高通量制备可通过并行合成策略快速获得大量成分准连续或梯度变化的样品, 从中筛选出具有最佳成分与性能的目标材料, 将传统的“试错法”研发模式变革为系统寻优的新模式, 可以显著提高研发效率。高通量制备实验还可与材料计算和机器学习等虚拟实验相辅相成, 验证计算结果, 并为数据挖掘和应用提供更丰富的实验基础。本文综述了微纳粉体样品库高通量并行合成方法和进展, 这些典型的高通量制备方法为功能粉体材料研发工作者加速实验进程提供了新思路和高效合成路径, 已应用于催化剂、荧光粉、红外辐射材料、电催化材料等的快速发现和优选, 并将不断扩大应用领域和规模, 凸显其先进性和应用价值。

三元层状化合物MAX相兼具金属与陶瓷优良的力学性质, 通常被认为是一类高安全结构材料。有研究显示, 通过熔盐法可以将副族元素插入到MAX相A位层间, 获得具有铁磁性能的V₂(Sn, A)C (A =Fe、Co、Ni和Mn)材料。因而, 如何构建新的MAX相结构并对实现其磁性调控备受关注。本研究通过MAX相M位和A位双固溶的方式设计了四种新型MAX相(V, Nb)₂(Sn, A)C (A =Fe、Co、Ni和Mn)。XRD、SEM、EDS结合TEM分析证实了上述新相的合成。超导量子磁强计(Superconducting quantum interference device magnetometer, SQUID)测试磁学性能发现, M位固溶后的MAX相的居里温度与其四方率(c/a)、元素组成有关。(V, Nb)₂(Sn, Fe)C、(V, Nb)₂(Sn, Ni)C、(V, Nb)₂(Sn, Mn)C相较于M位固溶Nb元素之前的V₂(Sn, A)C相, 其矫顽力H_c和剩余磁化强度M_r减小, 饱和磁化强度M_s增大。而V₂(Sn, Co)C在M位固溶Nb元素之后磁性变化均与前述MAX相相反。通过以上结果, 揭示了M/A位双固溶对MAX相磁性的影响规律, 为调控MAX相磁性提供了新的思路。

发光防伪具有可视性强、设计简便的特点, 是众多防伪技术中常用的方法。传统防伪材料存在发光颜色单一、防伪图案和颜色静态的缺点, 易于模仿, 亟需开发可实现动态、可靠防伪性能的发光材料。本工作采用水热法制备了铬掺杂镓锗酸锌多色长余辉材料, 并对其余辉性能和动态防伪应用进行研究。实验结果表明: 通过改变镓锗比, 可以调节蓝绿光和红光区的发射强度, 实现发光颜色的可调。该系列样品在波长为254和365 nm的紫外光激发下分别呈现白色和红色, 发光颜色具有多模态发光特征。此外该系列样品具有多色的余辉发光, 不同颜色的衰减速率不同, 可以实现余辉颜色随时间发生动态变化的效果。据此设计成的防伪图案, 发光颜色在时间维度上具有动态变化特性, 可显著提高防伪安全性, 表明所制备的铬掺杂镓锗酸锌多色长余辉材料在动态防伪领域有重要的应用前景。

细化陶瓷微观结构至纳米级, 可以减少光的散射损失, 为开发新型光学陶瓷提供了一种有效的方法。本研究采用溶胶-凝胶法合成粉体, 结合热压烧结工艺制备出光学性能优异的新型Lu₂O₃-MgO纳米复合陶瓷, 研究了粉体合成条件及热压烧结工艺对样品微观结构的影响, 并对计算的理论透过率与样品的实际透过率进行了比较。研究结果表明: 采用优化后工艺制备的Lu₂O₃-MgO陶瓷具有均匀的相域分布, 晶粒尺寸约为123 nm, 3~5 μm波段的透过率高达84.5%~86.0%, 接近理论透过率; 维氏硬度为12.2 GPa, 断裂韧性为2.89 MPa·m^-1/2, 抗弯强度达到(221±12) MPa, 是一种潜在的红外透明窗口材料。

