石墨烯自2004年被首次发现以来, 以其独特、优异的结构和特性引起了广泛关注。目前, 石墨烯的制备已取得了众多进展, 但在大尺寸、高质量、宏量石墨烯可控制备上仍存在挑战, 对制备技术仍需要进行更广泛地探索。非晶碳与石墨烯互为碳的同素异形体, 也可作为制备石墨烯的前驱体, 近些年利用非晶碳制备石墨烯的新颖方法引起了研究学者的兴趣。本文系统论述了利用非晶碳作为固体碳源, 通过金属催化制备大尺寸高质量石墨烯的技术优势, 并着重从金属种类、退火温度、碳源及金属含量比例等方面对石墨烯生成质量的影响进行了阐述。最后, 总结了该方法生长石墨烯的机理, 并对未来的发展方向进行了展望。

采用无压烧结工艺制备了Y₂O₃体积含量梯度变化的W-Y₂O₃复合材料, 分析了复合材料的物相和组织, 并通过对各复合材料力学性能的测试和断口形貌的观察, 探讨了W-Y₂O₃复合材料的断裂机理。采用有限元模拟W-Y₂O₃梯度材料制备过程中的应力场, 分析了W-Y₂O₃梯度材料各梯度层成分含量和结构设计的可行性, 并成功制备了W-Y₂O₃梯度材料。结果表明: W-Y₂O₃复合材料中, 随着Y₂O₃含量的逐渐增加, 材料的力学性能逐渐降低, 该现象是组成相的固有强度、气孔率和晶粒尺寸等因素共同作用的结果。该成分分布和梯度结构的设计可制备界面结合良好且内部无热裂纹缺陷的W-Y₂O₃梯度材料。

采用分子级混合方法及SPS烧结技术制备了Ti₃C₂T_x含量分别为5vol%、10vol%和20vol%的Cu/Ti₃C₂T_x复合材料, 研究了Ti₃C₂T_x含量对铜基复合材料的导电性、力学性能及摩擦磨损性能的影响。研究发现: 随Ti₃C₂T_x含量增加, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的相对密度及电导率均持续下降, 拉伸强度则先升高后下降; 当Ti₃C₂T_x含量为5vol%时, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的拉伸强度相比纯铜提高了43%。添加Ti₃C₂T_x可以明显改善Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的摩擦磨损性能, 当Ti₃C₂T_x含量为10vol%时, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的磨损率仅为2.55×10^-7 mm³/(N·m), 比纯铜降低了一个数量级。

本研究对三维针刺C/SiC(3-dimension needled C/SiC, 3D-N C/SiC)复合材料进行室温单调拉伸和拉伸加载-卸载试验, 利用声发射技术对试样损伤演化进行动态监测。采用K-均值聚类分析方法对小波降噪后的声发射信号进行了损伤模式识别, 结合试样断口扫描电镜观测, 发现3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在五类损伤模式: 基体开裂、界面脱粘、界面滑移、纤维断裂和纤维束断裂。通过快速傅里叶变换(FFT)方法对小波降噪后的信号进行频谱分析得出: 3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在240、370和455 kHz三种频率的损伤信号, 分别对应于界面损伤、基体损伤和纤维损伤。结合单调拉伸试验过程声发射信号能量柱分布和加卸载过程累积能量曲线特征, 分析了试样损伤演化机理。

通过提高工作介质氧化膜的介电常数来增加电容器的比容量, 是解决铝电解电容器小型化、轻量化常用的方法之一。本研究采用表面自组装法, 在铝箔表面引入磺酸基团使铝箔表面的荷电性质发生改变, 铝箔与二氧化钛前驱体胶粒间的静电斥力转变为静电引力, 从而增加了二氧化钛在铝箔表面的沉积量。经过热处理与阳极氧化后, 在铝箔表面形成了高介电常数Al₂O₃/TiO₂复合膜。相对未涂覆TiO₂的阳极铝箔, 采用表面自组装法制备的复合膜表面的钛含量增加了30倍, 其比容量在400 V耐压下提高了44.26%。本方法制备的大比容量阳极氧化铝箔在铝电解电容器行业有巨大的应用潜力。

