锌离子电池是近年来发展起来的一种新型二次水系电池, 具有高能量密度、高功率密度、放电过程高效安全、电池材料无毒廉价、制备工艺简单等优点, 在大型储能等领域具有很高应用价值和发展前景。本文综述了水系锌离子电池的研究进展, 对金属锌作负极的优点和面临的处理问题进行总结, 对已报导的正极材料中锌离子电池的电化学性能和反应机制进行分析, 并通过分析目前多价离子的脱嵌特性对锌离子电池正极材料的发展进行预测。

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法分别合成了Pr_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(PSCF)和Gd_0.2Ce_0.8O_2-δ(GDC)粉体, 高温固相法合成La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)电解质粉体。以LSGM为电解质, PSCF同时作为阴极和阳极, GDC作为功能层材料, 构建了对称固体氧化物燃料电池PSCF│GDC│LSGM│GDC│PSCF。利用X射线衍射法研究材料的成相以及相互间的化学稳定性, 交流阻抗法记录界面极化行为, 用扫描电子显微镜观察电池的断面微结构, 用自组装的测试系统评价电池输出性能。结果表明, 合成的PSCF粉体呈立方钙钛矿结构, 具有良好的氧化-还原可逆性。使用GDC功能层明显改善了氢气环境下PSCF与LSGM材料间的化学相容性以及电池的输出性能, 800℃时, 电极│电解质界面极化电阻从6.892 Ω·cm²下降到0.314 Ω·cm²; 以加湿H₂(含体积分数3%的水蒸气)为燃料气, 空气为氧化气时, 单电池输出功率密度由269 mW/cm²增大至463 mW/cm²。研究结果显示, PSCF是对称固体氧化物燃料电池良好的候选电极材料, GDC功能层对改善电池长期稳定性能具有潜在的应用价值。

以水系流延法制备阳极支撑型平板式IT-SOFC的阳极/电解质(Ni-YSZ/YSZ)半电池, 通过浸渍La₂O₃颗粒对半电池阳极进行改性, LSM+8YSZ为阴极制备单电池。采用扫描电子显微镜(SEM)观察单电池显微结构; 利用能谱(EDS)测试阳极成分; 单电池以乙醇水蒸气为燃料, 在750℃下利用循环伏安法测试单电池的功率密度, 交流阻抗法测试单电池的阻抗。结果表明: 单电池Ni/YSZ阳极孔洞中浸渍的La₂O₃颗粒约90 nm; 浸渍改性的电池比未浸渍的电池具有更稳定的电性能, 随着La₂O₃浸渍量越来越多, 电池的电性能和稳定性越来越好, 抗积碳能力越来越强。当浸渍量为2.4wt%时, 以乙醇水蒸气为燃料在750℃下运行7 h后, 电池衰减率仅为0.09%/h。

实验设计了一种可实时原位观测锂硫电池电极变形及电化学反应过程的实验装置。实验中观测到充放电过程中的硫电极的弯曲形变, 发现放电过程中硫正极形变增大, 曲率增大, 静置和充电过程中形变逐步还原, 曲率随之减小。同时还发现随着电化学反应的进行, 由于放电产物多硫化物的溶解, 正极附近的电解液呈黄色且不断加深。结合扫描电子显微镜(SEM)观察充放电前后的电极断面和表面的形貌, 验证硫正极在充放电过程中出现明显的形变, 从而导致电极曲率的变化。

采用高温固相法制备Si₃N₄掺杂氮化Sr_2.99SiO_5-6xN_4x:0.01Eu²⁺荧光粉。采用XRD、EDS和SEM测试结果表明: N^3-进入Sr₃SiO₅基质晶格中取代部分O^2-离子, 形成了单一相Sr_2.99SiO_5-6xN_4x:0.01Eu²⁺固溶体。PL&PLE荧光光谱测试结果显示, Sr_2.99SiO_5-6xN_4x:0.01Eu²⁺荧光粉在344nm紫外光的激发下发射出红橙光, 属于Eu²⁺离子典型的 4f⁶5d¹→4f⁷电子跃迁。随着N浓度的增加, Sr_2.99SiO_5-6xN_4x:0.01Eu²⁺荧光粉发射光谱和激发光谱的强度明显增强。热稳定性测试结果表明, Si₃N₄掺杂氮化能够显著提高Sr₃SiO₅:Eu²⁺荧光粉的热稳定性。通过Arrhennius模型拟合结果表明横向穿越过程(crossover)引起的Sr₃SiO₅:Eu²⁺荧光粉氮化前后的温度猝灭。

