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2020年 第7期  刊出日期:2020-07-20 上一期   
综述  研究论文  研究快报 
综述
新型二维材料光催化与电催化研究进展
李能,孔周舟,陈星竹,杨雨菲 
2020 Vol. 35 (7): 735–747 摘要( 99 )   HTML( 8)     PDF(12298KB)( 124 )

二维材料以其丰富多样的性能受到广泛关注。该类材料具有极高的比表面积, 可以作为光催化剂和电催化剂, 在环境领域和可再生能源领域具有较大的开发和应用前景。本文综述了三种新型二维材料的结构性能, 即二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)、类石墨相氮化碳(g-C3N4)以及黑磷(BP)在光催化或电催化领域的研究进展及改性方式; 对二维材料催化性能的改性进行了总结, 并展望了今后的研究方向。

过渡金属非氧化物高熵陶瓷的研究进展
陈磊,王恺,苏文韬,张文,徐晨光,王玉金,周玉 
2020 Vol. 35 (7): 748–758 摘要( 299 )   HTML( 2)     PDF(3074KB)( 337 )

高熵陶瓷是一种新兴的近等摩尔多组元单相固溶体陶瓷材料, 特别是过渡金属碳化物、过渡金属硼化物等过渡金属非氧化物高熵陶瓷体系, 其具有超高硬度、低热导和抗腐蚀等优异的理化性能, 在航空航天、核能和高速切削加工等极端环境有着广阔的应用前景。目前, 高熵陶瓷材料研究尚处于起步阶段, 主要集中在成分设计、制备方法、单相形成能力和力学性能评价等方面, 设计依据和理论方面的研究还相对较少。本文从高熵效应和高熵合金出发, 综述了过渡金属非氧化物高熵陶瓷的制备、表征和理论研究进展, 同时介绍了部分相关的高熵陶瓷涂层研究现状, 总结并展望了非氧化物高熵陶瓷的未来前景和发展方向。

齿科氧化锆陶瓷水热稳定性研究进展
张晓旭,朱东彬,梁金生 
2020 Vol. 35 (7): 759–768 摘要( 39 )   HTML( 1)     PDF(4501KB)( 67 )

近年来, 齿科氧化锆陶瓷凭借高强韧性、良好生物相容性和美观自然色泽而成为牙齿临床修复的首选对象, 可用于修复、固定局部义齿和种植牙。然而, 在低温潮湿环境中氧化锆陶瓷易发生t-m相变老化, 服役寿命显著缩短, 严重影响其临床稳定性。本文综述了氧化锆陶瓷低温老化的特点、机制及其老化动力学规律, 并介绍了表征氧化锆低温老化现象的常规技术手段以及光学相干断层扫描、聚焦离子束等新方法; 总结了低温老化行为的主要影响因素以及抗老化措施, 具体可通过调整材料体系、改进加工方式等来增强氧化锆的韧性, 解决其存在的低温老化问题。随着齿科氧化锆陶瓷抗老化性能的提高以及健康功能化的未来需求, 其在齿科修复领域的应用将会越来越广泛。

导电金属有机骨架材料在超级电容器中的应用
李泽晖,谭美娟,郑元昊,骆雨阳,经求是,蒋靖坤,李明杰 
2020 Vol. 35 (7): 769–780 摘要( 110 )   HTML( 1)     PDF(15404KB)( 77 )

随着电子技术的持续发展, 对供电设备的要求也相应提高。超级电容器(SCs)具有较高的能量密度和优异的功率输出性能, 是新一代小型化、智能化、可穿戴电子设备的理想供电装置。开发能够快速充放电、性能稳定的SCs产品是储能领域的研究重点。电极材料作为SCs最重要的组成部分, 是进一步提升其性能的关键。导电金属有机骨架(MOFs)作为新型SCs电极材料, 具有规整的孔道结构、大比表面积、多种形貌及维度、可调控的导电性能等优异性质, 展现出巨大的潜力并引起了广泛关注。本文结合SCs的储能机理, 介绍了导电MOFs的结构、制备及导电机制, 进一步阐述了其作为SCs电极材料的设计策略, 重点综述了其在SCs领域的研究进展, 并展望了其应用前景与发展方向。

研究论文
Ag与Ag2O协同增强TiO2光催化制氢性能的研究
王苹,李心宇,时占领,李海涛 
2020 Vol. 35 (7): 781–788 摘要( 49 )   HTML( 2)     PDF(2741KB)( 60 )

