二硫化钼是一种典型的过渡金属二元化合物, 以其独特的化学、物理性能而备受关注。本文综述了纳米二硫化钼常见的多种形貌结构, 包括富勒烯状、球状、花状、线、片、棒、管状等; 概述了其常用的制备方法, 包括: 化学气相沉积法、高温硫化法、剥离法、电化学沉积法、水热及溶剂热法等; 总结了纳米结构二硫化钼在润滑、催化、光电器件等领域的研究进展, 最后展望了二硫化钼材料的研究前景。

实际锂离子电池石墨负极由鳞片状石墨层叠而成, 具有明显的各向异性。本文基于椭球颗粒的模拟退火法对其进行三维微结构数值重建。重建微结构乃三相(孔或电解液、石墨和固体添加物)复合结构, 很好地再现了实际电极各向异性特征。对重构电极进行特征化分析, 得到了电极内固/孔相的连通率、比表面积以及孔径分布等信息; 发现石墨颗粒尺寸对电极特性有重要的影响: 椭球形石墨颗粒尺寸越大, 则重建微结构的平均孔径越大, 比表面积越小; 相对于赤道半径, 椭球颗粒的极半径对重建电极特性的影响更为明显。

以Ce(OH)₄为原料, 采用热分解法制备得到粒径小于10 nm的CeO₂纳米晶。制备得到的CeO₂纳米晶表面存在丰富的羟基和硝基, 作为硫正极添加剂, 一方面可以有效吸附硫和多硫化锂, 抑制多硫化锂在电解液中的溶解和穿梭效应的发生, 进而提高电池的循环性能。同时, 可以改善电极和电解液之间的接触性, 提高活性物质利用率。其中, 含有5wt%的CeO₂纳米晶的锂硫电池在0.1C和0.5C(1C=1675 mA/g)的充放电倍率下, 100周之后放电比容量分别达750 mAh/g和598 mAh/g, 远高于不含有CeO₂纳米晶的523 mAh/g和395 mAh/g, 同时, 循环前后的电池阻抗也明显降低。

采用醇热技术可控制备了中空核壳结构α-MoO₃-SnO₂二次锂离子电池复合负极材料。通过XRD、SEM、TEM、CV和恒流充放电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: 构建的多元金属氧化物既具有电化学活性成分, 又含有骨架支撑部分, 独特的中空结构有效地缩短了电子和锂离子传输路径。电化学测试表明: 该材料在电流密度50 mA/g时循环100次后放电比容量仍高达865 mAh/g。在电流密度为1000 mA/g时循环100次后放电比容量仍达到545 mAh/g, 表现出优异的循环性能和倍率性能。该合成方法简单、成本低, 产量高, 可为制备其它中空核壳结构先进功能材料提供借鉴。

采用溶剂热法, 以乙腈为溶剂和葡萄糖为原料制备了粒径约4 nm的氮掺杂碳量子点NCDs。当激发波长从330 nm增加到470 nm, NCDs水溶液发射光谱出现红移。随后, 将一定配比的NCDs、TiO₂及5 mL超纯水超声混合60 min, 并在80℃烘箱内陈化24 h, NCDs纳米颗粒成功地复合到TiO₂(TiO₂)表面。该方法有效地拓宽了TiO₂吸收光谱的范围, 并且减少了光生电子和空穴对, 从而增强了TiO₂的光催化制氢性能。实验结果表明: 投料比为m(NCDs):m(TiO₂)=15:85时, 以甲醇为牺牲剂的反应体系光催化制氢效果最好, 该复合材料具有一定的稳定性, 循环三次使用后仍然有一定的光催化制氢性能。