核壳纳米颗粒是一种具有独特结构和性能的复合纳米材料, 在催化、生物医学和光子晶体等领域具有重要应用前景。本工作以羟基磷灰石(HAp)纳米颗粒作为核体、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为介孔模板剂, 采用改进的Stöber包覆法制备具有介孔结构的核壳HAp@mSiO₂新型纳米颗粒。通过控制正硅酸四乙酯(TEOS)的浓度及其水解和缩合动力学, 可以有效调控HAp表面包覆的mSiO₂壳层厚度。经TEM、EDS、XRD、FT-IR及BET一系列测试可知, 制备得到的HAp@mSiO₂纳米颗粒具有比表面积大、孔径尺寸窄且分布均匀等特点。同时, 以布洛芬作为模板药物, 将制备得到的材料应用于药物释放实验, 发现该核壳材料还具有良好的药物控制性能和pH响应特性, 且可以通过改变mSiO₂壳层厚度对药物释放速率进行有效调控。

以预处理后的凹凸棒石(Si-ATP)为前驱体, 采用双模板剂一步法合成了多级孔分子筛, 研究了结构导向剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)用量对分子筛孔道层次结构和种类的影响。结果表明：当CTAB用量为0.01~0.03 g 或0.05~0.07 g时, 孔道层次结构因子(HF)与CTAB用量呈线性相关; XRD结果显示, 当CTAB用量为0.03~0.05 g时, 分子筛从ZSM-5型向(H)ZSM-11型转变, 这说明在利用此方法制备多级孔分子筛时, 可通过调变CTAB用量定向调控分子筛微介孔比例。CTAB用量为0.05 g, 合成的(H)ZSM-11分子筛比表面积(S_BET)为432.02 m²/g, 总孔体积(V_tot)为0.40 cm³/g, 亚甲基蓝(MB)的吸附容量为366.45 mg/g, 说明CTAB导向构筑的介孔孔道有利于吸附大分子物质。

采用第一性原理广义梯度近似+U(GGA+U)方法计算了纤锌矿结构Zn_1-xMg_xO(ZMO)(0≤x≤0.25)合金的能带结构。计算表明: 随着Mg组分增加, ZMO化合物的导带底及费米能级均向真空能级方向移动, 带隙增宽。基于理论计算得到ZMO的能带结构参数, 使用SCAPS软件对ZMO作窗口层的CdTe薄膜太阳电池的性能进行了仿真模拟, 并将研究结果与CdS作窗口层的CdTe太阳电池的性能进行了比较。结果表明: Mg在ZMO中的含量0≤x≤0.125时, ZMO/CdTe太阳电池具有比CdS/CdTe太阳电池更高的开路电压和短路电流密度; ZMO的导带底高出CdTe导带底约0.13 eV时, CdTe薄膜太阳电池的转换效率最高, 达到18.29%。这些结果为高效率碲化镉薄膜太阳电池的结构设计和器件制备提供了理论指导。

聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)是平面结构钙钛矿太阳电池中空穴传输层的典型材料, 为了改善其导电性能以及促进后续钙钛矿层的生长, 本文将碳纳米管(CNTs)和二甲基亚砜(DMSO)同时引入PEDOT:PSS进行共修饰。结果表明: CNTs和DMSO在CNT-DMSO-PEDOT:PSS共修饰膜中展现了优异的协同效应。均匀贯穿于基体且几近网格状的CNTs具有促进后续钙钛矿层生长及降低共修饰膜方块电阻的功能; DMSO扮演着加强共修饰膜的导电能力及控制CNTs流失的角色。因此, 与单修饰膜相比, 共修饰膜不仅能更有效地传输电荷, 而且其表面生长的钙钛矿层晶粒尺寸更大, 覆盖率更高。此外, 共修饰膜在可见光范围内仍然保持优异的透光率, 550 nm波长处的透光率为88.8%。组装成器件后, 共修饰膜的光电转换效率(PCE)为5.75%, 远高于CNTs和DMSO单修饰膜及纯PEDOT:PSS膜, 后三者的PCE分别为3.01%、2.03%和1.30%。

