直接硼氢化物燃料电池(DBFC)具有理论电池电压高和能量密度大等特点, 而其阳极催化剂是决定电池性能的关键因素之一。因此, 研究者们在提高阳极催化剂催化活性和降低催化剂成本方面开展了大量的研究工作。本文在简要介绍DBFC工作原理和阳极反应机理的基础上, 从催化剂种类和性能角度综述了近年来DBFC中贵金属、过渡金属以及储氢合金阳极催化剂的主要研究进展, 指出了阳极催化剂研究所面临的问题, 同时提出了今后的发展方向。

钠-氯化镍电池是一种中温电池, 研究温度对电池性能的影响具有重要意义。本工作研究了工作温度对含硫电池和不含硫电池的正极结构和电化学性能的影响。研究发现, 无论电池的正极中是否含有单质硫, 适当地降低电池工作温度都能提高电池的循环性能。降低电池工作温度能降低颗粒的表面活性, 减缓金属镍颗粒的团聚长大, 进而提高电池循环性能。但当工作温度进一步降低时, 电化学反应速率、Na⁺迁移速率和熔融金属钠与β″-Al₂O₃的润湿性也会随之变差, 电池性能反而会下降。无论电池正极中是否含硫, 钠-氯化镍电池最佳的工作温度约为260℃。

采用化学镀在高温质子导体CaZr_0.9In_0.1O_3-δ (CZI)的电解质陶瓷表面沉积金属镍电极, 通过SEM显微结构分析比较了酸刻蚀和还原工艺对电极形貌以及电极-电解质界面的影响。结果表明, 使用HNO₃-HCl混合刻蚀液, 并以水合肼为还原剂的二次化学镀可获得颗粒均匀细小且界面结合良好的镍电极。通过电化学阻抗谱并结合浓差电池等方法研究比较了以化学镀镍电极和涂覆焙烧铂电极为电极, CZI为电解质的对称电池的电导率和质子迁移率。工作温度为800℃时, 镍电极高温质子导体的总电导率为4.131×10^-4 S/cm, 并且工作温度在400℃以上时, 镍电极对称电池的质子迁移率均接近100%。这些结果表明, 二次化学镀制备的镍电极具有与铂电极相近的电化学性能, 而成本则更低, 可以取代Pt电极用于高温质子导体的电化学器件中。

将高温热还原氧化石墨烯(TRGO)作为二维纳米填料添加到聚酰亚胺(PI)聚合物基质中, 制备了不同质量分数的TRGO/PI纳米复合耐蚀涂层, 采用交流阻抗谱和动电位极化曲线评估了涂层在模拟海水(3.5wt%NaCl溶液)中的电化学腐蚀行为。结果表明: 与纯PI涂层相比, 添加TRGO可以显著提高涂层的电阻和腐蚀防护效率; 当TRGO的添加量为0.3wt%时, 对涂层耐蚀性能的增强效果最好, 最大涂层电阻为1.3176×10⁶ Ω, 最高腐蚀防护效率可达到99.65%, 其防蚀增益与片层结构TRGO的物理阻隔性能有关。

在大颗粒喷砂酸蚀(SLA)工艺形成的三维多级嵌套孔洞结构纯钛表面, 利用聚多巴胺(PDA)的超强粘附性和二次修饰功能, 接枝生物大分子酪蛋白磷酸肽(CPP), 制备PDA/CPP复合涂层。采用FESEM、EDS、XPS、水接触角分析仪、体外仿生矿化测试以及人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)实验对样品表面进行表征分析和性能测试。结果表明, 两步浸泡法成功在SLA表面制得PDA/CPP复合涂层。该涂层在保留SLA多孔形貌的同时, 使水接触角从47.7°减小到25.5°, 明显提高了SLA表面亲水性; 在模拟体液浸泡1 d后的修饰表面即沉积了致密羟基磷灰石(HA), 说明PDA/CPP显著加快了SLA表面生物矿化的速度。同时, SLA/PDA/CPP表面细胞粘附、增殖以及矿化活性都得到了明显改善。

