氧还原(ORR)反应是燃料电池等清洁能源阴极的关键反应, 其反应动力学复杂, 阴极需使用Pt等贵金属催化剂。然而Pt价格昂贵, 且载体炭黑在高电位环境下稳定性欠佳, 导致电池部件成本高且寿命短。二维过渡金属硫属化合物(2D TMDs)具有高比表面积与可调节的电学性能, 且稳定性强, 有望在维持活性的同时提高燃料电池阴极的耐久性。本文梳理了近年来2D TMDs在ORR催化剂领域的最新研究进展: 首先概述了2D TMDs的结构、性质及ORR反应机理; 其次分析了调控2D TMDs的ORR性能策略, 包括异质元素掺杂、相转变、缺陷工程与应力工程等, 介绍了2D TMDs基异质结构对ORR性能的提升作用; 最后, 针对该领域目前存在的挑战进行展望与总结。

三元锂离子动力电池的开发和应用受制于高温高电压条件下的容量衰减和电池产气鼓胀等技术难题。解决这些问题一方面要注重电极材料改性和电池设计, 另一方面还依赖于电解液的技术进步。本研究报道了四乙烯基硅烷(Tetravinylsilane, TVS)作为LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂(NCM622)/石墨软包电池的电解液添加剂, 可以显著改善电池的高温(45~60 ℃) 高电压(4.4 V)性能, 包括存储和循环性能。结果表明, 电解液中含有质量分数0.5% TVS的电池在2.8~4.4 V区间, 1C (1C=1.1 Ah)倍率下循环400次后的容量保持率达到92%, 而电解液中未添加TVS的软包电池仅为82%。进一步研究表明, 一方面TVS高电压下优先被氧化, 可以在NCM622颗粒表面形成耐高温的CEI膜, 有效抑制NCM622颗粒内部裂纹和过渡金属离子溶出; 另一方面, TVS在低电位下还可以优先被还原, 在石墨负极表面聚合形成稳定的SEI膜, 抑制电解液与负极之间的副反应。

ZrNiSn基half-Heusler热电材料具有较高的热导率, 限制了其热电性能进一步提高。为了降低晶格热导率, 本研究采用磁悬浮熔炼和放电等离子烧结的方法制备ZrNiSn和Zr_0.5Hf_0.5Ni_1-xPt_xSn (x=0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3)高熵half-Heusler热电合金。在Zr位进行Hf原子替代, Ni位进行Pt原子替代以调控该合金的构型熵, 并研究构型熵对热电性能的影响。本工作优化了Zr_0.5Hf_0.5Ni_0.85Pt_0.15Sn在673 K的最小晶格热导率和双极扩散热导率之和为2.1 W·m^-1·K^-1, 与ZrNiSn相比降低了约58%。这一发现为降低ZrNiSn基合金的晶格热导率提供了一种有效的策略, 有助于改善材料的热电性能。

In₂O₃作为一种良好的光电和气敏材料, 因高温下具有优异的热电性能在热电领域也获得广泛关注。本研究通过固相反应法结合放电等离子烧结(SPS)成功将原位自生的InNbO₄第二相引入到In₂O₃基体中, 优化了块体样品的制备工艺。同时, InNbO₄改善了样品的电输运性能, 使载流子浓度明显提高, 在1023 K时电导率最高可达1548 S·cm^-1, 高于大多数元素掺杂的样品。其中, 0.998In₂O₃/0.002InNbO₄样品的热电性能测试表明, 在1023 K时, 其功率因子可达到0.67 mW·m^-1·K^-2, 热电优值(ZT)达到最高值0.187。综上所述, 通过在In₂O₃中原位复合InNbO₄第二相可以很好地改善In₂O₃基热电陶瓷的电性能, 进而调控其高温热电性能。

