由于成本低、制作工艺简单、光电转换效率高, 染料敏化太阳能电池被认为是传统太阳能电池最有力的竞争者之一。染料敏化太阳能电池常用的对电极是Pt电极, Pt价格高, 储量少, 因此寻找一种价格便宜且催化性能较好的材料代替Pt制备对电极是目前的研究热点。过渡金属化合物品种多、制备过程简单、价格低且催化性能好, 近年来受到人们的广泛关注, 是代替Pt制备染料敏化太阳能电池对电极最好的材料之一。本文综述了染料敏化太阳能电池过渡金属化合物对电极的研究现状, 对过渡金属化合物对电极的性能特点及今后研究的重点进行了分析。

作为钠硫电池陶瓷电解质的核心材料, Na-β-Al₂O₃粉体对钠硫电池的性能影响很大。实验以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为络合剂, 合成了纳米Na-β-Al₂O₃粉体。结果表明, 以PVP络合的前驱体形成Na-β-Al₂O₃相的温度低至900?℃, 相比于传统固相合成法及其他化学合成法有显著的降低, 可有效抑制传统制备Na-β-Al₂O₃粉体方法中由于高温而导致Na₂O组份的挥发, 从而避免Na-β-Al₂O₃性能的下降。X射线衍射、扫描电镜和透射电镜对粉体的分析表明, 所获得的粉体为纯相的Na-β-Al₂O₃, 粉体粒径60~70 nm, 分散性好。高分散性的纳米粉体有助于制备高致密度的Na-β-Al₂O₃陶瓷。这种粉体制备烧结的Na-β-Al₂O₃陶瓷的电导率在350℃可达0.22 S/cm。

采用溶胶-凝胶法合成了Zn_1-xNi_xO纳米颗粒, 以放电等离子烧结成块体。扫描电镜照片发现, Zn_1-xNi_xO颗粒呈300~500 nm厚的片状结构, 表面存在大量蜂窝状小孔。由XRD数据可以看出, x≥0.05的样品中存在Zn_yNi_zO杂质相。热电性能分析表明, 随着Ni添加量的增加, 塞贝克系数的绝对值|S|逐渐减小, 而电导率得到大幅度提高。与ZnO块体材料相比, 溶胶-凝胶法合成的Zn_1-xNi_xO材料的热导率大幅度降低, 在750 K时, Zn_1-xNi_xO的热导率降低至3 W/(m·K), 是ZnO (11 W/(m·K))材料的1/3。电导率的增加和热导率的降低导致热电优值大幅度提高。在750 K下, Zn_0.925Ni_0.025O材料的热电优值达到0.045。

合成了新型固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极材料La_0.75Sr_0.25Mn_0.5Cr_0.5-xCu_xO_3-δ (LSMCr_0.5-xCu_x, x=0、0.05、0.10、0.20)。通过X射线衍射(XRD)表征其物相结构和与电解质的化学相容性, 通过透射电子显微镜(TEM)表征其微观形貌。用直流四探针法测试了材料的电导率; 交流阻抗法表征了材料的阳极阻抗特性。结果表明: LSMCr_0.5-xCu_x材料均为菱方钙钛矿晶相, Cu的掺入导致晶胞体积和粉体粒径增大。x≤0.10时, 阳极粉体与YSZ在1200℃烧结3 h无第三相生成, 具有良好的化学相容性。LSMCr_0.5-xCu_x 在空气和5%H₂-Ar气氛下的电导率均随x的增加而增大; 在湿润的5%H₂-Ar气氛下的阳极极化面电阻(ASR)均低于未掺杂的LSCM, x =0.05时ASR最低, 900℃时仅有0.38 Ω·cm²。

研究了微扩层鳞片石墨的制备工艺、晶体结构、表面形貌以及电化学行为之间的关系。采用XRD和SEM等手段分析了石墨样品的结构和表面形貌; 采用比表面积分析仪、振实密度仪分别测试了样品的BET比表面积和振实密度等指标; 并应用恒电流充放电测试、循环伏安技术和电化学阻抗法(EIS)研究了微扩层处理前后石墨负极的电化学行为。结果表明, 经微扩层处理后, 石墨的平均层间距d₀₀₂略微增大, 平均晶粒尺寸Lc、La减小, 颗粒的表面更光滑。微扩层石墨的首次库伦效率从91.6%提高至92.7%, 可逆容量由345.5 mAh/g提高至379.8 mAh/g。且其循环性能与倍率放电性能均得到有效改善, 同时石墨的嵌锂电位略有提高, 锂离子从石墨中脱出更容易, 电化学可逆性提高。分析是由于微扩层后石墨负极材料脱嵌锂反应的活化能降低所致。