利用紫外光照射诱导亚甲基蓝改性碳纳米管(MWCNTs), 是一种工艺简单、绿色无毒的改性催化剂碳载体的新方法。本研究以光照改性时间、改性剂(亚甲基蓝)用量和紫外光波长为主要影响因素, 系统研究了不同因素对MWCNTs改性的影响及其对催化剂催化性能的影响。利用透射电子显微镜(TEM)对不同条件下的催化剂形貌进行了表征, 采用循环伏安法(CV)和时间电流法(i-t)等电化学测试手段对催化剂在碱性介质中催化氧化甲醇的催化活性和催化稳定性分别进行了测试, 研究结果表明: 光照时间为6 h、亚甲基蓝用量为10 mg、紫外光波长采用254 nm时, MWCNTs的改性效果最佳, Pt纳米粒子在改性最佳的MWCNTs表面的负载均匀性最好, 所得催化剂的催化性能也最优, 其催化活性是商业Pt/C催化剂的2倍多, 这种改性方式为高活性、低成本燃料电池阳极催化剂的研究提供了新方法。

在不使用表面活性剂的情况下, 采用溶胶-凝胶法成功制备CNTs/TiO₂复合物, 利用XRD、TEM、HRTEM和SAED对样品的结构和形貌进行了表征。选取亚甲基蓝溶液为目标降解物, 利用紫外-可见(UV-Vis)分光光度计考察了CNTs/TiO₂复合物的光催化活性, 系统研究了CNTs掺杂量对催化降解效率的影响。实验结果表明: 经450℃煅烧, 锐钛矿相TiO₂通过C-O-Ti键均匀地涂覆在CNTs表面, TiO₂颗粒尺寸约16 nm。CNTs/TiO₂复合物光催化活性明显高于纯TiO₂, 当CNTs掺杂量为1wt%时, CNTs/TiO₂复合物对亚甲基蓝的催化降解效率最高, 比纯TiO₂提高11.7%。

首先利用沉淀法合成了BiOCl纳米片, 然后利用研磨-焙烧法将La₂O₃纳米颗粒复合到BiOCl纳米片中, 制备了一系列La₂O₃/BiOCl复合光催化剂(La₂O₃: 1wt%、2wt%、4wt%、8wt%)。运用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、光电子能谱(XPS)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和光致发光(PL)谱等对样品的晶相、光吸收和表面性能等进行了表征。以紫外灯(λ = 254 nm)为光源, 评价了所制备样品光催化降解高浓度染料酸性橙II(40×10^-6)的活性。结果表明, 经过研磨-焙烧后该系列催化剂均具有较好的结晶性能, 同时2~5 nm的La₂O₃纳米粒子粘附在BiOCl纳米片表面。200℃焙烧制备的1wt%La₂O₃/BiOCl催化剂具有丰富的表面羟基, 对染料表现出较强的吸附性能。该催化剂表现了最高的光催化活性, 活性为纯BiOCl的2.4倍。另外, La₂O₃/BiOCl中的La³⁺提供的氧化-还原势阱可能捕获光生电子, 从而阻止了光生电子(e^-)和空穴(h⁺)的复合, 有利于光催化活性的提高。

利用原位还原-种子生长法制备了超顺磁金纳米壳复合颗粒(SGNs), 研究了其粒径调控的方法并对其体外/体内磁共振成像(MRI)和光热治疗(PT)性能进行了测试。结果表明, 通过改变Fe₃O₄的加入量可方便地调控SGNs的粒径, 并成功制备了粒径分别为100、150和200 nm的SGNs复合颗粒。这些不同粒径的纳米复合颗粒均具有规则的球形形貌、较窄的粒径分布和单分散性。经巯基-聚乙二醇(SH-PEG)修饰后, 不同粒径的复合颗粒(SGNs-PEG)均表现出较强的MRI成像和光热转换能力。其中, 粒径为150 nm的复合颗粒对808 nm激光具有最强的吸收能力和光热转换效率, 体外和体内可升高温度分别达37 ℃和25 ℃, 同时具有较优异的MRI成像造影能力。因此, 在MDA-MB-435荷瘤小鼠肿瘤部位注射该复合颗粒后, 可先对肿瘤部位进行很好的成像诊断, 再利用激光照射通过光热转换有效地杀灭肿瘤细胞, 这为实现肿瘤诊疗的一体化提供了可能。

