中空结构材料具有低密度、高比表面积、可以容纳客体分子等特点被广泛用于环境保护、生物医药、电子等领域。模板法具有简单、重复率高、预见性好等诸多优点, 在制备中空结构材料的过程中被广泛采用。根据所使用模板性质的不同, 模板法又可分为传统模板法和自模板法两类。本文对模板法制备中空结构材料的研究进行了综述, 首先阐述了硬模板法和软模板法两种传统模板法制备中空结构材料的研究进展, 并在此基础上重点综述和评价了奥斯特瓦尔德熟化法、柯肯达尔效应法、电化学置换法和化学刻蚀法四种自模板法制备中空结构材料的研究进展, 最后, 对模板法制备中空结构材料的发展前景进行了展望。

以廉价的二氧化硅、炭黑和硅粉为起始原料, 利用碳热还原-反应烧结法制备了高气孔率、孔结构均匀的多孔氮化硅陶瓷, 考察了原料中硅粉含量对多孔氮化硅陶瓷微观组织和力学性能的影响。XRD分析表明烧结后的试样成分除了少量的α-Si₃N₄相和晶间相Y₂Si₃O₃N₄外, 其余都是β-Si₃N₄相; SEM分析显示微观组织由棒状β-Si₃N₄晶粒和均匀的孔组成。通过改变硅粉的含量, 制备了不同气孔率, 力学性能优异的多孔氮化硅陶瓷。

采用聚氨酯海绵为多孔模板, 浸渍有机硅树脂后在Ar气氛中原位合成了SiC纳米线。采用TG、XRD、SEM和TEM等分析测试手段对样品进行了表征, 研究了保温时间对合成SiC纳米线的影响, 并探讨了SiC纳米线的生长机理。研究结果表明: SiC纳米线生长在多孔陶瓷中, 纳米线长度达几十微米, 单根纳米线的直径不均一。SiC纳米线的生长机理为VS生长模式。随着保温时间的延长, 纳米线的数量增加, 形貌发生了变化, 且多孔陶瓷的比表面积明显增大, 体积电阻率降低。

以尿素、硼酸和热解炭(PyC)粉为原料, 利用化学转化法, 在1750℃、N₂气氛下反应6 h, 制备了PyC/BN复合粉。采用XRD、XPS、SEM、DTA/TGA对PyC/BN复合粉的物相组成、化学成分、表面形貌及抗氧化性能进行了表征, 并用矢量网络分析仪测试了PyC/BN复合粉在2~18 GHz频段内的吸波性能。结果表明: 生成的h-BN颗粒在PyC粉表面形成包裹层, 其尺寸为几十至几百纳米。相比于PyC粉, PyC/BN复合粉的抗氧化性能明显提高, 在1200℃时其质量仍剩余50%以上, 而PyC粉在940℃时已被氧化完全。同时, 由于波阻抗增大, 电子位移极化、界面极化、多重散射和λ / 4干涉相消作用, 使得PyC/BN复合粉在相同厚度下(d=2 mm), 其反射率峰值达到-27.2 dB, 反射率小于-10 dB的频宽为2.6 GHz; 且随着厚度的增加, 其反射率峰值均小于-10 dB, 并出现多重吸收峰。PyC/BN复合粉可作为理想的轻质、耐高温、强吸收的吸波剂应用于微波领域。

通过在炭膜前驱体中添加纳米二氧化钛-P25粒子制备了P25杂化炭膜, 并采用TG、SEM、TEM、XRD、气体渗透性能测试等表征方法探讨添加P25纳米粒子对杂化炭膜的热解过程、微观结构及气体渗透性能的影响。结果表明, P25纳米粒子的加入提高了聚合物膜的热稳定性; P25粒子因团聚形成一定的堆积间隙并与炭基体形成了界面孔隙。气体渗透性能测试表明, P25的引入显著地提高了气体渗透通量, 并随添加量增加提高而更加明显, 气体选择性略有降低, 分离机理仍以分子筛分为主; 炭化终温的提高可以显著增加气体选择性, 但气体渗透性有所降低。当P25添加量为20wt%, 炭化终温为700℃时, 所制备的杂化炭膜其H₂、CO₂、O₂、N₂、CH₄气体渗透性分别为1769.2、1558.6、410.2、55.5和26.8 Barrer。

