具有气凝胶结构特征的C/SiO₂和C/SiC复合材料因其多样的结构存在形式和多孔、轻质、耐高温等特性, 在高温隔热、吸附、催化、储氢、光电等多种领域具有广泛的应用前景和研究价值。依据硅源与碳源的不同引入方式, 本文综述了采用共聚法、浸入法和聚合物先驱体热解法制备的具有气凝胶结构特征的C/SiO₂和C/SiC复合材料的研究现状。借助碳材料与SiO₂两者间的相对存在形式, 探讨了这三种工艺方法制备C/SiO₂和C/SiC复合材料的工艺特点, 分析了材料所呈现的组织结构特征、合成机理和性能特点, 并对其潜在的应用前景进行了展望。硅与碳之间多样的复合方式使C/SiO₂和C/SiC复合材料呈现出多样的材料特征和特性, 为相关研究开辟了新的方向。

作为一种介于传统静电电容器和电池之间的新型储能器件, 超级电容器的整体性能受限于电极材料。研究发现, 赝电容材料拥有数十倍于碳基材料的比容量。而双金属氧化物作为一种新型赝电容材料, 因其多重氧化态、多金属离子特性和高理论容量, 在电化学储能领域备受关注。本工作系统介绍了双金属氧化物及其复合材料的合成及性质, 对双金属氧化物及其复合材料在超级电容器电极材料方面的应用进行了简要概述, 并展望了其发展前景和重点发展方向, 以及需要解决的科学问题。

研究了Nd₂NiO_4+δ (NNO)-Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ (CGO)复合化合物在中温固体氧化物燃料电池的性能, 包括NNO-CGO复合阴极的烧结温度以及复合比例。采用流延法、丝网印刷法和高温烧结法相结合制备了尺寸为50 mm × 50 mm的平板式NiO-YSZ阳极支撑SOFC。单电池是由NiO-YSZ阳极支撑层、NiO-YSZ阳极功能层、YSZ电解质层, CGO阻挡层, NNO-CGO复合阴极层以及La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ (LSC)集流层共同组成。研究结果表明, 当70NNO-30CGO复合阴极烧结温度为1000℃, 单电池在800℃展现出最大功率密度385 mW/cm² (0.7 V), 欧姆阻抗、极化阻抗和面积比电阻分别为0.31、0.266和0.576 Ω·cm²。电化学阻抗分析结果表明, 电荷转移阻抗是电池极化阻抗的主要来源。测试后电池截面的SEM观察结果显示电池各层之间均展现出良好的烧结结合。同时, 与前期研究结果比较可以发现, 具有相同复合阴极层的电池增加CGO阻挡层后功率密度下降, 欧姆阻抗增加, 但极化阻抗却降低。

以蔗糖为碳源, 以草酸为抗氧化剂, 采用溶剂热、球磨和固相烧结相结合的方法制备了LiMn_0.6Fe_0.4PO₄/C正极材料, 并通过改变烧结温度得到了不同形貌结构的目标产物。以金属锂片为对电极, 组装成锂离子半电池, 探究其电化学性能。研究结果表明, 当烧结温度为650℃时, 该材料表现出优异的电化学性能, 在0.2C(1C=170 mA/g)的电流密度下, 起始容量为119.1 mAh/g, 循环80次之后, 容量上升到148.8 mAh/g, 并且该材料在大电流密度下也表现出优异的循环稳定性。

通过简单的刮涂工艺成功地在铜箔表面制备出具有三维网络结构的ZnO-C复合涂层。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对复合涂层的晶体结构及微观形貌进行研究。结果表明: 该涂层由宽度为0.1~1 μm的碳基枝条相互连接形成连续的三维网络结构, 碳基枝条内包含ZnO纳米粒子和尺寸约为2 nm的微孔。该涂覆在铜箔表面的复合涂层可直接用作锂离子电池的负极。电化学测试结果表明: ZnO-C复合涂层负极材料在0.1 A/g电流密度下经过100次循环后的比容量为855 mAh/g, 并且在循环过程中未出现容量衰减现象; 在5A/g大电流密度下的比容量为418 mAh/g, 是0.1 A/g电流密度下比容量的51.3%。