采用Ti₃AlC₂作为新型自愈合剂, 利用大气等离子喷涂将混合均匀的YSZ-Ti₃AlC₂粉体制成厚涂层。为观测高温下涂层氧化及裂纹的自愈合行为, 通过外加载荷的方式在涂层表面预制裂纹, 并将样品置于1050℃空气气氛中进行热处理。通过分析涂层制备、热处理前后的物相和形貌演变发现：涂层中的部分Ti₃AlC₂在喷涂后分解为TiC, 热处理后涂层表面形成外层为TiO₂, 内层为TiO₂和Al₂O₃混合物的双层结构。在自愈合过程中, 裂纹内的愈合剂氧化生成Al₂O₃与低密度的TiO₂, 随着扩散控制的氧化反应不断进行, 氧化物逐渐积累并填补裂纹。此外, 在TiO₂生成的同时引起的体积膨胀使裂纹周围产生一定的压应力, 强化愈合效果, 最终完全愈合裂纹。

高导热氮化硅陶瓷是大功率电力电子器件散热的关键候选材料。研究采用稀土氧化物(Re₂O₃)和氧化钛(TiO₂)烧结助剂体系, 通过低温常压烧结方法来制备氮化硅陶瓷, 以有效降低成本, 满足实际应用的需求。系统研究了烧结助剂种类及含量对Si₃N₄陶瓷的致密化行为、热导率、显微结构以及力学性能的影响。研究发现随着稀土离子半径的增大, 材料的致密度和热导率均呈现下降趋势, 添加Sm₂O₃后样品最高密度仅为3.14 g/cm³。但是当Sm₂O₃-TiO₂烧结助剂含量为8wt%时, 样品断裂韧性可达5.76 MPa•m^1/2。当添加Lu₂O₃且烧结助剂含量为12wt%时, 材料的密度可达3.28 g/cm³, 但是大量存在的第二相导致热导率仅为42.3 W/(m∙K)。研究发现该材料具有良好的断裂韧性。经1600℃退火8 h后, Er₂O₃-TiO₂烧结助剂样品的热导率达到51.8 W/(m∙K), 基本满足一些功率电路基板材料的实际应用需求。

采用反应磁控溅射制备了TiAlN/VN纳米多层膜, 并使用X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、纳米压痕仪和多功能摩擦磨损试验机对多层膜的微结构与力学和摩擦学性能进行了表征和分析。研究结果表明: 不同调制周期的TiAlN/VN多层膜均呈典型的柱状晶生长结构, 插入VN层并没有打断TiAlN涂层柱状晶的生长。在一定调制周期下, TiAlN/VN纳米多层膜中的TiAlN和VN层之间能够形成共格生长结构, 其硬度和弹性模量相比于TiAlN单层膜均有显著提升, 其中, TiAlN (10 nm)/VN (10 nm)的硬度和弹性模量最大增量分别达到39.3%和40.9%。TiAlN/VN纳米多层膜的强化主要与其共格界面生长结构有关。另外, TiAlN单层膜的摩擦系数较高(~0.9), 通过周期性地插入摩擦系数较低的VN层能够使得TiAlN的摩擦系数大大降低, TiAlN/VN纳米多层膜的摩擦系数最低为0.4。

以等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)喷涂团聚的 ZrO₂-7wt%Y₂O₃(7YSZ)粉末在五个喷距下制备了热障涂层。通过场发射-扫描电镜(FE-SEM)和X射线衍射(XRD)分析了五个涂层样品的微观结构和相成分差异。另外, 通过发射光谱(OES)诊断研究了射流中7YSZ粉末气相浓度随喷距的变化。最后, 阐述了3种不同的气相沉积涂层生长机制, 说明了射流中粉末的状态和气相浓度对涂层结构的影响。研究表明：(1)350 mm和1800 mm喷距下形成的均是致密结构涂层, 而650~1250 mm喷距下形成的是典型的PS-PVD柱状结构涂层。(2)350 mm喷距下制备的涂层由四方相(t’)和单斜相(m)氧化锆构成; 当喷距大于650 mm时, 涂层以四方相(t’)氧化锆为主。(3)350 mm喷距下涂层是由高浓度气相过饱和自发形核形成的新核和液/固粒子共同作用形成的; 喷距650~1250 mm下, 涂层生长以气相沉积于基体进行非自发形核为主, 气相在射流中的自发形核为辅; 喷距1800 mm下涂层由气相过冷凝固的粒子堆积而成。

