光催化制取太阳能燃料主要包括光催化分解H₂O制取H₂及光催化还原CO₂制取碳氢化合物, 是应对能源危机最具前景的方法之一。目前, 太阳能燃料的最高转化效率为5%, 无法满足商业化要求(≥10%)。纳米异质结由于能展现出单组分纳米材料或体相异质结所不具备的独特性质, 更能促进光生电子和空穴快速转移, 提供更多的光生电子或使光生电子具有更强的还原性, 因而能显著提高光催化活性。本文主要综述了几种纳米异质结(I-型、II-型、p-n型及Z-型)的光催化原理及其在制取太阳能燃料方面的研究进展, 并展望了研究发展方向。

钙钛矿太阳能电池由纳米晶致密层、钙钛矿型光活性层CH₃NH₃PbX₃ (X= Cl、Br、I)、空穴传输层及对电极组成。其中光活性层吸光材料的种类及其成膜技术、空穴传输层材料类型及结构设计是影响钙钛矿太阳能电池光电性能的重要因素。本文结合钙钛矿太阳能电池近年来的最新研究进展, 对影响器件光电性能的关键因素: 光吸收层、空穴传输层、工艺参数以及结构设计等进行综述, 同时展望了钙钛矿太阳能电池未来的发展趋势。

直写成型技术是一种新型的三维复杂结构的制备方法。本文综述了直写成型用悬浮液的研究进展: 根据直写成型悬浮液的固化特点, 将之划分为自固化悬浮液和外固化悬浮液; 分析了自固化悬浮液的流变性能要求与设计准则, 综述了典型的自固化悬浮液; 分析了外固化悬浮液的要求与固化方式, 并总结了典型的外固化悬浮液与固化方式; 探讨了直写成型用悬浮液的发展方向。

以聚乙二醇为介孔导向剂, 通过凝胶转化制备了介孔ZSM-5沸石。研究表明, 在TPA⁺/SiO₂=0.1时经过9~15 h溶剂挥发制得的凝胶, 在160℃处理24 h可得到介孔ZSM-5沸石; 挥发时间太短或太长会得到纯的ZSM-5沸石或介孔材料, 说明在凝胶的制备过程中, 通过控制溶剂的挥发程度, 既可为沸石生长过程提供所需的水分, 又能避免沸石晶体形成过程中无定型相的产生, 从而在较低的TPA⁺浓度下获得介孔ZSM-5沸石。与传统的ZSM-5沸石相比, 利用该方法制备的介孔ZSM-5沸石不仅具有微孔/介孔多级孔结构, 同时具有沸石材料较强的酸性、较高的水热稳定性和择形催化性能, 使其在苯甲醛与正丁醇的大分子醇醛缩聚反应中能有效地克服传统沸石孔径限制的缺点, 收率高达42.4%。

以两种表面活性剂Brij-35和P123作为介孔结构造孔剂, 通过水热晶化法, 制备多种活性组分V₂O₅、WO₃、CuO和Al₂O₃共负载的ZrO₂-TiO₂(ZT)基介孔复合氧化物催化剂V₂O₅-WO₃-CuO-Al₂O₃/ ZrO₂-TiO₂(简称VWCuAl/ZT)。研究结果表明, 活性组分均匀分散于介孔载体中, 该复合催化材料针对NO的NH₃-SCR催化反应中, 相比于浸渍法制备的非介孔I-VWCuAl/ZT和商用催化剂V₂O₅-WO₃/TiO₂(V-W/Ti)表现出优异的低温催化活性和稳定性, 可以在较宽温度范围(200℃~500℃)内实现NO的高效催化还原。

在ZSM-5沸石前驱体中加入羧甲基纤维素钠并制得干胶, 然后通过蒸汽相转化制得了大块状ZSM-5沸石。由于羧甲基纤维素钠与硅铝物种之间的相互作用干扰了沸石晶体的正常生长, 这种干扰所产生的“键阻断”作用导致合成的大块状ZSM-5沸石由100~150 nm的初级ZSM-5沸石晶体组成, 在这些初级粒子之间存在2~20 nm的二次介孔结构。异丙苯催化裂化结果表明, 由于纳米沸石具有较高的外表面积和较大的介孔孔容, 比参比催化剂表现出更高的异丙苯转化率。

用变温热浸渍法在廉价大孔α-Al₂O₃的载体管上涂覆大小晶种引入平整均匀的晶种层, 随后在无有机模板剂的含氟体系下通过二次水热生长法制备了亲水性ZSM-5沸石分子筛膜。实验考察了小晶种液浓度对形成晶种层及ZSM-5沸石分子筛膜形貌和性能的影响。并将制备的ZSM-5沸石分子筛膜分别用于渗透汽化异丙醇脱水和乙酸脱水体系中。结果显示, 小晶种液浓度为0.2wt%时, 制备的ZSM-5沸石分子筛膜在75℃下对10wt%水/异丙醇和10wt% 水/乙酸混合物体系均具有优良的分离性能, 其渗透通量分别为3.64 kg/(m²·h)和0.61 kg/(m²·h), 分离因子分别达3204和1321。

