同步辐射是环形加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁铁时, 沿电子轨道切线方向发射的电磁辐射。作为一类平台型科技基础设施, 同步辐射光源对无机材料的研究和发展起到了重要支撑作用。同步辐射实验技术已经成为现代科学技术不可或缺的研究手段, 无机材料研究是同步辐射技术的主要应用领域之一。相对于用于材料研究的常规光源来说, 同步辐射技术研究无机材料有以下优势: 1)获取的数据质量更高; 2)空间分辨和时间分辨的能力更强; 3)原位和材料服役环境更易模拟; 4)多尺度、多方面、多种类的结构信息同步获取; 5)探测新的结构特性更有可能。同步辐射实验技术有助于解决无机材料领域中的一些关键科学问题, 从而极大地推动了无机材料的研究进展。本文首先简要介绍了同步辐射光源的现状, 以及国内现有三个同步辐射装置: 北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)、上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)和国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)。然后, 从X射线衍射、散射、谱学、成像等四个方面, 列举了同步辐射技术在无机材料研究中的应用实例。最后, 对同步辐射光源和结构表征技术及其在无机材料中的应用进行了总结与展望。

摩擦纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator, TENG)是一种将微小机械能转化为电能并加以收集利用的绿色能源器件, 具有活性材料种类广泛、器件结构简单以及易于集成等特点。较低的输出功率密度是目前阻碍其实际应用的主要因素之一。如何通过材料组分设计与制备提高其输出功率密度及能量转化效率, 是目前该领域研究者关注的热点问题。在摩擦纳米发电机常用的活性材料-高分子聚合物中引入功能性填料是一种简便且高效的改性方法, 不仅能够对薄膜摩擦电性能进行优化、提高输出性能, 还能够赋予其新功能, 可谓一举多得。因此, 此类复合薄膜已广泛应用于TENG领域, 例如TiO₂、SiO₂、BaTiO₃、ZnSnO₃、MoS₂、石墨烯、二维黑磷等无机填料对复合材料的性能均有不同程度的优化, TENG的输出功率密度最高提升了数十倍。本文结合国内外研究现状, 按照填料对基体材料表面性能以及电学性能优化作用两个方面进行阐述, 综述了复合材料薄膜在摩擦纳米发电机中的研究进展, 并展望了未来复合材料用于提高TENG输出性能研究的发展方向。

锂离子电池硅基负极材料的理论比容量比传统石墨材料高10倍, 是最有前途的锂离子电池负极材料之一。然而硅基纳米材料的制备工艺复杂、成本高昂, 严重限制了锂离子电池硅负极的商业应用。本工作采用溪木贼为原料, 通过深度还原、浅度氧化和碳包覆工艺制备了三维多孔生物质硅/碳复合材料(多孔3D-bio-Si/C)。三维多孔结构不仅有利于Li⁺的快速传输, 而且提供足够的空隙缓解在脱-嵌锂过程中发生的体积变化。得益于三维结构中大量的孔隙和高强度的外部碳层, 多孔3D-bio-Si/C制备的电极表现出优异的电化学性能。当电流密度为1 A/g时, 多孔3D-bio-Si/C的可逆容量为1243.2 mAh/g, 循环400次后仍可保持933.4 mAh/g, 容量保持率高达89%。利用溪木贼作为生物质硅源制备高性能硅基负极材料, 实现了低成本、可规模化、绿色和可持续的合成路线, 有望为Si基锂离子电池负极材料的商业应用打下基础。

PbTe在中温区热电材料中广受关注, 然而, n型PbTe因其较低的载流子浓度和复杂的能带结构, 其热电性能难以大幅提升。本研究通过分步式添加PbS、Sb₂Se₃组元以调控n型PbTe基体的热、电传输性能。研究发现, PbS与Sb₂Se₃组元可分别提升功率因子和降低热导率。通过扩大带隙、增加点缺陷、第二相弥散等途径可改善能带, 加剧散射, 从而有效提升热电优值ZT。其中(PbTe)_0.94(PbS)_0.05(Sb₂Se₃)_0.01表现出最佳的热电性能, 700 K时ZT最大值为1.7, 且ZT平均值较PbTe基体显著提高, 这表明分步式双组元调控可为改善其它材料体系的热电性能提供技术途径。

单原子催化剂(SACs)以近100%的原子利用率以及优秀的催化活性等, 在促进多相催化方面受到了广泛关注。然而, 由于金属原子在高温下易烧结, SACs的合成仍然具有挑战性。本研究利用熔融盐(MS)提供的强极性环境, 制备了以氮掺杂碳为载体的铁基单原子催化剂(Fe SA-NC)。结果表明, Fe SA-NC显示出蜂窝状的多孔形貌, 比表面积高达2072 m²·g^-1, 其中Fe元素的重量百分比含量为0.57%。通过球差电镜直接观察到了孤立存在的Fe单原子, 并通过X射线吸收精细结构(XAFS)分析确定Fe单原子以Fe-N₄配位体形式分散在碳基材料上。Fe SA-NC催化剂在0.1 mol/L KOH 溶液中半波电位为0.85 V, 极限电流密度为5.79 mA·cm^-2, 优于商业Pt/C催化剂。Fe SA-NC催化剂不仅对ORR四电子途径显示出高选择性(H₂O₂产率<2%, 转移电子数为3.9), 同时表现出优秀的抗甲醇性能。

