氧化铀不仅是重要的核材料, 也是潜在的多功能材料。UO₂晶体具有优异的半导体性能和抗辐照能力, 其禁带宽度(1.3 eV)与Si(1.1 eV)相近, 塞贝克系数是常用热电材料BiTe的4倍, 对太阳光的全吸收使其成为高效的太阳能电池材料, 在半导体、太阳能和热电等领域具有巨大的应用潜力。但是UO₂随着环境变化会出现从缺氧到过氧的价态变化(UO_2±x, x= -0.5~1), 即超化学计量比特性, 给材料制备和性能控制等方面带来很多问题。本文从相图出发, 总结了各种铀氧化物的结构及其稳定性, 重点聚焦UO₂晶体的研究进展。理想化学计量比UO₂被认为是最好的Mott绝缘体, 其电导率是相对稳定的; 超化学计量比氧化铀则具有半导体特性, 其电导率、热导率、扩散系数以及光学性能都与x密切相关。目前, UO₂晶体生长主要采用化学气相输运法(CVT)、冷坩埚法、水热法、升华法、助熔剂法等, 晶体尺寸和质量还不理想, 冷坩埚法和水热法被认为是最有潜力的生长技术。氧化铀单晶生长研究不仅有助于深入了解UO₂材料特性, 也为其在太阳能电池、热电器件以及未来电子学领域的应用提供可能性。

氮化硼气凝胶是一类以固体为骨架、气体为分散介质的, 具有三维多孔网络结构的新型纳米材料, 展现出高比表面积、高孔隙率、低密度等优异的性能。此外, 相比于石墨烯气凝胶, 氮化硼气凝胶拥有更好的绝缘性、抗氧化性、热稳定性和化学稳定性, 因此它在气体吸附、催化、污水净化、导热/隔热等领域极具应用前景。本文结合国内外研究现状, 重点介绍了硬模板法、软模板法、低维氮化硼组装法和无模板法制备氮化硼气凝胶的结构和性能特点, 总结了其在关键领域的重要应用, 并对其未来发展方向进行了展望。

卤化物钙钛矿由于具有高射线吸收系数、高载流子迁移率寿命乘积、可低温溶液法生长等特性, 有望突破传统高纯锗和碲锌镉探测器在成本、芯片兼容性和大尺寸成像等方面的制约, 成为新一代性能优异的室温射线探测材料。本文从卤化物钙钛矿材料的基本性质与射线探测原理出发, 介绍了2015年以来卤化物钙钛矿射线探测材料与器件的发展历程; 系统介绍了直接型射线探测器(强度、成像、能谱)及闪烁体探测器的最新研究成果; 分析了材料特性与器件结构对射线探测器性能的影响机制, 为今后更高效的卤化物钙钛矿射线探测器的开发提供参考。

以有机化合物作为助剂合成纳米材料, 可调控材料的形貌和结构, 进而影响材料的催化和电化学性能。以乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA-2Na)为助剂, 乙酸钴为钴源, 利用水热法合成Co₃O₄纳米材料, 测定材料的结构和气敏性能, 研究其结构与气敏性能的关系, 并探讨EDTA-2Na在材料合成中的作用机制。结果表明, Co²⁺与EDTA^2-形成的配合物调控Co₃O₄晶核的生长方向, 形成了边长约为50 nm的六边形介孔纳米片。在205 ℃下, 利用该材料构筑的气敏传感器对100×10^-6甲苯响应值约为104, 在225 ℃下对100×10^-6丙酮的响应值约为70。该传感器对甲苯和丙酮等挥发性有机化合物(VOCs)的高响应性能是由于EDTA-2Na辅助合成的Co₃O₄表面存在的大量缺陷, 提高了吸附氧含量。另外, 介孔结构和较大的比表面积有利于VOCs的吸附、表面反应和扩散。本研究提供了一种添加EDTA-2Na辅助合成Co₃O₄纳米材料并获得高响应VOCs气体传感器的有效方法。

设计软磁复合材料(SMCs)的绝缘层要兼顾软磁性能和电阻率。本研究以Fe/Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄复合体系为例, 研究界面MnO₂氧化剂对样品软磁性能和电阻率的影响, 揭示提高软磁性能和电阻率的SMCs界面放电等离子烧结(SPS)氧化还原机制。采用球磨法制备添加0、0.1wt%、0.3wt%、0.5wt%和1.0wt% MnO₂的核壳结构Fe@Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄(MnO₂)复合粉末, 随后SPS烧结制备Fe/Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄(MnO₂)块体SMCs样品, 通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)表征该样品的结构特征, 用精密电阻测试仪和振动样品磁强计测试该样品的电阻率和磁性能。研究发现, 添加0.5wt% MnO₂的Fe/Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄(MnO₂)块体SMCs样品比未添加样品电阻率提高33.7%、饱和磁化强度提高6.9%。研究结果表明, SPS烧结增强SMCs界面快速氧化还原反应, MnO₂氧化剂的添加使界面铁氧体离子浓度变化, 降低了B位电子跃迁频率, 提高有效波尔磁子数及B-B磁超交换作用, 表现出同时提高SMCs的软磁性能和电阻率的多重效应。

