新一代固溶体富锂正极材料xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂(M=Co, Fe, Ni_1/2Mn_1/2…)具有高比容量、优秀的循环能力以及新的电化学充放电机制, 可能被用做新型高比能量锂离子电池正极材料. 本文介绍了富锂正极材料的结构、合成方法、电化学性能研究, 探讨了影响其电化学性能的若干因素. 并对其进行的各种改性研究进行了概述, 分析总结了不同富锂正极材料所具有的特性和发展趋势.

采用熔融-淬火-放电等离子烧结方法制备了两种不同掺杂方式的Na单掺和Na/Se共掺p型AgSbTe₂多晶块体材料(Ⅰ: 掺杂元素以过量形式添加AgNa_0.01SbTe₂, AgNa_0.01SbTe₂Se_0.04; Ⅱ: 掺杂元素以置换对应元素形式添加Ag_0.99Na_0.01SbTe₂, Ag_0.99Na_0.01SbTe_1.96Se_0.04). 研究了Na单掺、Na/Se共掺及不同掺杂方式对材料电、热输运性能的影响规律. 通过比较不同掺杂方式样品的电、热传输性能确定了最佳的Na/Se 掺杂方式: Na置换Ag, Se置换Te并结合适当的Se过量加入. 由于Na掺杂对Seebeck 系数的提高及Se掺杂对电导率和热导率的优化, Ag_0.99Na_0.01SbTe_1.96Se_0.04 化合物ZT最大值在620 K达到1.4, 较未掺杂AgSbTe₂化合物提高约17%.

采用离心沉降法及高温共烧结工艺在多孔NiO-Sm_0.2Ce_0.8O_1.9(SDC)阳极上成功地制备了SDC/LSGM (La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ)/SDC电解质薄膜. 经共烧结制备了11μmSDC/15μmLSGM/13μmSDC三层复合电解质薄膜. 电池在800℃最大输出功率密度为0.92W/cm², 但电池的开路电压0.89V低于理论电动势. 电池微结构和元素分析表明, 高温共烧结时Ni扩散到LSGM电解质薄膜中引起电子电导, 导致电池开路电压偏低. 阻抗谱测试表明, 引入SDC电解质作为隔离层后, 欧姆极化过程和电极极化过程共同影响电池的性能

采用熔炼、退火结合放电等离子烧结的方法制备了名义成分为MnSi_x ( x=1.60、1.65、1.68、1.73、1.81、1.85 )的高锰硅(HMS, Higher Manganese Silicide)块体材料. 物相分析结果表明, 随着Si初始用量x的增加, HMS (Mn₁₅Si₂₆)相各衍射峰强度先增强后减弱. 当x<1.73时, 样品物相组成为HMS相和少量MnSi相, 当x≥1.73时, 样品物相组成为HMS相和少量Si相. 体系的热电性能受MnSi相和Si相的影响, 热电性能分析结果表明: 随着Si名义含量x的增大, 试样电导率逐渐降低, 赛贝克系数逐渐增大, 热导率先降低后增高. 其中, 名义成分为MnSi_1.68的试样由于具有最高的电性能(功率因子)和较低的热导率, 从而具有最好的热电性能, 在400℃时其无量纲ZT值达到0.36. 

稀土锆酸盐材料具有比Y₂O₃部分稳定ZrO₂陶瓷低的热导率, 是新型热障涂层的潜在候选材料之一. 利用大气等离子体喷涂技术以喷雾造粒的Sm₂Zr₂O₇粉体制备涂层, 并在相同条件下沉积8wt%Y₂O₃稳定ZrO₂涂层. 对比评价了两种涂层的结构、热物理性能和力学性能. X射线衍射结果表明, 制备态Sm₂Zr₂O₇涂层为缺陷萤石结构. 扫描电镜分析显示, Sm₂Zr₂O₇和8wt%Y₂O₃稳定ZrO₂涂层为典型的层状结构, 内部有很多气孔、裂纹等缺陷. 800℃测得的 Sm₂Zr₂O₇涂层的热导率为0.44 W/(mK), 比相同条件下测得的8wt%Y₂O₃稳定ZrO₂涂层的热导率低~40%, 两者的热膨胀系数相似. 力学测试结果显示, Sm₂Zr₂O₇涂层的抗折强度、硬度和弹性模量均低于8wt%Y₂O₃稳定ZrO₂涂层.