锆钛酸铅(PZT)基压电陶瓷是一类应用非常广泛的功能材料, 可应用于水声换能器、压电马达、医疗超声换能器以及声表面波滤波器等。通过改性提高PZT基压电陶瓷的压电性能一直是该领域的研究热点。本工作采用传统固相反应法制备了准同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)组分的Sm-0.25PMN-0.75PZT压电陶瓷, 并对其微观结构以及宏观性能进行了系统研究。研究结果表明：引入Sm³⁺可以增强压电陶瓷的局域结构异质性, 提升介电响应从而提高压电性能。当Sm³⁺引入过多时, 铁电极化的长程连续性被大面积打断, 压电性能下降。本实验中得到的最优组分压电陶瓷性能为：高压电系数d₃₃~824 pC/N, 高压电电压常数g₃₃~27.1×10^-3 m²/C和相对较高居里温度T_C~178 ℃, 电致应变在室温至150 ℃范围内低于5%, 有较好的温度稳定性, 是极具应用前景的高性能压电材料。

二氧化氮气体是一种常见的大气污染物, 对自然环境和人类健康造成严重的危害, 开发检测该类有毒有害气体的高效检测设备势在必行。新型复合薄膜气体传感器可以在常温下对二氧化氮进行高选择性、高灵敏度检测, 为自然环境和人类健康保驾护航。本工作采用化学沉淀法和超声法制备了多孔、高比表面积的ZIF8/还原氧化石墨烯(ZIF8/rGO)复合材料, 以此为气敏材料构建NO₂传感器, 并系统研究了其在室温下对NO₂的气敏性能, 进一步探讨了ZIF8/rGO气敏传感器感应NO₂的可能机理。气敏实验结果表明：ZIF8/rGO气敏传感器对50×10^-6 NO₂的响应达到34.77%, 是纯rGO气敏传感器的3.2倍。ZIF8/rGO传感器在4个可逆循环测试中表现出较好的可重复性, RSD(Relative Standard Deviation)为3.9%。此外, ZIF8/rGO传感器表现出优秀的长期稳定性(RSD为2.5%)、选择性和低的检出限(3.8×10^-8)。室温下灵敏感应NO₂的气敏性能主要归因于ZIF8的多孔结构和超大的比表面积以及rGO的优越性能。本工作将为ZIF8/rGO作为气敏材料检测有毒有害的NO₂气体提供新思路。

如何制备性能高效、稳定的纳米Pt催化剂, 对提高肉桂醛C=O加氢选择性具有重要的实际价值和科学意义。本研究采用共沉淀法和水热法制备不同形貌的MgAl水滑石(LDH), 用等体积浸渍法制备负载型Pt/LDH催化剂, 研究不同形貌的LDH对Pt催化肉桂醛选择加氢性能的影响。利用不同表征方法对催化剂结构、形貌、表面理化性能进行分析。结果表明, LDH载体的形貌对Pt/LDH催化剂的结构和性能影响较大, 具有片层结构的LDH纳米片与活性组分Pt之间的相互作用易于贵金属Pt的分散和稳定。同时, LDH载体中存在丰富的碱性位点和表面羟基, 有利于提高催化加氢活性和稳定性。催化性能评价表明, 在反应温度为40 ℃、反应压力为1 MPa、反应时间为120 min的条件下, 肉桂醇(CMO)的选择性为82.1%, 肉桂醛的转化率为79.8%, 经过5轮循环测试, 催化剂仍具有较好的稳定性。

本研究针对α-Fe₂O₃中空穴迁移距离短(2~4 nm)和水氧化动力学缓慢的问题, 通过钯催化氧化法构筑了有序氧空位掺杂的一维α-Fe₂O₃纳米带(α-Fe₂O₃ NBs)阵列, 以提高光电催化分解水产氢性能。采用不同表征方法对光阳极进行形貌、结构分析。结果表明：一维α-Fe₂O₃ NBs表面形成了有序氧空位, 周期为1.48 nm, 对应于10倍的(11¯2)晶面间距。光电化学及产氢性能表明：α-Fe₂O₃ NBs起始电位为0.587 V (vs. RHE), 在1.6 V (vs. RHE)时光电流密度为3.3 mA·cm^-2, 产氢速率达29.46 μmol·cm^-2·h^-1。这归因于引入有序氧空位提高了载流子密度, 促进了空穴的分离传输, 并作为表面活性位点, 促使表面水氧化反应加速进行。