以介孔二氧化硅SBA-15为硅源, 采用镁热还原法和化学气相沉积(CVD)法合成了具有莲藕状结构的多孔硅/碳复合材料。利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和氮气吸脱附法研究了原料配比, 混压方式以及反应温度对多孔硅物相组成和结构形貌的影响。多孔硅的最佳合成条件为: 镁粉过量20wt%, 原料经球磨混合均匀后直接在750℃下高温反应4 h。对多孔硅及多孔硅/碳材料进行了电化学性能测试, 在0.5 A/g电流密度下循环70次后仍保持1633.1 mAh/g的可逆容量, 并且在8 A/g下容量达到580.1 mAh/g, 表现出优异的循环稳定性以及倍率性能。

以一氧化硅、蔗糖及天然石墨为原料, 通过高能球磨和热解工艺制备了电化学性能优异的SiO/C/G复合负极材料。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的物相和形貌进行了表征。所制备的复合材料中, 纳米SiO颗粒(＜50 nm＝被无定形碳粘结并均匀分散在石墨鳞片上。电化学性能测试表明, 该复合材料100次循环后, 可逆容量高达1108.9 mAh/g, 容量保持率为103.8%。优异的电化学性能主要归因于纳米SiO颗粒在无定形碳基体中的均匀分布、无定形碳基体的缓冲作用和石墨相对复合材料导电性能的改善。

采用沉淀法合成了不同钴锰含量的碳纳米管(CNTs)/钴锰氧化物纳米复合材料. 利用XRD、SEM、TEM、BET和FT-IR等方法对材料进行了表征, 考察了不同复合材料对锂空气电池放电及充电过程的影响, 同时对循环性能进行了研究. 结果表明: 钴锰比例为4:0与0:4时, 产物为CNTs/Co₃O₄与CNTs/Mn₃O₄, 钴锰比例为3:1、2:2、1:3时, 产物为CNTs/(Co, Mn)(Co, Mn)₂O₄。产物具有良好的分散性能, 氧化物负载在碳管表面, 其中CNTs/Mn₃O₄的分散性能最好。随着锰含量的增加, 电池的放电性能提高, CNTs/Mn₃O₄的放电电压达到2.92 V。随着钴含量的增加, 电池的充电性能提高, 充电电压最低为3.80 V。钴锰比为3:1时的产物充放电过电势(△V)仅为1.05 V, 5次循环后依然保持着良好的放电性能。

本研究通过低氟MOD法成功地制备了Nb⁵⁺掺杂的YBa₂Cu₃O_7-x(YBCO)薄膜, Nb⁵⁺在薄膜中生成了大小在20~30 nm之间的纳米颗粒; 纳米颗粒的生成不会对 YBCO薄膜的织构和临界温度(T_c)构成明显的影响。由于纳米颗粒的引入, 掺杂后薄膜的临界电流密度(J_c)在整个磁场范围内都要高于纯的YBCO, 自场下的Jc更是达到了3.4 MA/cm²。掺杂薄膜的钉扎力(F_p)也远远大于纯YBCO, 最大钉扎力达到了3.25 GN/m³, 有效地提高了YBCO在外加磁下的超导性能。

采用SEM、XRD和Raman光谱法研究电场作用下含铬溶液中铅基阳极氧化膜的残余内应力行为、内应力形成, 讨论了氧化膜内应力产生过程与氧化膜表面形貌、物质结构转变的关系。结果表明, 在氧化膜形成初期, Cr₂O₇^2- 和HCrO₄^-离子首先吸附在铅基阳极表面, 电场作用下, 其与铅基体反应并分别形成PbCrO₄和PbO, 同时产生较大内应力。电流密度的增加, 显著提高氧化膜的内应力。随着氧化时间的延长, 阳极析氧行为的加剧, 促进PbO或β-PbO₂形成。同时, 晶粒长大与内应力的不匹配, 导致内应力局部释放, 表现出氧化膜残余内应力减小。铅基氧化膜中不同氧化物组织结构的晶格参数差异, 增加了氧化膜内应力梯度变化, 致使氧化膜破裂。

