锂离子电池作为一种动力能源, 在电动汽车和各种储能系统中有着良好的应用前景。尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)负极材料具有较高的脱嵌锂电位平台、优异的循环稳定性、以及突出的安全性能, 被认为是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料, 在锂离子动力电池中具有巨大的发展潜力。然而, 尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂存在着本征导电率低, 理论容量小等缺陷, 极大地限制了其规模化应用, 需要进一步改善和提高。本文总结了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂材料在结构形貌、制备方法和性能方面的研究进展, 深入分析和讨论了离子掺杂、碳表面改性和纳米化等改性方法对尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂综合电化学性能的改善效果, 并展望了尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池负极材料未来的发展方向。

量子点敏化太阳能电池(Quantum Dot-Sensitized Solar cells, QDSCs)制备工艺简单, 制造成本低廉, 是一种有希望的新型太阳能电池。QDSCs利用量子点具有光谱吸收强、尺寸可调和多激子效应等优点, 能够提高其光电转换效率; 同时, 利用无机量子点替代染料作为敏化剂, 能够解决染料敏化太阳能电池(DSCs)的稳定性问题。但是, QDSCs光电转换效率较低是制约其应用的主要问题。近年来, 通过改变和调控对电极的材料和电子特性提高QDSCs的光电效率的方法受到了广泛关注。本文综述了QDSCs对电极材料的制备方法、微观形貌和晶体结构; 重点分析了金属化合物、复合材料、杂化材料、多元金属硫族化合物、导电聚合物和碳材料对电极对量子点敏化太阳能电池的电荷转移阻抗、光电性能等参数的影响; 并分析影响其电催化活性和电子传输性能的主要因素。最后, 提出通过表面修饰、复合和杂化等方法构筑新型对电极材料, 进而改善和提高QDSCs转换效率和稳定性, 是今后的研究重点和研究方向。

近年来, 合金作为钠离子电池的负极材料具有较高的比容量而受到广泛关注。然而, 硅与钠离子的电化学反应活性很低, 硅基合金型负极材料鲜有报道。本研究通过脉冲激光沉积技术制备了锑硅(Sb-Si)纳米复合薄膜, 并对其作为钠离子电池负极材料的电化学性能和反应机理进行了研究。电化学性能表征发现, 锑硅纳米复合薄膜在10 μA/cm²的电流密度下, 循环100次后能保持约0.011 mAh/cm²(270 mAh/g)的可逆比容量, 远优于同样方法和条件下制备的单质锑和单质硅薄膜电极的电化学性能。进一步的研究表明, 在放电过程中, Sb和Si分别和钠离子发生合金化反应生成了Na₃Sb和NaSi的纳米晶。在充电过程中, Na₃Sb和NaSi纳米晶发生可逆的脱钠反应, 重新形成单质Sb和Si纳米晶粒。大量存在于锑硅纳米复合薄膜中的异质晶界有利于钠离子的扩散和输运, 从而提高了纳米复合薄膜电极的电化学性能。

采用直流电化学沉积与高温氧化相结合的合成方法, 在氧化铝模板的辅助下, 成功制备了一种新颖的Ni掺杂的Co₃O₄纳米线阵列, 利用X射线衍射仪、扫描电镜和高分辨透射电镜等对所制备的纳米线阵列的物相和形貌进行了表征, 结果表明：所制备的Ni掺杂Co₃O₄纳米线形貌和尺寸均匀、垂直于基底排列, 纳米线的平均直径约为80 nm, 长度约为1.4 μm, 整个纳米线由纳米颗粒堆积而成, 其中Co : Ni的比例约为20 : 1。利用循环伏安和恒流充放电技术在2 mol/L的KOH电解液中对材料的电化学性能进行了测试, 结果显示所制备的纳米线阵列具有优异的电化学电容特性, 当电流密度为10 mA/cm²时, 纳米线阵列的面积比电容为173 mF/cm², 经过1000次充放电后, 比电容值仍能保持最初值的98%, 表现出良好的循环稳定性。优异的性能可归因于材料的比表面积较大以及镍掺杂后材料导电特性的提高。

