La_0.2Sr_0.8TiO₃ (LST) 对于直接甲烷为燃料的固体氧化物燃料电池而言是一种具有潜力的阳极材料。本研究采用传统的固相反应法合成了LST粉体, 按照质量比5: 5混合LST和Sc_0.1Zr_0.9O₂(SSZ)粉体, 以此复合阳极材料制备对称电池并测试其极化阻抗。在氢气气氛中700、750和800℃时阳极极化阻抗分别为5.3、3.0以及2.0 ?·cm²。鉴于LST的电导率较低, 我们通过浸渍工艺加入10wt%的Ni来提高复合阳极的电导率和催化活性, 复合阳极测得的极化阻抗明显减小。以10wt%Ni-LST-SSZ作为阳极材料制备出的阴极支撑型单电池, 其在氢气和甲烷中的最大功率密度分别可达到225 mW/cm²和175 mW/cm², 并且在甲烷燃料中放电时表现出了较好的稳定性。

以棉纤维作为模板, 制备褶皱层状SnO₂。通过XRD、SEM、TEM、CV、恒流充放电、EIS等测试手段对材料结构、形貌和电化学性能进行了表征。结果表明: 产物具有由粒径16~21 nm的SnO₂纳米颗粒构成的褶皱状形貌。电化学测试表明该材料在电流密度70 mA/g时循环50次后放电比容量仍高达614 mAh/g, 甚至在电流密度为3000 mA/g时放电比容量仍达到405 mAh/g, 表现出优异的循环性能和倍率性能。

采用水热合成法制备出片状结构钼酸锌, 并以其为原料, 添加石墨(G)或导电碳(Cc), 利用喷涂法分别制备出ZnMoO₄、ZnMoO₄-G和ZnMoO₄-Cc对电极催化材料, 应用于染料敏化太阳能电池(DSCs)中。实验结果表明: 以ZnMoO₄为对电极材料的DSC光电转换效率为4.19%, 在分别添加石墨及导电碳制备成复合对电极材料后, 其相应的光电转换效率分别提高到6.56%及7.36%。其中, ZnMoO₄-Cc对电极与相同条件下铂对电极的光电转换效率(7.81%)相当。电化学阻抗(EIS), 循环伏安法(CV)及Tafel极化曲线测试结果表明, ZnMoO₄、ZnMoO₄-G和ZnMoO₄-Cc三种材料均具有一定的导电性和电催化性能。

通过水热法合成不同Se掺杂量的Bi₂Te_3-xSe_x (0 ≤x ≤0.45)纳米粉体, 采用放电等离子烧结技术, 制备出致密度较高的块体材料。通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等测试手段对材料的微结构进行了表征, 并重点研究了含有不同Se掺杂量块体材料的显微结构和热电性能。结果表明: Se元素的掺杂使得粉体XRD特征衍射峰向高角度偏移, 并且衍射峰出现宽化, 晶粒尺寸变小。随着Se掺杂量的增加, 块体材料的电导率先增大后减小; Se元素的掺杂有效地降低了材料的热导率, 并提高了材料的Seebeck系数。研究结果表明: 在整个测试温度区间, 所有经过Se掺杂的样品ZT值都高于未掺杂样品。当Se掺杂量为0.3时, 样品具有最大的ZT值, 平均约为0.51, 并在475 K时达到最大值0.57, 相比未经Se掺杂的Bi₂Te₃提高了159%。

采用传统的固相反应法制备致密的Bi_1.4Sc_0.1ZnNb_1.5-xRu_xO₇陶瓷样品, 研究Sc³⁺, Ru⁴⁺共同替代对Bi₂O₃-ZnO-Nb₂O₅陶瓷的相结构、晶体化学特性和介电性能的影响。结果表明: 当掺杂量x≤0.055 mol时, 样品保持单一的立方焦绿石结构。当掺杂量x=0.055 mol时, X射线衍射峰强度变弱, 峰形变宽。随着掺杂量的增加(0≤x≤0.04 mol), 陶瓷样品的晶格常数a和A位离子与第7个氧O′平均键长R_(A-O')逐渐减小, 结晶化学参数键价和AV(O')[A₄]增大, AV(O)[A₂B₂]减小, 48f(O)偏移量ξ增加。室温下样品的介电常数随着掺杂量的增加而减小, 介电损耗逐渐增加, 介电松弛特征减弱。低温下样品呈现明显的弛豫现象, 峰值温度T_m随着掺杂量的增加向高温方向移动。利用修正的Curie-Weiss(C-W)公式对样品ε_r-T曲线进行最小二乘法拟合, 得出样品的弛豫度γ由R0样品的1.57减小到R40样品的1.33。