用常压烧结法制备K_0.5Na_0.5NbO₃陶瓷。研究烧结温度与陶瓷密度和电学性能的关系。研究表明在1065℃~1120℃范围内, 温度对陶瓷的密度有显著影响。当烧结温度为1100℃时, 密度达到4.35 g/cm³ (占理论密度的95%); 1100℃烧结的陶瓷表现出最好的电学性能, 压电常数最大118 pC/N, 相对介电常数最大达538, 介电损耗最小仅4.7%, 剩余极化强度为15.37 μC/cm², 矫顽场为13.16 kV/cm。陶瓷样品在206℃从正交结构转变到四方结构, 居里温度为410℃。

以酚醛树脂(PF)作为碳源, 纳米SiO₂为硅源, 在1300℃氩气气氛下通过碳热还原反应, 制备出具有核壳结构的SiC/SiO₂纳米线。采用X射线分析衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、拉曼光谱(Raman)对产物的组成、形貌、微观结构等进行了表征。结果表明; SiC/SiO₂纳米线长可达数毫米, 单根SiC/SiO₂纳米线由直径30 nm的β-SiC晶体为内核和厚度约12 nm的无定形SiO₂壳层组成; 室温下SiC/SiO₂纳米线的PL发光峰与β-SiC单晶的发光特征峰相比有蓝移。最后, 讨论了核壳结构SiC/SiO₂纳米线的生成机制。

反铁磁钉扎层和铁磁被钉扎层之间的交换耦合作用是高性能自旋阀材料研究中的一个关键因素。本工作研究了CrPtMn顶钉扎自旋阀材料中的交换耦合场(H_ex)与薄膜沉积条件以及退火处理之间的关系。研究表明: 沉积后的自旋阀材料中的H_ex大小与CrPtMn钉扎层的溅射工作气压关系不大, H_ex 约为7.96×10³ A/m。然而, 经过240℃退火2 h处理后, H_ex呈现出与CrPtMn沉积时的溅射工作气压相关的特性, 随着溅射工作气压的增加而增大。材料退火后的交换耦合场H_ex的温度特性良好, 室温下约为2.39×10⁴ A/m。Hex随着测试温度的升高而逐渐减小, 交换耦合场消失时的失效温度(blocking temperature)为315℃。

借助射频磁控溅射成功制备了AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜, 探讨了退火条件对AlN薄膜压电性能和FeCoSiB薄膜磁性能的影响, 并研究了其逆磁电响应。结果显示, 500℃退火处理的AlN薄膜具有高度(002)择优取向和柱状生长结构; 经过300℃退火后FeCoSiB薄膜的磁场灵敏度提高。该磁电复合薄膜的逆磁电电压系数(α_CME)在偏置磁场(H_dc)为875 A/m时达到最大值62.5 A/(m·V); 且磁感应强度(B)随交变电压(V_ac)的变化呈现优异的线性响应(线性度达到1.3%)。这种AlN/FeCoSiB磁电复合薄膜在磁场或电场探测领域具有广阔的应用前景。

针对Ce:Li₆Lu(BO₃)₃晶体有效原子序数(Z_eff)高的问题, 采用低原子序数的Y³⁺离子部分置换晶体中的Lu³⁺离子。通过固相合成法制备了Ce:Li₆Lu_1-xY_x(BO₃)₃(0≤x≤1)固溶体。X射线粉末衍射(XRD)分析表明, 该系列固溶体结构与Li₆Gd(BO₃)₃晶体相同, 空间群为P2_1/c。其X射线激发发射(XSL)的发光强度随着Y³⁺的含量增加而降低, 当x=0.5时, 固溶体的有效原子序数与Li₆Gd(BO₃)₃闪烁体相当, 但XSL发光强度是其1.4倍。Ce:Li₆Lu_0.5Y_0.5(BO₃)₃的XSL光谱和PL光谱都在400 nm附近出现Ce³⁺离子的特征峰, 可拟合出361和419 nm两个发光分量, 分别对应于Ce³⁺离子的激发态电子的⁵d₁→²F_5/2和⁵d₁→²F_7/2能级跃迁。Ce:Li₆Lu_0.5Y_0.5(BO₃)₃固溶体的衰减时间比Ce:Li₆Lu(BO₃)₃略长, 为19.6 ns。当x=0.50~0.70时, Ce:Li₆Lu_1-xY_x(BO₃)₃(0≤x≤1)闪烁体比较适合作为中子探测材料。