采用直流溅射法在Y₂O₃/YSZ/CeO₂(YYC)缓冲层的织构NiW基带上, 通过基片温度调制YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)外延薄膜生长。X射线衍射仪(XRD)表征显示, 基片温度强烈地影响YBCO薄膜的外延生长: 在较低的基片温度下薄膜趋于a轴取向生长, 随基片温度升高薄膜逐渐变为纯c轴取向生长。由于a轴晶粒引起的大角度晶界会阻碍超导电流在a-b面内的传输, 因此YBCO薄膜的微观结构和超导电性能随温度升高而得到改善, 但是随着基片温度继续升高, 基带的氧化程度加剧, YBCO与缓冲层间发生界面反应, 从而导致薄膜质量衰退。本

以单晶Si (100)为基底, 采用无机溶胶-凝胶法在其表面制备W-Mo复合离子掺杂VO₂薄膜。采用SEM、XRD等手段分析了薄膜的表面形貌和晶体结构。在热驱动下, 利用原位FTIR分析了W-Mo复合离子掺杂VO₂薄膜半导体-金属相变性能。结果显示: 单晶Si (100)表面VO₂薄膜具有(011)择优生长取向, W⁶⁺、Mo⁶⁺取代了V⁴⁺在晶格中的位置, 实现置换掺杂。热滞回线分析表明, 与未掺杂VO₂薄膜相比, V_1-x-yMo_xW_yO₂薄膜相变温度降低, 滞后温宽减小, 同时相变陡然性变差, 相变温宽增大; 在相变温度区间内, 温度路径对红外透过率具有调制效果, 其调制作用受原始热滞回线的制约。

采用固相法制备了致密PZT95/5铁电陶瓷, 研究了低温下致密PZT95/5铁电陶瓷相结构和电性能的变化规律。变温X射线衍射(XRD)研究表明, 低温(-60℃)下极化和未极化致密PZT95/5铁电陶瓷相结构保持不变。电性能研究表明随着温度从30℃下降至-60℃, 致密PZT95/5铁电陶瓷的相对介电常数从278显著下降至173, 而电阻率和剩余极化强度基本保持不变。结合冲击波载荷下动态放电模拟分析, 发现相对介电常数的降低将引起动态电场增大至常温下的1.5倍, 这可能是导致致密PZT95/5铁电陶瓷低温下击穿概率显著增大的关键因素。

采用电化学工作站测试了1 mol/L LiODFB (LiPF₆) EC+DMC+EMC(1:1:1 质量比)电解液的热稳定性及其对铝箔集流体的腐蚀性, 测试了LTO/Li电池的CV曲线及EIS图谱, 并采用电池性能测试系统测试电池的倍率性能和循环性能, 探索LiODFB电解液与LiFePO₄/LTO电极的相容性。结果表明: 在室温和60℃条件下, LiODFB电解液及其对铝箔的稳定性均优于LiPF₆电解液, 以LiODFB和LiPF₆为电解液的LTO/Li电池的CV曲线都具有单一的氧化还原峰, 且其首次充放曲线均具有稳定的充放电平台, 室温时以LiFePO₄/LTO为电极的LiODFB电池和LiPF₆电池在0.5C和1C倍率的电池性能相差不大; 室温和60℃时LiODFB电池的循环性能均优于LiPF₆电池, 60℃时尤为显著。

以氧化石墨和氯化亚锡为原料, 采用原位合成法制得SnO₂/石墨烯纳米复合材料。该方法不需外加还原剂, 也避免了SnO₂纳米粒子和石墨烯在机械混合过程中的团聚问题。XRD和TEM等的分析结果表明, 纳米SnO₂颗粒都均匀地分散在石墨烯表面, 其中纳米SnO₂的粒径和石墨烯的厚度分别为3~6 nm和1.5~2.0 nm。电化学测试结果表明: 在200 mA/g电流密度下循环100次后, SnO₂/石墨烯负极材料的嵌锂容量可稳定在552 mAh/g, 容量保持率比单纯纳米SnO₂提高了4.4倍; 在40、400、800 mA/g的电流密度下, SnO₂/石墨烯负极材料的放电容量可分别保持在724.5、426.0、241.3 mAh/g, 表现出较好的倍率性能, 该结果归因于石墨烯良好的导电性及其二维纳米结构。