石墨相氮化碳(g-C₃N₄)具有独特的二维平面结构和半导体能带结构, 广泛应用于光催化。但其又存在光生电子空穴对复合过快、可见光利用效率低、在水中分散性差等问题, 阻碍了其实际应用。本研究以海藻酸钠制备的水凝胶为基体, 通过与负载银纳米颗粒(AgNPs)的g-C₃N₄复合, 提升光生电子-空穴的分离效率, 同时解决催化剂在水中的分散性问题, 改善其光催化性能。首先, 采用热聚合法合成g-C₃N₄, 结合超声的高能量使其剥离成纳米片; 然后采用溶液法在g-C₃N₄表面原位生成银纳米颗粒, 制备得到负载银纳米颗粒的g-C₃N₄(Ag@C₃N₄); 最后以海藻酸钠(SA)为前驱体通过钙离子交联的方法得到负载有Ag@C₃N₄的水凝胶(SA/Ag@C₃N₄)。通过不同手段表征SA/Ag@C₃N₄的形貌、微观结构和相组成; 以甲基橙为模型物, SA/Ag@C₃N₄的光催化降解速率是Ag@C₃N₄的2.5倍。通过光致发光谱、时间分辨光致发光谱、电子顺磁共振波谱等表征手段对材料的催化机理进行探究。结果显示, 体系中银纳米颗粒表面等离子体共振效应与海藻酸钠水凝胶的多孔结构及传质通道发挥协同效应, 促进了光催化性能的提升。

近年来, 利用石墨氮化碳(g-C₃N₄)光催化法将易溶的U(VI)还原为难溶的U(IV)来清除铀, 已逐渐成为放射性核素研究的热点。本研究将一种含金属钴的金属有机框架材料(MOFs)作为自牺牲模板, 利用简单热共聚法成功合成了含有Co-N_x构型的CoN_x/g-C₃N₄催化剂。在固液比为1.0 g/L、pH 5.0、可见光照射45 min下, 制备的催化剂(w(Co-MOFs) : w(g-C₃N₄)=1 : 1)对50 mg/L的U(VI)标准溶液还原率达到100%。从形貌, 微观结构和光学性能等方面对催化剂进行了表征,结果显示, 引入Co有效拓宽了g-C₃N₄对可见光的吸收范围, 抑制了光生电子与空穴的复合, 从而促进了U(VI)的还原反应。此外, 基于捕获实验深入探究了U(VI)在CoN_x/g-C₃N₄材料表面催化可能的反应机理。研究表明, CoN_x/g-C₃N₄复合光催化剂光学性能优异, 制备方法简单且绿色环保, 对放射性废水中的U(VI)的光催化还原去除效果较好。本工作对后续石墨氮化碳类新型材料的设计、合成与实际应用具有一定的参考作用。

光催化是一种绿色且高效的降解染料污染物的方式, 在水污染治理中应用广泛。本研究以SiO₂为核层, 依次采用氧化还原法、改进的Stöber法及水热法合成SiO₂@Ag@SiO₂@TiO₂多层核壳结构作为光催化剂用于染料污染物降解, 并探讨了硝酸银(AgNO₃)、正硅酸乙酯(TEOS)、钛酸四丁酯(TBOT)等用量对包覆效果的影响。采用不同表征手段对样品的微观形貌、物相结构、孔结构参数和光电性能进行分析表征。结果表明, 当AgNO₃、TEOS、TBOT与SiO₂的质量比为5 : 2.4 : 6 : 1, 多层核壳结构每层均达到最优包覆效果。与SiO₂@TiO₂和SiO₂@Ag@TiO₂催化剂相比较, SiO₂@Ag@SiO₂@TiO₂核壳结构的光催化剂具有更佳的光催化活性, 光照45 min可降解93%的MB溶液, 经4次循环后其光催化效率为90%。

石榴石具有较大的锕系包容量及化学灵活性, 被认为是潜在的锕系核素固化基材。本工作以Nd³⁺模拟三价锕系核素, 通过高温固相法成功合成了Y_3-xNd_xFe₅O₁₂(0≤x≤2)系列钇铁石榴石(YIG)固化体。研究了Nd在YIG固化体中的固溶极限和Nd掺杂量对固化体的物相和微观结构的影响规律, 以及不同pH条件下Nd掺杂钇铁石榴石固化体的化学耐久性。研究结果表明, 当x≤1.7时, YIG基固化体为纯相YIG; 当x≥1.8时, YIG基固化体中YIG、NdFeO₃和Fe₂O₃三相共存。纯相YIG基固化体对Nd³⁺的固溶极限约为29.5%(质量分数)。随着Nd掺杂量增加, 固化体的密度增大, 体积减小, 孔隙率减小。浸出实验结果显示, 28 d后元素归一化浸出率(LR_i)逐渐趋于平衡, 42 d后, 其元素的LR_i为10^-6~10^-5 g·m^-2·d^-1。LR_Y小于LR_Nd, 且酸性溶液中元素归一化浸出率也略高于中性和碱性溶液。这些结果表明, YIG陶瓷是理想的三价锕系核素候选固化基材。