在Zn(H₂PO₄)₂电解液中, 利用微弧氧化技术在AZ31镁合金表面原位生长MgO-ZnO热控陶瓷薄膜, 研究了电流密度对薄膜结构组成、结合强度和热控性能的影响, 以及紫外辐照作用下薄膜太阳吸收率的变化规律。结果表明：薄膜主要由MgO、ZnO和非晶态物质组成, 随着电流密度增大, 微孔数量逐渐减少而粗糙度逐步增大, 其厚度、结合强度和发射率先增大后减小, 而太阳吸收率则先减小后增大。电流密度9 A/dm²时所得薄膜的结合强度达到最大12.6 MPa, 且热控性能最佳, 其发射率为0.872, 太阳吸收率为0.363; 且随着紫外辐照时间延长, 此薄膜太阳吸收率先升高而后趋于平缓。研究结果为制备良好结合强度和抗紫外辐照能力的低吸收高发射热控薄膜提供技术 支持。

采用静电纺丝法结合热处理制备了一种可应用于2~18 GHz频段的高性能轻质微波吸收剂C/Co纳米纤维, 详细研究了金属Co含量对纳米纤维的电磁特性及微波吸收性能的影响。相对于纯碳纳米纤维, C/Co纳米纤维的微波吸收性能得到显著加强, 其主要吸波机制仍是介电损耗。随着Co含量的增加, C/Co纳米纤维的电磁衰减能力逐渐下降, 而微波吸收却先增强后减弱, 含37.8wt% Co的C/Co-5纳米纤维因金属Co粒子和纳米碳纤维的良好结合与协同效应, 以及纤维中特殊的Co粒子@石墨核壳结构所带来的良好阻抗匹配与足够高的电磁衰减能力而表现出最好的吸波性能。模拟计算结果表明, 涂层厚度在1.1~5.0 mm间变化时, 填充5wt% C/Co-5纳米纤维的硅胶吸波涂层的反射损耗(RL)值超过-20 dB的频率范围在3.2~18 GHz, 最小RL值达到-78.8 dB, 其中当涂层厚度仅为1.5 mm时, RL值低于-20 dB的吸收带宽可达6.0 GHz (12~18 GHz)。C/Co纳米纤维优异的微波吸收性能表明, 这些磁性碳杂化纳米纤维有望成为一种极具应用前景的新型吸波材料。

采用溶剂热法成功制备了具有立方结构的α-MnS和六方结构的γ-MnS。通过X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、选区电子衍射(SAED)和紫外-可见吸收光谱(UV-Vis), 对样品的物相组成、显微形貌、光学性质进行了研究, 并对不同晶相MnS在可见光(λ > 420 nm)和全光谱下光解H₂S制氢性能进行了研究。结果表明: α, γ-MnS在可见光下都具有光解H₂S制氢活性, 且相比于热力学稳定相的α-MnS (4.24 μmol/(g·h)), 亚稳态的γ-MnS (23.38 μmol/(g·h))具有更好的催化性能。相对于可见光, α, γ-MnS在全光谱下的产氢速率明显提高, 其中γ-MnS在全光谱下具有最大的光解H₂S制氢活性, 其产氢速率可达 2272.69 μmol/(g·h)。值得注意的是, 在6 h的光催化测试过程中, α, γ-MnS都展示较好的抗光腐蚀能力和光催化稳定性。此外, 对α, γ-MnS光催化分解H₂S制氢机理进行了分析, 通过对α, γ-MnS光电化学性质的研究, 对其光催化活性存在差异的原因进行了探讨。