采用共烧结法制备了硼硅基质Ce: YAG荧光玻璃,研究了烧结温度在600℃~900℃范围内, Ce: YAG荧光玻璃的发光强度变化和色坐标漂移规律。结果表明, 随着烧结温度的升高, Ce: YAG荧光玻璃发光强度先增强后减弱, 700℃烧结时, 荧光玻璃获得最大发光强度; 超过850℃烧结时, 荧光玻璃无发光性能; 同时, 色坐标(x, y)发生漂移, 且比相同烧结温度的荧光粉漂移幅度大。通过X射线粉末衍射仪、差示扫描量热分析仪和X射线光电子能谱分析仪测试分析表明: 随着烧结温度升高, 荧光粉中的Ce³⁺被玻璃基质氧化成Ce⁴⁺, 玻璃液体腐蚀破坏了荧光粉YAG晶体结构, 降低了荧光玻璃的发光强度, 从而导致色坐标劣化漂移。

基于十二烷基硫酸钠(SDS)、环己烷、异戊醇和水溶液构建的反相微乳液体系, 以硝酸银、磷酸二氢钾为原料, 通过改变水与表面活性剂物质的量比值(W)调控制备出棒状、纺锤状及四面体状磷酸银(Ag₃PO₄)纳米材料。利用XRD、SEM、TEM和UV-Vis-DRS光谱对样品结构、形貌以及可见光响应特性进行了表征, 探讨了不同形貌Ag₃PO₄的形成机理, 并以次甲基蓝(MB)降解效果评价了样品光催化性能。实验结果表明: 制备的系列纳米Ag₃PO₄均为体心立方结构晶体, 其形貌受W值影响明显; Ag₃PO₄形貌的不同主要由于SDS量的变化改变了含有产物水核的直径与界面膜强度。此外, 制备的样品均表现出好的可见光催化降解MB性能, 其中, 具有完整四面体形貌的Ag₃PO₄光催化性能最佳, 这与其能够裸露出多的{111}晶面有关。

助剂修饰是促进光生电子和空穴分离的有效途径。采用新型无定型Ti(IV)空穴助剂与高电子传输率的还原石墨烯(rGO)电子助剂相结合, 以水热-浸渍沉积法合成Ti(IV)和rGO共修饰的高效片状钨酸铋(Ti(IV)-rGO/Bi₂WO₆)可见光光催化剂。结果表明, 与单独Bi₂WO₆相比, 助剂Ti(IV)或rGO修饰的Bi₂WO₆可见光光催化降解甲基橙(MO)性能增强。双助剂共修饰的Bi₂WO₆光催化剂光催化活性更高, 当Ti(IV)含量为5wt%时, 双助剂共修饰的Bi₂WO₆光催化剂性能最佳, 光催化速率常数达2.2×10^-2 min^-1, 是纯Bi₂WO₆的88倍。光催化性能增强主要归因于新型Ti(IV)空穴助剂与rGO电子助剂的协同作用, 即Ti(IV)快速转移光生空穴, 同时rGO快速传递并转移电子。本文有望为新型助剂修饰光催化材料研究提供新思路。

采用气相爆轰法制备纳米TiO₂粉末, 并研究爆温对样品的结构和性能的影响。使用XRD、TEM及甲基橙溶液降解来表征样品的结构与性能。结果表明: 爆温对样品中金红石相含量有一定影响,在爆温为2524 K时, 金红石相含量达到最大值92.2%; 爆温对样品的平均粒径有重大影响, 爆温与样品的平均粒径呈线性关系, 爆温越高, 样品的平均粒径越大,当爆温由2399 K提高到3114 K时,平均粒径由87.2 nm提高到172.9 nm; 爆温对样品的光催化性有着间接影响, 爆温越高, 样品的平均粒径越大, 光催化效能降低。当爆温为2399 K时, 制备样品的平均粒径为87.24 nm, 锐钛矿比例为31.7%, 光催化活性最高, 在紫外光下40 min甲基橙溶液降解率为90.82%, 反应速率常数k为0.062。

