有机-无机钙钛矿材料因为具有光谱吸收范围宽、缺陷密度低、载流子复合率低等非常优良的光电性能吸引了广泛关注, 掀起了钙钛矿材料研究热潮。近年来杂化钙钛矿型太阳能电池发展迅速, 光电转化效率目前已达到22.1%, 展现出极大的应用潜力。与多晶薄膜相比, 单晶具有极低的缺陷密度和极少的界面缺陷。多个课题组成功培养出大尺寸钙钛矿单晶, 发现钙钛矿单晶材料具有比其他薄膜多晶材料更好的光响应特性, 是设计制备光伏器件的理想材料。在各类钙钛矿材料中, CH₃NH₃PbI₃是研究和应用最广泛的一类钙钛矿材料。本文主要针对近年来CH₃NH₃PbI₃单晶材料的研究制备进行综述, 介绍了CH₃NH₃PbI₃单晶材料的结构及性能, 重点总结了CH₃NH₃PbI₃单晶材料生长制备方法和应用, 并对其发展趋势进行了展望。

相对于聚合物等储能介质材料, 介电陶瓷具有温度稳定性好和循环寿命长的优点, 是制备脉冲功率储能电容器的优秀候选材料。但目前介电陶瓷的储能密度相对较低, 不能满足脉冲功率设备小型化的要求。因此, 如何显著提高介电陶瓷的储能密度成为近年来功能陶瓷研究的热点之一。本文首先介绍了介电储能电容器对陶瓷材料性能的要求, 然后结合本课题组的研究工作, 评述了BaTiO₃基、BiFeO₃基、(K_0.5Na_0.5)NbO₃基无铅弛豫铁电陶瓷和 (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃基、AgNbO₃基无铅反铁电陶瓷储能特性的研究现状, 重点阐述了不同材料体系的组分设计思路及相关储能特性, 分析了无铅非线性介电储能陶瓷所面临的机遇和挑战, 指出了应对策略。最后, 展望了下一步的研究方向和内容。

采用两步水热法合成钛酸钡(BaTiO₃)纳米线, 并以此为填充物, 聚偏氟乙烯六氟丙烯(P(VDF-HFP))为聚合物基体制备介电复合物, 研究不同含量BaTiO₃纳米线对复合物的介电及储能性能的影响。采用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、阻抗分析仪和铁电工作站等表征BaTiO₃纳米线及其复合物的物相、微观结构、介电和储能性能。结果表明: BaTiO₃纳米线具有典型的四方相, 且在聚合物基体中具有良好的分散性与相容性。相同频率下, 复合物的介电常数随着BaTiO₃纳米线含量的增加而增加。含量为20vol%的复合物, 在1 kHz频率下其介电常数取得最 大值30.69。含量为5vol%的复合物, 在场强为240 kV/mm时, 获得了最大的储能密度与放电能量密度, 分别为4.89和2.58 J/cm³。

本研究利用放电等离子烧结技术同时实现热化学锂化与致密化, 制备得到Li₂₁Si₅与石墨烯两相分布均匀、高致密度的纳米结构复合材料。石墨烯的二维结构、优异的电导率以及大量结合紧密的两相界面能够有效地限制活性颗粒在脱锂过程中的体积收缩并促进电荷在活性颗粒内部的传输, 促使该复合材料表现出优异的电化学性能。预脱锂和首次嵌锂比容量分别为968和1007 mAh∙g^-1, 达到商业化应用锂-碳体系的3倍, 首次库伦效率达到94.5%。循环100圈后比容量仍然可保持在590 mAh∙g^-1, 循环稳定性相比于采用碳颗粒制备的复合材料提升了1倍。即使在1 A∙g^-1的高电流密度下循环, 比容量仍可保持在540 mAh∙g^-1。本研究为设计开发应用于锂离子硫、锂离子氧等高能量密度电池体系中的富锂合金负极材料提供了新的途径。

