随着动力电池和电网储能等对高性能电池需求的增大, 具有超高比能量的锂空气电池受到了越来越多的关注. 为了开发出循环性能好、安全实用的锂空气电池, 各国研究者对相应的正极材料、电解质、催化剂和防水透氧膜等都做了大量的探索性工作, 并取得了一系列的进展. 其中, 找到稳定的电解质、设法减小放电产物的钝化, 对锂空气电池的真正可逆循环最为关键. 本文以惰性有机电解质体系的锂空气电池为主, 总结了近年来在空气正极、催化剂、电解质和防水透氧膜等方面的最新研究成果, 同时简单介绍了其它体系的锂空气电池, 并提出了对锂空气电池未来的努力和发展方向.

采用溶胶–凝胶法合成了LaFeO₃, 并以蔗糖为碳源, 通过热处理方法合成了不同碳包覆量的LaFeO₃/C复合材料. 采用XRD、SEM和电化学性能测试等分析方法对所制备材料的结构、表面形貌和电化学性能进行了研究, 利用Raman光谱和TEM分析材料中碳的存在状态. 结果表明, 不同碳含量的LaFeO₃/C复合材料均为正交晶系的钙钛矿结构, 蔗糖经高温分解后在LaFeO₃颗粒表面和颗粒间形成的包覆层为非晶碳; 电化学分析表明, 碳包覆LaFeO₃的电化学性能优于未包覆的LaFeO₃, 其中碳含量为5wt%的材料电化学性能最好, 首次放电容量最高可达390 mAh/g. 碳包覆对LaFeO₃/C电极的交换电流密度I0影响较大, 随碳包覆量增加, I0值增大, 但碳包覆对LaFeO₃/C电极的离子扩散系数影响不明显.

Li₄Ti₅O₁₂是具有良好应用前景的锂离子电池负极材料之一. 本研究以聚丙烯酰胺(PAM)为模板剂和碳源, 采用改进的固相合成法制备锂离子电池负极材料Li₄Ti_4.95Al_0.05O₁₂和Li₄Ti_4.95Al_0.05O₁₂/C. 利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜等测试手段表征材料的物相结构和形貌. 结果表明: Al掺杂未改变Li₄Ti₅O₁₂的尖晶石结构, 合成过程中PAM模板剂的引入能够有效调控材料微观形貌并降低颗粒团聚程度. 采用恒流充放电和交流阻抗测试材料的电化学性能, Li₄Ti_4.95Al_0.05O₁₂/C复合材料的比容量和循环性能得到明显改善, 0.2C倍率下首次充放电比容量分别达到159.2和160.8 mAh/g, 5C倍率时仍有较好的循环性能.

采用高温固相法制备了钇掺杂锆铈酸钡(BaZr_0.90-xCe_xY_0.10O_3-δ, x=0.09、0.18、0.27)(即BZCY系列)前驱体粉末, 研究了烧结性能和电导率. 结果表明, 在所研究的组成范围内, x=0.27(即C3)试样为最佳. 再进一步通过优化烧结助剂ZnO添加量以提高试样的烧结性能及电化学性能. 实验表明, ZnO能够与前驱体发生固溶取代反应, 有效地提高了样品烧结性能. 随着ZnO添加量的增加, 试样烧结致密度提高, 但直流电导率先增大后减小. 当ZnO添加量为2mol%(C3-Z2)时, 试样具有最高的直流电导率, 800℃在湿H₂中电导率可达9.27 mS/cm. C3-Z2试样的XRD衍射峰与BaCeO₃、BaZrO₃标准衍射峰相比出现一定角度的偏移, 而与BaCe_0.4Zr_0.6O₃的标准图谱相对吻合较好.

以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂, 通过高温氨解还原V₂O₅前驱体制得了具有丰富介孔的VN纳米材料, 采用XRD与TEM分析观察样品的结构和形貌, 用N2吸附测试样品的比表面积和孔径分布. XRD分析表明, 介孔VN纳米材料属于立方晶系的晶体结构. TEM和N₂吸附测试结果表明, VN纳米材料的颗粒粒径大约为10 nm, 比表面积为88 m²/g, 有比较丰富的2~6 nm的介孔. 在1 mol/L KOH电解液中进行循环伏安和恒流充放电测试研究其电容性能, 结果显示, VN电极同时具有双电层电容性能和氧化–还原反应的准电容性能, 1 mV/s的扫描速率下能获得517 F/g的比电容; 当扫描速率增大到10 mV/s时, 其比电容仍有275 F/g.