Lu₂O₃是具有高热导率而成为极具潜力的高功率激光介质材料。实验以商用氧化物粉体为原料, LiF为烧结助剂, 采用放电等离子烧结法制备了不同Nd³⁺掺杂浓度(C_Nd=0, 1at%, 3at%和5at%) Lu₂O₃透明陶瓷, 并研究了Nd³⁺掺杂浓度对Lu₂O₃陶瓷的物相、烧结性能、微观结构及光学性能的影响。结果表明：在高Nd³⁺浓度(5at%)掺杂后烧结样品仍为纯Lu₂O₃相;Nd³⁺掺杂对Lu₂O₃陶瓷烧结性能及微观形貌的影响有限;所有样品最终均表现出高致密性(99.5%以上)和优异的透光性能, 其中3at% Nd³⁺:Lu₂O₃的透过率最高, 在1064和2000 nm处的透过率分别为82.7和83.2%。Nd³⁺:Lu₂O₃透明陶瓷的最强发射峰位于1076和1080 nm;且随着Nd³⁺掺杂浓度的增加, 荧光强度降低, 寿命变短, 发生浓度淬灭。

实验研究了以3-巯基丙酸为配体合成的水溶性CdTe量子点经过非偏振光与圆偏振光照射处理后, 量子点的再生长变化规律。采用光致发光谱、紫外-可见吸收光谱、透射电子显微镜与X射线衍射等表征手段分析表明: 非偏振光会促进CdTe量子点的光氧化, 导致量子点尺寸缩小, 荧光发光峰位蓝移, 且发光效率降低; 而圆偏振光增强了配体的光氧化, 在量子点表面形成CdS层, 导致量子点尺寸进一步增大, 荧光发光峰红移, 且发光效率提升。进一步讨论了CdTe量子点与配体之间的键合作用, 相关光化学反应机制及其对量子点光致发光性质的影响。

由于电解液成分、氧化条件和所制备纳米管尺寸等因素的影响, TiO₂纳米管阵列在阳极氧化过程中容易形成纳米草结构, 而利用两步阳极氧化法可制备出表面整洁的TiO₂纳米环/纳米管分层结构。实验通过控制氧化时间得到了不同生长阶段的TiO₂纳米环/纳米管分层结构, 并对其生长机理及吸光特性展开研究。结果表明, 在第二步阳极氧化过程中, 钛箔表面的周期性六边形纳米洞结构可以使纳米管的生长过程局限于每个纳米洞内部, 从而形成TiO₂纳米环/纳米管分层结构。同时, 存在的纳米环可以为其内部的纳米管提供支撑作用, 防止纳米草结构的形成。TiO₂纳米环/纳米管分层结构的吸收光谱在可见光区域呈现震荡形态, 这是纳米环顶部反射的光与钛基底反射的光相互干涉导致的。根据震荡峰形状与样品厚度的关系, 可以估算出入射光在TiO₂纳米环/纳米管分层结构中的最大穿透深度为2 μm左右。

采用DCP法制备了W/ZrC金属陶瓷, 然后研究了在不同激光能量和烧蚀时间下W/ZrC金属陶瓷的激光烧蚀行为。研究表明: W/ZrC金属陶瓷在激光烧蚀过程中产生了一个较小的烧蚀坑, 烧蚀坑的深度随着激光能量的增加和烧蚀时间的延长而增大。在烧蚀坑的周围, 许多不同种类和结构的氧化物堆积组成了几个同心环。铜的挥发和氧化锆层的形成对防止W/ZrC金属陶瓷进一步氧化有着重要作用。

近年来, 具有诸多新的物理性质和优良热电性能的类液态材料获得了研究人员的广泛关注。离子电导率对理解这类热电材料中的离子迁移行为非常关键。但是, 由于类液态热电材料中的离子电导率在总电导率中的贡献很小, 因此很难利用传统方法精确测量其离子电导率。本研究基于Yokota提出的离子阻挡法, 尝试利用自主搭建的设备测量类液态热电材料的离子电导率。本文详细介绍了该设备的基本构造、测试原理以及测试步骤, 分析了帕尔贴效应/塞贝克效应、离子析出、电压测试点的位置和氧化挥发等因素对测试准确性的影响, 并提出了相应的解决方案, 成功测量了几种具有代表性的类液态热电材料的离子电导率。