采用静电纺丝技术结合化学沉淀法和高温煅烧处理, 制备了具有不同Sn含量的SnO₂/NiO复合半导体纳米纤维。采用扫描电子显微镜(SEM), X射线衍射仪(XRD)和能量色散X射线光谱仪(EDS)对样品的形貌, 结构以及各元素含量进行表征。以乙醇为目标气体, 探究SnO₂/NiO纳米纤维的气体传感性质, 以及Sn含量对复合纳米纤维气敏性能的影响。研究结果表明, SnO₂/NiO复合纳米纤维具有三维网状结构, SnO₂复合对NiO纳米纤维的气敏性能具有明显的增强作用。随着SnO₂含量的增加, 复合纤维对乙醇气体的响应灵敏度增强, 其中响应最高的复合纳米纤维在最佳工作温度160 ℃条件下对体积分数为100×10^-6乙醇气体的响应灵敏度为13.4, 是NiO纳米纤维最大响应灵敏度的8.38倍。与市面常见的乙醇气体传感器MQ-3相比, SnO₂/NiO复合纳米纤维的最佳工作温度更低, 响应灵敏度更高, 具有一定的实际应用价值。

以YbH₂-MgO体系为烧结助剂, 采用两步法烧结制备了高热导率高强度氮化硅陶瓷, 研究了YbH₂-MgO对氮化硅致密化行为、相组成、微观形貌、热导率和抗弯强度的影响。在预烧结阶段, YbH₂在还原SiO₂的同时原位生成了Yb₂O₃, 进而形成“缺氧-富氮”液相。该液相不仅有利于晶粒的生长, 更有利于阻碍晶格氧的生成, 相较于Yb₂O₃-MgO助剂体系, β-Si₃N₄晶粒尺寸更大, 晶格缺陷更少, 低热导晶间相更少, 在1900 ℃保温24 h后, 热导率最优可达131.15 W·m^-1·K^-1, 较Yb₂O₃-MgO体系提升13.7%。用YbH₂代替Yb₂O₃, 在低温条件下烧结制备得到的氮化硅抗弯强度有所改善, 在1800 ℃保温4 h的抗弯强度可达(1008±35) MPa; 但在高温烧结时强度略有下降, 这与微观结构的变化密切相关。研究表明, YbH₂-MgO体系是制备高热导率高强度氮化硅陶瓷的有效烧结助剂。

在基于先驱体聚碳硅烷转化制备SiC陶瓷纤维过程中, 交联过程是保持纤维形貌和提高陶瓷产率的必要条件。本研究以含丙烯酸酯基的聚碳硅烷(A-PCS)为原料, 通过引入自由基热引发剂在热解升温过程中实现原料的交联成型。采用红外光谱仪(FT-IR)和差示扫描量热仪(DSC)研究了引发剂含量对A-PCS交联程度、交联速率以及热降解速率的影响规律; 采用热失重(TG)、元素分析仪和X射线衍射仪(XRD)分析了陶瓷产率、陶瓷产物组成以及无定形态随温度的变化。研究结果表明: 加入自由基热引发剂可提高A-PCS中的丙烯酸酯基的交联速率, 减少交联阶段的热失重; 将质量百分比为1%自由基热引发剂的A-PCS以5 ℃/min升至250 ℃时, 丙烯酸酯基反应完全, 1500 ℃的陶瓷产率为69.5%; 通过静电纺丝加工工艺可获得直径介于2~5 μm的A-PCS原丝, 并通过后续升温热解转化为SiC纤维; 所得SiC纤维形貌规整、无熔并现象, 且随着热解温度的升高从无定形态向结晶形态转变。

同时具有光热效应与组织修复活性的生物材料在再生医学领域具有潜在应用前景。考虑到稀土元素Nd的荧光发光与光热双重特性, 结合钙硅基(Ca-Si)生物材料优异的组织修复活性, 有可能制备多功能组织损伤修复材料。本研究通过在硅酸钙中引入Nd元素, 采用共沉淀方法及800 ℃以上煅烧, 成功制备了Nd-Ca-Si基生物陶瓷粉体(Nd/CS), 并评价了粉体的物相组成、光热和荧光性能; 进一步采用静电纺丝技术制备了陶瓷粉体/高分子复合膜, 并评价了其理化性能与生物学性能。结果显示, Nd/CS陶瓷粉体和复合膜不但具有优异的光热性能与荧光性能, 还具有较好的荧光测温性能。细胞实验证实复合膜具有优良的生物学性能。这种集光热治疗、荧光成像/荧光测温、生物活性功能于一体的Nd-Ca-Si基生物陶瓷及其复合材料有望应用于再生医学领域。