采用固相-熔盐法非平衡骤热骤冷工艺(SSR-MSS-SHCN)制得粒径分布均匀、高纯度的BiFeO₃粉体。通过XRD、FT-IR、TG-DSC、VSM及SEM等对样品物相结构、性能及形貌进行表征。结果表明, 骤热骤冷的非平衡工艺更有利于提高BiFeO₃纯度。单一的固相法或熔盐法采用骤热骤冷非平衡工艺合成的产物均含有Bi₂₅FeO₃₉和/或Bi₂Fe₄O₉杂相。固相-熔盐法骤热骤冷非平衡工艺制得了几近单相的高纯度BiFeO₃粉体。高纯度BiFeO₃粉体磁性能室温呈反铁磁性, 而低温呈弱铁磁性和/或超顺磁性, 而非自旋玻璃态。

铋层状材料纯相的合成存在着很多困难, 阻碍了此类材料的广泛应用。本工作利用第一性原理热力学方法研究了三个经典同源铋层状化合物系列CaBi₂Nb₂O₉-nNaNbO₃、Bi₄Ti₃O₁₂-nSrTiO₃和Bi₄Ti₃O₁₂-nCaTiO₃的不同层数相之间的竞争关系, 试图揭示其相稳定性的热力学机制。结合第一性原理计算, 建立了相对Gibbs能量与钙钛矿化学势之间的定量关系, 并依此来分析不同层数相之间的竞争。分析表明, 随着化学势升高, 这三个体系中除了两个相外, 其他相都能够在某一特定范围内达到最稳定, 可以解释实验上观察到的某些样品中的相混合和无序等现象。相竞争演化的温度依赖关系被分成构型熵和振动熵两部分贡献, 前者改变了相竞争的关系, 而后者仅仅增加低层相的稳定范围。

室温下采用紫外固化的方法取代溶胶-凝胶方法中的高温退火制备了氧化锌薄膜, XRD分析结果表明薄膜为非晶的, XPS分析结果表明薄膜的主要成分是ZnO。在深紫外固化后的薄膜表面溅射Al作为顶电极获得Al/a-ZnO/FTO结构的器件,研究深紫外照射时间对器件电阻转变性能的影响, 进一步解释了深紫外固化的机制。研究表明: 经过充足时间(12 h)照射的器件表现出双极性电阻开关特性,阈值电压分布集中(-3.7 V<V_set<-2.9 V, 3.4 V< V_reset<4.3 V)且符合低电压工作的要求, 至少在4000 s内器件的高低阻态都没有发生明显的退化, 表现出了良好的存储器特性。Al/a-ZnO/FTO器件的这种电阻转变特性可以用空间电荷限制电流传导机制解释。

三氟乙酸-金属有机沉积法(TFA-MOD)是YBa₂Cu₃O_7-δ(YBCO)涂层导体制备最有前景的技术路线之一。采用添加高沸点有机溶剂二乙醇胺(DEA)对TFA-MOD法进行调制改进, 抑制了缺陷形成, 并通过增加前驱液金属阳离子浓度提高了单次涂敷薄膜的厚度。研究表明: 低温热解膜厚度和前驱液粘度与前驱液中阳离子浓度的依赖关系均呈现幂指数关系; 选择合适的前驱液浓度和涂覆参数, 单次涂敷获得了较厚的薄膜, 厚度达到1.3 μm以上, 且表面平整无开裂, 微观结构总体均匀, 但厚膜表面出现弥散的异质相颗粒。超导临界电流密度的测量结果显示: 随着超导薄膜厚度的增加, 临界电流密度呈下降趋势, 而超导临界电流得到显著的提高, 如前驱液浓度为2.5 mol/L样品的临界电流I_c是前驱液浓度为1.0 mol/L样品的4.7倍。