采用固相反应法制备了Ca₂TiO₄+xwt% CaTiO₃(x=0、0.8、1.6和3.2)陶瓷, 并分析了其相组成与结构、显微结构、烧结温度和微波介电性能之间的影响关系。室温XRD晶体结构分析表明: 未掺杂CaTiO₃的Ca₂TiO₄体系主晶相受烧结温度的影响明显, 由1400℃烧结的正交结构CaTiO₃相转变为1420℃烧结的四方结构层状Ca₃Ti₂O₇相。当烧结温度由1420℃升高至1450℃时, 不同含量CaTiO₃掺杂均能使Ca₂TiO₄体系中主晶相的含量和成分发生改变。其中, 1.6wt%~3.2wt%的CaTiO₃掺杂可使Ca₂TiO₄体系获得稳定且含量较高的Ca₃Ti₂O₇相。微波介电性能测试结果显示, 未掺杂的Ca₂TiO₄体系的ε_r 、Q×f和τ_f值均在其主晶相发生改变时大幅降低, 分别由1400℃烧结的85.84、10030 GHz和508.87×10^-6/℃降至1420℃烧结的59.04、2340 GHz和93.13×10^-6/℃, 而不同含量的CaTiO₃掺杂则可在一定范围内稳定复相Ca₂TiO₄体系的Q×f值。

以电熔尖晶石、Si粉和鳞片石墨为主要原料, 木质磺酸钙溶液(1.25 g/mL)为成型结合剂, 在氮气气氛下1450℃分别保温1、2、3和4 h原位生成β-Sialon结合MgAl₂O₄-C材料, 研究了保温时间对材料的物相组成、β-Sialon的显微结构及常规物理性能的影响, 并对该复合材料进行氧化动力学研究。结果表明: 当保温时间从1 h增加到4 h, 试样的物相变化规律基本相同, Si单质相消失, 完全转化为SiC、Si₃N₄和β-Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)。当保温时间为3 h时, 生成的β-Sialon(Si₃Al₃O₃N₅)为完整圆柱状晶粒, 尺寸分布均匀, 交错成网络结构。随着保温时间的增加, 试样内部产生较多的SiO气体, 导致试样的显气孔率增加, 体积密度下降, 耐压强度和抗折强度先增加后下降, 当保温时间为3 h时, 耐压强度和抗折强度达到最大。氧化动力学研究表明, 氧化过程随着时间的推移分为化学反应控制阶段、化学反应和扩散共同控制阶段及扩散控制三个阶段。

基于熔融Si浸渗法制备出较致密的SiC/TiB₂复合材料, 并研究了坯体成形压力对SiC/TiB₂复合材料致密度、相组成、显微组织和力学性能的影响。实验结果表明, 复合材料由TiB₂、SiC和Si相组成。SiC/TiB₂复合材料的显微组织特征为: TiB₂相和SiC相均匀分布, 游离Si填充在TiB₂相和SiC相的空隙处, 且形成了连续相。随成形压力的增大, 复合材料中游离Si含量降低, TiB₂颗粒尺寸减小, 复合材料的力学性能先增加后降低。坯体最佳成形压力为200 MPa, 对应SiC/TiB₂复合材料的体积密度、开口气孔率、抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度分别为3.63 g/cm³、0.90%、(354±16) MPa、(6.8±0.2) MPa·m^1/2和(21.0±1.1) GPa。

