近年来, 纳米铁颗粒(纳米零价铁)因其优异的催化/还原性能, 并且价廉、环境友好, 已成为主要的环境修复材料之一。目前, 纳米铁颗粒主要用于水体修复, 如: 重金属离子去除、有机物污染物降解和无机阴离子催化还原等。纳米铁颗粒易团聚和结构单一等问题会导致其活性低、稳定性差和去除种类单一。为了克服上述问题, 迫切需要研究纳米铁颗粒的界面设计。本文重点阐述纳米铁颗粒及其复合材料的可控制备、界面设计、在重金属去除和硝酸根去除转化中的应用以及在环境修复中的未来发展方向。

在多晶硅太阳能电池的生产过程中, 金刚线切割技术(Diamond wire sawn, DWS)具有切割速度快、精度高、原材料损耗少等优点, 受到了广泛关注。金刚线切割多晶硅表面形成的损伤层较浅, 与传统的酸腐蚀制绒技术无法匹配, 金属催化化学腐蚀法应运而生。金属催化化学腐蚀法制绒具有操作简单、结构可控且易形成高深宽比的绒面等优点, 具有广阔的应用前景。本文总结了不同类型的金属催化剂在制绒过程中的腐蚀机理及其形成的绒面结构, 深入分析和讨论了具有代表性的银、铜的单一及复合催化腐蚀过程及绒面结构和电池片性能。最后对金刚线切割多晶硅片表面的金属催化化学腐蚀法存在的问题进行了分析, 并展望了未来的研究方向。

菱沸石(Chabazite, CHA)分子筛膜因其八元环小孔(0.38 nm)三维孔道结构、可调的表面特性、较高的材料稳定性与制备可重复性, 使其在轻质气体分离方面具有优异性能, 近年来逐渐成为分子筛膜研究热点之一。本综述介绍了两种CHA分子筛膜(SAPO-34膜、SSZ-13膜)的基本特性, 对比了CHA分子筛膜的合成方法(原位合成法、二次生长法、微波加热法)优缺点及其应用现状, 并重点针对主流的二次生长法制备SSZ-13膜与SAPO-34膜过程中关键条件对薄膜质量的影响规律进行了详细阐述, 包括铺种条件(载体种类、晶种类别、铺种方式), 水热合成条件(晶化时间、晶化温度、含水量、硅铝比、模板剂、阳离子种类)与煅烧方式(常规煅烧、分段煅烧、快速热处理), 经细化分析总结出上述两种膜的优选合成条件; 并进一步汇总了CHA分子筛膜表面化学调控(硅铝比调控、阳离子交换、杂原子替换、氨基功能化、表面修饰)对气体分离增强的策略, 总结了CHA分子筛膜在各种气体体系中的分离特点与单组分气体渗透特性。最后, 对CHA分子筛膜今后的发展和应用前景进行了展望。

基于静电纺丝技术的金属有机骨架纳米纤维膜材料(Metal-Organic Frameworks Nanofibrous Membranes, MOFs NFMs)综合了无机多孔材料和聚合物纳米纤维的优势, 是一类具有广阔应用前景的功能性材料。目前已经开发出不同功能的MOFs NFMs, 其应用领域也在不断扩展。本文介绍了MOFs NFMs从制备研究向应用研究的发展历程, 详述了现阶段制备MOFs NFMs的主要方法, 包括混合纺丝法、原位生长法、多步种子生长法和原子层沉积法等; 阐述了目前MOFs NFMs的主要应用领域, 如吸附分离、多相催化、传感检测等; 展望了MOFs NFMs的发展方向和趋势。

生物材料表面微结构对于成骨具有重要的影响, 该研究以不同粒径(< 60 μm)的羟基磷灰石(HA)微球状粉体为原料, 通过3D打印技术制备了一系列(HA0、HA10、HA30、HA50)生物陶瓷支架。不同支架具有相似的理化性能, 由于微球粒径不同形成了不同的微结构, 对其生物学性能造成不同的影响。相比传统非微球颗粒打印的支架(HA0), HA微球构成的支架能够提供更多细胞粘附和生长位点, 24 h的粘附实验显示HA30支架能显著促进骨髓间充质干细胞的伪足伸长; 培养5 d的细胞增殖实验显示, 微球支架上的细胞数量与HA0支架出现显著性差异, 表面微球结构与细胞尺度相当的HA30支架具有最好的促增殖效果。因此, 3D打印技术在可控制备HA支架宏观结构的同时, 还可以通过控制生物陶瓷粉体的颗粒形貌, 调控3D打印支架的表面微结构, 从而优化其生物学效应, 在骨组织工程领域具有良好的应用前景。