本研究采用有机硅烷偶联剂二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵(TPOAC)作为中孔模板剂, 在水热条件下合成了具有FAU结构的中孔X和Y型沸石, 并用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、氮气吸附/脱附和热重分析技术对合成样品进行了结构表征。结果表明, 在该沸石合成体系中TPOAC的加入使沸石晶粒纳米化, 同时可在沸石晶粒内部创造丰富的直径为5~6 nm的中孔, 并且改变了沸石晶体的外观形貌。从而获得了不仅保持沸石固有微孔、同时具有晶内中孔和晶间中孔的介孔FAU沸石。

以高铝矾土、硅灰为原料, 玉米淀粉为造孔剂制备高气孔率莫来石, 通过XRD、SEM等对产物物相、形貌进行表征, 研究淀粉含量对显气孔率、体积密度和抗折强度的影响, 及不同显气孔率的莫来石随温度变化的导热系数, 建立体积密度、抗折强度与气孔率关系模型及非线性导热模型。结果表明: 体积密度、抗折强度随气孔率增加而减小, 并符合指数函数关系。导热系数随温度的升高而增大, 实测值与非线性导热模型计算值吻合较好, 非线性导热模型能够准确地反映高气孔率莫来石导热系数与温度、气孔率、平均孔径和热辐射等之间的关系。

以中间相沥青为原料, 采用不同长宽比的矩形截面喷丝板, 通过控制熔融纺丝时的收丝速率, 制得了具有不同截面尺寸和晶体取向的高定向中间相沥青基带状炭纤维, 并研究了热处理温度和喷丝孔截面尺寸对所得炭纤维结构和性能的影响。结果表明, 喷丝孔的形状和收丝速度对炭纤维的晶体取向有显著影响。当收丝速度一定时, 随着喷丝孔截面长宽比的减小, 带状炭纤维截面碳晶体层片由褶皱平行取向结构向辐射状垂直取向结构转变。随着热处理温度的升高, 所制得炭纤维的室温轴向电阻率显著减小, 热导率相应增大, 力学性能明显提高; 随着收丝速率的增大, 带状炭纤维室温轴向电阻率变化不大, 但对其力学性能有显著影响。当喷丝孔截面长宽比和纺丝速度分别为30:1和75 m/min 时, 2500℃石墨化纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为2.53 GPa和234.77 GPa。

采用一步水热法合成石墨烯复合花状钨酸铋高效可见光光催化剂。降解甲基橙的性能实验结果表明, 与单纯的Bi₂WO₆相比, 所有Bi₂WO₆-rGO复合光催化剂表现出更高的光催化性能。其中, Bi₂WO₆-rGO (0.5wt%)具有最高的光催化活性, 其速率常数达到5.0×10^-2 /min, 是纯Bi₂WO₆的1.7倍。增强光催化性能的原因归结为以下两方面的协同作用: 还原石墨烯在复合光催化剂中起到了电子快速传输作用; 石墨烯提供了有利于吸附有机污染物的大比表面积。本研究可以为设计与合成高性能石墨烯基光催化剂提供新的思路。

低维Bi₂Se₃纳米材料是最新研究发现的一种新型三维拓扑绝缘体材料, 在微电子器件和传感器领域具有广阔的应用前景。本研究采用气相传输法在真空石英管中合成了大尺寸单晶Bi₂Se₃纳米片、纳米带。通过XRD、EDS、Raman、SEM等手段对Bi₂Se₃纳米片、纳米带的物相结构、组成、表面形貌等进行表征。测试结果表明: 气相传输法合成的单晶Bi₂Se₃纳米片、纳米带相纯度高, 结晶性能好, 均是{001}取向; Bi₂Se₃纳米片水平尺寸大, 约为15~180 μm; Bi₂Se₃纳米带长度达860 μm, 宽度约5 μm。根据不同温度下制备的Bi₂Se₃纳米片、纳米带SEM照片及其不同方向结合能的差异, 分析了其可能的生长机制: 在较高温度下沿<001>和方向生长速度快, 生成大尺寸单晶Bi₂Se₃纳米片; 在较低温度下, 沿方向生长速度快, 生成大尺寸单晶Bi₂Se₃纳米带。这些研究结果完善了大尺寸Bi₂Se₃纳米材料的制备工艺, 有望在微电子器件领域得到商业化应用。