利用纳米级粉体经热压烧结制备了Si₃N₄-hBN复相陶瓷, 研究了hBN含量对Si₃N₄-hBN复相陶瓷致密度、力学性能、摩擦学性能、微观结构的影响。用阿基米德排水法、三点弯曲法和维氏压痕法测量材料的致密度、力学性能; 用摩擦磨损试验机测试材料的摩擦学性能; 用XRD、EDAX和SEM、LSCM分析观察材料的物相组成和微观结构。研究结果表明, 随着hBN含量的增加, 复相陶瓷的密度将会持续下降, 气孔率先是急剧上升, 然后趋于平缓, 力学性能持续下降, 干摩擦条件下复相陶瓷与GCr15配副的摩擦学性能呈现先提高后降低的趋势, 当hBN含量低于20wt%时, 随着hBN含量的增加, 摩擦系数和磨损率逐渐减小; 当hBN含量大于20wt%时, 摩擦系数和磨损率急剧增大; hBN含量为20wt%时, 获得最低的摩擦系数为0.31。hBN的引入直接影响Si₃N₄-hBN复相陶瓷的微观组织结构, 进而影响复合陶瓷的力学性能和摩擦学性能。

以化学气相沉积(CVD)制备的单层石墨烯为原料, 小分子三嗪为掺杂剂, 采用吸附掺杂的方式, 在低温下对石墨烯实现n型掺杂。利用拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱分析(XPS)、原子力显微镜(AFM)、紫外分光光度计(UV)和霍尔效应测试仪(Hall)对样品的形貌、结构及电学性能进行表征。结果表明: 该方法简单安全, 能够对石墨烯实现均匀的n型掺杂, 掺杂石墨烯的透光率达到95%。掺杂后石墨烯的特征峰G峰和2D峰向高波数移动。掺杂180 min后, 载流子浓度达到4×10¹²/cm², 接近掺杂前的载流子浓度, 掺杂后的石墨烯在450℃的退火温度下具有可逆能力, 其表面电阻在300℃以下具有较好的稳定性。

采用溶剂热法制备单分散的CoFe₂O₄亚微米球, 分别用正硅酸乙酯(TEOS)和多巴胺(DA)为前体通过溶胶-凝胶法和自聚合法对CoFe₂O₄核表面进行修饰形成具有多层核壳结构的PDA@SiO₂@CoFe₂O₄, 最外层为聚多巴胺(PDA)。采用原位还原法在PDA表面沉积均匀的银纳米粒子, 合成Ag/PDA@SiO₂@CoFe₂O₄磁性复合粒子。采用透射电子显微镜(TEM)、X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)、振动探针式磁强计(VSM)和电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES)对样品的形貌、结构等进行表征, 并研究其对大肠杆菌(E.Coli)和金黄色葡萄球菌(S.Aureas)的抑菌性能。结果表明, 当Ag浓度在0.6 mg/mL时, Ag/PDA@SiO₂@CoFe₂O₄对E.Coli和S.Aureas的抑菌率均在92%以上。除了优异的抑菌性能, 它具有很强的磁性, 可以通过外加磁场回收利用。

硼酸盐具有抑菌和抑藻性能, 研究采用高温熔融法合成了以硼为抑菌因子的B₂O₃-SiO₂-Na₂O缓释抑菌剂。运用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)及红外光谱(FTIR)表征抑菌剂的理化性能, 采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)测定缓释液中硼元素的浓度并分析抑菌剂的缓释特性, 分别以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为受试细菌, 以抑菌圈和抑菌率为指标评价药剂的抑菌效果。结果表明, 抑菌剂均呈无定形非晶形态, 内部[BO₃]和[BO₄]基团的含量不只与B₂O₃有关, 也受SiO₂的影响; 随着B₂O₃含量的降低, 抑菌剂表面结构逐渐致密, 缓释速率降低。随着缓释液中硼浓度的升高, 抑菌剂的抑菌作用增强, 且对金黄色葡萄球菌的抑制效果优于大肠杆菌。其中B₂O₃含量为55wt%的B₂O₃-SiO₂-Na₂O缓释抑菌剂的抑菌效果最佳, 这为硼系缓释抑菌剂的继续研究及工业化应用提供了参考依据。