采用水热合成法制备基于钛箔的ZnO纳米片薄膜, 采用化学浴沉积法在ZnO纳米片薄膜表面原位沉积ZnO纳米粒和微球, 制备了ZnO纳米片/纳米粒/微球复合结构薄膜, 并将膜组装成柔性染料敏化太阳能电池。研究了钛箔预处理方式、化学浴沉积工艺对ZnO薄膜和电池性能的影响。采用X射线衍射仪、透射电子显微镜和扫描电子显微镜对钛箔和ZnO薄膜的物相组成和形貌进行表征, 采用太阳光模拟器和数字源表测试了电池的J-V光电性能曲线, 通过电化学阻抗谱分析了电池内部电子传输情况。研究结果表明: 当钛箔基底采用酸抛光处理, 将所得ZnO纳米片膜用已经预热24 h的0.15 mol/L二水乙酸锌甲醇溶液改性5 h, 所得电池光电性能最好, 其短路电流密度、开路电压、填充因子和光电转化率分别为11.26 mA/cm², 0.67 V, 0.60和4.51%。

采用球磨法制备 g-C₃N₄/MoS₂纳米片/氧化石墨烯(GO)三元复合催化剂。运用X 射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)和光致激发光谱(PL)等分析手段, 对催化剂的结构、形貌和光学性能进行表征。结果表明: MoS₂纳米片和g-C₃N₄形成异质结结构, 均匀地分散在氧化石墨烯的表面上。以罗丹明B(RhB)为模拟污染物, 研究三元复合催化剂在可见光照射下的光催化特性。结果显示: 三元复合催化剂在120 min内对RhB的降解率达到96%, 其降解动力学常数分别是g-C₃N₄、g-C₃N₄/ MoS₂、g-C₃N₄/GO复合催化剂的3、2.1和2.8倍。根据实验结果及能带结构提出了三元复合催化剂可能的光催化机理。

采用水热法合成出Dy³⁺, Er³⁺共掺杂NaY(WO₄)₂荧光粉。利用XRD和SEM对样品的晶体结构及形貌进行表征。研究了上转换发光性能和Dy³⁺的⁴F_9/2→⁶H_13/2跃迁的荧光衰减曲线, 并讨论了Dy³⁺→Er³⁺的能量传递过程。结果表明: 所有合成的样品均具有NaY(WO₄)₂四方相结构; 加入聚乙二醇(PEG-2000)作为表面活性剂, 可得到分散性良好的微米针状球; 在780 nm近红外光激发下, 观察到了480 nm蓝光、576 nm黄光、531 nm及554 nm绿光发射峰, 其中蓝光和黄光分别来自Dy³⁺的⁴F_9/2→⁶H_15/2与⁴F_9/2→⁶H_13/2 跃迁, 绿光发射由Er³⁺的²H_11/2→⁴I_15/2 和 ⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁产生。通过研究荧光光谱和荧光衰减曲线, 证实了Dy³⁺→Er³⁺的能量传递过程, 且该能量传递的机制为电偶极-电偶极相互作用。通过调节NaY(WO₄)₂ : 1.0mol% Dy³⁺, xmol% Er³⁺荧光粉中Er³⁺的浓度, 可实现由准白光到蓝光的转变。

采用固相反应烧结方法制备了Sm掺杂的[(Na_0.5Bi_0.5)_0.93Ba_0.07]_1-xSm_xTiO₃(BNBST)无铅介电储能陶瓷, 系统研究了Sm掺杂含量对BNBST陶瓷的相结构、微观结构、铁电、介电、储能和交、直流电导的影响。研究结果表明: 制备的陶瓷样品具有单一的钙钛矿结构, Sm掺杂固溶于(Na_0.5Bi_0.5)_0.93Ba_0.07TiO₃基材的晶格A位; 晶粒生长被Sm掺杂抑制, 平均晶粒尺寸在2 μm内, 且均匀致密; Sm掺杂显著降低了剩余极化和矫顽场, 表现出双电滞回线特性, 但饱和极化也略有降低; 储能密度和效率随Sm掺杂量增加先增大后减小, 在x=0.02和电场为70 kV/cm时获得最大储能密度0.70 J/cm³, 其效率为40%; BNBST陶瓷具有明显的弛豫铁电体特征, 其介电常数峰T_m随掺杂量增加而降低且平坦化; BNBST陶瓷的绝缘性有较强的温度依赖性, 300℃以下具有良好的绝缘性。