以Bi₂S₃纳米棒为模板合成了形貌可控的BiPO₄ 纳米棒复合光催化剂。在可见光辐射下, 该复合催化剂表现出优异的光催化降解亚甲基蓝(MB)的性能。UV-Vis漫反射谱结果表明: 催化剂经过Bi₂O₃修饰后对可见光有很好吸收; X射线衍射仪和透射电镜等表征结果表明, 所制备的BiPO₄ 纳米催化剂为直径约30 nm、长约200~500 nm的纳米棒。表面修饰少量Bi₂O₃可明显促进光催化剂对亚甲基蓝(MB)的可见光降解效率, 其活性是未修饰催化剂的1.7倍。光电流和N₂吸附实验也表明表面修饰后的催化剂光电流和BET比表面积都明显增加。这可能是由于表面修饰的Bi₂O₃不仅显著提高了BiPO₄ 纳米棒复合催化剂的可见光吸收, 而且在BiPO₄表面起到了富集电子和传输电子的作用。结果表明表面修饰Bi₂O₃的BiPO₄ 纳米棒是一种高活性的光催化材料。

利用高温固相反应制备了Ce³⁺、Eu³⁺共掺杂的(Ce_0.01Eu_xLu_0.99-x)₃Al₅O₁₂(x=0.02%、0.5%、1%、2%)多晶粉末, 并对其结构和光谱学特性, 特别是Ce³⁺向Eu³⁺的能量传递问题进行了研究。X射线衍射结果显示, 所制备样品具有单一的石榴石结构。利用X射线激发发射谱和光致激发发射谱研究了Eu³⁺掺入浓度对发光中心Ce³⁺和Eu³⁺离子发光特性的影响以及Ce³⁺向Eu³⁺的能量传递。样品的热释光谱进一步证明Ce³⁺向Eu³⁺的能量传递及其与Eu³⁺浓度之间的变化关系。

采用熔融-淬冷法制备了GeSb_xSe_7-x (x = 0.4、0.8、1.2、1.6、2.0)系列硫系玻璃, 并系统地研究了Sb对玻璃结构和物理性能的影响。拉曼光谱测试结果显示, 随着Sb含量增加, 玻璃结构逐渐从由Se链或Se环主导转变为由交联的SbSe_3/2三角锥结构单元和GeSe_4/2四面体结构单元主导, 玻璃网络交联程度增加。同时, 玻璃的转变温度、密度、弹性模量和折射率都随着Sb含量的增加而增大。透过光谱研究表明, 随着Sb逐渐替换Se原子, 光学带隙逐步减小。

采用单靶磁控溅射法制备了铜铟硒(CIS)和铜铟锌硒(CIZS)薄膜。XRD表征发现CIZS-300出现了与其它薄膜不同的择优取向, 分析认为贫铜的状态和适宜温度可能促使薄膜择优取向从(112)向(220)转化; 拉曼光谱在171 cm^-1处出现的较强峰, 和206 cm^-1处出现的较弱峰, 分别为A₁和B₂振动模式, 而Zn的掺入导致A₁拉曼峰的宽化和蓝移; Zn的掺入使Cu含量改变进而使CIZS禁带宽度增大, 这是由于Se的p轨道和Cu的d轨道杂化引起的; SEM测试结果表明CIZS薄膜表面比CIS表面更为紧密、平滑。

片式CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷由于其巨介电效应, 用于制备多层陶瓷片式电容具有重大意义。通过水基流延法并在不同的烧结温度下制备的片式CaCu₃Ti₄O₁₂陶瓷具有优异的介电性能。其中在1080℃下烧结的样品在保持巨电容率(98605)的同时, 降低了介电损耗, 其值只有0.028, 远低于其他报道的损耗值。同时, 测试了CCTO陶瓷薄片的复阻抗图谱, 讨论了CCTO陶瓷的特殊的电学性能。实验结果表明, 通过流延成型制备的CCTO陶瓷薄片在保持巨电容率的同时具有很低的介电损耗, 这为CCTO陶瓷在微电子工业上的应用提供了可能性。