MXene的制备方法及分层技术; 归纳了Mo₂CT_x MXene作为析氢反应(HER)电催化剂的研究进展; 从末端修饰、元素掺杂以及杂化复合等角度深入探讨了Mo₂CT_x MXene HER催化性能的优化策略; 最后对Mo₂CT_x MXene及其复合材料在电催化析氢领域的发展进行了展望。尽管Mo₂CT_x MXene的研究成果颇丰, 但其制备工艺的绿色化与规模化不足, 导致生产成本居高不下。此外, 催化机理研究滞后也制约了理性设计策略的开发。未来需着力开发绿色无氟制备工艺, 促进材料规模化生产, 持续提升催化活性并增强催化剂稳定性, 加快催化机理的探究, 以推动Mo₂CT_x及其复合材料在电催化析氢领域的应用进程。

金刚石具有优异的性能, 在光学、电子器件热管理及宽禁带半导体领域有着广阔的应用前景, 被誉为终代半导体。作为光学窗口, 需要大尺寸、厚度2 mm以上的CVD (Chemical Vapor Deposition, 化学气相沉积)金刚石自支撑厚膜; 在半导体散热中, 则需要4英寸(1英寸=2.54 cm)以上、100 μm厚的金刚石自支撑膜与GaN等半导体材料进行键合。但由于技术限制, 大面积CVD金刚石膜的合成及应用依旧存在较大困难。一方面, 沉积过程中应力会导致金刚石膜发生破裂; 另一方面, 残余应力会导致金刚石膜发生翘曲, 键合质量变差。因此, 控制金刚石膜的应力成为目前金刚石膜规模化、大范围应用的一个关键问题。本文综述了CVD金刚石应力的分类、来源以及影响应力的各种因素, 详细介绍了抑制金刚石膜应力的措施。同时, 总结了通过人为施加应力来改善金刚石性能的研究, 包括应力改变金刚石带隙、应力提高金刚石热导率等。最后, 给出了评价金刚石应力大小的方法及理论计算公式, 并分析了未来金刚石膜应力研究的趋势。

Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃(LATP)是一种NASICON型固态电解质, 其离子电导率高、化学稳定性优良、剪切模量(40~60 GPa)高。然而含四价钛离子的LATP在与锂金属负极接触时和循环过程中容易发生还原反应, 进而导致电解质结构降解, 并在电解质中引入电子电导。为了提高LATP的化学和电化学稳定性, 本研究对LATP固态电解质表面进行了普鲁士蓝(PB)界面层的改性, 优化了电解质与负极之间的接触。引入具有丰富开框架锂离子扩散通道的PB作为电解质-负极界面的混合导电改性层, 具有如下优点。(1)锂化后PB层的本征电导率得到提升, 可以加速界面层电子向负极的均化传输。(2)锂化过程中PB中间层的亲锂性增强, 从而使电化学过程中LATP与锂金属之间的界面接触更加紧密。(3)锂化后PB仍然保持三维骨架结构, 有利于实现界面处锂离子通量的均质化效应, 从而提升锂沉积/剥离过程的稳定性。(4)具有金属有机框架(MOF)结构的PB可以保证循环过程中界面的机械稳定性, 并减小锂负极的体积变化。(5)PB结构在锂化后不发生坍塌, 不易出现相分离, 不会形成额外的相边界或相缝隙, 有利于集成锂离子流和电子流。(6)更为独特的是, PB的氧化还原电位高于界面两侧的锂金属和LATP, 有利于在Li-LATP之间形成能垒, 阻隔电子传输, 防止LATP的还原降解。改进后的固态电池具有良好的循环稳定性和动力学性能。在0.025 mA·cm^-2电流密度下, PB改性的Li/Li对称固态电池可稳定循环800 h。PB改性的Li/LiFePO₄固态电池在0.025 mA·cm^-2电流密度下循环160圈后, 容量仍接近200 mAh·g^-1。改性的Li/FeF₃固态电池在0.025 mA·cm^-2电流密度下可以保持高的库仑效率, 表明PB改性对电化学循环过程中产生的体积变化具有较好的容忍性。