本研究采用两步法制备了电子助剂Ag和界面活性位点Ag2O共修饰的高效TiO2光催化剂(TiO2/Ag-Ag2O): 首先用光沉积法将Ag负载在TiO2表面(TiO2/Ag), 再经过低温煅烧法使部分Ag原位生成Ag2O。紫外光照射TiO2时, 激发产生的电子被助剂Ag捕获后快速传输到Ag2O上, 电子把Ag2O界面产氢活性位点从溶液中所捕获的氢离子还原成氢气, Ag和Ag2O的协同作用加快了TiO2上光生电子的转移和界面产氢反应, 从而提高了TiO2/Ag-Ag2O制氢性能。在300 ℃煅烧温度下制备的TiO2/Ag-Ag2O光催化剂制氢速率最高, 达到75.20 μmol/h, 分别是TiO2(3.59 μmol/h)和TiO2/Ag(41.13 μmol/h)的21.0倍和1.8倍。本研究为光催化制氢材料的设计和制备提供了有益的参考。

交错能带结构钕掺杂钒酸铋形貌与光催化性能调控
徐晶威,李政,王泽普,于涵,何祺,付念,丁帮福,郑树凯,闫小兵 
2020 Vol. 35 (7): 789–795 摘要( 149 )   HTML( 3)     PDF(4581KB)( 97 )

为了研究混合相异质结对光催化的改性机理, 以五水硝酸铋、六水硝酸钕、偏钒酸钠为原料, 浓硝酸、氢氧化钠为调和剂, 水热合成不同浓度钕掺杂钒酸铋样品。X射线衍射和拉曼峰位分析发现, 钒酸铋呈现钕浓度依赖的单斜到四方相转变。采用扫描电子显微镜表征发现, 这种相变给样品形貌带来巨大变化。小于1at%钕掺杂单斜钒酸铋由不规则颗粒堆积而成, 大于7at%钕掺杂四方相由类似球状或凹槽表面果仁状构成, 而中间混合相由微米长方体棒状组成。规则形貌导致所有掺杂样品光催化降解罗丹明B效率高于无掺杂样品。高分辨透射电子显微镜和莫特-肖特基测试发现, 混合相中形成交错能带异质结, 进一步促进光生电-子空穴对分离并抑制其复合, 使得4at%钕掺杂样品具有99.4%降解效率。

微量SiO2添加对Pr:Lu3Al5O12陶瓷光学及闪烁性能的影响
胡泽望,陈肖朴,刘欣,李晓英,石云,寇华敏,谢腾飞,李江 
2020 Vol. 35 (7): 796–802 摘要( 50 )   HTML( 0)     PDF(9659KB)( 57 )

在制备透明陶瓷时, 广泛采用烧结助剂来提升陶瓷的光学质量。但烧结助剂的添加可能会恶化陶瓷的发光性能。本研究采用真空预烧结合热等静压烧结制备了0.25at%Pr:LuAG闪烁陶瓷, 研究了微量SiO2烧结助剂对陶瓷光学及闪烁性能的影响。结果表明, 添加少于200 ppm的微量SiO2(1 ppm表示添加量为1×10-6 g/g)能有效促进热等静压过程中气孔的排出, 有效提升了Pr:LuAG陶瓷的光学性能。150 ppm SiO2添加的Pr:LuAG陶瓷在400 nm处的直线透过率约为77%。同时研究了预烧温度及时间对Pr:LuAG陶瓷光学性能的影响。在实现完全闭气孔结构时, 进一步升高预烧温度或延长保温时间会降低热等静压过程中的致密化速率, 不利于气孔的排出, 从而降低了Pr:LuAG陶瓷的光学质量。此外, 添加微量SiO2对Pr:LuAG陶瓷闪烁性能的影响较小。添加微量SiO2结合热等静压烧结是制备Pr掺杂石榴石闪烁陶瓷的有效途径。

膨润土负载红磷复合材料的吸附富集-定位光降解性能
朱恩权,马玉花,艾尼瓦·木尼热,粟智 
2020 Vol. 35 (7): 803–808 摘要( 105 )   HTML( 2)     PDF(951KB)( 80 )