量子限制效应使硅纳米线具有良好的场致发射特性, 结合多孔硅的准弹道电子漂移模型可提高场发射器件的性能。传统的金属辅助化学刻蚀法制备硅纳米线的效率较低, 本研究在传统方法的基础上引入恒流源, 提出电催化金属辅助化学刻蚀法, 高效制备了硅纳米线/多孔硅复合结构。在外加30 mA恒定电流的条件下, 硅纳米线的平均制备速率可达308 nm/min, 较传统方法提升了173%。研究了AgNO₃浓度、刻蚀时间和刻蚀电流对复合结构形貌的影响规律; 测试了采用电催化金属辅助化学刻蚀法制备样品的场发射特性。结果显示样品的阈值场强为10.83 V/μm, 当场强为14.16 V/μm时, 电流密度为64 μA/cm²。

光催化-芬顿技术耦合可高效降解有机污染物。本研究采用溶剂热法制备了Fe(III)掺杂rGO/Bi₂MoO₆复合催化剂(Fe(III)/rGO/Bi₂MoO₆), 通过外加H₂O₂构建了光催化-芬顿协同体系, 可见光照射3 h后对苯酚的降解率(82%)远高于单独光催化(18%)或芬顿反应(48%), 进一步优化条件对苯酚可实现完全降解。这主要是通过Fe得失电子实现价态的转变, 并以此作为桥梁实现光催化-芬顿的协同作用。同时石墨烯的优异导电性能不仅克服了光催化中光生电子空穴难以分离的问题, 而且促进了Fe³⁺/Fe²⁺的循环反应, 促使芬顿反应产生更多的羟基自由基(?OH), 进一步提高了苯酚的降解效率。实验考察了Fe(III)含量、催化剂投加量、H₂O₂含量以及pH等因素对协同降解效果的影响。淬灭实验证明?OH是协同降解体系中最主要的活性物种, ?O₂^-和h⁺对降解活性也会产生一定的影响, 结合实验结果提出了Fe(III)/rGO/Bi₂MoO₆光催化-芬顿协同降解苯酚的机理。

钠离子电池具有成本低廉、原料分布广泛等优点, 是锂离子电池正极材料的最佳替代材料。在具有层状结构的P2相NaMnO₂正极材料中, 对过渡金属层进行二元固溶可有效提升电极材料的电化学性能。本研究利用库仑模型构建了Mg离子固溶的Na_x[Mg_0.33Mn_0.67]O₂结构模型。通过第一性原理计算发现, 在钠离子含量小于0.67时, Na_x[Mg_0.33Mn_0.67]O₂的放电电压达到3.0 V。电子态密度和电荷布居分析共同表明, Mg的固溶激活了P2相Na_x[Mg_0.33Mn_0.67]O₂中晶格氧的电化学活性, 使体系的电化学反应机制从阴阳离子协同电化学反应转变为可逆阴离子电化学反应。这一机理为钠离子电池电极材料的设计提供了一种全新方法, 也为其它离子电池的优化和探索提供了全新的思路。

近年来钙钛矿材料因其优异的光电性能而成为光伏领域的研究热点, 但调控钙钛矿太阳电池内界面缺陷仍是亟需解决的关键问题之一。本研究在溶液两步法制备钙钛矿光吸收层的过程中引入有机小分子添加剂(L-3-(4吡啶基)-丙氨酸(L-3-(4-pyridyl)-alanine, (PLA))。测试结果显示引入PLA可提高器件的各光电性能参数, 含PLA器件的最优能量转换效率为21.53%, 而参照器件为20.10%。进一步研究表明引入PLA可延长荧光寿命, 降低器件的陷阱态密度(从5.59×10¹⁶cm^-3降至3.40×10¹⁶cm^-3), 促进界面电荷抽取, 抑制载流子复合。器件性能的提升是由于PLA促进PbI₂在钙钛矿薄膜晶界处富集及PLA在界面处锚定起到了钝化缺陷的作用。本研究可以为进一步调控钙钛矿太阳电池的缺陷提供借鉴。

本研究采用简单的一步化学沉积法制备非晶纳米Nd-Ni-B/NF稀土复合电极并研究其析氢(Hydrogen evolution reaction, HER)性能。通过各种测试方法对纳米电极材料进行物相分析和形貌表征,并探索其电催化析氢性能和稳定性。结果表明, 稀土Nd可提高电极的电催化析氢性能, 当硝酸钕浓度为3 g?L^-1时, 恒温35 ℃下施镀1 h, 制备的Nd-Ni-B/NF电极析氢性能最佳。Nd-Ni-B/NF(Nickel foam)电极在1.0 mol?L^-1KOH 溶液中, 20 mA?cm^-2电流密度下的析氢过电位仅为180 mV, Tafel斜率为117 mV?dec^-1, 析氢反应由Volmer-Heyrovsky步骤控制。此外, Nd-Ni-B/NF电极具有优越的电化学稳定性, 在持续电解12 h或2000次循环伏安测试后, 催化剂的活性没有明显衰减。