本文报道了一种基于二氧化钛(TiO₂)纳米管的染料敏化太阳能电池。用二次阳极氧化法在钛箔上生长出高度有序的TiO₂纳米管薄膜, 然后将完整剥落的纳米管薄膜结合TiO₂纳米颗粒的浆料转移到掺杂氟的SnO₂透明导电玻璃(FTO)基底上, 从而获得一种特殊的染料敏化光阳极。对比了不同长度的TiO₂纳米管的电池性能, 发现经TiCl₄处理长度为32.8 μm的TiO₂纳米管对应的电池表现较好的光电转换效率, 达到4.15%。通过X射线衍射分析了高温退火对纳米管晶化结构的影响。电化学阻抗谱分析表明: 光电子传输对光阳极纳米管层厚依赖性强, 随着纳米管长度的增长, 界面电阻呈明显的减小, 这一结果对于理解和进一步改善染料敏化电池光阳极内部电子输运过程具有重要意义。

在前期对冷等静压制备柔性染料敏化太阳电池(DSC)研究的基础上, 开展了浆料的优化及叠层DSC的研究。首先利用水热法处理由小颗粒P25调配的浆料, 发现处理后浆料的稳定性及DSC的效率得到了大幅提高。在P25浆料中加入不同比例200 nm TiO₂大颗粒提高光散射, 当P25与200 nm TiO₂比例为4:1时, DSC获得最高光电转换效率3.11%。在此基础上, 尝试用N719和N749双层染料敏化, 发现双层染料敏化后电池的效率介于N719和N749单独敏化的电池效率, 这可能是由于光阳极变厚不利于电子传输以及染料相互接触影响染料纯度, 光阳极厚度及电池结构有待于进一步优化。

以水热晶化法合成了锡掺杂的介孔分子筛, 并采用XRD、N₂吸附-脱附、TEM、锥形量热等测试手段对其介观结构和物化性质进行了表征, 同时研究了该分子筛与聚磷酸铵(APP)复合在木材燃烧过程中的阻燃性能和烟气转化作用。结果表明, 该分子筛具有二维六方(P6mm)介观结构、高的比表面积, 与APP复合使用能有效降低杨木的热释放速率(HRR)、总热释放量(THR)、烟生成速率(SPR)和总烟释放量(TSP), 可促进炭的生成, 表现出优异的阻燃与抑烟特性。同时, 该分子筛对阻燃过程中释放的烟气具有转化作用, 能够有效地降低CO的浓度, 具有减毒作用。

以具有两种不同介孔结构的多孔SiO₂(BMMs)为载体, 采用浸渍法负载磷钨酸(HPW)得到负载型磷钨酸催化剂(HPW/BMMs), 通过XRD、FTIR、N₂吸附-脱附, TG和SEM等表征手段, 重点考察了水、乙醇以及丙酮和乙腈等溶剂对HPW/BMMs催化剂结构和性能的影响。结果表明: 在不同溶剂中所制备的负载型HPW/BMMs催化剂样品均保持了BMMs介孔结构, 但随着HPW负载量的增大, 样品的介孔有序度逐渐降低, 比表面积和孔体积逐渐减小; 低负载量时, 样品表面出现新的HPW物种, 通过提高HPW的负载量, 可抑制该物种的产生。水溶剂对HPW的Keggin结构影响较大, 但HPW的晶型保持完好, 分散性能较好, 负载量为40%的样品(40HPW/BMMs-WA)总酸密度最高, 达到1.381 μmol/m²; 乙腈溶剂虽更有利于保持HPW的Keggin结构, 但晶型破坏较严重, 且分散性较差; 相比较而言, 乙醇和丙酮溶剂的影响则不明显。此外, 初步考察了HPW/BMMs样品对废油脂与甲醇催化酯化的降酸效果。