为了改善CrAlN薄膜的摩擦性能, 本研究在增强磁过滤脉冲偏压电弧离子镀设备上, 用分离靶弧流调控技术在硬质合金基体上分别制备了不同成分的CrAlN-DLC硬质复合薄膜, 并采用不同手段表征了薄膜的表面形貌、成分、相结构以及力学和摩擦性能。结果表明, 不同成分薄膜表面均平整致密, 膜厚均在1.05 μm左右。随着靶弧流比I_C/I_CrAl的升高, 薄膜中碳的原子分数由33.1%升至74.6%。薄膜的相结构主要由晶体相和非晶相复合组成, 其晶体相主要为c-(Cr,Al)N相, 且随着碳含量增大晶体相减少、晶粒尺寸减小, 其非晶相主要为DLC, 其中sp²/sp³的比值随碳含量增大而减小。相应地, 薄膜的硬度随着碳含量增大而提高, 当碳的原子分数为74.6%时, 达到最大值(26.2±1.4) GPa, 且该成分点处薄膜摩擦系数也降至最小值0.107, 磨损率仅为3.3×10^-9 mm³/Nm。综合而言, 当非晶DLC相最多时, CrAlN-DLC复合薄膜的综合性能达到最佳, 较之CrAlN薄膜, 摩擦性能显著提高。

钇铁石榴石(Y₃Fe₅O₁₂, YIG)材料因其优异的磁性能和磁光性能在微波通信、激光技术和光纤通讯等领域具有重要应用。离子掺杂是提高YIG材料磁光性能的有效途径之一, 本研究选择离子半径适配的Bi³⁺掺杂改性YIG陶瓷以提高材料的磁光性能。本工作采用固相法热压烧结制备Bi_xY_3-xFe₅O₁₂ (x=0、0.3、0.6、0.9)陶瓷, 并研究Bi³⁺掺杂对YIG陶瓷材料相结构、微观形貌、红外透过性、磁性能以及磁光性能的影响。结果表明: 陶瓷样品均呈石榴石立方相结构; 显微结构致密, Bi³⁺掺杂后晶粒尺寸不同程度增大; 样品红外透过率良好, 随Bi³⁺掺杂量增大而降低; 陶瓷样品的法拉第旋转角随Bi³⁺掺杂量增加呈线性变化, Bi³⁺掺杂量每增加1% (原子分数), 在波长1064 nm和1550 nm处变化量分别约为-49.0 (°)/cm和-30.2 (°)/cm。Bi_0.6Y_2.4Fe₅O₁₂陶瓷样品在1064 nm和1550 nm波长下法拉第旋转角分别达到-703.3 (°)/cm和-461.5 (°)/cm, 绝对值远高于未掺杂YIG陶瓷的277.6 (°)/cm和172.0 (°)/cm。由此可见, 掺杂适量Bi³⁺可以显著增强YIG陶瓷材料的磁光性能。

介孔二氧化硅微粒具有化学稳定性好、比表面积大和表面易修饰等特点, 作为药物载体具有良好的应用前景, 但其缺乏生物活性且生物降解缓慢等在一定程度上限制了它的应用领域。为克服这些缺陷, 寻找合适的药物载体已成为重要研究方向。与纯二氧化硅相比, 硼硅酸盐玻璃具有良好的生物活性和更高的降解速率。基于此, 本研究尝试合成介孔硼硅酸盐玻璃微球(MBGMs), 并表征了其在负载和释放抗肿瘤药物盐酸阿霉素(DOX)过程中的载体特性和材料降解引发的各种功能性离子的释放行为。结果表明BMGMs具有约25 mg/g的DOX负载量,引入硼不仅可以调控MBGMs的化学活性和降解速率, 而且较高硼含量的MBGMs可促进酸性条件下的药物释放, 具有一定的酸性响应性。此外, MBGMs可在模拟体液中释放SiO₄^4-、BO₃^3-和Ca²⁺等有益骨组织生长的功能性离子, 并诱导生成羟基磷灰石, 具备良好的离子缓释能力和体外矿化活性。因此, MBGMs作为一种新颖的药物载体材料, 既可作为药物和功能离子的双重负载, 又具有良好的生物活性和降解特性, 在病理性骨缺损修复领域具有良好的应用前景。