砷化镓因其良好的光电特性被广泛应用于电子与半导体领域, 为推动砷化镓解理加工技术, 对砷化镓材料力学特性的各向异性进行计算并分析。本研究对砷化镓各个晶面之间的夹角、面间距、原子的密度等结构参数进行计算, 基于广义胡克定律结合压痕实验, 分析砷化镓材料表层弹性模量、泊松比、剪切模量、硬度、断裂韧性等力学特性在{100}晶面沿不同晶向力学性能的变化规律。结果表明: 砷化镓不同晶面间结构参数的不同是导致砷化镓力学特性呈现各向异性的主要原因; 砷化镓在{100}晶面上弹性模量、泊松比、剪切模量的各向异性均呈现出周期性变化, 且{100}晶面的剪切模量为恒值59.4 GPa; 砷化镓{100}晶面硬度的各向异性变化幅度较小, 断裂韧性变化幅度较大, 最小值为0.304 MPa·m^1/2, 位于<110>晶向, 确定<110>晶向是裂纹最容易扩展的晶向。

本研究探索了光悬浮区熔法制备Al₂O₃/Er₃Al₅O₁₂(ErAG)和Al₂O₃/Yb₃Al₅O₁₂(YbAG) 定向凝固共晶陶瓷。在10 mm/h的抽拉速率下成功获得了凝固组织均匀、内部无裂纹或孔洞的高质量共晶陶瓷。通过高分辨三维X射线衍射仪研究了Al₂O₃和RE₃Al₅O₁₂在三维空间的分布与组织结构; 利用电子背散射衍射技术分析了定向凝固末期Al₂O₃和RE₃Al₅O₁₂两相的晶体学择优取向和相界面关系。力学性能表征结果显示, Al₂O₃/ErAG和Al₂O₃/YbAG具有优异的力学性能, 二者的维氏硬度分别为(13.5±0.4)和(12.8±0.1) GPa;断裂韧性分别为(3.0±0.2)和(3.2±0.1) MPa·m^1/2。

老化处理会导致三效催化剂(TWCs)严重失活, 因此提高催化剂的耐久性能是TWCs设计的目标。本工作采用不同碱辅助的沉积沉淀法, 即尿素辅助沉积沉淀法和氨水辅助沉积沉淀法制备了Pt/Ce_0.4Zr_0.5La_0.05Pr_0.05O₂ (Pt/CZ)三效催化剂, 分析了不同碱对催化剂物理化学性质、催化活性和耐久性的影响。结果表明, 尿素辅助沉积沉淀法(UDP)制备的Pt/CZ催化剂的抗老化性能较差, 而氨水辅助沉积沉淀法(ADP)制备的催化剂的抗老化能力较强。XRD, CO 吸附, XPS和H₂-TPR表征结果表明, ADP中较大的Pt颗粒以及更强的金属载体相互作用使ADP在老化过程中烧结程度较低, 有利于维持催化活性。因此, ADP催化剂具有一定的工业应用前景。

光催化技术以其高效、安全、低成本的优势, 被广泛研究用于去除污水中有毒副作用的重金属Cr(VI)。制备半导体复合材料是一种可以有效提高半导体光催化性能的途径。本研究通过简单的水热法合成了CuS纳米片修饰的Bi₅O₇I复合材料, 并且表征和评估了其在可见光下对Cr(VI)的光催化还原活性。与纯Bi₅O₇I微米棒及纯CuS样品相比, CuS/Bi₅O₇I复合催化剂对Cr(VI)水溶液具有更高的光催化降解活性。在相同的可见光辐照条件下, 15wt% CuS修饰的复合样品, 光催化降解Cr(VI)的反应常数是纯/Bi₅O₇I样品的20倍, 纯CuS样品的4.3倍。对比样品的比表面积、光致发光谱和电化学阻抗谱的测试结果发现, 复合样品表现出更高的催化效率是由于CuS/Bi₅O₇I具有更大的比表面积、更宽的光吸收区域及更高的光生电子-空穴对的分离和传输效率。本研究还提出了CuS/Bi₅O₇I复合材料光催化降解Cr(VI)的机理。