以2D C_f/SiC为基底材料, 采用浆料刷涂工艺制得Ba_0.25Sr_0.75Al₂Si₂O₈(BSAS)环境障碍涂层, 并研究了未涂覆BSAS涂层(Cf/SiC)和涂覆BSAS涂层(C_f/SiC-BSAS)的两种试样的耐水腐蚀性能. 结果表明: 采用浆料刷涂工艺涂覆, 在高纯氩气保护气氛下, 经1350℃高温烧结, 可在C_f/SiC试样上制得致密且无明显缺陷的BSAS涂层, 一次涂覆烧结的厚度约为15μm, 三次涂覆烧结涂层的厚度可达50μm; 在1250℃、50%H₂O-50%O₂、常压静态气氛下腐蚀100h后, C_f/SiC试样的重量和抗弯强度均发生明显下降, C_f/SiC-BSAS试样的重量基本不变, 强度保持率高达90%以上.

石墨烯表面不含含氧基团, 这导致石墨烯在水中很难分散. 制备具有水溶性的石墨烯是一个研究焦点. 本研究采用氧化石墨低温真空膨胀的方法, 通过调控氧化石墨烯的含氧基团数目, 制备具有水溶解性的石墨烯材料. AFM测试表明所制备的水溶性石墨烯的最小片层厚度约为1.7 nm, 尺寸为1.0 μm. 分散实验结果表明; 所制备的石墨烯在不添加任何表面活性剂的中性水溶液情况下可以稳定分散, 其浓度为0.07 mg/mL; 此外, 电性能测试表明: 石墨烯薄膜材料的导电率可高达1000 S/m, 比通过非共价键石墨烯制备的薄膜导电率要高.

采用高密度3D炭纤维预制体, 以丙烯作为碳源, 氮气作为载气, 利用自制的快速CVI炉制备了板形C/C复合材料. 详细分析了压差等工艺参数在CVI制备C/C复合材料过程中对“封孔”现象的影响, 采用扫描电镜(SEM)和正交偏光显微镜(PLM)对各阶段C/C材料的微观形貌特征作了详细研究, 分析了预制体在増密过程中密度的变化, 初步探讨了“封孔”形成的机理. 实验证明: 采用多阶段CVI工艺可明显改善板形C/C材料封孔现象, 初始密度为0.94g/cm³的高密度预制体经过250h的增密, C/C复合材料密度达到了1.82g/cm³.

分别以Ti-B₄C-C体系和Ti-B₄C-C-Al体系复合粉为反应原料, 利用自反应喷射成形技术制备Ti(C,N)-TiB₂基复合陶瓷坯件. 利用XRD、SEM、EDS、TEM等方法, 研究分析了向喷射体系中加入5wt%金属Al对喷射沉积坯件组织结构、主要力学性能的影响及其原因. 结果表明, Ti-B4C-C体系的喷射沉积坯件主要由TiC_0.3N_0.7和TiB₂主相及TiO₂副产物相组成, 其致密度、维氏硬度、弯曲强度、断裂韧性等性能分别为97.2%、17.3GPa、387MPa、6.0MPa·m^1/2; 喷射体系中添加5wt%金属Al后, 喷射沉积坯件的主相仍为TiC_0.3N_0.7和TiB₂, 但副产物相中不含有害相TiO₂, 而增加了对复合材料有益的A_l2O₃与Ti₃Al相, 坯件内TiB2颗粒长径比增大, 出现大量长棒状晶, 并使坯件的致密度、维氏硬度、弯曲强度、断裂韧性等性能也分别提高到97.7%、20.6GPa、425MPa、7.3MPa·m^1/2.可见金属Al的添加可有效抑制喷射过程中Ti的氧化, 明显改善喷射沉积坯件的综合力学性能.