预先在酵母菌模板表面沉积Co(OH)₃, 经高温煅烧后成功制得Co₃O₄空心微球, 并作为前驱体催化NaBH₄水解制氢。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)和X射线衍射(XRD)进行样品的微观形貌和物相分析。研究结果表明, 当反应液中NaBH₄含量为10wt%时, 模板法制备的Co₃O₄空心微球催化产氢速率高达2140 mL/(min•g) (25℃), 约是同等条件下无模板制备Co₃O₄活性的9倍, 且所制备的Co₃O₄空心微球长期储存性能良好。

采用KOH溶液在通电条件下对Fe₃N纳米颗粒表面改性的方法, 探究了碱化处理对Fe₃N纳米颗粒电催化性能的影响。采用XRD、TEM、EDX、XPS、拉曼光谱和傅立叶变换红外光谱对碱化前后的Fe₃N样品进行形貌和成分的表征, 采用时间电流曲线、LSV曲线、Tafel斜率、交流阻抗法和CV曲线对碱化前后的Fe₃N样品进行电催化制氢(HER)性能的分析。结果表明, 用KOH处理的Fe₃N样品, 平均晶粒尺寸由(80±10) nm缩小为(70±10) nm, 形状由破碎的链状结构变为椭圆形结构, 物相由ε-Fe₃N相部分转变为α-Fe₂O₃相; 尺寸、形貌和成分的改变, 使得碱化后的样品有更多的电催化活性位点暴露。由电流密度为10 mA/cm²的过电位0.429 V降为0.204 V, Tafel斜率由103 mV/dec降为95 mV/dec。过电势降低, 交流阻抗变小, 电化学活性面积增大, 表明KOH碱化处理后的样品电催化制氢的能力得到大大提高。

采用水热-光还原法在三维Bi₂WO₆的二级结构纳米片表面原位沉积Au纳米粒子(Au NPs), 成功获得了具有可见光响应活性的Au/Bi₂WO₆异质光催化剂, 并借助XRD、FE-SEM、HR-TEM、XPS和 UV-Vis-DRS谱等手段对其物相组成、形貌和光吸收特性进行表征, 以罗丹明B(RhB)和苯酚为模型污染物对其光催化性能进行研究。实验结果表明, 与纯Bi₂WO₆相比, 所得Au/Bi₂WO₆异质纳米结构对染料降解具有较高的活性, 当Au负载量为1.5at%时, Au/Bi₂WO₆复合催化剂的催化活性最好, 其光催化降解RhB和苯酚的表观速率常数分别是纯Bi₂WO₆的1.5倍和2.2倍。自由基捕获实验表明, 光生空穴(h⁺)和∙O₂^-是RhB在Au/Bi₂WO₆催化材料上光催化降解的主要活性物种。机理分析表明, Au/Bi₂WO₆活性增强归因于光生电子从Bi₂WO₆的导带向AuNPs表面迁移, 降低光生电子-空穴对的复合率, 同时, Au NPs 的等离子共振效应(SPR)拓展了催化剂在可见光区的响应范围, 从而显著提高了Au/Bi₂WO₆异质光催化的剂活性。Au NPs修饰Bi₂WO₆异质催化剂光太阳能驱动在污水处理方面具有潜在应用。

采用水热法合成出一种新型碳酸盐非线性光学晶体材料KNa₅Ca₅(CO₃)₈, 该晶体属于六方晶系, 空间群为P63mc, 晶胞参数为a=b=1.00786(4) nm, c=1.26256(8) nm, Z=2。其晶体结构可以看作是由站立的[CO₃]基团连接相邻的两个[CaCO₃]_∞层, 从而沿[010]方向形成了四种不同类型的孔洞, 在这些孔洞中填充着K、Na 和[Na_0.67Ca_0.33]原子。KNa₅Ca₅(CO₃)₈晶体的粉末倍频效应为KDP的1.2倍, 且能够在可见光区实现相位匹配。紫外-可见-近红外漫反射光谱测试结果表明其晶体具有较大的光学带隙, 大概为5.95 eV, 是具有潜在应用前景的紫外非线性光学晶体材料。此外, 第一性原理的计算结果表明, 晶体的非线性系数主要来源于CO₃基团。

