燃料电池对其理想燃料氢气的纯度要求极高, 如何低成本、大规模制取高纯氢气已成为燃料电池技术实现工业化的一个关键问题和研究热点. 近年发展起来的兼具催化与分离双重功能的膜催化反应技术是实现制取高纯氢气的一个有效途径. 本文结合膜催化反应领域的最新进展, 综述了膜催化反应器的优点、组成、类型; 介绍了无机膜材料的优点、分类及制备技术; 详细综述了透氧膜催化反应器、透氢膜催化反应器及双膜催化反应器在制氢过程中的研究进展和应用, 指出了膜催化反应制氢技术在工业化发展过程中存在的问题及应用前景.

在以尿素为沉淀剂制备钛酸钡(BaTiO₃)/钡铁氧体(BaFe₁₂O₁₉)核/壳粒子的基础上, 采用透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射分析仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对BaTiO₃/BaFe₁₂O₁₉核/壳粒子前驱物及BaTiO₃/BaFe₁₂O₁₉核/壳粒子的形貌、结构和成份进行了表征, 采用网络矢量分析仪对BaTiO₃/BaFe₁₂O₁₉核/壳粒子的电磁特性进行了研究. 结果表明, 均匀共沉淀制得的BaTiO₃/BaFe₁₂O₁₉粒子呈现核/壳结构, BaFe₁₂O₁₉壳层对BaTiO₃的包覆均匀、完整、光滑; 在2~7GHz, BaTiO₃/BaFe₁₂O₁₉核/壳粒子的ε′和ε″分别为10.7~17.0和0.3~0.6, 均高于BaTiO₃. ε′和ε″的增大是核/壳结构所引起的界面极化加强的结果; BaTiO₃/BaFe₁₂O₁₉核/壳粒子出现了BaTiO₃所没有的磁性能, 其μ′和μ″在2~7GHz远远高于BaTiO3, 表现出了较为明显的磁损耗, 这与磁性BaFe₁₂O₁₉壳层的包覆有关.

以Bi(NO₃)₃-5H₂O、板状钛酸(H_1.07Ti_1.73O₄-nH₂O)、NaOH为原料, 采用水热法合成了具有钙钛矿结构的Na_0.5Bi_0.5TiO₃纳米纤维. 利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、透射电镜(TEM)和X射线能谱仪(EDS)对产物进行表征. 通过考察在200℃下水热反应不同时间的产物的相结构、微观形貌及化学组成, 对Na_0.5Bi_0.5TiO₃纳米纤维的形成机理进行了探讨. 结果表明: 钛酸H_1.07Ti_1.73O₄-nH₂O是一类具有层板结构的化合物, 在水热反应过程中, 板状钛酸的层间H₃O⁺可与Na⁺、Bi³⁺进行离子交换, 通过原位生长的方式形成了板状Na_0.5Bi_0.5TiO₃颗粒, 随着水热反应的进行, 板状Na_0.5Bi_0.5TiO₃颗粒裂解形成纳米纤维. 所得的Na_0.5Bi_0.5TiO₃纳米纤维分散性好, 具有钙钛矿结构, 直径为30~150 nm, 长度为几个微米到十几个微米.

利用纳米铸造法, 以立方有序介孔分子筛MCM-48为硬模板, 550℃成功制备了结晶良好的纯相单斜介孔BiVO₄. 采用XRD、TEM、BET及UV-Vis光谱分析对样品的结构进行了表征, 结果表明: 与水热法制备的大颗粒样品相比, “纳米铸造”介孔BiVO₄的平均孔径为16.8nm, 孔体积为0.1 cm²/g, 比表面积高达22.9 m²/g, 有效减少了光生电子和空穴复合的几率, 在可见光范围内表现出优良的可见光催化活性, 90min内对乙基黄原酸钾的光催化降解率高达78%.

本实验设计了一种简单有效的一体化大尺度染料敏化太阳能电池(DSC)模块, 开孔率(有效面积与总面积之比)高达85%, 远高于传统的串联和并联模块设计. 该设计采用在光阳极导电玻璃表面电镀镍栅极和对电极导电玻璃表面电镀镍薄膜修饰来降低电池传输电阻. 有效面积为510 mm2的电池模块光电转换效率η达到3.00%(AM 1.5, 100 mW/cm²), 填充因子(FF)为0.594, 与未镀镍的样品(η为0.537%, FF为0.251)相比, 性能显著提高. 并利用阻抗谱对大面积性能改善进行了解释, 还利用SEM、XRD等分析了电镀镍薄膜的质量.