阳极析气能够有效调制微弧氧化膜层表面形貌. 实验提出了一种CO₂增强析气的方法. 在Na₃PO₄+KOH+NaF溶液中添加Na₂CO₃对AZ31镁合金表面进行微弧氧化处理. 利用气相质谱、扫描电镜、X射线衍射、红外光谱扫描探讨了Na₂CO₃添加剂对阳极区析气反应的影响和对膜层形貌、结构的调制作用. 结果表明: 与传统微弧氧化不同, 添加Na₂CO₃之后, 阳极区产生的气体既有O₂也有CO₂. 在含Na₂CO₃的电解液中, 微弧氧化前期的阳极氧化阶段有MgCO₃生成; 在微弧氧化后期, 膜层中不含有MgCO₃, 膜层主要相仍为MgO相. 对比发现, 经过Na₂CO₃调制之后的膜层表面大尺寸孔隙数目减少, 膜层孔隙率提高.  

在超声波作用下以均匀沉淀法合成了纳米荧光粉Eu_0.12Y_1.78Ca_0.10O_3-δ, 用X射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)、等离子体原子发射光谱(ICP-AES)、透射电镜(TEM)对其进行表征, 利用不同升温速率的差热-热重分析(DTA-TG)研究了纳米荧光粉Eu_0.12Y_1.78Ca_0.10O_3-δ的合成动力学. 研究表明, 合成的Eu_0.12Y_1.78Ca_0.10O_3-δ为体心立方Y₂O₃结构, 球形纳米多晶, 平均粒径约20nm, 其前驱体为六方相Y(OH)₃, 利用Doyle-Ozawa法和Kissinger法计算得到前驱体三个分解阶段的表观活化能平均值分别为102.06、488.00、302.74kJ/mol. 用Kissinger法确定了反应级数和频率因子, 确定了三个反应阶段的速率方程分别为dα/dt=8.86×10⁸e^-12280/T(1-α)^1.36; dα/dt=4.05× 10³³e^-58700/T(1-α)^1.32; dα/dt=7.14×10¹⁹e^-36410/T(1-α)^1.27.

采用高温固相法制备了KNaCa₂(PO₄)₂:Eu²⁺蓝色荧光粉, 并研究了材料的发光特性. 在400 nm近紫外光激发下, 材料呈非对称的单峰发射, 主峰位于470 nm. 监测470 nm发射峰, 对应的激发光谱覆盖200~450 nm, 主峰位于400 nm, 说明材料能够很好的吸收紫外-近紫外光, 发射蓝色光. 利用van Uitert公式计算了Eu²⁺取代KNaCa₂(PO₄)₂中Ca²⁺时所占晶体学格位, 得出461和502 nm发射分别归属于八配位和六配位的Eu²⁺发射. 研究了Eu²⁺掺杂浓度对KNaCa₂(PO₄)₂:Eu²⁺材料发射强度的影响, 结果显示Eu²⁺的最佳掺杂浓度为1mol%, 利用Dexter理论得出其浓度猝灭机理为电偶极-电偶极相互作用.

以巯基乙酸为稳定剂, 在水溶液中加热CdCl₂、HgCl₂ 和 NaHTe的混合物直接合成CdHgTe合金量子点. 分别用荧光光谱、红外光谱、X射线衍射及透射电镜对其光谱性能、表面基团和结构形貌进行了表征. 结果表明, 合金量子点的发射波长在536到688 nm范围内连续可调, 掺杂后量子点的发射光谱变宽, 半高峰宽为70~90 nm; CdHgTe的荧光量子产率介于1.5%到6.7%之间; 巯基与CdHgTe量子点表面的Cd²⁺离子发生键合, 而使巯基乙酸结合于量子点表面; 合金量子点具有闪锌矿结构; 量子点分散性好, 形貌呈颗粒状.