界面工程调控是开发具备优异CO₂催化活性的固体氧化物电解池燃料极材料的有效策略。本研究采用静电纺丝技术直接制备La_0.3Sr_0.6Ti_1-xNi_xO_3-δ/Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ(LSTN_x/GDC)复合纤维, 构建由LSTN_x电子通道骨架、GDC离子通道嵌入以及原位Ni出溶纳米颗粒修饰构成的纤维基燃料极, 研究不同B位镍掺杂量对纤维基燃料极形貌结构以及CO₂催化活性的影响。扫描结果显示在x=0.15、0.20镍掺杂量的作用下, 成功制得直径均匀(100~150 nm)、无明显颗粒团聚及断裂缺口的LSTN_x/GDC复合纤维, 所制备的燃料极在还原气氛工况下可原位析出更多的Ni金属纳米颗粒(20~30 nm)。通过弛豫时间分布分析证实, B位镍金属纳米颗粒原位出溶能提供较多的活性位点, 并与复合纤维、浸渍物构成丰富的异质界面, 加快界面电荷转移, 显著增强电极对CO₂的吸附催化能力。掺杂量x=0.20的电解池在1.5 V、850 ℃、CO₂ : H₂=5 : 5(体积比)条件下, 电解电流密度达到0.799 A·cm^-2, 极化阻抗仅为0.171 Ω·cm², 其长期稳定性测试显示该电解池在1.3 V、850 ℃、CO₂ : H₂=5 : 5(体积比)条件下70 h内可维持电流无明显波动。

过渡金属钒酸盐作为一种较有优势的锂离子电池负极材料, 目前存在着导电性差、充放电过程体积剧烈变化而造成循环稳定性差等瓶颈问题。本研究采用分步包覆策略制备了具有多级复合核壳结构的NiCo₂V₂O₈@TiO₂@NC材料以改善此缺陷。首先以水热合成及离子交换法制备出的蛋黄壳结构NiCo₂V₂O₈纳米微球作为前驱体, 继而在其表面包覆坚固的TiO₂层和氮掺杂碳(NC)网络结构, 成功制备出分级介孔纳米结构。特定的蛋黄壳纳米球结构可以为NiCo₂V₂O₈提供丰富的Li⁺传输通道, 而进一步包覆TiO₂层, 不仅增强了材料的稳定性和耐久性, 还为其提供了额外的电化学活性位点。同时, 引入氮掺杂碳网络结构, 不仅提升了有序多级核壳NiCo₂V₂O₈@TiO₂@NC材料的导电性, 还有助于增强电子的快速传输, 进一步优化了材料的电化学性能。在最优条件下制备的锂离子电池负极材料, 其电池的初始比容量达到1422.0 mAh∙g^-1, 500次循环后比容量依然保持在1011.9 mAh∙g^-1, 比容量保持率为71.2%, 显示出高比容量、良好的倍率性能和出色的循环稳定性, 使得该材料在能源存储器件中具有广阔的应用前景。

二维CoPS₃电催化剂面内金属活性位点稀缺, 用于阳极析氧反应(OER)的动力学过程缓慢, 这限制了整体电解水制氢的效率。针对这一问题, 本研究提出通过量子限域效应与边缘化学修饰协同提升催化活性的新策略。首先构建了两种典型的具有高边缘位点密度的CoPS₃量子点(CoPS₃-QDs)结构模型, 通过结合能和键能计算筛选出热力学稳定的结构(CoPS₃-QDs1), 其边缘Co2位点较其它边缘位点展现出最优OER活性(速率决定步骤的吉布斯自由能ΔG=1.68 eV)。进一步在CoPS₃-QDs1的Co2位点及邻近硫原子引入氧(O)修饰, 构建五种O-CoPS₃-QDs模型。理论计算表明, M4模型(O修饰于S3位点)的过电位(η^OER)仅为0.32 V, 较未修饰体系降低29%, 且显著优于文献报道的贵金属RuO₂催化剂。局域态密度分析进一步揭示, O修饰诱导Co位点附近的电荷重新分布, 可以适度吸附氧中间体(*OH、*O、*OOH)。本研究阐明了量子点边缘态修饰在调控电子结构与反应动力学中的关键作用, 为设计高效、低成本的OER电催化剂提供了理论依据。