PbTiO₃是一种重要的铁电功能材料, 但压力对其结构、稳定性、力学和热力学性能的影响尚不明确, 从而限制了其在电子通讯领域的应用。本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了压力下四方铁电相钛酸铅(TP-PTO)、立方顺电相钛酸铅(CP-PTO)、四方前驱体相钛酸铅(PP-PTO)结构和热物性质。研究发现, 三种结构可压缩性由大到小依次为PP-PTO>TP-PTO>CP-PTO。能带结构和态密度均表明PTO在研究的压力范围内未发生相变。PTO带隙随着压力增大逐渐降低, TP-PTO在20 GPa由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体, 其余两相在压力下恒为直接带隙半导体。PTO在0~30 Gpa范围力学稳定, 且具有各向异性, 其综合力学性能随着压力的增加而增强, 各向异性则是先降低后升高。通过准谐德拜近似理论研究了温度和压力对PTO德拜温度、熵、热容的影响, 结果表明德拜温度随着温度上升而下降, 随着压力增大而上升, 反映出共价键强度依次为CP-PTO>TP-PTO> PP-PTO。熵和热容随着温度上升而上升, 随着压力的增大而下降。

二维过渡金属硫化合物是构建纳米电子器件的理想材料, 基于该材料体系开发用于信息存储和神经形态计算的忆阻器, 受到了学术界的广泛关注。受制于低成品率和低均一性问题, 二维过渡金属硫化合物忆阻器阵列鲜见报道。本研究采用化学气相沉积得到厘米级二维碲化钼薄膜, 并通过湿法转移和剥离工艺制备得到碲化钼忆阻器件。该碲化钼器件表现出优异的保持性(保持时间>500 s)、快速的阻变(SET时间~60 ns, RESET时间~280 ns)和较好的循环寿命(阻变2000圈后仍可正常工作)。该器件具有高成品率(96%)、低阻变循环间差异性(SET过程为6.6%, RESET过程为5.2%)和低器件间差异性(SET过程为19.9%, RESET过程为15.6%)。本工作成功制备出基于MoTe₂的3×3忆阻器阵列。在此基础上, 将研制的MoTe₂器件用于手写体识别, 实现了91.3%的识别率。最后, 通过对MoTe₂器件高低阻态的电子输运机制进行拟合分析, 揭示了该器件阻变源于类金属导电细丝的通断过程。本项工作表明大尺寸二维过渡金属硫化合物在未来神经形态计算中具有巨大的应用潜力。

硅(Si)负极在充放电过程中巨大的体积变化会导致固态电解质中间相(SEI)破裂和硅颗粒粉化, 进而造成容量快速衰减。本研究报道了一种利用Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂(LLZTO)固体电解质调节Si/C负极表面SEI成分的策略。将LLZTO层均匀地涂覆在商用化聚丙烯(PP)隔膜表面, 不仅提高了电解液对隔膜的润湿性, 均匀化锂离子通量, 并且增大了SEI中无机组分的比例, 从而增强Si/C负极的界面稳定性。得益于上述优势, 使用LLZTO修饰的PP隔膜所组装的锂离子电池表现出更为优异的循环稳定性和倍率性能。Li-Si/C半电池的可逆容量为876 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=1.5 A·g^-1)的倍率下, 200次循环的容量保持率为81%; 而LFP-Si/C全电池的比容量为125 mAh·g^-1, 在0.3C (1C=170 mA·g^-1)的倍率下循环100次后容量保持率为91.8%。该工作中LLZTO固体电解质调节了Si/C负极表面SEI成分, 为开发高性能硅基锂离子电池提供了新思路。