以工业硅为原料,利用介质熔炼、定向凝固和电子束熔炼三种熔体处理技术对工业硅中的B、P和金属杂质进行了去除,制备出了99.9999%级多晶硅材料,其中,杂质B和P的含量分别低于0.20 ppmw（parts per million (weight),百万分之一质量）,金属杂质总含量（TM）低于0.23 ppmw。研究发现,介质熔炼去除杂质B的过程中,熔体中发生氧化还原反应可以有效去除大部分的杂质Al和Ca;电子束熔炼过程中,利用饱和蒸气压原理可以有效去除挥发性杂质P、Al、Ca,同时降束诱导多晶硅定向凝固,可将其他金属杂质进一步去除。本研究通过各技术间的耦合除杂,减少了冶金法提纯多晶硅的工序,为连续化、规模化生产提供了技术支撑。

通过射频溅射法, 常温下制备了纯相WO₃和Ti掺杂WO₃薄膜, 采用XRD、SEM、Raman、电化学工作站、紫外-可见-近红外分光光度计等对薄膜的微观结构、循环稳定性、光学性能进行了表征和分析。研究发现: 钛掺杂对WO₃薄膜的表面形貌和光学常数影响不明显, 但使薄膜的晶化温度升高。电化学测试结果表明, Ti掺杂可以提高离子在薄膜中注入/抽出的可逆性, 提高薄膜的循环稳定性, 同时薄膜的响应速度和光学调制性能也得到提高, 掺杂后薄膜着色态和漂白态的响应时间分别由9.8、3.5 s减小为8.4、2.7 s, 因此Ti掺杂WO₃薄膜具有更好的电致变色性能。

采用固相反应法合成了(Sr_0.2Nd_0.208Ca_0.488)Ti_1-x(Mg_1/3Ta_2/3)_xO₃(0.2≤x≤0.5, SNCTMTx)系微波介质陶瓷, 分析了SNCTMTx (0.2≤x≤0.5)陶瓷的相组成、显微结构、烧结特性和微波介电性能之间的关系。XRD晶体结构分析表明: 当x=0.2时, SNCTMTx陶瓷为单一正交钙钛矿结构, 当x值增为0.3~0.5时, 陶瓷体呈现正交钙钛矿相、SrO与未知相多相共存状态。随着(Mg_1/3Ta_2/3)⁴⁺含量的增加, 体系中第二相的出现及含量的改变导致ε_r先增后减, 而Q×f值出现先降后升的原因是B位离子1:2有序度的出现与范围的增加抑制了第二相进一步恶化品质因子;此外, τ_f逐渐向近零方向偏移与氧八面体的畸变程度密切相关。当x=0.5时, 在1530℃烧结4 h得到的SNCTMTx陶瓷微波介电性能较优: ε_r =55.3, Q×f ≈7400 GHz, τ_f ≈23.6×10^-6/℃。

采用液相混合与固相烧结相结合的方法制备了(Ba_0.85Ca_0.15)(Ti_0.9Zr_0.1)O₃ (BCTZ) 无铅压电陶瓷, 系统研究了烧结保温时间对其相结构、介电、压电和铁电性能的影响以及电学性能随温度的变化。研究结果表明: 制备的陶瓷样品具有单一的四方钙钛矿结构。当烧结温度为1540℃时, 随着保温时间的延长, 样品晶粒尺寸变大, 居里温度(T_c)升高, 压电性能提高, 电致伸缩性能下降。当保温时间为24 h时, BCTZ陶瓷综合性能最为优异: T_c ~90℃, tanδ < 0.05, k_p ~ 0.46, d₃₃ ~ 540 pC/N, P_s ~17 μC/cm²。陶瓷电学性能随温度变化测试结果又表明, BCTZ陶瓷的电学性能具有很强的温度依赖性, 随着温度的升高其电学性能逐渐下降。