采用共沉淀法合成磷酸镁, 将磷酸镁(MP)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和小麦蛋白(WP)进行复合, 制备出MP/PBS/WP复合骨修复材料。通过体外降解、生物活性以及细胞培养等实验对复合材料的理化性能及细胞相容性进行了研究。结果显示: MP/PBS/WP复合材料在Tris-HCl缓冲液中浸泡10 d后, 溶液pH从7.4上升至7.51, 浸泡12 w后, 其降解率达到58.43wt%; 复合材料在模拟体液中浸泡10 d后, 其表面形成磷灰石层; 复合材料能促进MC3T3-E1细胞的增殖与分化。结果表明: MP/PBS/WP复合材料具有优良的降解性、生物活性和细胞相容性, 有望成为一种新型骨修复材料。

Y-Ba-Cu-O(YBCO)单畴块材通常是由统一分布的YBa₂Cu₃O_7-δ(Y123)和Y₂BaCuO₅(Y211)前驱坯体制备的。然而研究表明熔融生长的超导块材中Y211相粒子的浓度随着远离籽晶显著增大, 造成Y211相粒子的积聚以及限制单畴块材的超导性能。本文通过顶部籽晶熔融织构法(TSMTG)利用分层式前驱坯体制备了φ23 mm×9 mm的YBCO单畴块材, 并在生长形貌、微结构以及磁通俘获性能方面与常规方法制备的同尺寸YBCO单畴块材做了对比研究。研究结果显示, 使用分层式前驱坯体制备的YBCO单畴块材生长得更充分, Y211相粒子的平均粒径更小、分布更均匀, 并且在磁通俘获性能上有了显著的提高, 同时具备高对称性的磁通分布和强磁通俘获能力, 在77 K环境下最大磁通俘获场高达0.91 T。该结果对进一步提高YBCO超导块材的性能具有很好的参考价值。

采用反相气相色谱法(IGC)探究司班20(Span-20)、吐温-80(Tween-80)、曲拉通X-100(Triton X-100)分别与十二烷基苯磺酸钠(SDBS)复合改性镁铁水滑石材料(即SDBS/Span-LDHs、SDBS/Tween-LDHs、SDBS/Triton-LDHs)的表面性质, 通过表面吸附自由能(-ΔG⁰)、表面能色散组分(γ_s^d)及酸碱作用自由能(-ΔG^sp)这三个参数探讨材料改性前后的变化。结果表明, 水滑石经改性后的-ΔG⁰值均比未改性材料的值小, 其中SDBS/Triton-LDHs的-ΔG⁰值最小, 说明SDBS/Triton-LDHs材料的稳定性最好, 且水滑石材料改性后碱性减弱, 其中SDBS/Triton-LDHs材料的碱性最弱。此外, 各类水滑石的γ_s^d值均随着温度的升高而减小, 因此, 在制备聚合物/水滑石类材料时, 可提高温度来改善其与聚合物的相容性。

通过调整热处理工艺制备了不同结构的R₂O-CaO-SiO₂-F系硅碱钙石微晶玻璃, 分析了析晶特性和力学性能, 重点研究以硅碱钙石为主晶微晶玻璃的裂纹扩展机制及增韧机理。结果表明, 基础玻璃在低温处理时首先析出CaF₂微晶作为异质晶核, 一步法处理后得到岛屿状硬硅钙石/硅碱钙石复相微晶玻璃, 两步法处理后得到了力学性能优异、具有板条交错结构的硅碱钙石微晶玻璃。研究发现, 硅碱钙石微晶玻璃的裂纹扩展受到周围板条晶体取向及晶界影响, 存在穿晶断裂和沿晶断裂两种模式扩展, 呈现出随机取向的折线或台阶状裂纹路径。其中具有一定长径比的板条状硅碱钙石具有较好的桥联作用, 承载补强效果显著, 此外硅碱钙石晶体与玻璃相之间存在的残余应力, 有利于缓解裂纹应力集中以及增加裂纹扩展能。即, 硅碱钙石微晶玻璃优异的力学性能是各种增强和增韧机制综合作用的结果。