采用水热合成和低温煅烧两步法工艺制备了不同浓度(0~1.5mol%)镨掺杂锡酸镁, 通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及荧光光谱仪对合成的样品进行表征, 研究了Pr掺杂量对锡酸镁微观形貌的影响, 并讨论了其光致发光性能。结果表明, 所制备的Mg₂SnO₄: Pr³⁺为立方反尖晶石结构的立方纳米颗粒; 与未掺杂的Mg₂SnO₄相比, Pr掺杂浓度的增加使颗粒尺寸变大, 并使颗粒边角锐化。不同浓度Mg₂SnO₄: Pr³⁺的发射光谱表明Mg₂SnO₄: Pr³⁺样品中存在530、570 nm两处发射峰, 前者与Mg₂SnO₄基质中的氧空位有关, 后者由Pr元素³P₀-³H₅能级的跃迁造成。随着Pr掺杂浓度增加, 锡酸镁颗粒尺寸变大、发光中心增多, 使得Pr掺杂锡酸镁纳米颗粒在570 nm处的发光强度增强。

实验通过高温熔融法制备了不同SiO₂ 浓度的掺钕钙铝酸盐玻璃。采用拉曼光谱法分析玻璃结构变化, 发现随着SiO₂含量的增加, [AlO₄]网格中非桥氧逐渐转移至Si⁴⁺离子周围, 玻璃主体Al-O网络中非桥氧减少, 聚合度提高。实验测试了玻璃的吸收光谱和荧光光谱, 并运用Judd-Ofelt理论计算Nd³⁺离子⁴F_3/2→⁴I_11/2跃迁的J-O参数Ω, 自发辐射几率A_rad, 荧光分支比β, 受激发射截面σ_e, 辐射寿命τ_rad等。结果显示: 随着SiO₂浓度的增加, 钕离子周围环境结构对称性提高, 荧光发射峰半高宽变窄, 同时受激发射截面逐渐增大。研究结果表明含有低浓度SiO₂的掺钕钙铝酸盐激光玻璃有望用于超短脉冲激光领域。

采用共沉淀法合成了Ce,Pr:YLuAG粉末, 在1450℃下煅烧可获得石榴石结构纯相。经过压制成型、固相烧结等工艺制备了多晶料棒, TEM显示二次烧结获得的料棒具有良好的结晶性。采用光学浮区法生长了Ce,Pr:YLuAG晶体。晶体通体透明, 呈浅黄色, 肩部有少量裂纹。透过率达到81.8%, 接近于理论值84.2%。晶体在460 nm波长激发下呈现530 nm发射带和610 nm发射峰, 分别对应Ce³⁺和Pr³⁺的特征发射, 表明Ce³⁺可以向Pr³⁺进行能量转移; 在487 nm激发下晶体仅出现Pr³⁺离子的特征发射峰。Ce,Pr:YLuAG晶体色坐标为(0.474,0.495), 比商用Ce:YAG荧光粉更靠近红光区域, 可以弥补现有荧光粉不足, 更适合制造白光LED。

通过热熔融法将作为成核剂的TiO₂引入Ge-Sn-Se三元体系的硫系玻璃中, 并对玻璃样品进行不同时间的热处理。实验结果表明, 热处理能够使TiO₂掺杂Ge-Sn-Se玻璃析出SnSe₂六方晶体与GeSe₂单斜晶体, 并且随着热处理时间的延长, 透明样品的短波吸收边发生了红移, 光学带隙减小, Urbach能量增加, 说明玻璃中缺陷组织的数量在增加。通过Z扫描方法获得了各个样品在通信波长1550 nm下的三阶非线性参数, 研究了热处理时间对TiO₂掺杂Ge-Sn-Se玻璃光学非线性性能的影响。结果表明: 玻璃内部在热处理后析出的纳米级晶体具有很强的局域场效应, 能够极大地增加玻璃的三阶非线性, 样品的非线性折射率n₂最高达到5.75×10^-16 m²/W, 热处理3 h的样品同时具有较高非线性折射率和较高品质因子, 是一种性能优良的非线性光学材料。

将硅酸乙酯水解得SiO₂溶胶, 陈化1 d后掺入15.0wt%阳离子铱(III)配合物[Ir(ppy)₂(o-phen)][PF₆](ppy: 2-苯基吡啶; o-phen: 1-乙基-2-(4-(5-(4-叔丁基苯基)-1, 3, 4-噁二唑-2-基)-苯基)-1H-咪唑并[4, 5-f][1, 10]菲啰啉), 45 ℃恒温3 d后室温放置10 d得干凝胶, 再经研磨和150 ℃干燥8 h制得黄色发光微粉。将所得的发光微粉按6.0、9.0、12.0、15.0、18.0和21.0wt%掺入到环氧树脂中, 作为下转换发光材料涂敷在395 nm发射的InGaN芯片上制备成LED器件。掺入12wt% SiO₂微粉的LED发光性能最佳, 在40.0 mA正向电流和5 V反向电压下, 该LED达到最大发光效率51.9 lm/W, CIE色坐标为(0.42, 0.42)。