报道了A:Al₂O₃(A=Cr, Fe, Ni)晶体光学浮区法生长工艺, 研究了旋转速率、生长速率对晶体质量的影响, 制备出了直径6~8 mm、长度为60~80 mm的A:Al₂O₃晶体. A:Al₂O₃晶体的生长方向为<001>方向, X射线双晶摇摆曲线表明A:Al₂O₃晶体具有良好的晶体质量. 通过X射线衍射、扫描电镜、偏光显微镜对晶体中的生长缺陷进行了研究, 结果表明, A:Al₂O₃晶体的主要缺陷为小角度晶界、包裹体和溶质尾迹. 研究了A:Al₂O₃晶体的光谱性能, 并对A:Al₂O₃晶体的介电性能进行了测量, 室温下1000 kHz时A:Al₂O₃晶体表现出较高的介电系数e_r(12.1~15.7)和较小的介电损耗tand(0.0020~0.0002).

采用微波辅助均相沉淀法制备了Nd:YAG(Nd:Y₃Al₅O₁₂)纳米粉体. 通过XRD和SEM对此方法制备的Nd:YAG纳米粉体进行了分析表征, 并分析了在陈化过程中, 湿度、温度和陈化时间对制备Nd:YAG纳米粉体的影响. 实验结果表明: 陈化环境的湿度、温度和陈化时间对制备Nd:YAG纳米粉体的组分和形貌有显著的影响. 陈化环境中湿度和温度对Nd:YAG纳米粉体的影响具有一定的依存关系, 必须适当地控制; 陈化时间对Nd:YAG纳米粉体的粒径大小影响显著, 随着陈化时间的延长, 获得的Nd:YAG纳米粉体的颗粒尺寸先减小后增大. 

采用射频磁控溅射技术制备HfLaO薄膜, 利用X射线衍射(XRD)分析了薄膜的微结构, 通过紫外?可见光分光光度计测量了薄膜的透过谱, 计算了薄膜的折射率和禁带宽度, 利用原子力显微镜观察了薄膜的表面形貌. 结果表明: 沉积态HfLaO(La: 25%~37%)薄膜均为非晶态, 随着La掺入量的增加, HfLaO薄膜的结晶化温度逐渐升高, HfLaO(La~37%)薄膜经900℃高温退火后仍为非晶态, 具有优良的热稳定性, AFM形貌分析显示非晶薄膜表面非常平整. 随着 La掺入量的增加, HfLaO薄膜的透射率先降后增, 在可见光范围薄膜均保持较高的透射率(82%以上). HfLaO薄膜的折射率为1.77~1.87. 随着La掺入量的增加, HfLaO薄膜的折射率呈先增后降的变化趋势, 同时HfLaO薄膜的Eg逐渐降低, 分别为5.9eV(La~17%)、5.87eV(La~25%)、5.8eV(La~33%)和5.77eV(La ~37%).

采用直流反应磁控溅射技术在玻璃基底上制备了太阳电池用CuInS₂薄膜. 以X射线能量色散谱仪、扫描电镜、X射线衍射仪、冷热探针和霍尔效应测试系统对薄膜进行了表征. 结果表明, 薄膜成分可通过调整Cu靶和In靶的功率比PCu/PIn来进行调控; 而薄膜形貌则取决于靶功率比和薄膜的成分. 随着PCu/PIn的增大, 薄膜物相由富铟相向CuInS₂转变. 对于CuInS₂薄膜, 提高铜铟原子比[Cu]/[In]可改善薄膜的结晶质量. 但当薄膜富铜时, 过高的[Cu]/[In]又会导致薄膜结晶质量的下降. 当CuInS₂薄膜为富铜与略微贫铜时, 其导电类型为P型; 且载流子浓度随[Cu]/[In]增加而增大, 并远高于其它贫铜薄膜. CuInS₂薄膜的载流子迁移率明显高于富铟相薄膜; 且随着[Cu]/[In]的提高, CuInS₂薄膜的载流子迁移率呈上升趋势, 而电阻率则迅速下降.

以共沉淀法和离子交换法制备别嘌醇插层Zn/Al-NO₃-LDH复合材料, 结合XRD、FT-IR、TG-DTA分析表明, 别嘌醇进入LDH层间与层板相互作用形成超分子结构, 提高了别嘌醇的耐酸性和热稳定性, 且共沉淀法制备的别嘌醇插层LDH具有良好的缓释性能. 提出了共沉淀法制备有机分子插层LDH过程中, 存在易于客体进行离子交换和包埋的溶胶-凝胶中间形态的假设, 可提高有机分子插层量.

通过阳极氧化技术, 在钛表面制备一层管径为100nm左右的氧化钛纳米管. 选取小牛血清白蛋白(BSA)和纤维连接蛋白(FN)两种蛋白质进行蛋白吸附实验, 并在仿生条件下进行蛋白质的体外释放. 对吸附了蛋白的纳米管试样表面进行红外和荧光定性分析, 同时采用考马斯亮蓝法对纳米管表面的蛋白吸附进行定量检测, 实验发现纳米管试样更有利于蛋白质的吸附, 且FN在试样表面吸附时的吸附率大于BSA. 氧化钛纳米管的蛋白释放分为突释和缓释两个阶段, 其释放机制符合Fickian扩散.