利用湿化学法制备了MgO/Eu₂O₃共掺Al₂O₃陶瓷, 研究了不同的MgO/Eu₂O₃掺杂量对Al₂O₃陶瓷物相组成、显微结构和微波介电性能的影响。结果表明: 适量的MgO/Eu₂O₃共掺有助于Al₂O₃的致密化和晶粒生长。在介电性能方面, MgO/Eu₂O₃共掺对Al₂O₃陶瓷的介电常数没有明显的影响, 但对介电损耗的影响显著。随着Eu₂O₃含量的增加, Al₂O₃陶瓷的Q×f值会呈现先增加后下降的变化趋势。0.05wt% MgO/0.10wt% Eu₂O₃共掺的样品在1590℃下保温4 h获得的微波介电性能最佳, ε_r~9.82, Q×f ~225, 225 GHz。Q×f值的这种变化可能与样品微观结构的变化相关。先是随着MgO/Eu₂O₃共掺量的增加, 晶粒尺寸不断增加, 晶界不断减少, 这有利于Q×f值的提高; 接着, 当MgO/Eu₂O₃共掺量进一步增加时, 晶粒尺寸不断下降, 晶界增多, 这会导致样品Q×f值的降低。另外, 应力和第二相也可能对Q×f值的变化产生影响。

采用传统固相法制备了Ca_xSr_1-xBi₂Nb₂O₉ (x=0、0.10、0.25、0.40)无铅压电陶瓷, 研究了Ca²⁺掺杂量对其微观结构、电学性能及其高温稳定性的影响。掺入Ca²⁺并未改变SrBi₂Nb₂O₉陶瓷的晶体结构; 随着Ca²⁺掺杂量的增加, 陶瓷晶粒由片状向长条状转变; 陶瓷的矫顽场(E_c)下降, 剩余极化强度(P_r)先增大后减小; 陶瓷的居里温度由450℃升高到672℃。当x=0.10时, 陶瓷具有较好的综合性能: 2P_r=14.8 μC/cm², d₃₃=22 pC/N, T_c=488℃; 当退火温度达到400℃时, 压电常数d₃₃仍达到20 pC/N, 说明该材料具有较好的温度稳定性, 可以在400℃的高温环境中应用。

通过传统固相反应法合成一种新型的F掺杂Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO)石榴石结构固体电解质。添加适量LiF和CaF₂等氟化物经过两步煅烧在室温下获得纯立方相的LLZO陶瓷粉体, 验证氟离子掺杂具有稳定石榴石结构立方相和增强陶瓷烧结活性的作用。制备的1wt% LiF-LLZO电解质总电导率达5×10^-4 S/cm, 接近立方相LLZO的体电导率, 电导活化能仅为0.26 eV, 低于其他阳离子掺杂的LLZO。(321)、(400)、(642)和(800)晶面衍射峰由于晶粒的生长取向而显著增强, 陶瓷内部晶界消失, 形成由闭气孔构成的独特显微结构, 导致该新型电解质的晶界阻抗的消失和总电导率的提升。

通过一步火焰辅助热解法制备不同Mn掺杂量的嵌碳TiO₂微球, 利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、紫外可见漫反射谱(DRS)、X射线能谱(XPS)、拉曼光谱对其进行表征。SEM和XRD结果表明所制备的TiO₂为微球形貌, 且具有锐钛矿晶型, XPS和Raman分析表明Mn掺入TiO₂晶格, 紫外可见漫反射谱显示引入Mn后可增强对可见光的吸收。Mn掺杂嵌碳TiO₂微球在可见光下对亚甲基蓝(MB)具有更强的降解能力。与其他方法相比, 本方法具有简单, 便捷, 对环境友好, 无需热处理的优点, 可用于制备其他金属元素掺杂的样品, 具有较大的应用潜力。