碲化铋基材料因具有优异的室温热电性能而得到广泛研究。但碲化铋具有本征脆性, 如何制备柔性高热电性能碲化铋基材料成为热电领域的难点。本研究采用磁控溅射技术在聚酰亚胺(PI)衬底上沉积了Cu_0.005Bi_0.5Sb_1.495Te₃, 成功制备了非(00l)层状取向柔性p型热电薄膜, 并研究了磁控溅射工作气压对热电性能的影响。结果表明, 在0.7 Pa磁控溅射工作气压下, 由于晶粒尺寸大、结晶性高, 迁移率提升, 同时载流子浓度得到优化, 达到5.78×10¹⁹ cm⁻³, 室温功率因子(PF)达到1660 μW·m⁻¹·K⁻²。此外, 该薄膜具有优异的机械柔性, 在弯曲半径为5 mm时, 薄膜电阻率变化小于10%, 在循环弯曲600次后, 薄膜塞贝克系数变化小于5%。基于该柔性薄膜, 设计并集成了由四个p型热电臂(5 mm×25 mm×767 nm)组成的柔性热电器件。当温差为30 K时, 柔性热电器件的输出电压达到18.5 mV, 功率密度达到44.80 μW·cm⁻²。基于该热电器件的触碰传感语言输出设计有望用于语言辅助与人机交互应用。本研究为高性能柔性碲化铋基热电薄膜的磁控溅射制备与性能优化提供了重要参考。

p型GeTe基热电材料在中低温区(300~800 K)具有良好的热电性能, 受到了广泛关注。然而, 在600~700 K温度区间, 该化合物易从菱方相转变为立方相, 导致热膨胀系数变化, 这限制了其在热电器件领域的应用。因此, 获得稳定无相变的GeTe基热电材料至关重要。本研究利用高温熔融结合放电等离子体烧结制备了GeMnTe₂材料。合成的样品存在MnTe₂第二相, 导致其总热导率从800 K下的1.34 W·m^-1·K^-1增大到1.81 W·m^-1·K^-1。本研究通过优化不同元素化学计量比, 抑制了MnTe₂第二相的生成, 获得了稳定立方相GeMnTe_1.96材料。制备的GeMnTe_1.96化合物样品最高zT达到~0.85(800 K), 这为中温区废热高效稳定回收利用提供了有发展潜力的热电材料。

区熔制备技术是商业化制备Bi₂Te₃基热电材料的重要方法, 区熔纯化过程受材料分凝的影响, 但迄今为止, 区熔工艺对Bi₂Te₃基材料分凝机制影响的研究尚未形成统一认识, 特别是材料组元增加后会显著影响分凝过程和均匀性。本研究以n型Bi_1.96Sb_0.04Te_2.694Se_0.3Br_0.006材料为研究对象, 采用熔融-区熔-退火工艺, 系统探讨了区熔温度对材料组成和热电性能均匀性的影响规律, 发现区熔温度对棒材均匀性有很大影响, 轴向组成分凝是影响其均匀性的重要因素, 在高区熔温度(≥988 K)下, 棒材顶部出现了Bi₂Te₃富集相的分凝, 这种组成分凝现象导致材料热电性能的均匀性变差。区熔温度为988和1003 K样品的室温ZT在不同区域(中心顶部、边缘顶部(ET)、中心底部、边缘底部)最大差异达到了31.5%和28.6%。降低区熔温度至958 K显著抑制了Bi₂Te₃富集相分凝, 制备得到具有优异热电性能和均匀性的圆柱型锭体(内径16 mm, 高55 mm), 样品不同区域的室温ZT最大差异仅为14%, 并且958 K-ET样品在350 K下获得最大ZT为1.05。本研究揭示了区熔温度对多组元n型(Bi, Sb)₂(Te, Se)₃基材料组成成分及热电性能均匀性的调控机制, 为制备具有优异均匀性的高性能热电材料提供了重要指导。