采用固相反应法制备了Ba₄Sm_9.33Ti₁₈O₅₄ (简称BST)•xwt%Al₂O₃ (x=0~1.5)微波介质陶瓷. 研究了掺杂Al₂O₃对BST陶瓷的显微结构和介电性能的影响. 扫描电镜和能谱分析结果显示: 未掺杂的BST陶瓷中有少量Sm₂Ti₂O₇相, 随着增加Al₂O₃掺入量, Sm₂Ti₂O₇相消失, BST陶瓷中先后产生了BaTi₄O₉ (x≥0.6) 和BaAl₂Ti₅O₁₄ (x≥1.0) 两种新相. 介电性能测试结果表明Sm₂Ti₂O₇相的消失以及少量BaTi₄O₉相的形成, 能显著提高BST陶瓷的Qf值, 但会降低陶瓷的介电常数. 当Al₂O₃的掺入量从0.6wt%增加到1.0wt%时, BaTi₄O₉相的量逐渐增加, 引起BST陶瓷的Qf值略微下降. BaAl₂Ti₅O₁₄相的产生会同时降低BST陶瓷的介电常数和Qf值. 掺入0.6wt% Al₂O₃的BST陶瓷在1340℃烧结3 h后具有最佳的介电性能: ε_r=74.7, Qf =10980 GHz, τ_f =–11.8×10^-6/℃.

以石墨为原料, 采用Hummers法液相氧化合成了氧化石墨(GO), 通过低温真空剥离预还原、磺化反应、葡萄糖二次还原, 合成了高质量的磺化石墨烯(S-GNS), 有效避免了在此过程中石墨烯大量团聚的现象. 采用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、热重分析仪(TG)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)等分析手段对磺化石墨烯样品进行了表征. 实验结果表明: 对氨基苯磺酸成功地接枝到了石墨烯上, 磺化石墨烯还原彻底, 热稳定性能高; 石墨烯表面平整, 缺陷少; 单层磺化石墨烯厚度约为1.2 nm. 水溶性、分散性实验结果表明: 磺化石墨烯拥有高水溶性和高分散性. BET比表面积及电性能测试表明: 磺化石墨烯的比表面积高达806.4 m²/g, 薄膜材料的导电率为1150 S/m.

采用共沉淀法合成的复合添加剂粉体制备ZnO压敏陶瓷,用TG-DTA热分析沉淀物前驱体, 通过XRD、SEM、EDS和DLS表征复合粉体的物相、形貌、组成元素、粒度及其分布, 测试压敏陶瓷性能、并观察其结构.结果表明, 550℃煅烧前驱体生成各添加剂氧化物的混合物; 650℃煅烧1 h形成组成为(Bi_1.14Co_0.26Mn_0.29)(Sb_1.14Cr_0.57Ni_0.29)O_6.25焦绿石型复合添加剂粉体, 复合粉体平均粒径为0.26 μm; 复合粉体制备的ZnO压敏陶瓷的电位梯度为330 V/mm、非线性系数为47、漏电流为5 μA/cm², 电性能参数分别优于固相法混合添加剂粉体制备的压敏陶瓷, 这归因于复合粉体制备的压敏陶瓷具有更均匀的显微结构.

采用溶胶–凝胶法制备了TiO₂和Bi掺杂的TiO₂纳米颗粒, 用N2吸附-脱附、SEM、XRD、FT-Raman、UV-Vis DRS对光催化材料的孔结构、表面构造、能带结构、吸光特性进行了表征, 并考查了其光催化甘油水溶液制氢反应的活性. 结果表明: Bi掺杂后的TiO₂为介孔结构的锐钛矿晶型纳米颗粒, 其分散度明显增加, 晶粒变小, 比表面积增大; Bi掺杂使得TiO₂禁带内形成杂质能级, 降低了禁带能量, 增加了光生电子和空穴的分离效率, 有利于将TiO2的吸光带边界扩展至可见光区; Bi掺杂的TiO₂样品表现出了远高于纯TiO₂的光催化甘油水溶液制氢性能, 2mol%Bi掺杂的样品在紫外光和模拟太阳光辐射下表现出了最高产氢活性, 其速率分别为3534.8 μmol/(h·gcat)和  455.7 μmol/(h·gcat).

采用简单的离子交换法, 将Pd2+与羟基磷灰石中的Ca2+交换, 制备出含钯羟基磷灰石催化剂, 并应用于苯甲醇的绿色催化氧化反应. 通过X射线衍射(XRD)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)、X射线光电子能谱(XPS)、场发射扫描电镜(FE-SEM)以及场发射透射电镜(FE-TEM)等手段对催化剂进行表征, 结果表明, 部分Pd进入羟基磷灰石晶格, 但未改变羟基磷灰石的晶体结构, 部分Pd以纳米颗粒的形式在HAp晶体表面析出. Pd纳米颗粒在催化剂中有高度的分散性, Pd的含量增加, 催化剂的催化效率提高, 且该催化剂对苯甲醇氧化具有较好的选择性和可重复使用性.