首次以海藻酸钙纤维为载体制得层状-钙钛矿结构的Ca₂MnO₄钙锰氧化物(Ca-Mn-O), 并以尖晶石结构的CaMn₃O₆为对比样, 测试了样品作为电化学氧还原催化剂(ORR)的性能。通过XRD、FE-SEM、TEM和BET对材料进行表征, 结果表明该层状-钙钛矿结构的氧化物具有内部相互交联的多孔网状结构和大的比表面积。电催化测试结果表明: Ca₂MnO₄氧化物具有明显的催化活性, 高的极限扩散电流密度、接近四电子氧化还原以及在碱性溶液中较低产率的过氧化氢, 说明这种廉价而丰富的ORR催化剂具有潜在的应用前景。Ca-Mn-O氧化物的催化活性(初始还原电位、极限电流密度以及电子转移数)很大程度依赖于表面Mn的氧化态和晶体结构。此外, 大的比表面积和多孔网状结构, 增多了氧还原反应的电催化活性位; 高的氧空位浓度有利于氧还原反应的进行; 合适的晶体结构具有开放的空间, 有利于氧的吸附。

以介孔分子筛SBA-15为载体, 乙酸钴为钴源, 采用浸渍法制备了2wt%、4wt%、8wt%、10wt%和20wt% Co负载量的Co/SBA-15介孔材料。采用FT-IR、XRD、N₂物理吸附、UV-Vis、SEM、TEM、H₂-TPR等技术对催化材料的结构进行表征, 并将其应用于环己基过氧化氢分解反应。结果表明: 负载金属钴后, 载体的介孔结构保持完好, 随着负载量的增加, Co/SBA-15的比表面积、总孔体积和平均孔径不断减小, Co由骨架内均匀分散状态向氧化物Co₃O₄的形式转变。不同负载量的 Co/SBA-15在环己基过氧化氢分解反应中均表现出较好的催化性能, 其中8wt%Co/SBA-15催化环己基过氧化氢的转化率达到98.1%, 环己醇和环己酮的选择性分别为70.9%和27.9%。当负载量相对较低时, 钴的流失使催化性能下降明显, 只有当钴负载量增加到20wt%, 主要以Co₃O₄形式存在时, 钴的流失速率得到抑制, 连续使用五次后仍能保持较高的活性和选择性。

本文提出了一种基于光电转换纳米复合物(NCs)的新型神经调控方式。NCs是TiO₂纳米晶表面连接金纳米粒子的复合物, 可产生光电流并有效引发神经细胞去极化。在405 nm光照射下, NCs产生的光电流比单一TiO₂纳米晶产生的光电流强度显著提高。PC12细胞上的膜电位荧光探针和钙离子荧光探针测试结果显示, 在405 nm光照下, 经NCs处理的细胞发生去极化。在活体抗癫痫实验中进一步证明, NCs产生的光电流可明显减轻斑马鱼的癫痫发作。本研究结果表明NCs可进行神经调控, 对神经疾病的治疗具有重要意义。

利用直流磁控溅射的方法制备掺La和未掺La的Ca_1-xLa_xB₆ (x = 0, 0.01, 0.02, 0.03)薄膜。利用原子力显微镜对薄膜的表面形貌及厚度进行表征。掺La的薄膜的厚度约为未掺杂的两倍; La的掺杂会使薄膜的晶粒尺寸变大。利用X射线光电子能谱对薄膜表面的化学组成进行检测。薄膜中Ca/La比接近理论值, 没有检测到其它的铁磁性杂质及元素, 尤其是Fe。Ca_0.98La_0.02B₆薄膜具有最大的室温饱和磁化强度, 强度值为84.54 emu/cm³。同时薄膜的饱和磁化强度值随薄膜厚度的增加而降低。在Ca_1-xLa_xB₆薄膜中, B₆空位是薄膜磁性的主要来源, 其它类型的缺陷例如晶界等, 同样影响着薄膜磁性的大小。