具有分级结构的BN纳米薄膜展现出优异的超疏水性, 但由于该薄膜的制备过程复杂、成本昂贵, 不适宜大规模的生产和应用。与之相比, 基于疏水BN粉体的超疏水涂层的应用会更为便捷。本研究采用镁热还原氮化燃烧合成法结合酸洗工艺制备了疏水的单相BN粉体, 水接触角为(144.6±2.4)°, 疏水性可以归因于BN粉体颗粒具有的微纳分级结构。在此基础上, 以这种燃烧合成的疏水BN粉体为填料制备的BN/氟硅树脂复合涂层进一步表现出超疏水性, 其中质量分数30% BN/FSi树脂涂层的水接触角为(151.2±0.7)°, 滚动角约为8°。该涂层与文献报道的通过CVD方法制备的BN纳米薄膜的性能相当, 但工艺更加简单。这是一种利用陶瓷粉体的疏水性来制备超疏水有机无机复合涂层的简便易行的新方法, 有望获得广泛的工程应用。

放射性碘是典型的核裂变产物之一, 吸附-分离-固化放射性碘(¹²⁹I、¹³¹I等)对于核电运营、乏燃料后处理具有重要意义。本研究采用静电纺丝技术和热还原方法, 以一种聚甲基倍半硅氧烷树脂(MK树脂)为原料, 成功制备出一种新型铋基复合纳米纤维膜(Bi@SiOCNF)。该材料以SiOC纤维为基体, 金属单质铋负载在SiOCNF表面与三维网络空间, 对气体碘表现出良好的捕获与固定能力。吸附实验结果表明, 该材料在2 h内可达到最大饱和吸附容量(515.2 mg/g)。XRD、XPS等测试结果表明, 铋基SiOCNF复合纳米纤维膜通过化学吸附与物理吸附机制共同吸附气态碘。热分析表明, Bi@SiOCNF具有良好的热稳定性。该材料在核电站、乏燃料后处理厂对放射性气态碘的捕获、固定和储存等方面具有潜在的应用前景。

TiO₂膜具有亲水性强和热化学稳定性好等优点而用于超滤分离, 但是TiO₂膜以管式膜为主, 渗透通量低且制备周期长。为了提高TiO₂膜的渗透通量, 并缩短膜的制备周期, 本工作以钛酸四丁酯为前驱体, 采用超声辅助溶胶-凝胶法制备高通量的中空纤维负载型TiO₂超滤膜。系统考察了硝酸与钛酸四丁酯的摩尔比(酸钛比)、超声时间和煅烧温度对TiO₂溶胶粒径及膜截留性能的影响。结果表明：当酸钛比为0.25时, 溶胶的平均粒径为3252 nm, 采用超声处理30 s后, 平均粒径减小至1817 nm。采用超声后的溶胶循环涂膜并在350 ℃煅烧两次后可得到完整无缺陷的中空纤维TiO₂超滤膜, 膜层平均厚度为1 μm, 膜的纯水渗透通量为145 L·m^-2·h^-1·bar^-1(1 bar=0.1 MPa), 葡聚糖截留分子量为2586 Da, 对应的平均孔径为2.5 nm。

碳材料以其低成本、良好的化学稳定性和热稳定性等优异特性被广泛应用于各种催化反应中。本研究利用来源广泛的天然脱脂棉为原材料, 通过原位气相掺杂的方法制备了N掺杂、B掺杂、BN共掺杂的生物质碳材料, 并将其应用在丙烷直接脱氢制丙烯反应中。研究发现, 与未掺杂的生物质碳相比, 杂原子掺杂的生物质碳均表现出更高的丙烷转化率和丙烯选择性, 而且N、B单独掺杂的生物质碳材料催化性能优于BN共掺杂的生物质碳材料, 其中N掺杂的生物质碳具有最优催化性能: 在600 ℃反应温度下, 丙烷转化率达到17.6%, 总烯烃收率达14.8%, 且经过12 h的脱氢反应后, 催化剂性能无明显的衰减。通过对这些碳材料的化学结构和催化性能的对比分析, 发现N掺杂和B掺杂使得碳材料表面的大量C-O基团转变为具有丙烷脱氢活性的C=O基团, 抑制反应过程中的C-C键断裂, 从而提高目标产物丙烯的选择性。生物质碳材料成本低廉且来源广泛, 以其作为催化剂可以极大地推动丙烷脱氢工业的发展。