实验制备了Ni²⁺掺杂的ZnO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(ZMAS)体系的透明微晶玻璃, 研究了微晶玻璃的超宽带发光现象。热分析结果表明样品的玻璃化转变温度(T_g)和析晶峰温度(T_c)分别为754℃和948℃。采用X射线粉末衍射分析了两种热处理制度对玻璃的晶体形核、晶体生长及物相变化的影响, 结果表明: 采用阶梯温度热处理制度可以得到Ni²⁺掺杂的尖晶石相透明微晶玻璃。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱测试表明制备的Ni²⁺掺杂ZMAS微晶玻璃中Ni²⁺以四配位和六配位共同存在于尖晶石相中, 红外荧光中心位于1324 nm的样品荧光半高宽达490 nm。样品的超宽带荧光主要是由于微晶玻璃中六配位Ni²⁺在ZnAl₂O₄和MgAl₂O₄形成的尖晶石相固溶体晶体场中的³T_2g(³F)→³A_2g(³F) 能级跃迁。实验结果表明, 制备的微晶玻璃在超宽带光纤放大器等光子器件中具有潜在的应用前景。

硫系玻璃具有独特的红外光学性能和极高的光学非线性等特点, 使得硫系光纤成为中红外超连续谱产生的优选材料。基于二次挤压法制备了单模As-S光纤, 并利用飞秒脉冲和光参量放大器作为泵浦源研究了该光纤的中红外超连续谱的产生特性, 包括光纤长度、泵浦波长、泵浦功率对超连续谱产生的影响。结果表明该单模光纤具有较低的传输损耗和较小的材料色散分布; 相比于传统零色散点波长附近泵浦, 在正常色散区且杂质吸收峰附近泵浦也可获得脉冲的极大展宽(泵浦参数: 4.5 μm, 1 kHz, 150 fs, 光纤长度23 cm, 输出谱宽为1.5~8.7 μm@60 dB带宽); 较短长度的硫系光纤便可产生超宽频谱输出, 相反, 光纤长度越长输出频谱越窄且平坦性变差。

采用固相烧结方法制备了Bi、Co同时取代化学计量比钛酸铋钠基(Bi_0.5+x/2Na_0.5-x/2)_0.94Ba_0.06Ti_1-xCo_xO₃无铅压电陶瓷, 研究了材料中A/B位缺陷对其电滞回线和电致应变的影响。结果表明陶瓷具有均一的赝立方结构, 随着掺杂量的增加, 材料铁电-弛豫相转变温度降低, 应变增加。同时材料在疲劳过程中伴随着弛豫相的增多, 在较低电场下产生较大的应变(0.458%), 逆压电常数d₃₃^*达到770 pm/V。介电温谱和电滞回线上反常变化与化学计量比陶瓷中产生的A/B位缺陷偶极子密切相关, 并表明这种缺陷偶极子是以氧空位为媒介形成的。

采用水热法在温度为503 K,反应时间为12 h的条件下制备了纺锤型磷灰石相Y_4.67(SiO₄)₃O微晶,该微晶由粒径约为50 nm的颗粒组成。首次报道了纺锤型磷灰石相Y_4.67(SiO₄)₃O微晶的热性能,同时研究了其相组成,微观结构及合成机理。结果表明,水热温度对所制备粉体的相组成及形貌有较大影响。此外,对应的陶瓷具有较低的热导率和较高的热膨胀系数,有望用作热障/环障涂层材料。

由于特殊的交换离子浓度分布,工程应力分布玻璃(ESP玻璃)的强度呈现集中分布的特性。为了预测其钾离子浓度的分布,运用了时域有限差分法对其扩散过程进行数值模拟。该模拟是基于测量的扩散系数、玻璃表面浓度以及第一步交换后的钾离子浓度分布进行的。模拟计算的结果与使用能谱仪测量的实验结果相吻合。基于模拟计算的结果,讨论了ESP玻璃的强度与钾离子浓度分布的关系。