二氧化钒(VO₂)作为一种过渡金属氧化物, 能够响应外界温度变化并发生半导体-金属相变, 相变过程中伴随着红外波段透过率的大幅度改变, 在智能窗领域受到广泛关注。近年来, 关于VO₂制备方式、相变机理以及改善调光能力等方面的研究颇为丰富。然而, 在实际应用中仍面临技术瓶颈和挑战, 如本征相变温度较高、可见光透过率较低、太阳能调节效率不足、耐候稳定性较差、颜色舒适度较低(呈现棕黄色)等。目前, 关于VO₂本身性能改善的研究已有很多, 提升其性能的通用手段如元素掺杂、多层膜结构设计、微结构设计等已被广泛采用。本文总结了VO₂通用性能的提升策略, 着重介绍了VO₂基智能窗在实际应用中服役性能、低温柔性制备以及颜色调控等方面的最新研究进展, 同时从皮肤舒适性和环境友好性等方面分析和展望了未来的发展。

二次谐波作为非线性光学的重要分支, 逐渐成为表征晶体结构的重要手段之一。在众多表征方法中, 二次谐波因其无损检测、高稳定性、可调谐性、超快响应、偏振敏感性、通用性、操作简单等特点被广泛应用于二维材料结构表征, 为二维材料的物性研究和功能应用提供了重要信息, 大大推动了二维材料基础研究的快速发展。本文综述了近几年二次谐波在二维材料结构表征中的研究, 简述了二次谐波产生原理, 介绍了飞秒激光器接入共聚焦拉曼光谱仪产生二次谐波测试装置, 分别讨论了二次谐波在二维材料的层间堆垛层数、层间堆垛角度、单层二维材料晶界及晶体取向表征方面的应用。同时, 本文还介绍了采用二次谐波强度直接、灵敏地检测晶体中应变幅度以及通过二次谐波信号变化跟踪材料中的缺陷变化, 接着讨论了二次谐波与拉曼光谱、光致发光的多维度关联分析在材料全面深度表征方面的重要性。最后展望了二次谐波未来在材料结构表征中的潜在研究方向。

以1-甲基萘热溴化/脱溴聚合沥青为前驱体, 中孔二氧化硅SBA-15为模板, 采用液相浸渍法合成有序中孔炭。通过不同测试手段对中孔炭的微观结构和电化学性能进行了研究。当模板剂和沥青质量比为1:1, 升温速率为 1 ℃·min^-1, 碳化温度为900 ℃时, 所制备的中孔炭性能最优, 具有高度有序的二维六方孔道结构, 比表面积为675 m²·g^-1, 孔容为1 cm³·g^-1, 孔径集中在3.84 nm左右。该中孔炭用于Li-S电池的正极载体材料表现出良好的电化学性能, 在0.2C(1C=1675 mA·g^-1)电流密度下经300次循环后放电比容量和容量保持率分别为688 mAh·g^-1和67.1%, 在3C电流密度下比容量可达556 mAh·g^-1。

研究以聚苯乙烯(PS)微球为模板、氧化石墨烯(GO)和钛酸四丁酯(TBT)为原料, 采用溶胶-凝胶法, 利用GO与PS上的官能团和TiO₂前驱体的多重配位反应, 制备了3D多级孔rGO/TiO₂(PS)复合材料。通过不同手段对样品的结构和形貌进行表征, 研究了PS添加量对rGO/TiO₂复合材料晶体结构、微观形貌及光催化性能的影响。分别在模拟紫外光和可见光下, 以盐酸四环素(TTCH)为目标污染物对不同PS加入量制备的3D多级孔rGO/TiO₂(PS)复合材料的光催化性能进行评价, 并在模拟可见光下, 对3D多级孔rGO/TiO₂(5wt%PS)复合材料进行了多次循环回收测试。结果表明: rGO/TiO₂(PS)复合材料具有3D多级孔块体结构, GO作为基体的增强相通过Ti-O-C键保持多级孔刚性骨架结构的稳定。引入PS增大了rGO/TiO₂(PS)复合材料的比表面积, 3D多级孔rGO/TiO₂(7wt% PS)复合材料对TTCH吸附效率最高, 而3D多级孔rGO/TiO₂(5wt%PS)复合材料光催化活性和稳定性最高, 且经过4次循环回收测试, 其光催化效率仍达81.02%; 模板剂PS的最佳引入量为5wt%。

石墨烯具有较高的比表面积, 其电导率会因吸附微量气体分子而发生显著变化, 有望用作超高灵敏度的气体传感器。本研究基于密度泛函理论(DFT)的计算方法, 探讨了NO在石墨烯和Cr掺杂石墨烯上的吸附行为, 通过对比吸附前后的各自体系的电子结构变化, 发现Cr掺杂石墨烯有助于增强对NO气体分子的吸附能力, 吸附能增大到-1.58 eV, 基底转移到吸附物的电荷数增大了一个数量级, 达到0.143 e, 显著提升了气体探测灵敏度。本研究为工业、环境和军事监测领域中开发新型NO气体传感器提供了新的设计思路。