以钛酸四丁酯为钛源、硝酸镧为镧源、十二胺为模板剂, 采用超声-水热法合成了La³⁺掺杂介孔TiO₂微球, 并利用XRD、XPS、 TEM、 BET、UV-Vis、IR、FL等手段表征了材料的结构、形貌、比表面积、孔径分布及光学性能. 研究结果表明, 适量La³⁺离子掺杂不仅能使介孔TiO₂晶粒细化, 比表面积增大, 荧光强度减弱. La³⁺/TiO₂的光吸收边红移, 并具有比商业P25更好的光催化活性, 其中介孔La³⁺/TiO₂ (2.0at%)的比表面积和平均孔径分别为132.7 m²/g和8.67 nm, 光催化降解初始浓度为40 mg/L的亚甲基蓝溶液120 min时, 其降解率达到98.5%, 表现出最强的光降解能力. 

结合强吸附能力与高光催化活性的催化剂有望更有效地除去废水中的污染物. 以Degussa P25二氧化钛为原料, 采用水热法制备了二氧化钛纳米管(简称为TNTs), 将TNTs加入到溶有氯铂酸和柠檬酸(还原剂)的无水乙醇中, 在蒸汽相水解装置中通过一步法制备了Pt负载型二氧化钛纳米管/纳米晶复合光催化剂. 蒸汽相处理过程中, 部分纳米管转变为锐钛矿相TiO₂, 仍有部分以管的形式存在, 使纳米复合物保留了较高的吸附能力. 利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、比表面及孔隙度分析仪等方法对产物进行了表征. 结果表明, 粒径约为4 nm的金属性Pt较好地分散在TNTs及由纳米管转变而来、晶粒尺寸约为8 nm的锐钛矿相TiO₂晶粒表面, 复合物保留了高于216 m²/g的比表面积. 光催化降解染料酸性红及亚甲基蓝的实验结果表明, 纯管有较好的吸附能力, 但是光催化性能非常低, 经120℃蒸气处理并负载贵金属Pt后光催化活性有了显著的提高. 

以Bi(NO)₃^.5H₂O和Fe(NO)₃^.9H₂O为水热反应原料, 选择KOH作为矿化剂合成单相BiFeO₃. 通过调节KOH浓度和升降温速率可控合成了规则的大尺度多面体BiFeO₃颗粒. 发现高碱浓度有利于合成规则多面体BiFeO₃颗粒, 合适的水热降温速率是影响高结晶度BiFeO₃颗粒合成的重要因素之一. 当KOH浓度为6和8 mol/L, 降温速率为0.2℃/min时, 产物为高结晶度准立方和截角立方颗粒, 当降温速率调节为0.1℃/min时, 产物为表面粗糙的立方八面体和截角八面体颗粒. 当KOH浓度为8 mol/L, 降温速率约为2℃/min时, 产物为表面粗糙且有孔洞的截角立方颗粒. 通过扫描电镜图片观察到其形貌演变过程并解释了大尺度多面体BiFeO₃颗粒的形成机制.

以Al₂O₃-MgO-P₂O₅磷酸盐为粘结剂, 采用有机泡沫浸渍工艺制备了多孔陶瓷, 采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、排水法和压缩实验等表征了多孔陶瓷的孔隙形貌、相组成、孔隙率和力学性能, 并通过体外细胞实验研究了其细胞相容性. 结果表明, Al₂O₃-MgO-P₂O₅磷酸盐的加入不仅可以使浆料能够均匀地涂覆在泡沫体上, 也促进了陶瓷的烧结. 得到的多孔陶瓷具有相互连通、分布均匀的孔隙结构(大孔孔径在100~500μm, 还有约为3μm微孔), 平均孔隙率为85.9%±1.6%, 平均压缩强度为(1.04±0.15)MPa; 多孔陶瓷虽然是一种由HA、β-Ca₂P₂O₇和少量含Mg、Al的物相组成的复合磷酸盐陶瓷, 但在体外实验中没有表现出明显的细胞毒性, 并能促进细胞快速增殖与分化, 表明该多孔陶瓷具有良好的细胞亲和性和相容性. 