为了提高红磷催化剂的光催化性能, 选择剥离膨润土(EB)为载体, 将水热处理后的红磷(HRP)负载在EB上, 制得EB/HRP复合光催化剂, 并通过不同手段对催化剂进行表征。选择罗丹明B为模型污染物, 考察了EB/HRP复合光催化剂的光降解性能。结果表明, 随着EB含量的增加, EB/HRP复合光催化剂的光降解效率呈现先增加后减小的趋势, 当EB的质量分数为9%时, 复合光催化剂(EB9/HRP)表现出最强的吸附性能和光降解性能, 其降解速率常数k值为0.0641 min-1, 是HRP的2倍。另外, 经过五次循环光降解实验, EB9/HRP仍具有较高的光催化活性(96.8%)。因此, EB9/HRP复合催化剂具有较好的光催化活性和稳定性, 有望成为一种降解污染物的高效而稳定的光催化剂。

RuFe纳米粒子修饰片状BiVO4协同催化氨硼烷水解产氢
张翊青,张淑娟,万正睿,莫晗,王念贵,周立群 
2020 Vol. 35 (7): 809–816 摘要( 16 )   HTML( 0)     PDF(4775KB)( 37 )

开发高效廉价的催化剂对于清洁能源经济至关重要, 将氨硼烷的催化水解用于氢能源开发前景广阔。本工作首先采用简单回流法制备BiVO4纳米片, 再通过浸渍还原法制备出Ru/Fe不同摩尔比的RuFe@BiVO4催化剂, 并在室温下用于催化氨硼烷水解产氢。通过比较载体BiVO4、Ru@BiVO4、Fe@BiVO4、RuFe@BiVO4以及无载体的RuFe纳米粒子的催化产氢速率发现, 在所有的催化剂中, Ru1Fe0.1@BiVO4具有最高的催化活性, 非贵金属Fe能显著增强Ru的催化性能, 这与RuFe之间强的电子效应以及RuFe纳米粒子与载体BiVO4间的双功能效应密切相关, 其活化能(Ea)为43.7 kJ·mol-1, 转化频率(TOF)为205.4 molH2·molRu·min-1

化学气相渗透2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能及损伤机理
王西,王克杰,柏辉,宋卓林,王波,张程煜 
2020 Vol. 35 (7): 817–821 摘要( 61 )   HTML( 2)     PDF(1399KB)( 64 )

研究了采用化学气相渗透工艺制备2D-SiCf/SiC复合材料的真空蠕变性能, 蠕变温度为 1200、1300和1400 ℃, 应力水平范围为100~140 MPa。用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(TEM)分别观察分析了2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变断口形貌和微观结构。结果表明, 2D-SiCf/SiC复合材料的主要蠕变损伤模式包括基体开裂、界面脱粘和纤维蠕变。桥接裂纹的纤维发生蠕变并促进了基体裂纹的张开、位移增大, 进一步导致复合材料蠕变断裂, 在复合材料蠕变过程中起决定性作用。2D-SiCf/SiC复合材料的蠕变性能与SiC纤维微观结构的稳定性密切相关。在1200 ℃/100 MPa时, 纤维晶粒没有长大, 复合材料的蠕变断裂时间大于200 h; 蠕变温度为1400 ℃时, 纤维晶粒明显长大, 2D-SiCf/SiC复合材料蠕变断裂时间缩短至8.6 h, 稳态蠕变速率增大了三个数量级。

Si3N4-ZrO2-La2O3系统反应合成ZrN及相图构建
李彦瑞,陆有军,刘洋,袁振侠,黄振坤 
2020 Vol. 35 (7): 822–826 摘要( 55 )   HTML( 0)     PDF(579KB)( 70 )

本工作研究了Si3N4-ZrO2-La2O3三元系统的相关系, 采用X射线衍射仪分析了物相组成。结果表明, 在1500 ℃/1 h/N2气氛条件下固相反应, 生成了ZrN和La4.67Si3O13、La5Si3NO12、La4Si2N2O7、LaSiNO2、La2Zr2O7等镧盐化合物的共存相。由于生成的氮化锆和硅酸镧等化合物不在Si3N4-ZrO2-La2O3三元系统内, 需引入SiO2测定SiO2-La2O3-ZrO2三元分系统相图, 进而扩大成Si3N4-ZrO2-La2O3-SiO2-ZrN五元系统, 本工作绘制并提出了此五元系统相图, 且提出了1570 ℃时SiO2-La2O3-ZrO2三元分系统实验相图。此外, 验证了La2O3在Si3N4-ZrO2-La2O3三元系统反应中促进Si3N4-ZrO2取代反应生成ZrN的作用。