以介孔结构的复合ZrO₂-TiO₂为载体负载活性组分, 制备了具有高CO催化氧化活性的Pd/ZrO₂-TiO₂与PdCu/ZrO₂-TiO₂负载型催化剂。XRD、TEM研究结果表明: 活性组分Pd、Cu物种可均匀分散于介孔载体中。系统考察了不同的催化剂载体、制备方法和助催化剂等对该介孔复合材料CO催化氧化性能的影响, 结果表明: 以ZrO₂-TiO₂为载体的催化剂其CO催化氧化活性明显优于以介孔Al₂O₃或介孔SBA-15为载体的催化剂; 一步法制备的介孔Pd/ZrO₂-TiO₂催化剂其CO催化氧化的低温活性较浸渍法制备的Pd/ZrO₂-TiO₂有很大提高; 并且Pd和Cu物种共负载的介孔ZrO₂-TiO₂复合催化剂具有最优的CO催化氧化活性, 其CO的完全催化氧化温度可降至170℃, O₂-TPD分析说明Pd和Cu之间的相互作用使得PdCu/ZT催化剂在更低温度具有氧化还原活性。

通过溶胶-凝胶法制备F掺杂纳米TiO₂ (F-TiO₂), 将其负载到磁性活性碳(MAC)上, 制得易回收分离的高效催化剂(F-TMAC)。通过XRD、SEM、UV-Vis、XPS、VSM对样品进行表征。以合成样品为催化剂降解模拟废水活性染料艳红(X-3B), 结果表明该负载型催化剂在紫外光和可见光照射下光催化效果均优于P25催化剂。0.2 g负载型催化剂分别在紫外光和可见光照射下降解200 mL浓度为100 mg/L的X-3B溶液, 90 min后经18?W紫外光照射X-3B去除率达到99.8%; 250 W可见光照射X-3B去除率为83.1%。溶液中的复合催化剂可以用磁铁很容易分离, 具有优良的重复利用性能。经5次重复试验, 复合催化剂F-TMAC对X-3B的降解率仅下降了约6.0%。

以正硅酸乙酯、硼酸、金属钠为前驱体采用溶胶-凝胶法合成含Ag量子点的钠硼硅玻璃。X射线粉末衍射 (XRD) 分析Ag量子点具有立方相。通过透射电子显微镜 (TEM) 和高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 测定量子点的尺寸和分布, 结果显示在玻璃中量子点呈规则的球形, 并且尺寸在5~13 nm之间。紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱仪得到Ag量子点的表面等离子体共振吸收峰大约在406 nm附近; 利用飞秒Z-scan 技术在800 nm波长处用飞秒钛宝石激光辐照对Ag量子点玻璃的非线性光学性质进行研究, 该玻璃的非线性折射率γ、非线性吸收系数β和三阶非线性极化率χ⁽³⁾分别为 –1.72×10^-17 m²/W、9.96×10^-11 m/W、1.01×10^-11 esu。

研究了碳的添加量为6wt%条件下, 添加碳源的种类及添加比例对制备的无压固相烧结碳化硅陶瓷的微观结构和性能的影响。结果表明: 采用纯无机碳源(碳黑), 制备的碳化硅陶瓷具有较为细小的碳化硅晶粒结构, 但致密度较低; 添加有机碳源(酚醛树脂)时, 随着其裂解碳添加量的增加, 碳化硅的晶粒逐步长大, 碳在材料中的分布更加均匀, 材料的致密度提高, 力学性能增强。当有机碳源裂解碳添加量达3wt%时, 材料的致密度最高, 并具有最大的弹性模量468 GPa, 断裂韧性达4.65 MPa·m^1/2。当有机碳源裂解碳添加量大于3wt%时, 碳化硅晶粒发生局部异常长大现象, 材料的弯曲强度与断裂韧性进一步增加。同时, 对材料的热扩散系数随碳源添加种类和比例变化的规律也进行了分析与讨论。

采用浆料浸渍法引入ZrB₂微粉作为耐超高温相, 以炭纤维为增强体, 以热解炭和SiC为基体, 制备了ZrB₂含量不同的耐超高温C/C-SiC-ZrB₂复合材料; 通过电弧风洞考核材料的抗烧蚀性能, 通过XRD、SEM和EDS分析材料的烧蚀机理。结果表明: 在Ma 6电弧风洞条件下, C/C-SiC-ZrB₂复合材料的抗烧蚀性能优于C/C-SiC, 且随着ZrB₂含量的增加, 抗烧蚀性能随之提高; 在高温阶段形成的ZrO₂-SiO₂玻璃态熔融层起到了抗氧化烧蚀的作用。