采用低氟的金属有机盐沉积技术(MOD)在LAO单晶上制备了Gd和Zr掺杂的YBCO薄膜, 并分析了不同掺杂对YBCO薄膜在外加磁场下的Jc的影响. 研究发现, 采用Gd部分取代YBCO薄膜中的Y元素, 可以有效地提高YBCO薄膜高场下的J_c值, 但对于低场下的Jc值影响不大; 而采用过量Gd掺杂YBCO薄膜, 可以有效地提高YBCO薄膜在低场下的J_c值, 但对于高场下的J_c值影响不大. 而Zr掺杂可以有效地提高YBCO薄膜在低场和高场下的J_c值. 最后, 结合Gd取代和Zr掺杂两种方式, 有效地提高了YBCO薄膜的场性能, 其最大钉扎力(Fp(Max))达到了16GN/m³, 比纯的YBCO薄膜(4.0 GN/m³)提高了约3倍; 在磁场为3T和7T下, 其J_c值分别为1.31MA/cm²和87.7kA/cm². 

以正硅酸乙酯(TEOS)和钛酸正丁酯(TBOT)为原料, 采用溶胶-凝胶法制备了SiO₂溶胶和TiO₂溶胶, 利用浸渍提拉法制备了SiO₂/TiO₂双层减反膜. 用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、椭圆偏振光谱仪和接触角测量仪等分析表征了薄膜的特性, 以光催化降解甲基橙溶液实验来评价薄膜的自洁功能, 考察了SiO₂/TiO₂双层减反膜的耐磨擦性. 结果表明, SiO₂/TiO₂双层减反膜在400~800nm可见光波段的透光率最高可达97.2%, 薄膜表面平整, 结构致密且粗糙度小, 经紫外灯照射后薄膜的水接触角接近0°, 光催化2h后可将5mg/L的甲基橙溶液降解43.6%. SiO₂/TiO₂减反膜还具有优良的耐磨擦性能.

本文提出了一种新型染料敏化太阳能电池的叠层结构设计, 其中光阳极由导电玻璃上的第一层TiO₂纳米薄膜和不锈钢网上的第二层TiO₂纳米薄膜组成, 不同染料间的负反应相比混染共敏方式少. 此结构中引入的金属网, 减少了导电玻璃的使用片数, 从而减少入射光的损失; 同时也解决了两层不同TiO₂薄膜间的电连接性问题, 并提高电子传输和收集效率. 此叠层电池的光电转换效率达1.96%, 短路电流为8.4mA/cm², 相比相同电池厚度的单层电池, 效率提高约62%. 通过阻抗谱分析了叠层电池内部的电子传输, 给出叠层电池的等效电路图. 此外, 还发现电池厚度的增加及电子在不锈钢网表面的复合对光电性能有显著影响.

采用化学气相沉积法制备了块体非晶态Si-C-N陶瓷. 用TG/DSC、XRD、SEM和TEM等技术方法研究了所制备的Si-C-N陶瓷的热行为. 研究结果表明: 在热处理过程中, 非晶态Si-C-N首先发生相分离, 分离后的一种相呈颗粒状; β-SiC就是从这种颗粒状的分离相中形成. 在热处理条件下, 非晶Si-C-N的晶化温度约为1200℃; 在加热速率为20℃/min的连续加热条件下, 其晶化温度为1372.6℃. β-SiC在1200℃首先形成, β-Si₃N₄和α-SiC则在1500℃形成. 在扫描电镜观察中, 热处理后的Si-C-N中出现一种类似于层状的组织, 这种组织的晶化程度较高.