羟基磷灰石(HAP)具有优异的生物相容性、生物活性和缓慢的降解速率等特性, 有可能弥补透明质酸(HA)用作软组织填充材料的不足。本研究采用一步反应法制备均匀负载HAP颗粒的HA-HAP复合水凝胶, 分析了制备工艺参数对复合水凝胶理化性能的影响及调控方法, 评价了其细胞相容性。结果表明, 采用该方法制备的复合水凝胶含1.5%~3.0%HA、2.38%~15.8% HAP, 具有良好的灭菌稳定性。通过改变HAP含量和交联剂的用量可以调控复合水凝胶的力学性能、溶胀行为等理化性能。利用一阶指数衰减方程可以较好地拟合复合水凝胶的溶胀行为, 质量溶胀率在1 h时已达到平衡溶胀率的90%以上。复合水凝胶具有良好的HA酶降解性, 1500 U/mL的酶作用2 min后HA降解率超过95%, 复合水凝胶可以快速溃散; 加入HAP颗粒不仅使复合水凝胶有更好的可塑性, 而且更有利于面部软组织填充和轮廓修正。优化制备的可注射HA-HAP复合水凝胶具有可调的理化性能和良好的细胞相容性, 可以较长时间地保留在体内, 兼具促进组织修复或重建的潜力, 有望成为优良的软组织填充材料。

探索热电材料的超快速制备技术并优化其性能具有重要意义。本研究通过自蔓延高温合成技术快速制备得到BiAgSeS化合物。动力学过程研究表明, Bi熔化是激活并触发原料混合物发生自蔓延反应的关键, 非平衡过程中产生的高浓度纳米及原子尺度应力应变区与螺旋位错为材料生长提供了永不消逝的台阶源, 并在材料等离子体活化烧结致密化过程中进一步主导晶粒长大, 最终在材料晶界处留下大量纳米孔洞。相比于传统熔融法结合等离子体活化烧结技术, 本技术制备的材料的电导率略有提高, 晶格热导率则下降约6%, 最终材料ZT值在整个温区均有提高, 并在773 K时取得最大值0.5。

长期以来, 表面包覆一直是改善锂离子电池电极材料电化学性能的有效手段。本研究采用磁控溅射法将非晶态磷酸锂包覆在Li₄Ti₅O₁₂电极片表面, 修饰后电极表面光滑, 形成了均匀的非晶态磷酸锂包覆层。在0.01-3.00 V电压范围的充放电测试结果显示, 该包覆层可显著改善电极的倍率性能和循环性能。当充放电电流密度分别为35和1750 mA∙g^-1时, 电池容量可以达到265和151 mAh∙g^-1, 远高于未包覆电池的240和22 mAh∙g^-1, 并以88 mA∙g^-1的电流密度进一步充放电200个循环后, 仍保留了238 mAh∙g^-1的高可逆容量。这是由于非晶态磷酸锂包覆层可稳定电解质界面, 保持粒子间电子通道的完整性, 并在电极表面形成交联离子导电网络, 使得改性电极的倍率性能和循环稳定性显著提高。

硼硅酸盐生物活性玻璃具有良好的生物活性和骨传导性, 但大多数生物活性玻璃表现出非线性降解和矿化行为, 矿化性能会随着时间而减缓。电场作为一种外场辅助调节的方法, 能够干预玻璃的离子交换和扩散。本研究利用直流电场干预硼硅酸盐生物活性玻璃的体外矿化, 加快降解较慢阶段中硼硅酸盐生物玻璃的生物活性。将熔融法制备的成分为18SiO₂-6Na₂O-8K₂O-8MgO-22CaO-2P₂O₅-36B₂O₃的硼硅酸盐生物活性玻璃浸泡在SBF生理模拟液中, 施加0~90 mA的电流, 研究直流电场对硼硅酸盐生物玻璃降解及体外矿化性能的影响。研究结果表明, 施加电场不仅可以提高硼硅酸盐生物活性玻璃的降解率和离子释放量, 而且有利于玻璃网络水解和表面羟基化, 加速羟基磷灰石的生成。其中失重率比对照组提高了3%~5%, 硼和钙的离子释放量分别较对照组提高了2.3~2.9倍和1.9~2.3倍。对硼硅酸盐生物活性玻璃表面结构分析得出, 暴露在电场下的样品表面生成了磷灰石层。应用直流电场可以提高生物活性玻璃的降解及体外矿化性能, 为提升骨修复效果提供了一种新思路。