低温选择性催化还原(SCR)脱硝是工业烟气末端治理的重要技术, 强化催化剂硫抗性是低温SCR领域内亟待解决的问题。本研究以羟基磷灰石(HAP)为载体、Mn为活性组分通过共沉淀法成功合成了Mn-HAP低温(100~200℃)脱硝催化剂, 探究了其脱硝性能及金属硫酸盐和硫酸铵的中毒特性。结果表明: 以HAP作为活性组分Mn的载体能一定程度上提高催化剂的抗硫性。当反应温度为140 ℃时, SCR催化剂脱硝效率达到100%, 金属硫酸盐相较硫酸铵对催化剂低温脱硝活性的影响更显著, 120 ℃时脱硝效率分别降低37.40%和8.83%。不同手段分析表明, 不同表面硫物种均会不同程度地降低催化剂比表面积并改变活性Mn氧化态。金属硫酸盐显著降低Mn⁴⁺/Mn比例是造成催化剂失活的主要原因。

A₂B₂O₇烧绿石以其高包容性和物理化学稳定性而成为高放废物固化体候选基材。研究通过喷雾热解-高温烧结制备了Nd₂Zr₂O₇烧绿石A、B位钍掺杂Nd_1.8Th_0.2Zr₂O₇和Nd₂Zr_1.8Th_0.2O₇固化体, 利用不同检测手段分析样品结构, 并通过MCC-1方法研究了样品化学稳定性。Nd₂Zr₂O₇烧绿石A和B位掺杂Th均能形成纯烧绿石结构, 掺杂将造成烧绿石结构中48f氧位置参数增大, 烧绿石向无序化结构转变。A位掺杂导致烧绿石AO₈六面体结构扭曲, B位掺杂导致BO₆八面体部分形变。Nd_1.8Th_0.2 Zr₂O₇和Nd₂Zr_1.8Th_0.2O₇固化体在42 d周期后Th离子浸出率在10^-5 g·m^-2·d^-1量级, 说明锕系核素Th在Nd₂Zr₂O₇的A、B位均能很好地被包容, 固化体表现出优异的物理化学性能。

Cu₂SnSe₃基化合物作为一种绿色环保的新型热电材料, 近年受到了研究者的广泛关注。然而, 本征Cu₂SnSe₃基化合物载流子浓度低、电性能较差。为优化Cu₂SnSe₃化合物的电热输运性能, 本研究采用熔融、退火结合放电等离子烧结技术制备了一系列Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)和Cu₂Sn_1-yIn_ySe_2.9Te_0.1 (y=0.005~0.03)样品, 研究了Te固溶和In掺杂对材料电热输运性能的影响。Te在Cu₂SnSe_3-xTe_x (x=0~0.2)化合物中的固溶度为0.10, Te固溶显著增加了材料的载流子有效质量, 从本征Cu₂SnSe₃样品的0.2m_e增加到Cu₂SnSe_2.9Te_0.1样品的0.45m_e, 显著提高了材料的功率因子, Cu₂SnSe_2.99Te_0.01样品在300 K下获得最大功率因子为1.37 μW·cm^-1·K^-2。为了进一步提高材料的电传输性能, 本研究以Cu₂SnSe_2.9Te_0.1为基体并选取In在Sn位掺杂。In掺杂将Cu₂SnSe₃基化合物的载流子浓度从5.96×10¹⁸ cm^-3 (Cu₂SnSe_2.9Te_0.1)显著提高到2.06×10²⁰ cm^-3 (Cu₂Sn_0.975In_0.025Se_2.9Te_0.1)。调控载流子浓度促进了材料多价带参与电传输, 材料的电导率和载流子有效质量显著增加, 功率因子得到大幅度提升, 在473 K下Cu₂Sn_0.995In_0.005Se_2.9Te_0.1化合物获得最大功率因子为5.69 μW·cm^-1·K^-2。由于电输运行性能显著提升和晶格热导率降低, Cu₂Sn_0.985In_0.025Se_2.9Te_0.1样品在773 K下获得最大ZT为0.4, 较本征Cu₂SnSe₃样品提高了4倍。

本工作研究了Li₂O作为烧结助剂对固体氧化物燃料电池La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ (LSGM)电解质烧结行为的影响规律, 系统表征了烧结助剂含量和烧结温度对LSGM烧结体的致密度、微观组织结构、相组成以及离子电导率的影响。研究结果表明, Li₂O烧结助剂不仅可显著降低LSGM电解质的完全致密化烧结温度, 还可以消除电解质粉体中原有的LaSrGa₃O₇杂相, 并且抑制常规烧结过程中易于产生的MgO杂相, 从而获得较高离子电导率的LSGM块体。当Li元素添加量为摩尔分数1%时, 在1400 ℃烧结4 h 获得的LSGM烧结体, 其体密度达到理论密度的99% 且为单一的钙钛矿结构。烧结体的离子电导率在800 ℃测试温度下达到最大值0.17 S/cm, 相比未添加烧结助剂的试样提升20%以上。上述结果表明, 通过添加适量的Li₂O作为烧结助剂对制备用于中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)高离子电导率的电解质具有重要意义。