本研究以氧化石墨烯分散液(GO)和硝酸镍(Ni(NO₃)₂·6H₂O)为前驱体, 通过一步水热法制备自支撑三维还原氧化石墨烯/NiO复合电极材料(3D rGO/NiO)。用XRD和SEM等分析结果表明, 纳米NiO颗粒均匀分散在三维多孔石墨烯表面。当GO与Ni(NO₃)₂·6H₂O质量比为1 : 4时, 3D rGO/NiO在电流密度为1 A·g^-1 下比电容可达1208.8 F·g^-1; 当电流密度从0.2 A·g^-1增加到10 A·g^-1时, 复合电极材料电容保持率高于72.6%; 在电流密度为10 A·g^-1下进行恒流充放电循环测试10000次后, 其比电容仍然保持为初始比电容的93%, 表明该复合电极材料具有良好的倍率性能和循环稳定性能。3D rGO/NiO复合电极材料具有比纯NiO或rGO更优异的电化学性能。

本文采用固相法在900、1000、1100和1200℃煅烧温度条件下合成了Li_0.33La_0.56TiO₃(LLTO)固态电解质材料, 并将其组装为LLTO固态离子电容器。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、电化学阻抗谱(EIS)和循环伏安法(CV)等技术研究了煅烧温度对LLTO固态电解质和固态离子电容器的显微结构、形貌、离子电导率和储能性能的影响。实验表明, 较高的煅烧温度有利于获得性能优异的LLTO固态离子电容器。在室温下, 1200℃煅烧温度制备的固态离子电容器晶粒离子电导率高达 9.6×10^-4 S/cm, 且具有明显的双电层电容特性, 在4 V电压窗口下比电容为3.52 mF/g。此外, 固态离子电容器比电容随晶粒电导率的增大而增大, 同时受电极与固态电解质接触面积的影响。

二维过渡金属硫属化合物具有优异的电学和光学特性, 形貌控制及带隙调控对于其在光电子学、光子学、纳米电子学领域中的应用至关重要。研究采用CVD技术在SiO₂/Si衬底上生长了垂直排列ReS₂纳米片材料, 硒化处理后得到ReS_2(1-x)Se_2x合金纳米片, 并研究了硒化温度(700、850 和 920℃)及硒化时间(0.5、1和1.5 h)对ReS_2(1-x)Se_2x合金纳米片形貌及组分的影响。XPS元素定量分析及紫外-可见-近红外吸收光谱研究表明ReS_2(1-x)Se_2x样品中Se含量可以在x=0(纯ReS₂)到x=0.86之间调变, 相应材料的带隙可从1.55 eV (800 nm)调变到1.28 eV (969 nm)。SEM结果显示ReS_2(1-x)Se_2x纳米片的结构受到硒化温度和硒化时间的影响, 硒化温度升高和硒化时间延长会破坏纳米片的垂直结构。上述结果表明本研究成功合成了垂直排列ReS_2(1-x)Se_2x合金纳米片, 该材料在电化学催化、功能电子器件和光电子器件方面具有潜在应用价值。

采用直流磁控溅射技术, 在Si片和316L SS基体上制备了不同Cu含量的TiCuO薄膜。采用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、X 射线能谱仪(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)对薄膜的显微结构和化学组成进行了分析。采用电化学腐蚀和模拟体液浸泡实验评价了薄膜的腐蚀性能和Cu离子释放特性。体外静态培养内皮细胞后, 采用细胞计数试剂盒(CCK-8)评价了TiCuO薄膜的细胞活性。研究结果表明, 未掺杂的TiO₂薄膜为金红石相, 掺入Cu后的TiCuO薄膜由非晶基体上含有Cu₂O的纳米晶粒构成。薄膜中的富Cu区引起了薄膜腐蚀。含Cu量高的TiCuO薄膜更易被腐蚀, 并释放出较多Cu离子。TiCuO薄膜释放出一定浓度的Cu离子促进了内皮细胞活性。研究表明, TiCuO薄膜的含Cu量和显微结构影响了Cu离子释放, 对其内皮细胞活性起了关键作用。