以低品位CLK6-62型铝矾土为主要原料, 采用无压煅烧技术制备了铬铁矿掺杂的铝矾土基石油压裂支撑剂, 并系统考察了铬铁矿添加量对试样物相、微结构及性能的影响。分析表明, 铬铁矿掺杂有效促进了铬刚玉相和棒状莫来石相的发育, 从而获得了具有双重增强机制的高强度试样。其中, 铬铁矿添加量为2wt%时, 试样烧结温度可降低60℃(从1480℃到1420℃), 并且其在69 MPa闭合压力下的破碎率仅为1.8%(未掺杂试样: 5.1%)。该工艺采用低品位矿物原料及现有设备, 所制备支撑剂性能高于相应标准要求, 具有较好的推广前景。

采用共沉淀法将防霉剂1, 2-苯丙异噻唑啉-3-酮(BIT)成功插入到Mg-Al层状双金属氢氧化物层间(LDH), 合成Mg₂Al-BIT LDHs纳米杂化物。采用X射线衍射、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜进行表征。并在pH=4.8和7.2的介质中研究药物缓释动力学。结果显示BIT成功地插入到了LDH的层间, 载药量为44.35%, 释放动力学过程符合准二级动力学方程。将胶囊型防霉剂添加到醇酸树脂涂层中进行霉菌试验。结果表明Mg₂Al-BIT LDHs在耐耗、溶出、析出方面优于BIT, 后期防霉效果更好。

利用Al和TiO₂之间的放热化学反应, 采用激光原位合成技术在TC4钛合金基体材料表面制备了Al₂O₃/Ti-Al金属间化合物基复合涂层。对比分析了激光功率、激光束扫描速度和光斑尺寸变化对激光能量密度变化量的影响程度, 借助X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、能谱仪(EDS)和显微硬度计分别考察了激光束扫描速度对复合涂层表面宏观形貌、截面显微组织结构和显微硬度的影响。结果显示, 扫描速度的变化对激光能量密度变化量的影响程度最大, 光斑尺寸次之, 激光功率的变化影响最弱。随着激光束扫描速度的增大, 复合涂层表面渐趋粗糙, “鱼鳞纹”状形貌特征趋于明显, 复合涂层与基材结合区厚度减小。激光原位复合涂层主要由k-Al₂O₃和α-Al₂O₃增强相与α-Ti和α₂-Ti₃Al基体相组成。随着激光束扫描速度增大, 复合涂层内k-Al₂O₃部分转变为α-Al₂O₃, Al₂O₃增强相有由枝晶状向纤维状转变的趋势; 复合涂层截面显微硬度自基体至涂层表面过度平缓, 且涂层区显微硬度分布均匀, 明显高于基材平均显微硬度。

为了保证核能源的使用安全, 对氚在第一壁材料表面的滞留数量以及深度进行定量表征非常重要。在本研究中, 制备了一系列潜在的第一壁材料B₄C/Mo 涂层, 并采用成像板(IP)和β射线激发X射线(BIXS)法对其表面的氚滞留情况进行了测定。IP 图像表明, 涂层表面吸附的氚含量遵循以下顺序: B₄C>BM15>BM5>Mo。而BIXS结果进一步表明, 对于B₄C涂层, 大部分氚扩散到了涂层内部; 而对于其他三种涂层, 氚仅在其表面发生吸附。扫描电镜(SEM)结果显示, B₄C涂层气孔率最高, 而其他三种涂层尽管气孔率较低, 但其截面仍能观察到大量气孔和微裂纹的存在。涂层中的这些缺陷为氚的吸收和扩散提供了通道, 而气孔与微裂纹的尺寸最终决定了氚在涂层表面的吸附数量。实验结果还表明, 涂层杂质成分Ti的存在也对氚的滞留产生了一定影响。

仅以乙醇和四水合醋酸锰为原料, 快速低成本地合成了介孔四氧化三锰纳米棒, 并将其应用于锂离子电池负极材料。通过X 射线衍射、热重分析仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和比表面积仪等分析手段对四氧化三锰样品进行了表征。实验结果表明: 介孔四氧化三锰纳米棒的平均直径约为150 nm, 孔的尺寸范围为6~20 nm, BET比表面积高达37.3 m²/g。同时, 介孔四氧化三锰纳米棒负极材料在141 mA/g的电流密度下循环100次后可逆充放电容量为676.1和662.4 mAh/g, 而且其在不同的电流密度下继续循环80次后可逆放电容量高达850 mAh/g, 体现出了较高的容量、好的循环稳定性能和倍率性能。