将CO₂转化为高附加值的化学品是实现碳循环, 缓解能源危机和环境问题的有效途径之一。金属与半导体复合电极, 利用光电耦合技术为CO₂转化提供了一种新思路。本研究通过电沉积的方法在碱刻蚀处理后的Si片上制备了双金属Bi、Zn共修饰的Si基光电阴极(BiZn_x/Si), 用于CO₂的光电催化还原。研究表明, 引入金属Bi和Zn能够改善光的吸收性能, 降低电化学阻抗, 提高电化学活性比表面积(ECSA)。其中, BiZn₂/Si最优的光电极电化学比表面积可达0.15 mF·cm^-2。除此之外, 研究发现双金属共同作用有助于增强电极对中间体*OCHO的吸附作用, 在-0.8 V(vs. RHE)电势下, 最优的光电阴极BiZn₂/Si生成HCOOH的法拉第效率高达96.1%。更重要的是, 光电阴极BiZn₂/Si的光电流强度在10 h内维持-13 mA·cm^-2, 表现出良好的性能稳定性。

黑磷(Black phosphorus, BP)以其优异而独特的物理化学性质在能源储存与转换、微纳器件、光/电催化和生物医药等领域展现出良好的应用前景。高质量正交BP前体制备是实现二维BP和零维BP量子点应用的关键。本工作采用无温度梯度的化学气相运输(CVT)法研究了矿化剂组分和比例对BP生长的影响。结果表明, 只有锡(或铅)和碘共存且比例合适时才能制备得到正交BP; 生长BP所需的锡碘质量比w(Sn/I₂)范围较宽, 当w(Sn/I₂)=0.47时制得的BP尺寸为1.2 cm, 且产率高、晶体质量较优。结合BP的成核生长机理可知, 锡和碘都对BP的成核生长具有重要作用; 碘的矿化效果较锡明显, 而足量的锡有利于无温度梯度条件下大尺寸块体BP晶体的合成。w(Sn/I₂)=0.47为本工作中制备BP的最佳砂化剂配比。

制备硒化银(Ag₂Se)薄膜材料对于组装微型器件至关重要, 目前大部分制备方法难以精确控制薄膜尺寸并进行图案化设计, 喷墨打印技术成为解决这一问题的有效方法, 实现其与Ag₂Se材料的组合具有重要意义。本工作通过溶剂热法制备了Ag₂Se纳米颗粒, 再与不同分散剂混合以筛选出适用于喷墨打印的稳定墨水, 进一步调节喷射参数以优化打印过程中墨滴的形态, 提高打印质量。将墨水打印至聚酰亚胺衬底上, 经热处理后制备得到Ag₂Se薄膜。使用不同手段对其物相与微结构进行表征, 并测试不同打印层数薄膜的电学性能。结果表明: 随着墨水固含量与打印层数增加, Ag₂Se薄膜的结晶度和致密度得到明显提升, 电导率也得到相应提高, 这主要源于薄膜内部Ag₂Se纳米颗粒沉积量与堆积密集程度增加。当使用固含量为5 mg·mL^-1的墨水进行打印, 打印层数为40层时, Ag₂Se薄膜的电导率达到399 S·cm^-1, 表现出较高的导电性能。本研究为制备Ag₂Se基薄膜材料与器件提供了新的方向。

β-磷酸三钙(β-TCP)具有生物降解性和生物相容性, 但其固有的脆性限制了其在承重种植体中的应用。为进一步提高β-TCP的力学性能和生物相容性, 本研究以纳米黏土(Nano clay, NC)为添加剂, 采用数字光处理(Digital light processing, DLP)技术制备了β-TCP/NC(TNC)复合支架, 支架TNC10多孔结构孔径为200~300 μm。当加入NC含量为10%(质量分数)时, 支架(TNC10)各结构特征的烧结收缩最小。加入NC不会改变TCP的物相成分, 且支架表面均匀分布Si、Mg元素。加入NC可以提高TCP支架的压缩强度, NC(粒径<500 nm)融合在TCP颗粒的间隙中, 对比纯TCP支架, TNC10支架的压缩强度提高了10%。另外, TNC10 组较纯TCP的比表面积增加2倍以上。TNC降解速率更快, 可以持续释放Ca、Mg、Si、Li等离子, 并且TNC降解液保持弱碱性的环境。研究结果表明: 加入NC对β-TCP支架的力学强度、降解性能均具有一定的促进作用。利用DLP方法打印的具有良好的理化性能的多孔生物陶瓷支架在骨修复领域有巨大应用前景。

Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce (GAGG:Ce)闪烁体综合性能优异, 应用前景广阔。为加快GAGG的发光衰减速度, 本研究通过提拉法生长了Mg共掺的Gd₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce单晶。测试结果显示, 随着Mg²⁺掺杂浓度增加, 晶体的闪烁衰减速度加快, 光输出降低。传统解释认为, Mg²⁺通过电荷补偿作用将部分Ce³⁺转换成Ce⁴⁺, 后者的发光速度更快。本研究尝试从缺陷的形成与抑制的角度来讨论Mg改善GAGG:Ce晶体闪烁性能的作用机理。由于Ce的离子半径比Gd大, Ce离子掺入将导致发光中心Ce_Gd附近的晶格发生畸变。畸变结果为近邻的八面体格位空间变大, 反位缺陷将更容易在这些变大的八面体格位形成。最终每个发光中心Ce_Gd被四个反位缺陷Gd_Al包裹, 后者捕获载流子, 延缓从基体到发光中心的能量传递, 导致发光速度变慢。由于Mg的离子半径介于Gd和Al之间, Mg_Al将更容易在上述畸变的八面体格位形成, 这会抑制反位缺陷Gd_Al在发光中心Ce_Gd附近形成(或富集), 最终降低(甚至消除)反位缺陷对发光中心的不良影响。XEL测试结果显示, 随着Mg掺杂量增大, 与反位缺陷相关的发射峰强度变弱, 这可以证明Mg对反位缺陷有抑制作用。

近年来, 拥有高发光量子效率的低维钙钛矿/类钙钛矿结构金属卤化物在辐射探测领域展现出潜在的应用前景。本工作利用反溶剂扩散法生长了高光学质量的厘米级尺寸零维结构Cs₃Cu₂I₅单晶, 并系统研究了其光学吸收、透过、光致激发和发射、时间分辨光致发光、X射线辐照发光、余辉、热释光以及伽马射线探测性能。溶液法制备的Cs₃Cu₂I₅晶体的光学带隙为3.68 eV。在X射线激发下, Cs₃Cu₂I₅单晶的蓝光发射峰位于448 nm, 来源于自陷激子发光。闪烁衰减时间主分量为947 ns (96%)。Cs₃Cu₂I₅单晶的余辉水平与商用BGO晶体相当。此外, 该晶体作为伽马射线闪烁体也表现出29000 photons/MeV的高光产额, 与熔体法制备的Cs₃Cu₂I₅晶体闪烁性能相当。本研究证实了低成本制备高性能Cs₃Cu₂I₅闪烁晶体的可行性。

氨气污染是空气污染的重要因素之一, 且氨气容易诱发急性水肿和呼吸衰竭等疾病, 严重危害人体健康。开发高性能氨气传感器已经成为氨气实时监测和安全预警的重要手段。本工作采用水热法制备了纳米花状、纳米球状和纳米片状三种不同形貌的二硫化钼, 以此构建了三种MoS₂氨气传感器, 并利用自主搭建的气敏检测平台进行气敏性能研究。气敏实验结果表明: 在三种不同形貌的MoS₂氨气传感器中, 纳米花状MoS₂传感器对于氨气具有更好的响应性能, 对于10×10^-6 NH₃的响应值为7.41%, 而相同氨气浓度条件下的纳米片状和纳米球状MoS₂传感器的响应值分别为2.01%和5.11%。此外, 纳米花状MoS₂传感器还表现出优异的可重复性、稳定性和选择性。纳米花状MoS₂传感器具有优越的响应性能, 主要因为其具有较大的比表面积, 可为NH₃的吸附提供更多的活性位点。本研究为采用MoS₂作为基底材料制备高性能的NH₃传感器提供了新思路。

工业上应用哈伯工艺法合成氨过程要求严苛, 需要消耗大量能源且二氧化碳排放量大。因此, 开发在常规环境条件下通过电催化氮还原反应的清洁技术, 对未来可持续的能源转化进程具有重要意义。本研究采用密度泛函理论计算方法, 对TM₁N₄/TM₂嵌入石墨烯的氮还原反应进行了全面研究。在充分考虑活性和稳定性的情况下, 研究结果表明, NiN₄/Cr锚定石墨烯通过酶促反应途径表现出最佳的催化活性, 其中第一次加氢为电位决定步骤, 起始电位为0.57 V, 优于商业Ru基材料。此外, 与单一的Cr原子修饰的石墨烯相比, 引入NiN₄官能团降低了ΔG_max并提高了电催化性能。根据Mulliken电荷分析, 催化剂的催化活性主要来源于载体和反应中间体之间的电子转移。上述结果为高效合成氨提供了电极候选材料, 进一步深化了相应的电催化机理。