骨架含强配位基的有机无机杂化多级孔材料合成是目前吸附研究的一个重要领域。以bis (hexamethylene) triamino-N, N-bisacetyl-phosphonic acid和ZrOCl₂·8H₂O为原料、应用水热合成技术合成了一种新型膦酸锆多级孔材料ZrPTA, 并通过FT-IR、TGA、XRD、XPS、SEM以及元素分析等手段对制备产物进行了表征。研究结果表明, ZrPTA具有棒状微形貌, 其内部存在大量直径为1.38 nm和1.93 nm的微孔以及直径为2.99 nm的介孔, 其表面积为112.2 m²/g。ZrPTA对水溶液中Pb²⁺、Cu²⁺和Cd²⁺三种金属离子具有良好的吸附作用, 最大吸附量分别为742.7、689.8和627.0 mg/g, 远远高于文献报道值。这一性质使ZrPTA具有潜在的废水处理功效, 显示出诱人的应用前景。

以葡萄糖、六水合氯化镍和尿素为原料, 通过水热反应一步制备前驱体Ni(OH)₂/C, 在高纯度氮气中煅烧获得NiO/Ni/C微球三元复合材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光谱(EDS)和拉曼(Raman)等手段, 分析NiO/Ni/C微球三元复合材料的形貌结构以及物相组成。结果表明: NiO/Ni/C微球为珊瑚花状结构, 直径约1.7 μm, Ni、NiO呈立方相。通过循环伏安法和计时电流法研究了NiO/Ni/C微球三元复合材料的电化学行为及葡萄糖传感性能。当Ni/NiO摩尔比为0.19时, 形成的NiO/Ni/C三元复合微球具有优异的葡萄糖传感性能, 其灵敏度为241.09 μA·mmol/(L·cm²), 线性响应范围为10 μmol/L~5.05 mmol/L, 最低检测限位10 μmol/L。该传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强以及稳定性好等特点。

通过调节溶胶-凝胶体系中羟基磷灰石(HA)粉末和甲壳素(Chitin)的质量比, 制备具有不同表面微形貌的HA球形颗粒。扫描电子显微镜(SEM)表征结果显示: 随着HA/Chitin质量比从4/1增加到35/1, 球形颗粒的表面微形貌发生了明显变化, 由粗糙渐趋平滑, 微米级皱褶逐渐减少至消失, 微孔隙率从(35%±0.8%)减少到(10.4%±0.7%)。体外细胞培养的结果表明具有微米级皱褶, 微孔隙率较高的粗糙表面具有引导干细胞铺展和增殖的作用, 微孔隙率低的平滑表面则具有引导干细胞轴向延伸及骨向分化的趋势。同时, HA球形颗粒表面微形貌对干细胞表面特征性抗原标志物的表达具有调控作用。

采用磁控溅射法在PLZST陶瓷衬底上制备了不同厚度的LSMO薄膜, 并对其微结构、磁性能及电输运特性进行了研究。结果表明, LSMO薄膜具有单一钙钛矿结构, 晶粒均匀, 表面平整, 其中20 nm厚LSMO薄膜粗糙度仅为2.93 nm。在10~300 K温度范围内, LSMO薄膜均具有大的磁电阻效应, 20 nm厚的LSMO薄膜磁电阻温度稳定性优异。随着薄膜厚度的增加, 薄膜的居里温度、金属绝缘体转变温度、磁化强度和导电性能降低。这可能是由于Pb、Sn、Zr等离子扩散进入LSMO薄膜中, 导致MnO₆八面体畸变造成的。

采用共沉淀法制备了铈锆材料(铈锆比为3/2)。通过改进反应器装置(图1), 延长了初始晶粒生长的时间, 提高了铈锆材料的热稳定性。采用X射线衍射(XRD)、氮气吸脱附和透射电镜(TEM)对制备的材料进行了表征。结果表明, 延长初始晶粒生长的时间可以得到较大尺寸的晶粒, 这有利于提高材料的织构和结构性能, 从而提高热稳定性。本研究将该材料应用于单Pd三效催化剂, 表现出了优异的活性和热稳定性, 具有良好的应用前景。