实体瘤中普遍存在乏氧现象, 是导致肿瘤对非手术治疗手段抗拒性增加, 降低药物疗效的重要因素。针对这一问题, 本研究采用简单的两相界面法制备了一种小尺寸(65 nm)、单分散、生物稳定性良好的可共载抗癌药物盐酸阿霉素(DOX)和载氧蛋白血红蛋白(Hb)的树枝状介孔硅纳米颗粒(DMSNs)。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、动态光散射仪(DLS)和氮气吸附-脱附仪等对材料进行表征。结果表明, 合成的DMSNs纳米颗粒粒径均一、分散性良好, 具有较大的比表面积(654.52 m²/g)和孔容(1.26 cm³/g)以及两套孔道结构(直径2.7 nm和5.4~6.8 nm)。更重要的是, 树枝状介孔层的孔径仅需改变三乙醇胺(TEA)的用量即可调节。药物释放、流式细胞术、激光共聚焦以及细胞毒性等相关实验结果表明, DMSNs可同时装载DOX与Hb, 且具有较高的药物释放能力(75.6%)和持久的释放性能(48 h)。载入血红蛋白后, 其IC₅₀为20.6 μg/mL, 能够有效提高抗癌药物DOX的细胞致死率。因此, 这种小尺寸的树枝状介孔硅球在药物传输和肿瘤治疗方面具有潜在的应用价值。

本研究设计并制备了一种微流控芯片并在其中水热合成了氧化锌(ZnO)纳米棒。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)研究了合成条件对ZnO纳米棒的形貌和晶体结构的影响。结果表明, 在微流控芯片中可制备得到致密的ZnO纳米棒, 其直径和长度随加热方式和制备时间的变化而改变。对比研究不同加热方式制备的ZnO纳米棒阵列检测异硫氰酸荧光素标记的羊抗牛IgG的性能, 发现局部加热方式制备的ZnO纳米棒检测荧光素标记蛋白的性能更佳, 在10 pg/mL~1 μg/mL范围内线性良好, 相关系数为0.99209。在此基础上, 用局部加热制备的ZnO纳米棒检测人甲胎蛋白(AFP), 其最低检测限可达1 pg/mL。这些结果表明, 微通道中合成的ZnO纳米棒适用于多通道荧光检测。

多层SentryGlas®Plus (SGP)夹层玻璃在建筑行业被广泛作为承重材料, 玻璃在动态冲击下的脆性失效易导致夹层玻璃的承重性能大幅降低, 而目前对多层SGP夹层玻璃抗冲击性能的研究数据较少。本研究基于平均最小破坏速度(MMBV)测试方法, 对三层SGP夹层玻璃面板展开刚体冲击实验。首先采用高速相机追踪裂纹产生和扩展情况, 将夹层玻璃的开裂顺序分成三类, 并通过分析其冲击响应, 研究开裂顺序、支撑条件和玻璃面板构成对SGP夹层玻璃抗冲击性能的影响。实验结果显示, 边缘夹固式夹层玻璃需要更高的平均最小破坏速度来触发玻璃破损, 且与驳接点支式试样相比, 其碎裂前刚度提高了44%。相比于钢化玻璃, 半钢化玻璃碎片在受压状态下可产生更强的锁合机制, 从而明显提高试样刚度, 平均最小破坏速度则稍有增加。研究还显示动态刚度在破坏后阶段将会显著降低。最后, 结合高速相片分析了两类动态脱层特征。