采用高温固相反应法合成了不同Eu³⁺掺杂浓度的Ba₃Gd(PO₄)₃荧光粉。利用X射线衍射对产生的晶体结构进行了分析, 证实产物为纯相, Eu³⁺的引入没有导致晶体结构的改变。利用Van Uitert模型对⁵D₀能级荧光的浓度猝灭行为进行了研究, 发现浓度猝灭是由于Eu³⁺间交换相互作用所导致。分析了⁵D₀荧光发射的温度依赖, 给出了荧光温度猝灭行为符合横向穿越模型, 并通过非线性拟合获得了激活能。利用Eu³⁺的发射光谱和荧光衰减数据, 计算了⁵D₀→⁷F_J辐射跃迁速率及荧光分支比, 同时得到了光学跃迁强度参数。

硅藻土较好的保持了天然硅藻的多级微纳孔阵列、大比表面积等特征, 将其分选应用于硅藻研究具有低成本、大量、可重复等优势。本研究采用物理沉降结合机械筛选的方式从硅藻土中提取出盘形硅藻壳微粒, 尺寸分布在40~80 μm之间。借助空气-水界面颗粒漂浮自组装原理, 探究疏水处理的硅藻土壳片快速大面积密排工艺可行性。结果显示通过控制硅藻壳微粒在水面的浓度以及微粒自身形态, 可以获得厘米级单层密排结构, 且实验制得最大硅藻壳微粒漂浮单层密排面积达到23.7 cm², 捞取干燥完整硅藻微粒单层密排面积达到5.0 cm²。

采用固相法制备了(1-x)(Sr_0.2Nd_0.208Ca_0.488)TiO₃-xNd(Ti_0.5Mg_0.5)O₃(0.3≤x≤0.4, SNCT-NTMx)系微波介质陶瓷材料, 并研究了该体系的相组成、显微结构、烧结性能和微波介电性能之间的关系。结果表明: 在x = 0.3~0.35范围内, SNCT-NTMx陶瓷形成了正交钙钛矿固溶体, 并伴随有少量未知第二相; 当x增至0.4时, 第二相含量有所增加。介电性能研究结果显示: 随着x的增加, 体系介电常数(ε_r)减小, 但品质因子(Q×f)得到改善; 此外, 体系谐振频率温度系数(τ_f)随NTM含量的增加逐渐向负值方向移动。当x = 0.35, 陶瓷样品在1520℃烧结4 h 得到的微波介电性能较优: ε_r=50.1, Q×f =44910 GHz, τ_f= -1.7×10^-6/℃。

以钛酸丁酯为TiO₂前驱体, 通过水热法制得TiO₂/石墨烯复合物。使用X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)和电化学充放电等手段对材料进行了表征和分析。结果表明: TiO₂颗粒均匀地分散在石墨烯的表面, 复合物中石墨烯的含量为24.67%。当该材料用作锂离子电池负极材料时, 在2C的放电倍率下, 首次放电容量为384.35 mAh/g, 循环100次后的放电容量为130.26 mAh/g, 是纯TiO₂电极放电容量的2.93倍。与纯TiO₂电极相比, TiO₂/石墨烯复合物的电荷转移电阻较低。TiO₂/石墨烯复合物具有较好的倍率性能和较高的电化学反应活性。

采用溶液燃烧合成Mg²⁺掺杂LaFeO₃超细粉体, 并利用XRD、SEM、BET和UV-VIS分析Mg²⁺掺杂量对合成粉体的物相组成、微观形貌和光催化性能的影响。结果表明: Mg²⁺取代Fe³⁺形成LaFe_1-xMg_xO₃ (0≤x≤0.2)有限型固溶体。当掺杂量为0.1时(x=0.1), 合成粉体具有最大的比表面积(43.46 m²/g)和较小粒径(径向和长度方向分别为100 nm和150 nm), 因此具有最佳的光催化性能, 在高压汞灯180 min照射下, 对甲基橙溶液(10 mg/L)的降解率达75.2%, 与纯LaFeO₃的相比, 光降解率增加26.5%, 且光催化反应符合一级动力学方程。

采用等离子体辉光监控系统(PEM)反馈控制反应溅射过程, 在石英基底上制备出单斜相VO₂薄膜, 并研究了反馈控制下反应溅射的等离子体相对辉光强度与氧气流量的关系。实验结果表明: 在不同的反应压强(0.8 Pa、0.5 Pa、0.2 Pa)下, 通过调整相对辉光强度值(REI)均可稳定获得单斜相VO₂薄膜, 对应的REI值分别为0.6~0.65、0.65、0.6。XRD测试结果表明VO₂薄膜具有明显的(011)晶面取向, XPS测试结果表明薄膜的化学计量比为VO_2.02。VO₂薄膜在2.5 μm处的变温透过率测试结果显示薄膜在相变前后的透过率变化达到65%, 相变温度确定为66℃。