采用物理气相传输(PVT)法生长了2英寸(1英寸=25.4 mm)锗氮(Ge-N)共掺和单一Ge掺杂碳化硅晶体材料, 并制备成10 mm× 10 mm的SiC晶片。利用半导体工艺技术在不同衬底的碳面上制备钛(Ti)/铂(Pt)/金(Au)多层金属电极。使用二次离子质谱仪(SIMS)、霍尔测试仪(Hall)等测试手段对其表征。结果表明, Ge元素和N元素的共同掺杂可以有效提高SiC中Ge元素的掺杂浓度, Ge浓度可以达到1.19×10¹⁹ /cm³。所有晶片衬底均可以在不低于700℃的退火环境中形成欧姆接触, 且在700℃时退火形成最佳欧姆接触。高浓度Ge掺杂衬底接触电阻明显小于低浓度Ge掺杂衬底接触电阻, 这表明可以通过提高晶体中Ge元素浓度来提高器件性能。Hall测试结果表明, 随着Ge掺杂浓度的升高, 衬底迁移率会逐渐降低。这是由于Ge-N共掺后, SiC晶格匹配度提高, Ge元素的掺杂浓度变大, 增加了杂质散射对迁移率的影响。

采用物理气相传输法(PVT法)在4英寸(1英寸=25.4 mm)偏<11¯20>方向4°的4H-SiC籽晶的C面生长4H-SiC晶体。用熔融氢氧化钾腐蚀4H-SiC晶体, 并利用光学显微镜研究了晶体中的堆垛层错缺陷的形貌特征和生长过程中氮掺杂对4H-SiC晶体中堆垛层错缺陷的影响。结果显示, 4H-SiC晶片表面的基平面位错缺陷的连线对应于晶体中的堆垛层错, 并且该连线的方向平行于<1¯100>方向。相对于非故意氮掺杂生长的4H-SiC晶体, 氮掺杂生长的4H-SiC晶体中堆垛层错显著偏多。然而, 在氮掺杂生长的4H-SiC晶体的小面区域, 虽然氮浓度高于其他非小面区域, 但是该小面区域并没有堆垛层错缺陷存在, 推测这主要是由于4H-SiC晶体小面区域特有的晶体生长习性导致的。

以B₂O₃、Al、石墨和B₄C粉体为原料, 采用反应-热压烧结工艺在1800℃/35 MPa的烧结条件下制备了致密的碳化硼基复相陶瓷, 对复相陶瓷的显微组织、物相组成、硬度、抗弯强度以及断裂韧性进行了观察与测试, 采用7.62 mm口径的穿甲弹分别对约束状态下和自由状态下的复相陶瓷靶板进行了剩余穿深试验(DOP), 并以AZ陶瓷和B₄C陶瓷为对比靶板, 根据剩余穿深结果计算了各自的防护系数。结果表明, 复相陶瓷的主要成分为B₄C和Al₂O₃, 其中主相B₄C约占70wt%, 第二相Al₂O₃约占30wt%, 由Al-B-O共同构成的复杂中间相填充在主相与第二相之间; 复相陶瓷的密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性分别为2.82 g/cm³, 41.5 GPa, 380 MPa和3.9 MPa•m^1/2, 其中断裂韧性比纯碳化硼陶瓷提高了85.7%; 复相陶瓷的防护系数为7.34, 比AZ陶瓷和碳化硼陶瓷分别提高了11%和70%; 在约束状态下, 各个样品的防护系数比自由状态均提高10%。

研究粉末颗粒在热等离子体(ICTP)中的行为可以为射频等离子体制备球形粉末工艺过程的优化提供参考。首先, 利用FLUENT软件对具有不同粒径分布的氧化铝粉末颗粒在射频热等离子体中的运动轨迹及加热历程进行了数值模拟; 然后, 根据模拟结果所确定的实验参数范围进行了射频热等离子体粉末球化实验, 并将实验测量与数值模拟的结果相结合, 研究了输入功率、送粉速率等参数的改变对具有不同粒径分布的氧化铝粉末球化效果的影响。研究结果表明: 粒径较小的氧化铝粉末颗粒在飞行过程中可以从等离子体内吸收更多的热量, 因此能够被充分加热至完全熔化; 增加系统输入功率、降低送粉速率均能提高单位质量的颗粒从等离子体中获得的能量, 从而在一定程度上提升氧化铝粉末的球化率。