近年来, 随着化石资源的消耗和CO₂的大量排放, 人类面临的能源危机和温室效应问题日益严峻, 而铁基催化剂催化CO₂加氢直接合成烯烃是实现CO₂减排及CO₂转化与利用的最佳途径之一。本研究采用浸渍法制备了氧化锆(ZrO₂)负载铁钴催化剂(Fe-Co/ZrO₂)和ZrO₂负载铁钴钾催化剂(Fe-Co-K/ZrO₂)用于催化CO₂加氢制低碳烯烃(C₂⁼-C₄⁼), 重点考察了K含量对催化反应活性的影响。活性测试结果表明, 在300 ℃和1.5 MPa下, 加入K使CO₂转化率由40.8%提高到44.8%, 低碳烯烃选择性从0.23%增至68.5%, 并提高了反应性能的稳定性。表征结果显示, 加入K使Fe物种的外层电子密度增大, 提高了Fe对CO₂的吸附强度, 促进了碳化铁的形成, 并有利于CO₂在Fe物种上吸附后发生直接解离, 提升了CO₂加氢制低碳烯烃性能。

为了研究高温环境中钙镁铝硅酸盐(CMAS)对氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)涂层的影响, 采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能量色散X射线光谱仪(EDS)和电子背散射衍射(EBSD)等手段对涂层腐蚀前后的微观结构和相变进行了分析测试。研究结果表明: 高温环境中CMAS腐蚀YSZ涂层从顶部到底部呈现层裂、致密、较致密以及层状结构的特征。在YSZ涂层的顶部发生了熔融/再结晶现象, 导致涂层的t-ZrO₂相转变为m-ZrO₂相, 从顶部至底部相变程度依次减弱。研究还发现, 由于熔融的CMAS更易沿着涂层的晶界进行渗透和侵蚀, CMAS诱导相变主要发生在晶界处。

尖晶石型陶瓷具有优异的热机械性能, 在高温结构材料领域具有良好的应用前景。本研究将键价模型与高温机械性能理论表征模型相结合, 建立了从变温晶体结构出发预测尖晶石型陶瓷高温热机械性能的方法, 阐明了晶体结构与高温热机械性能之间的关系。采用该方法预测了MgAl₂O₄透明陶瓷的高温断裂强度和断裂韧性, 其预测结果与实验值吻合。研究表明, MgAl₂O₄中阳离子反位率、化学键硬度和体模量随温度的变化在800 ℃上下存在显著差异, 然而由于配位多面体的耦合作用, 阳离子反位的温度效应不会显著影响MgAl₂O₄透明陶瓷的高温热机械性能。

光学治疗作为一种肿瘤治疗策略具有微创、毒副作用小、治疗效率高等优势而得到广泛研究, 但单一光学治疗并不能完全消除肿瘤。新兴的二维纳米材料在光学治疗领域的优势引起了广泛关注。本研究探索了金属磷三硫族元素化合物FePS₃纳米片的制备及其多功能光学治疗性能。采用高温固相法合成FePS₃块体并通过超声协助的液相剥离法得到FePS₃纳米片, 该纳米片的平均水合粒径小于200 nm (平均153 nm), 对1064 nm激光的光热转换效率为19.7%, 且能在660 nm激光辐照下产生活性氧。细胞实验结果表明, FePS₃纳米片具有良好的光热治疗和光动力学治疗效果。因此, FePS₃纳米片可同时作为光热剂和光敏剂获得光热-光动力学联合治疗肿瘤功能, 肿瘤治疗应用潜力较大。

重金属污染具有高毒性、持久存留和生物积累等特性, 严重危害人体健康和生态安全。本研究通过氯化钙对玉米芯残渣和膨润土混合物进行碱改性, 在无氧条件下高温煅烧制备了一种碱改性生物炭-膨润土复合物(CaO-Bent-CB)。该复合物的比表面积高, 达到441.1 m²/g, 明显高于直接煅烧制备的生物碳(132.7 m²/g)和碱改性生物炭(177.2 m²/g)。进一步评价了该复合物对水中铅离子吸附性能, 结果表明在水中铅离子浓度为120 mg/L, 膨润土与玉米芯残渣质量比为1:5, 用量为1 g/L条件下, 吸附6 h后铅离子去除率达98%, 吸附量为109.6 mg/g, 均高于生物炭(13.4 mg/g)、膨润土(72.9 mg/g)和碱改性生物炭(86.9 mg/g)。此外, 采用CaO-Bent-CB对铅离子污染土壤进行稳定化处理, 当土壤中铅离子浓度为2200 mg/kg, CaO-Bent-CB用量为土壤干重的8%时, 在pH=3.2的硫酸-硝酸浸提液中浸出12 h, 酸浸出铅离子浓度低至4.5 mg/L, 低于危险废物鉴别标准值(5 mg/L)。上述研究结果表明这种生物炭-膨润土共改性复合物在重金属污染水体和土壤修复中具有很好的应用前景。