作为钙钛矿太阳能电池(PSCs)的电子传输层(ETL)材料, 二氧化锡(SnO₂)表面及晶界处的氧空位缺陷会引发非辐射复合, 从而限制器件效率的进一步提升。本研究提出了一种低成本、高效的安赛蜜(ACE-K)修饰ETL策略。研究结果表明, ACE-K分子中的C=O和S=O与SnO₂表面未配位Sn⁴⁺相互作用, 显著钝化了SnO₂的氧空位缺陷, 薄膜电导率由4.60×10^-6 S·cm^-1提升至6.23×10^-6 S·cm^-1。同时ACE-K修饰改善了SnO₂薄膜的粗糙度(20.6 nm降低至14.0 nm)和润湿性, 为钙钛矿薄膜生长提供了更优质的基底。基于此ETL生长的钙钛矿薄膜晶粒尺寸从970.90 nm增大到1071.20 nm, 且薄膜吸光能力得到增强。空间限制电流(SCLC)测试发现优化后薄膜缺陷密度从4.84×10¹⁶ cm^-3降低至3.83×10¹⁶ cm^-3, 电化学阻抗谱(EIS)测试也证实载流子输运过程中的非辐射复合得到明显抑制。最终PSCs的光电转换效率(PCE)从19.27%提升至21.60%。此外, 未封装的ACE-K修饰器件在氮气氛围下储存2160 h后, 仍能保持初始效率的91.67%, 展现出优异的长期稳定性。

天然铀矿的开采过程会产生含铀废液, 从含铀废液中去除铀(VI)已成为核工业亟待解决的关键问题。本研究基于“源于铀矿, 归于铀矿”的核心理念, 选择正钒酸钙(Ca₃(VO₄)₂)作为去除铀(VI)的吸附材料, 系统研究了在不同吸附条件下, Ca₃(VO₄)₂粉末对铀(VI)的去除性能, 并揭示其去除铀(VI)的机理。结果表明: 在pH 6、吸附时间2 h、吸附剂质量浓度0.1 g·L^-1、初始铀(VI)质量浓度120 mg·L^-1、吸附温度308 K条件下, Ca₃(VO₄)₂粉末对铀(VI)具有较高的吸附容量(1179.92 mg·g^-1)和去除率(98.33%); Ca₃(VO₄)₂粉末对铀(VI)的去除机理为溶解和矿化, 最终生成准钒钙铀矿(Ca(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O)。在含有Zn²⁺、Cr³⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Co²⁺和Ba²⁺六种共存离子的水溶液中, Ca₃(VO₄)₂粉末对铀(VI)仍具有较高的吸附容量和去除率, 且Ca₃(VO₄)₂粉末能够将铀(VI)质量浓度从121.49 mg·L^-1降低至0.1 mg·L^-1, 该值低于相关国家排放标准(GB 23727-2020)。本研究制备的Ca₃(VO₄)₂粉末作为一种处理含铀(VI)废水的吸附材料具有较好的应用前景。

氨气(NH₃)作为一种储氢材料, 具有高储氢密度、易液化等优点, 因此利用氨分解制氢是一种理想的氢气(H₂)制备方法。但传统氨分解的工作温度过高, 中低温下NH₃转化效率过低且H₂纯度较低, 无法实现H₂的有效制取。本研究通过共压法制备了具有多孔电极Ni-BZCY/BZCY/Ni-BZCY(BZCY: BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.2O_3-δ)对称结构的质子陶瓷膜反应器(PCMR)。在600 ℃时, PCMR在H₂与NH₃气氛下分别实现了0.11和0.23 Ω·cm²的极化阻抗(R_p), 在0.8 V外加电压下其电流密度分别达到1.87和1.56 A·cm^-2; 在300 ℃、0.8 V外加电压下, H₂与NH₃中的电流密度仍能分别达到0.16和0.06 A·cm^-2。通过共压法所制备的PCMR在600 ℃下的NH₃分解转化效率达到80%, 比裸催化剂材料提升了8%, 在350 ℃仍能实现0.3%的提升, 即使在300 ℃下NH₃转化效率也达到约1%。本研究为实现低温氨分解制氢提供了新的思路。