采用水解－插层复合法, 以TiOSO₄·2H₂O为TiO₂的前驱体, 蒙脱石为复合基体, 通过控制蒙脱石悬浊液pH值, 制备了不同的蒙脱石复合结构样品. 采用XRD研究了样品的结构、物相、晶粒大小等属性的变化. 结果表明, 蒙脱石悬浊液的pH值对TiOSO₄·2H₂O水解属性有较大的影响, 从而影响水合氧化钛/蒙脱石的复合结构特性, 当蒙脱石悬浊液pH为0.5时, 电价较低且聚合度较小的聚合钛离子易于进入蒙脱石层间域, 对蒙脱石结构层的分散剥离作用最好; 经700℃热处理的TiO₂/蒙脱石复合结构样品中, 锐钛矿晶粒尺寸最小达到13.4 nm; 经1100℃热处理后, 复合结构中锐钛矿相对含量达到35%; 与纯纳米TiO₂样品相比, TiO₂/蒙脱石复合结构中的TiO₂具有更高的锐钛矿相向金红石相转变的温度及更小的晶粒尺寸. 蒙脱石结构层对TiO₂的相转变和晶粒长大都具有明显的阻滞作用.

采用氢气还原法制备氧缺陷型二氧化钛(TiO_2-x), 考察氧气氛中不同返烧温度对TiO_2-x性能的影响. 利用X射线光电子能谱、电子自旋共振谱、紫外-可见漫反射光谱和荧光光谱等技术对样品的表面化学状态、氧缺陷位的种类、光吸收性能和光生载流子的分离效率等性质进行了表征, 并以气相的苯为模型污染物, 研究催化剂样品在可见光(λ > 400 nm)照射下的光催化氧化能力. 结果表明, 与未返烧的催化剂相比, 返烧后TiO_2-x对苯的光催化氧化降解能力显著提高, 反应4 h、催化剂活性稳定后, 经300℃返烧的TiO_2-x样品对苯的转化率为36.9 %, 是未返烧样品的5.3倍. 还原过程中生成的体相氧缺陷位(束缚单电子的氧空位)是催化剂具有可见光催化性能的主要原因, 返烧热处理减少了催化剂表面氧缺陷位(Ti³⁺)的浓度并有效地抑制了光生载流子的复合.

以聚碳硅烷(PCS)和三甲胺基环硼氮烷聚合前驱体(PBN)进行共聚合制得复合前驱体, 以此为原料采用高压裂解发泡技术制备了一种氮化硼/碳化硅(BN/SiC)复相开孔泡沫陶瓷. 由包含不同比例组分的起始前驱体所制得的泡沫陶瓷的孔隙直径在1~5 mm, 体积密度在0.44~0.73 g/cm³之间. 对该陶瓷材料的微观结构和性能的研究表明, 由于BN相的引入使得BN/SiC复相泡沫陶瓷在800~1100℃的抗氧化性能有了显著的提高; 其压缩强度随着引入BN比例的增加而提高, 约为纯SiC泡沫陶瓷的5~10倍. 其中以组分重量比为1:1的起始复合前驱体所制备BN/SiC复相多孔陶瓷在1500℃时的导热系数仅为4.0 W/(m·K); 对其进行隔热性能测试, 材料热面中心温度为1400℃时, 其背面中心温度仅为280℃; 采用有限差分法数值模拟背部升温历程, 将其有效导热系数代入计算模型, 得到材料背部中心温度升温历程的数值模拟结果, 与实际升温历程基本一致.

用六面顶压机研究了AlN微米粉体高压(2.0~6.0 GPa)下晶粒演化行为, 用 X 射线衍射仪和扫描电子显微镜对高压样品的物相组成、晶粒尺寸以及微观形貌进行了表征. 结果表明, 在室温下, AlN压制体的相对密度随着压力的升高也相应增加, 开气孔率则呈下降趋势. 经6.0 GPa压制后样品的相对密度达到88.72%, 出现了“冷烧结”现象. 高压作用后AlN微米晶的粒径变小, 压力从常压升高到6.0 GPa时微粉的平均粒径由2.10 μm下降到1.47 μm, 存在明显的压制碎化效应. 该效应提高了AlN粉体的表面自由能, 增强了粉体烧结的驱动力; 另一方面, 由于AlN粉末产生了一定的位错、裂纹等缺陷, 还可以起到活化烧结的作用, 提高AlN陶瓷的烧结速率.