以活化铌酸为铌源, 草酸铵为沉积剂, 十二烷基苯磺酸钠为模板剂, 采用水热法在硅藻土表面原位生长Nb₂O₅纳米棒。采用SEM、TEM、XRD、BET、FT-IR和XPS等分析方法对样品进行表征, 反应14 h后, Nb₂O₅纳米棒长度为500~700 nm, 直径为25~35 nm; 硅藻土原位生长Nb₂O₅纳米棒样品比表面积为157 m²/g。研究了样品对Cr(VI)的吸附与光还原行为, 可见光条件下对Cr(VI)吸附量可达220 mg/g; 紫外光条件下, 可将表面吸附的Cr(VI)转变为Cr(III), 样品经过5次循环使用后, 对Cr(VI)(100 mg/L)降解率仍能保持在93%左右。样品可对重金属污染废水中Cr(VI)进行吸附与毒性降解一体化去除。

采用热阴极直流辉光等离子体化学气相沉积法制备亚微米晶氮掺杂金刚石膜(NDD), 采用SEM分析样品的表面形貌, 分别用Hall测试和循环伏安法测试氮掺杂金刚石电极的电学和电化学性能。实验结果表明, 当氮气流量低于30 sccm时, 膜的电导率随氮气流量的增大略有提高; 氮气流量继续增大则电导率迅速下降, 电导率最大为5.091 S/cm。氮掺杂金刚石电极具有较好的伏安性能, 在酸性、中性和碱性介质中均具有较宽的电位窗口和较低的背景电流。以硝基苯为目标污染物测试NDD材料作为阳极氧化降解的电催化性能。在0.1 mol/L Na₂SO₄溶液的支持电解质中, 以氮掺杂金刚石为阳极降解0.5 mmol/L的硝基苯, 反应时间300 min, 硝基苯的降解率达到94%, 化学需氧量(COD)去除率约68%。

采用水热合成法对伊利石进行改性, 再通过微波辅助和紫外灯还原法制备了高载银量的纳米银/伊利石复合材料。利用X射线衍射(XRD)、红外(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和抑菌圈试验等方法研究了复合材料的结构、形貌及抑菌性能。结果表明, 改性后伊利石具有较高的载银量, 最高可达27.66%, 而且还原的纳米银在伊利石表面分布均匀。抑菌圈试验结果显示, 这种复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均有良好的抑菌效果, 最大抑菌尺寸分别达到5.68 mm和6.84 mm。

TiO₂纳米颗粒具有较强的氧化性, 作为光催化剂, 可以在阳光照射下减少或消除有机污染物。为提高TiO₂纳米颗粒分散性和溶解性, 研究其在不同领域, 特别是环境保护领域的应用, 本实验室用两步法制备得到黄色透明的水溶性TiO₂离子液体纳米杂化材料。在这个杂化体系中,有机磺酸基团作为冠层可以提供“自溶剂”成为TiO₂纳米粒子的分散体。分散实验表明：TiO₂离子液体纳米杂化材料表面的水溶性有机物在水中具有良好的溶解性, 容易去除, 可应用于家居装饰表面。光催化降解甲醛的研究表明：TiO₂离子液体纳米杂化流体具有良好的光催化性能。水溶性TiO₂离子液体纳米杂化材料有望成为未来环境保护的发展方向。

通过水热法一步合成了具有增强可见光吸收和电荷分离的碳量子点/BiPO₄纳米复合光催化材料。通过降解罗丹明B染料表征了碳量子点/BiPO₄纳米复合材料的光催化性能。结果表明：在模拟太阳光或可见光的照射下,碳量子点/BiPO₄复合材料的光催化性能均优于单纯的BiPO₄。碳量子点/BiPO₄复合材料光催化性能的提升可归因于碳量子点对可见光的吸收增加了太阳光的利用率,以及碳量子点的电子转移和储存性质提高了材料的电荷分离效率。