高性能压电陶瓷在现代机电系统中具有不可替代的重要作用, Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-PbZrO₃- PbTiO₃(PIN-PZN-PZ-PT)这类多组分材料因其在准同型相界(MPB)处所呈现出的独特性能而备受关注。本工作通过精细调控PbTiO₃(PT)的含量, 设计并优化PIN-PZN-PZ-PT陶瓷的MPB组分, 以实现压电性能与热稳定性的双重提升。采用传统固相反应法制备陶瓷, 依据线性组合规则预测各组分对MPB位置的贡献, 通过X射线衍射(XRD)对晶相结构进行验证, 并开展全面的电学性能测试, 主要测定压电常数(d₃₃)和居里温度(T_C)。实验结果表明, MPB位置明显受PT含量的影响: 随着PT比例的增加, 陶瓷中三方相逐步减少, 而四方相逐渐占据主导地位, 导致晶相平衡发生明显转变。具体而言, 不同体系中最优MPB组分范围分别为: (1-x)(0.3PIN-0.6PZN-0.1PZ)-xPT中x=0.245~ 0.265; (1-x)(0.3PIN-0.5PZN-0.2PZ)-xPT中x=0.290~0.330; 以及(1-x)(0.3PIN-0.4PZN-0.3PZ)-xPT中x=0.305~0.345。其中, 0.735(0.3PIN-0.6PZN-0.1PZ)-0.265PT样品表现最佳, 其d₃₃达到425 pC/N, T_C高达253 ℃。这些结果表明, 通过精确调控PT含量, 可以有效控制MPB处的晶相平衡, 从而显著提升压电性能。综上所述, 本研究成功确定了PIN-PZN-PZ-PT陶瓷的最优MPB组分, 充分展示了其在高性能压电应用中的巨大潜力, 并为后续工艺改进和材料长期稳定性研究提供了坚实基础。

过渡金属二硫属化物(TMDs)在电催化分解水制氢方面具有较好的应用前景, 引起了人们的广泛关注, 然而, 它们的电催化制氢性能与金属铂还有较大差距。构建异质结合金被认为是提高析氢活性的有效方法。本研究采用简单的溶胶-凝胶工艺在炭黑(CB)颗粒表面合成了一种新型的四元CoMoSSe复合材料(CoMoSSe@CB)。与CoSe@CB以及MoS₂@CB相比, CoMoSSe@CB表现出更加优异的析氢活性, 在-10 mA·cm^-2阴极电流密度下的过电位仅为190 mV, Tafel斜率为62 mV·dec^-1。这主要归因于复合材料的异质结构以及Co、Mo、S和Se原子之间的合金效应, 调节了电子结构和氢原子吸附的自由能, 从而增加了催化剂的活性位点数量、增强了催化剂电荷转移能力。这项工作可为设计新型高效TMDs电催化剂提供指导。

汽油机尾气碳烟颗粒严重威胁着生态环境和人类健康, 而催化型汽油颗粒物过滤器(cGPF)是一种有效的净化技术, 其核心为催化剂涂层。本研究采用不同制备方法构筑了MnO_x/CeO₂-ZrO₂复合氧化物, 在低O₂浓度下考察了其碳烟氧化性能, 旨在开发具有卓越催化活性、稳定性以及抗水性的碳烟氧化催化剂涂层。结果表明, 通过浸渍法制备的MnO_x/CeO₂-ZrO₂(MCZ-IM)在1% O₂中, 其T₅₀(碳烟转化率达50%所需的温度)为329 ℃; 在0.5% O₂中, 其T₅₀为370 ℃。相较于高能球磨法(MCZ-HB)和共沉淀法(MCZ-CP)制备的催化剂, MCZ-IM展现出更优的综合性能。构效关系表明, 低O₂浓度下碳烟氧化性能与催化剂的织构和结构性质呈弱相关, 而与活性氧物种(AOS)——超氧(O₂^-)和过氧(O₂^2-)阴离子的生成及迁移密切相关, 其中涉及氧化还原性能、储释氧能力以及氧空位数量。MCZ-IM在氧物种的吸附、活化和脱附方面更具优势, 因此浸渍法被认为是提高AOS生成和迁移的更优方法。本研究不仅提供了一种适用于实际运行条件下颗粒物(PM)氧化催化剂的制备策略, 而且深入揭示了低O₂浓度环境中AOS的迁移机制。