聚丙烯酰胺凝胶法制备Bi2Mn4O10及其电化学性能
湛菁,徐昌藩,龙怡宇,李启厚 
2020 Vol. 35 (7): 827–833 摘要( 114 )   HTML( 2)     PDF(2292KB)( 92 )

Bi2Mn4O10具有高的理论比容量, 被认为是一种理想的锂离子电池负极材料。本研究以硝酸铋和乙酸锰为原料, 采用聚丙烯酰胺凝胶法制备Bi2Mn4O10负极材料, 考察了制备条件对Bi2Mn4O10负极材料的物相、形貌及电化学性能的影响。结果表明: 在丙烯酰胺含量与总金属离子摩尔比为8 : 1, 葡萄糖浓度为1.11 mol/L, 热处理温度为873 K的条件下, 可得类球型、分散性良好的纯相Bi2Mn4O10粉末。作为负极材料, Bi2Mn4O10粉末在0.2C (1C=800 mA/g)倍率下循环50圈后可保持496.8 mAh/g的比容量, 容量保持率为76.9%; 3C倍率下放电容量为232 mAh/g。

研究快报
助熔剂法合成钨氧氯化合物Li23CuW10O40Cl5
李淑芳,赵爽,李满荣 
2020 Vol. 35 (7): 834–838 摘要( 63 )   HTML( 1)     PDF(4323KB)( 52 )

由于不同阴离子之间的电负性、离子半径、极化率和氧化态之间的差异, 混合阴离子化合物可以产生不同于单一类型阴离子的新特性。混合阴离子金属材料在电子、湿度探测器、气体传感器、太阳能电池电极等领域有着广泛的应用前景。助熔剂方法是一种广泛应用于混合离子晶体生长的方法, 它以适当的金属盐作为助熔剂, 在较温和的条件下进行复分解反应。助熔剂法在混合阴离子化合物的合成中具有重要意义。钨氧氯化合物Li23CuW10O40Cl5单晶以高质量的Li4WO5为前驱体, 以CuCl2为助熔剂通过两步法合成。通过X射线单晶衍射确定其晶体结构。结果表明, Li23CuW10O40Cl5结晶属于P63/mcm空间群, 晶胞参数分别为a=1.02846(3) nm, c=1.98768(9) nm, V=1.82076(11) nm3, Z=2。单胞中分别包含五个晶体学独立的Li原子, 两个W原子, 一个Cu原子, 两个Cl原子以及五个O原子。结构中, W(1)原子和一个Cl原子及五个O原子相连接, 形成畸变八面体, 而W(2)原子与四个O原子相连接形成四面体, Cu原子与六个O原子相连形成八面体。因此, Li23CuW10O40Cl5的晶体结构主要由[CuO6]和[W(1)O5Cl]八面体以及[W(2)O4]四面体构成。助熔剂法合成钨氧氯化合物Li23CuW10O40Cl5对今后探索新型的混合阴离子化合物具有重要意义。

Z型BiVO4/GO/g-C3N4复合材料的制备及其可见光下催化性能
许世超,朱天哲,乔阳,白学健,唐楠,郑春明 
2020 Vol. 35 (7): 839–846 摘要( 48 )   HTML( 7)     PDF(1017KB)( 71 )

Z-型光催化剂可以有效增强电荷分离, 从而改善光催化剂的活性。采用浸渍-煅烧和水热法两步制备Z型BiVO4/GO/g-C3N4光催化剂, 并用不同手段对其进行表征。在BiVO4/GO/g-C3N4的光催化过程中, GO纳米片作为BiVO4和g-C3N4之间的快速传输通道, 可以抑制电子-空穴复合, 显著促进电荷分离, 提高三元异质结的氧化还原能力。与单组分或二元复合物相比, 该催化剂具有良好的光降解罗丹明B(RhB)的能力。在可见光照射下, 它能够在120 min内降解85% RhB, 空穴(h+)在反应中起主要作用。该工作为三元光催化剂体系提供了简单的制备方法, 其中g-C3N4通过GO与BiVO4偶联, 光催化活性显著提高。