本研究发展了一种简便的“原位还原”策略构建负载银簇的硅基杂化纳米颗粒(Ag@SHNPs)。首先利用两亲性嵌段共聚物PS₈₉-b-PAA₁₆自组装行为和3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)在亲水链段PAA区域的水解缩聚反应形成有机硅胶束杂化纳米结构, 再利用有机硅骨架中丰富的巯基作为还原位点, 原位将银盐转化为银簇, 最终得到负载银簇的硅基杂化纳米颗粒, 并对该杂化纳米颗粒的形貌、结构以及成分组成作了分析。通过测试材料对不同细胞系的毒性验证了其良好的生物相容性。最后以4-巯基苯甲酸(4-MBA)为探针分子, 对硅基杂化颗粒基底的表面增强拉曼散射(SERS)活性进行检测。在532 nm波长的激光激发下, 4-MBA标记的硅基杂化纳米颗粒展示出明显的拉曼信号增强特性, 增强因子约为10⁵。因此, 该硅基杂化基底材料在SERS生物成像和高灵敏检测方面具有潜在的应用前景。

金属有机框架因具有多孔结构、高比表面积、丰富的官能团和金属活性位点以及良好的生物相容性和降解性而被广泛应用于生物医学领域。本研究提出以卟啉基金属有机框架纳米颗粒(PCN-224)为载体负载高化学价态的高铁酸钾氧化剂(K₂FeO₄, Fe(VI)), 经牛血清蛋白(BSA)包覆表面制备多功能复合纳米颗粒(Fe(VI)@PCN@BSA), 用于肿瘤光-化学动力学联合治疗。实验结果表明, PCN-224纳米颗粒粒径约为90 nm, 而Fe(VI)@PCN@BSA纳米颗粒粒径约为100 nm。Fe(VI)@PCN@BSA纳米颗粒在模拟肿瘤微环境条件下能够催化H₂O₂反应, 产生有细胞毒性的•OH而实现化学动力学效应, 同时也能够氧化分解部分H₂O₂产生O₂, 在660 nm激光照射下提高单线态氧(¹O₂)产生量, 增强光动力学效应。进一步细胞实验证实Fe(VI)@PCN@BSA纳米颗粒具有较好的生物相容性, 能够获得增强的光-化学动力学联合治疗肿瘤效果。因此, Fe(VI)@PCN@BSA纳米颗粒在肿瘤治疗方面具有潜在的应用前景。

种植体周炎会导致种植体周牙龈附着丧失、骨组织吸收, 甚至种植体松动、脱落。本研究采用原子层沉积技术联合硅烷化修饰在钛表面制备氧化锌纳米薄膜和纤连蛋白复合涂层。选取种植体周炎相关致病菌伴放线聚集杆菌和牙龈卟啉单胞菌用作该复合涂层抗菌效果的体外验证。同时, 检测牙龈成纤维细胞在钛、氧化锌修饰钛及纤连蛋白与氧化锌复合修饰钛表面黏附、增殖及其相关基因的表达。在大鼠上颌第一磨牙位点通过注射细菌法建立种植体周炎模型, 并比较不同材料的钛钉周围骨破坏范围和牙龈组织中的炎症程度。实验结果显示, 该复合涂层对伴放线聚集杆菌和牙龈卟啉单胞菌的24 h抗菌率分别为80.9%和75.7%; 牙龈成纤维细胞在复合修饰钛片表面展现出良好的黏附、增殖状态; 在大鼠种植体周炎模型中, Micro-CT结果显示, 纯钛钉周骨组织吸收为(1.14±0.71) mm, 而经复合修饰的钛钉周围骨组织吸收仅为(0.37±0.28) mm。石蜡切片观察和qPCR定量检测结果显示, 纯钛钉周牙龈及牙槽骨组织的炎症反应较重, 而经复合修饰的钛钉周围组织炎症反应明显减轻。因此, 该复合修饰可能在牙种植体防御细菌入侵、增强牙龈附着和降低牙龈炎症反应方面发挥作用。