微量元素掺杂是赋予羟基磷灰石材料更多生物学功能的一条有效途径, 但不同元素的掺杂行为尚待进一步揭示。本研究使用并行水热合成方式, 制备分别含有锌、硅、镁、铁、锰、铜、锶、硒、钴的9种羟基磷灰石粒子, 并对其物理化学特性进行研究。结果表明, 元素掺杂显著改变了羟基磷灰石粒子的形貌和晶体生长方向, 但不改变其物相组成和官能团。晶体的(211)和(112)晶面衍射峰的强度均降低, 结晶度下降。元素实际掺杂效率分析结果显示锰>锌>镁>铁(三价)>锶>钴>铜>硒>硅, 与元素的离子半径大小相关。锰、锌、镁三种元素掺杂量较高, 因其离子半径与其替代的钙离子接近。铜元素掺杂效率较低是由于其在合成溶液中与氨产生络合作用, 硅元素和硒元素则因几何结构和电荷(SiO₃^2-、SeO₃^2-/PO₄^3-)差异导致掺杂率低。本研究揭示了掺杂行为与离子特性之间的联系, 为功能化羟基磷灰石的设计和开发提供有益的参考基础。

为了完善Ti₂AlC涂层在事故容错燃料中的设计与应用, 研究了近化学计量比和Al含量不足的Ti₂AlC在1000~1200 ℃ Ar-41% H₂O气氛中的氧化行为。研究结果表明: 随着Al含量的减少, Ti₂AlC在高温水蒸气中的氧化动力学由抛物线规律向线性规律转变; 当Al含量不足时, 连续氧化铝层的生长受到限制, 形成了不具备保护性的TiO₂基氧化层; 近化学计量比的Ti₂AlC表面可生成较薄的连续致密Al₂O₃层, 防止水蒸气向基体内的扩散。因此, 采用近化学计量比的Ti₂AlC作为锆合金表面的防护涂层时, 能够在高温水蒸气的环境下保护包壳, 提升现有轻水反应堆事故容错的能力。

反应熔体渗透(RMI)是制备高密度陶瓷基复合材料的有效方法之一, 而熔体的渗透和复合材料的形成主要取决于预制体的孔隙结构。本研究将硅熔体渗透到具有不同孔隙结构的含碳预制体中, 制备了SiC纤维增强SiC基复合材料(SiC_f/SiC), 并研究了孔隙结构对熔体浸润和SiC_f/SiC复合材料的影响。研究结果表明: 具有较均匀孔径的预制体可以使熔体浸润更充分, 制备的复合材料具有更少的残余孔隙及更优的力学性能。该研究对反应熔渗制备复合材料的孔结构调控具有指导意义。

通过在碳化硅纤维表面原位生长纳米线得到具有多级增强结构的碳化硅复合材料, 对复合材料引入纳米线后的微观结构、弯曲强度以及损伤的变化过程进行了研究。研究结果表明, 相较于原始的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料, 碳化硅纳米线可以明显提高基体沉积效率并改善材料的弯曲力学性能。从声发射技术和维氏硬度压痕测试结果可以看出, 纳米线通过抑制微裂纹的产生和在微裂纹之间发生桥联来抑制早期损伤的发展。此外, 在纳米线表面沉积一层氮化硼界面相, 纳米线与基体之间的结合力变弱, 复合材料对微裂纹的抑制和偏转得到进一步增强, 弯曲性能大幅提升。

Ce:SrHfO₃陶瓷因具有高密度和高有效原子序数, 对高能射线具有很强的阻止能力。同时, Ce:SrHfO₃陶瓷还具有快衰减和高能量分辨率等优异的闪烁性能, 引起了研究人员的广泛关注。由于传统的烧结方法难以实现非立方结构Ce:SrHfO₃陶瓷的透明化, 本研究采用真空长时烧结和短时真空预烧结合热等静压烧结(Hot Isostatic Pressing, HIP)方法制备Ce,Y:SrHfO₃陶瓷。以金属氧化物和碳酸盐为原料, 1200 ℃下煅烧8 h可以获得平均粒径为152 nm的纯相Ce,Y:SrHfO₃粉体。1800 ℃真空烧结20 h获得平均晶粒尺寸为28.6 μm的不透明的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷, 而两步烧结法可以制备光学透过率良好的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷。本研究详细分析了陶瓷致密化过程中微结构的演变, 探究了预烧结温度对Ce,Y:SrHfO₃陶瓷密度、显微结构和光学透过率的影响。真空预烧(1500 ℃×2 h)结合HIP后处理(1800 ℃×3 h, 200 MPa Ar)所获得的Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在800 nm处的最高直线透过率为21.6%, 平均晶粒尺寸仅为3.4 μm。在X射线激发下, Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在400 nm处产生Ce³⁺ 5d-4f发射峰, 其XEL积分强度比商用锗酸铋(BGO)晶体高3.3倍, Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在1 μs门宽下的光产额约为3700 ph/MeV。良好的光学和闪烁性能可以拓宽Ce,Y:SrHfO₃陶瓷在闪烁探测领域的应用。