采用毛细管式微通道反应器, 研究了清液合成体系中流动法条件下亚微-纳米级NaA和Silicalite-1沸石分子筛的合成, 考察了合成温度、陈化时间、停留时间等条件对其粒径分布和形貌的影响. 通过XRD、TEM、DLS进行表征, 分析结果表明: 降低合成温度, 增加陈化时间和减少停留时间都能使分子筛产品的粒径变小. 经优化的合成条件分别是: 当合成温度为70℃、陈化时间为72h、停留时间为5.8h时, 可获得平均粒径约为100nm的NaA分子筛, 且晶粒均匀呈椭球形; 合成温度为98℃、陈化时间为24h、停留时间为10h时, 可获得平均粒径约为80nm的Silicalite-1分子筛. 该方法比常规合成釜内静态法制备的沸石粒子小而均匀, 且合成过程简单、连续.

通过对炭/炭复合材料纤维束界面不同成型阶段结构和性能的研究, 探索束界面在制备过程中的形成规律. 采用顶出实验、SEM、Micro-CT、XRD以及Raman对不同成型阶段的炭/炭复合材料中纤维束/基体界面剪切强度、界面层结构进行了分析. 结果发现材料密度较低时, 石墨化程度增加不利于束界面剪切强度的提高; 随着材料密度的增大, 束界面剪切强度明显升高. 通过对其界面结构进行分析, 可以看出在沥青浸渍、炭化和石墨化的制备过程中, 炭基体优先在束内形成, 然后逐步向束界面层及束间空间发展, 最后束界面层组织结构趋于完善. 随着热处理温度的升高, 其界面层组织结构的石墨化程度逐渐增强, 其结晶程度也不断增强.

利用非自耗电弧熔融技术制备的22Ti-78Si (wt%)高温共晶钎料实现SiC陶瓷连接. 采用SEM、材料试验机研究了工艺参数对钎焊接头的组织结构、强度和断口形貌的影响规律. 结果表明: 在钎焊温度1380~1420℃、保温时间5~20min、钎料厚度50~200 μm条件下, 均能实现SiC陶瓷连接, 在1400℃、保温时间10min和钎料厚度100μm的条件下, SiC/22Ti-78Si/SiC接头剪切强度最大值可达125MPa. 

采用Ta₂O₅为晶核剂制备Li₂O·Al₂O₃·4SiO₂-Ta₂O₅微晶玻璃, 并研究其分相、析晶机理, 构建晶化模型. 结果表明Ta₂O₅能有效促进玻璃的体积析晶, 获得了晶粒尺寸为50nm的精细组织. 非等温动力学计算显示随Ta₂O₅含量增加, 析晶活化能降低, 析晶指数增加, 析晶动力学参数K(T_p)作为析晶判据更为合理. 研究发现, LAST玻璃冷却时因亚稳分解导致互锁分相, 形核前期又借助成核生长机制发生微滴分相, 晶体生长则在继承亚稳分相形貌基础上发生“他形”析晶. 最终构建了LAST微晶玻璃的晶化模型.

硅酸盐材料是传统建筑和现代建筑中最常用的材料之一, 本文对中国古代建筑中使用的两种硅酸盐材料料礓石和阿嘎土进行了对比分析. 研究发现料礓石和阿嘎土具有相似的化学组成和物理性质, 料礓石和阿嘎土经700~1400℃焙烧后, 具有“气硬”和“水硬”双重特性, 并且随着焙烧温度的升高, 气硬组分先增加后降低, 而水硬组分呈不断增加的规律性变化. 研究表明: 烧料礓石和烧阿嘎土的化学组成及化学特性具有类似欧洲“水硬石灰”的性质, 改性的料礓石和阿嘎土可用于修复加固石质、土质及砖、陶质类等文物.

采用沉淀法制备了纳米氟羟基磷灰石(FHA), 研究了合成温度、初始氟离子浓度和 pH 值对氟替代的影响. 用 X 射线衍射和红外光谱表征了FHA粉体的物相组成和晶体结构变化, 用透射电镜观察了FHA的形貌. 结果表明: 氟替代会导致晶格参数和键能的变化, 随着合成温度或原料中氟浓度的升高, FHA 晶粒尺寸和长径比增大; 相组成主要受pH值控制, 考虑到OH^–和F ^–对羟基空位的竞争, 高pH值不利于氟替代.

采用传统的固相合成法制备了Eu³⁺掺杂的Bi₄Si₃O₁₂发光材料. 使用X射线粉末衍射技术对制备的发光粉体进行了表征. Eu³⁺掺杂的Bi₄Si₃O₁₂材料的激发谱表明, 在265 nm处强而宽的谱带对应于Eu³⁺ → O^2-之间的电荷转移跃迁带. 在用紫外光激发的荧光光谱中, Eu³⁺掺杂的Bi₄Si₃O₁₂材料在614 nm处有强的红光发射. 材料的激发和发射光谱结果表明, Eu3+掺杂的Bi₄Si₃O₁₂有望做为红色固体发光的候选材料.