固态氧化物电解池(SOECs)因较高的能量转化效率在电化学还原CO₂, 实现“碳中和”社会方面备受关注。与非对称电池结构相比, 对称SOECs的空气极和燃料极是相同或相近的材料, 可以减少界面种类, 改善电极与电解质的热膨胀匹配性, 简化电池的制备工艺。本研究合成了钙钛矿氧化物La_xSr_2-xFe_1.5Ni_0.1Mo_0.4O_6-δ (L_xSFNM, x=0.1、0.2、0.3、0.4), 作为固体氧化物电解池的对称电极用于评估纯CO₂的电化学还原性能。掺入La³⁺可以有效提高反应催化活性, 其中L_0.3SFNM为电极的电解池表现出最高的电化学性能, 800 ℃下, 在空气中的极化电阻为0.07 Ω∙cm², 在50% CO-50% CO₂中的极化电阻为0.62 Ω∙cm²。单电池L_0.3SFNM@LSGM|LSGM|L_0.3SFNM@LSGM在800 ℃和1.5 V电压下的电解电流密度为1.17 A∙cm^-2, 在初始的50 h CO₂短期电解测试中表现出优异的稳定性, 是一种理想的对称电极材料。

层状硅酸镍因其独特的结构, 在电化学和催化等领域展现出良好的应用前景, 其合成与性能研究近年来受到广泛关注。本研究以氯化镍和正硅酸乙酯为原料, 采用水热法合成了硅酸镍微球, 并详细探究了镍硅比和碱源对产物组成、形貌及孔结构的影响。在优化条件下, 产物呈现由纳米片组装的、平均直径约为2.5 μm的微球形貌, 比表面积为119.6 m²·g^-1, 孔容为0.673 cm³·g^-1。Zeta电位分析表明, 该微球在pH=3~10范围内保持表面电负性。将硅酸镍微球用于处理碱性品红溶液, 吸附过程符合准二级动力学模型。在初始浓度为50 mg·L^-1的条件下, 吸附容量可达120.7 mg·g^-1, 脱除率达96.6%, 远优于改性粘土及近年来报道的多种材料。吸附量与平衡浓度的数据表明, 碱性品红在硅酸镍微球上的吸附符合Freundlich吸附模型, 1/n=0.1678, 表明该吸附为多层非均相吸附且吸附作用力强。

锡基材料在自然界含量丰富、价格低廉, 在电催化还原CO₂制液体燃料反应中具有巨大潜力。但是较低的产物选择性和较差的稳定性限制了其应用。本工作制备的锡量子点电催化剂(Sn-QDs), 具有高效、高稳定性和高选择性的电催化还原CO₂产HCOOH活性。Sn-QDs的平均颗粒尺寸仅为2~3 nm, 结晶性良好。小的颗粒尺寸增大了电化学活性面积(ECSA), Sn-QDs的ECSA约为锡颗粒的4.4倍。ECSA增大以及CO₂还原反应动力学加速, 促进了CO₂电化学转化。在-1.0 V (vs RHE)下, Sn-QDs/CN催化剂的HCOOH法拉第效率(FE_HCOOH)达到95%, 并且在宽约0.5 V的电势范围内能够保持在83%以上。此外, Sn-QDs/CN可以在24 h内保持良好的电化学稳定性。

软磁合金是新一代质子/重离子同步加速器加速器的核心材料,在其表面涂覆绝缘涂层可有效降低高频涡流损耗。同时,高温热处理(~600 ℃)可有效减少软磁合金冷压成形产生的缺陷和位错而引起的内部残余应力。因此,软磁合金用绝缘涂层还需满足耐高温要求。SiO₂涂层是最常见的无机涂层材料,具有良好的绝缘性能和耐高温性能。本工作在植酸催化TEOS+MTES制备硅溶胶的基础上,加入硅烷偶联剂KH-560进一步提高硅溶胶的成膜性能,系统研究了KH-560对SiO₂涂层结构与性能的影响,并系统分析了KH-560提高SiO₂涂层性能的机理。研究表明,添加适量的KH-560可有效提高薄膜的稳定性和成膜性。特别是当KH-560添加量为0.04 mol时,SiO₂涂层质量最好,SiO₂-0.04 KH涂层表现出最佳的耐腐蚀性和电绝缘性。在100 V时,SiO₂-0.04 KH涂层的方块电阻仍保持2.95×10¹¹Ω/□。综上,本研究利用植酸催化和KH-560改性协同作用制备出高质量的SiO₂涂层,涂层具有良好的耐高温和优异的绝缘性能。