采用液相沉淀法, 制备了在片状铝粉表面包覆Cr₂O₃的复合粉体颜料, 利用XRD、SEM、UV/VIS/NIR分光光度计、FTIR红外光谱仪等方法对颜料相结构、形貌、光谱及红外反射特性等进行了测试表征。结果表明, Cr₂O₃包覆层对光谱反射特性的影响随波长变化而异, 波长越短, 包覆前后反射率的变化越大。当Cr³⁺:Al摩尔比为0.2:1.0时, Al/Cr₂O₃复合颜料在可见光波段的反射率下降接近50%, 颜色明度参数L*降低15, 而8~14 μm波段红外反射率下降不到10%。分析表明, 包覆层对不同波长辐射的吸收系数以及表面粗糙度的差异导致了上述结果。该复合颜料对于低明度和光泽度的低红外发射率涂层设计有重要研究价值。

采用高温固相烧结法制备了KOH 掺杂的CsBr: (Eu²⁺, KOH)粉体, 通过对材料体系荧光光谱、光激励发光谱、拉曼光谱和光激励发光衰减时间等的系统研究, 深入分析了KOH对CsBr:Eu²⁺粉体光激励发光性能和抗辐照性能的影响。研究结果表明, 掺杂引入的OH^-离子增加了无辐射跃迁的几率, 随着KOH浓度的增大, CsBr:(Eu²⁺, KOH)粉体的光激励发光衰减时间逐渐缩短。同时, 由于K⁺和OH^-离子的共同作用, 使材料中Eu离子周围空位浓度减少, 避免了因Eu²⁺聚集而导致的浓度淬灭, 使CsBr:(Eu²⁺,KOH)粉体的抗辐照性能增强。

采用EDTA为模板, 以CaCO₃、NH₄H₂PO₄、Eu₂O₃、Tb₇O₄、HNO₃为原料, 用NH₃·H₂O调节pH值, 成功制备了掺铕羟基磷灰石(HA:Eu³⁺)及掺铽羟基磷灰石(HA:Tb³⁺)纳米棒, 并采用XRD、场发射环境扫描电子显微镜、荧光光谱、酶联监测仪等对其荧光及细胞毒性进行了研究。结果表明: 制备的HA:Eu³⁺ 纳米棒最强发射峰位于617 nm处, 发射出明亮的红光; 制备的HA:Tb³⁺纳米棒最强发射峰位于544 nm处, 发射出明亮的绿光; 细胞毒性研究表明HA:RE (RE=Eu³⁺、Tb³⁺)纳米棒是一种良好的生物示踪材料。

采用常规高分辨透射电镜(HRTEM)在层状共生化合物Bi₇Ti₄NbO₂₁中可经常观察到大量生长缺陷:比如插入额外的Bi₃TiNbO₉或Bi₄Ti₃O₁₂层而产生的无序共生结构, 以及由共生相Bi₇Ti₄NbO₂₁和母相Bi₄Ti₃O₁₂在同一晶粒内形成的共相体^[1]。为了给先前提出的共生结构重组生长模型提供更充分的依据, 采用低/中分辨率下的高角环暗场像(HAADF)配合X射线能谱(EDXS)定量分析来研究共生缺陷的产生原因。观察到一种共生缺陷可以从共生相到Bi₄Ti₃O₁₂母相发生结构渐变。用空间分辨的能谱测量可以排除相邻Bi₃TiNbO₉层所带来的干扰, 其结果表明Bi₄Ti₃O₁₂层中固溶了相当含量的Nb。一定量Nb的固溶进一步表明, 在形成共生结构的过程中两种亚结构层之间发生了普遍的阳离子互换过程, 而这一过程应该通过重组模型中的部分溶解液相来实现^[1]。

为制备高性能SiC-ZrB₂网眼多孔陶瓷, 对SiC-ZrB₂复合浆料的流动性质进行了初步研究。分析SiC和ZrB₂粉体在水溶液中的流动性质, 并对分散剂硅溶胶和粘结剂羧甲基纤维素(CMC)的添加量进行了优化。基于以上优化结果, 重点探索了固含量和ZrB₂添加量对浆料流动性质的影响。固含量为65wt%的浆料可作为有机泡沫浸渍过程的最佳条件, 而ZrB₂添加量不可超过25wt%。