以CoCl₂·6H₂O、ZnCl₂、AlCl₃和CrCl₃·6H₂O为原料, 采用水热法合成了CoAl₂O₄(AB₂O₄)尖晶石型纳米钴蓝色料. 采用色度分析、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)以及高分辨透射电镜(HRTEM)等研究了A位掺杂Zn²⁺和B位掺杂Cr³⁺时不同掺杂量以及不同水热合成温度对样品呈色、晶相组成及CoAl₂O₄尖晶石的晶粒大小、发育程度和晶面间距的影响. 结果表明, 掺杂Zn²⁺、Cr³⁺所得固溶体型钴蓝色料晶粒发育均不完整, 颗粒较于相同水热条件下获得的未掺杂样品更细小. A位掺杂Zn²⁺可降低CoAl₂O₄色料的合成温度, 在230℃便能制得呈色较佳的Co_0.95Zn_0.05Al₂O₄钴蓝色料. 随着Zn²⁺掺杂量的增加, 合成产物由蓝色转为绿色, 且呈色逐渐变浅. B位Cr³⁺掺杂则随着掺杂量的增加, 产物从蓝色逐步转为绿色, 但呈色逐渐变深. 就两者相比较, A位掺杂Zn²⁺更有利于色料明度值的提高而呈色鲜亮.

钛宝石激光晶体在现代高功率激光领域具有重要的应用价值, 但大尺寸、高品质的晶体生长仍是当前钛宝石应用面临的重大难题. 本文研究了泡生法技术生长大尺寸掺碳钛宝石激光晶体, 结果显示, 泡生法生长得到的直径180 mm、30 kg的钛宝石没有出现应力集中的开裂等宏观缺陷现象, 钛离子在晶体中分布均匀接近理论值, 晶体的FOM值达到200. 该研究对低红外残余吸收, 高品质因素、大尺寸钛宝石激光晶体的生长应用具有重要的现实意义.

采用电子束蒸发镀膜技术, 结合磁控滚动方法在Φ1 mm的钢球基底上制备碳化硼球面膜层, 通过退火、打孔及腐蚀获得碳化硼空心微球. 主要研究了球面膜层的宏观形貌、微观结构、成分及初步探讨了不同退火温度(800~1100℃)对核膜结构空心化的影响. 利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、原子力显微镜(AFM)对球面薄膜表面形态和薄膜元素组成进行了分析. 结果表明: 磁控滚动模式制备的球面膜层表面平整, 没有裂纹和孔洞, 元素分布均匀. 核膜结构(镀膜时间在5~70 h)经900℃以上温度退火, 空心化后的球面膜层可实现自支撑, 900℃退火的微球表面形貌最好, 壁厚可达10 μm以上.

选用蛋清蛋白作为发泡剂, 采用蛋白发泡法制备了高孔隙率的泡沫氮化硅陶瓷. 设计了三种不同固化工艺: 常压固化、恒压固化和高压固化, 固化气压依次升高, 研究了固化气压对泡沫陶瓷开孔率、孔隙形貌和孔径分布的影响. 其中, 恒压固化制品的平均孔径和开孔率最高, 分别为210 μm和78.6%, 且孔径分布比较均匀, 常压固化次之, 高压固化制品开孔率和平均孔径最低. 常压和恒压固化制品为椭球形孔洞, 有一定的排列取向, 而高压固化制品多为规则的球形孔. 随着固化气压的升高, 制品孔壁厚度增加, 高压固化制品的孔壁厚度最高, 其压缩强度接近50 MPa.

研究了频率选择表面对超薄多层微波吸波体在低频(L和S频段)吸波性能的影响. 分别采用硫化工艺和激光刻蚀方法制备出传统的微波吸收材料(MAM)——橡胶板和FSS层, 然后利用它们合成多层微波吸波体(MMA)样品, 在NRL弓形法测试系统中测量该样品的反射率. 发现随着FSS层在传统吸波材料层中的引入, 确实可以增强整个多层吸波体在低频段的吸波性能. 实验结果显示, 当两个FSS层在多层吸波体中适当排列时, 可以在1 GHz得到一个–3.49 dB的反射率峰值, 最大反射峰值可达–9.35 dB, 这时的样品厚度是1.8 mm. 本研究为吸波材料的吸波性能向低频段的拓展提供了一种有效的方法.

利用固相反应法制备了Sr₄Al₁₄O₂₅:(Eu²⁺, Dy³⁺)长余辉夜光材料, 并研究了H₃BO₃含量、固相反应温度和Eu含量对Sr₄Al₁₄O₂₅:(Eu²⁺, Dy³⁺)长余辉夜光材料性能的影响. 实验结果表明, H₃BO₃含量对蓝绿发射的Sr₄Al₁₄O₂₅相的形成至关重要. 在固相反应温度为1400℃, H3BO3含量为10at%, Eu/Al原子比为0.03的优化条件下, 获得了发射波长为 490 nm, 余辉时间长达24 h以上的Sr₄Al₁₄O₂₅夜光粉. 发光强度与Eu含量的关系证明, Sr₄Al₁₄O₂₅相的蓝绿发射过程主要受电子从深陷阱到Eu²⁺能级的转移速度的控制.