Ce: YAG荧光陶瓷具有突出的导热性及化学稳定性, 相比有机硅胶封装法在高功率白光LED的应用上具有更广阔的应用前景。本研究采用真空固相烧结法制备了不同Gd掺杂浓度的(Gd, Y)₃Al₅O₁₂:Ce样品, 通过XRD, SEM及荧光光谱等表征手段, 研究了Gd掺杂对Ce:YAG荧光陶瓷的晶体结构及其用于白光LED时对发光性能的影响。实验表明, 随着Gd掺杂浓度的提高, Gd³⁺取代Y³⁺ 的位置进入晶格, 使得样品的晶格常数增加。Gd³⁺还影响了Ce³⁺对蓝光的吸收, 同时Ce³⁺将蓝光转换成黄光的效率也下降, 导致光效从81.45 lm/W降低至63.70 lm/W。Gd的掺 杂使Ce³⁺的光致发光谱峰位从534 nm向564 nm红移, 显色指数从61.3提升至70.2。Gd的掺杂虽然降低了发光 效率, 但显著提高了(Gd, Y)₃Al₅O₁₂:Ce样品的显色指数, 使得黄色YAG荧光陶瓷应用于白光LED的性能得到了 提高。

由于非直接接触、远程控制、高效及快捷的优点, 光可逆颜色转换材料在信息存储、显示器件、传感器等领域有着重要应用。复合无机材料和有机材料, 实现协同增效, 是新型光驱动可逆颜色转换材料的研究热点之一。本研究采用一步液相合成法制备粒径约为5 nm的锐钛矿型Mg²⁺掺杂TiO₂纳米晶, 通过X射线衍射、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、红外光谱和拉曼光谱等表征手段确认材料的组成结构, 并对比研究了Mg²⁺掺杂TiO₂对亚甲基蓝(MB)光可逆颜色转换性能的增强效应。结果表明, 掺杂Mg²⁺在TiO₂晶格中能产生杂质能级, 有效抑制了光生载流子的复合, 提高了TiO₂光氧化还原MB的活性; 另一方面, 掺杂Mg²⁺降低了TiO₂纳米晶的吸收波长, 在可见光照射下能够有效地抑制MB向还原态LMB的转变, 提高系统着色速率。这种基于碱金属掺杂TiO₂纳米晶的光可逆颜色转换材料在许多光电子器件领域具有潜在的应用价值。

锂空气电池以其超高的能量密度而备受关注, 然而充、放电过电位高等问题严重限制了其实际应用。金属钯作为催化剂可而降低锂空气电池的充、放电过电位, 但其充、放电反应催化机制尚不完善。本研究运用第一原理计算方法, 建立了钯/氧气/过氧化锂(Pd/O₂/Li₂O₂)的三相界面催化模型, 从微观角度揭示钯催化剂在锂空气电池充、放电反应中的催化机制。研究表明, Pd/O基底通过促进Li₂O₂在界面处的电荷转移提高自身对LiO₂吸附作用, 从而加速放电产物在电极表面的形成, 有效降低了充电过电位0.43 V。

采用非水沉淀工艺制备了锐钛矿型纳米氧化钛(TiO₂)。在冰醋酸的催化作用下, 钛酸丁酯在乙醇中发生非水解反应。冰醋酸的引入增加了钛酸丁酯中Ti-O键和C-O键的极性, 进而促进其在溶剂乙醇中发生非水解脱醚缩聚反应形成Ti-O-Ti键合。经过80℃回流24 h, Ti-O-Ti键重排形成锐钛矿型纳米TiO₂。其粒径为5~20 nm; 比表面积为169.4 m²/g。非水沉淀法制备的纳米氧化钛分散性良好, 光催化性能优异。紫外光照2 h, 纳米氧化钛对甲基橙的降解率达99.81%, 具有良好的污水处理应用前景。

近年来, SiO_x作为锂离子电池负极, 由于其良好的循环稳定性、较大的容量以及对成分调控的可行性, 引起了广泛的关注。以往的许多研究都集中在阐明氧含量对SiO_x负极的影响, 尺寸效应对性能的影响规律很少被研究。此工作研究了不同厚度的薄膜型SiO_x负极材料的电化学性能。溅射制备SiO_x电极的Si/O比值为0.7、膜厚为450 nm时, 电极初始库仑效率(ICE)为71.68%、容量保持率92.01%。以上的最优性能主要归功于电荷转移电阻低、SEI层形成减少和循环过程中电极的结构稳定性。研究表明, 作为LIBs负极, 控制SiO_x负极的厚度可以有效改善电极材料的电化学性能。