采用先驱体浸渍裂解法制备陶瓷基复合材料过程中会形成基体裂纹和孔隙, 基体开裂和裂纹演化机制是工艺设计和性能优化的依据。本研究采用真空旋转浸渍-裂解法制备了无界面相的纤维束C/SiCN复合材料, 分析了该材料的拉伸性能和基体裂纹增殖现象, 讨论了浸渍裂解次数和热处理温度对基体裂纹的影响规律。研究结果表明: 当热处理温度为1000~1400 ℃时, 该复合材料的化学组成变化较小; 热处理温度达到1600 ℃时, 先驱体转化的SiCN基体分解, C含量降低, SiC含量升高。随浸渍裂解次数由1次增加到4次, 该复合材料的平均拉伸强度分别提升14.19%、38.83%和63.47%, 同时基体裂纹间距和裂纹开口距离均逐渐减小, 基体纤维结合增强, 断口纤维拔出减少。热处理温度从1000 ℃升高到1400 ℃, C/SiCN拉伸强度缓慢增大; 热处理温度为1600 ℃时, SiCN基体由无定形的SiC_xN_4-x四面体向SiC晶体转变, 基体与纤维脱粘, 二者结合强度降低, 同时基体体积收缩使C纤维损伤, 导致该复合材料拉伸强度陡然下降30.0%。

氢气作为一种可再生、高效的清洁能源, 在工业生产中必须保证纯度。膜分离技术是一种有效的手段。本工作采用密度泛函理论和分子动力学模拟方法研究了一种新型的类石墨烯碳氮(C₉N₄)分离膜对于H₂的分离提纯性能。密度泛函理论计算结果显示气体在C₉N₄分离膜上的吸附属于物理吸附。C₉N₄分离膜表现出极高的H₂渗透率和优异的选择性, 300 K下H₂渗透率达到1.89×10^-5 mol∙m^-2∙s^-1∙Pa^-1, H₂/CH₄的选择性达到10²⁴。分子动力学模拟的结果也显示C₉N₄分离膜具有良好的H₂分离特性。

石油和天然气开采、电厂脱硫及海水淡化等工业活动会产生大量的高含盐废水, 有效处理这些高盐废水是实现液体零排放的关键。本研究以多孔α-Al₂O₃陶瓷膜为支撑体, 将氨基功能化的沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIF-8-NH₂)填充到1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷(BTESE)中, 制得ZIF-8-NH₂/有机硅杂化膜, 将其应用于高浓度盐水渗透汽化脱盐, 并系统考察了ZIF-8-NH₂含量、进料温度与浓度等因素对其脱盐性能的影响。实验结果表明, 与BTESE膜及ZIF-8/BTESE杂化膜相比, 氨基功能化的ZIF-8-NH₂/BTESE杂化膜的水渗透率和盐截留率均有所提高。在连续50 h渗透汽化脱盐测试中, ZIF-8-NH₂/BTESE杂化膜表现出优异的结构稳定性, NaCl表观截留率始终保持在99.95%以上, 水渗透率保持在6.3×10^-11 m³/(m²×s×Pa)以上。此外, NaCl截留率几乎不受进料温度和进料浓度的影响, 在高盐废水处理领域表现出良好的应用前景。

通过水解法合成具有高暴露(001)面的BiOBr/Ti₃C₂复合光催化剂, 利用不同手段对样品进行表征。以罗丹明B为目标污染物, 评价了不同样品的可见光催化性能。结果表明, 层状Ti₃C₂添加量为20.0wt%时, BiOBr/Ti₃C₂复合光催化剂在60 min内对罗丹明B的降解效率为97.1%, 比BiOBr的降解效率提高了34.7%。引入层状Ti₃C₂使得BiOBr与Ti₃C₂界面形成肖特基结能垒, 产生有效的电子陷阱抑制了光生电子-空穴对的复合, 从而大大提高了BiOBr的可见光催化活性。BiOBr/Ti₃C₂复合光催化剂经5次循环实验后, 降解效率仍保持在91.0%, 表明其具有良好的稳定性。活性物种捕获实验表明, 超氧自由基为罗丹明B可见光催化降解中的主要活性物种, 并据此提出了可能的光催化机理。

光催化去除一氧化氮(NO)是一种新兴的空气净化技术, 但极易生成毒副产物二氧化氮(NO₂), 限制了其实际应用。为解决这一问题, 本研究以氮化硼(BN)纳米片为模板, 用原位生长法在其表面形成溴氧铋(BiOBr)纳米片, 成功构建二维-二维(2D-2D)可见光催化剂BiOBr-BN。根据X射线光电子能谱及第一性原理计算结果, BiOBr通过界面作用将电子转移至BN, 形成内建电场, 有效促进光生载流子的分离。BiOBr作为NO氧化的活性面, 增强氧气(O₂)的吸附和活化, 抑制NO₂的生成。可见光催化氧化NO性能测试结果表明, 5%BiOBr复合BN后, NO去除率从24.6%提高到39.5%, NO₃^-的氧化选择性从36.6%提高到82.7%。

Co-TiO₂纳米复合薄膜作为一种新型自旋电子材料, 由于具有良好的生物相容性, 近年来受到广泛关注。但在制备过程中, 磁性金属Co处于氧化气氛, 容易部分氧化, 从而影响薄膜的隧道磁电阻性能。为了抑制磁性金属的氧化, 提高金属态含量, 本研究通过强磁靶共溅射法制备了Co-TiO₂纳米复合薄膜。该方法采用的强磁靶头, 磁场强度高、分布均匀, 可以提高溅射粒子的能量和溅射速率, 降低因高能粒子碰撞而发生氧化的概率。因此强磁靶共溅射法能明显抑制金属Co的氧化, 提高纳米复合薄膜的自旋极化率。所制备的Co-TiO₂纳米复合薄膜主要由非晶态的TiO₂基体和分散其中的Co颗粒组成。通过调节金属Co颗粒尺寸和分布状态, 在电学上实现了金属态向绝缘态转变, 在磁学上实现了铁磁性向超顺磁性转变。Co含量为51.3at%时, Co-TiO₂纳米复合薄膜表现为高金属态和高电阻率, 并且实现了高达8.25%的室温隧道磁电阻。强磁靶共溅射法使Co-TiO₂纳米复合薄膜的室温磁电阻性能得到了进一步提高, 这对于磁性金属—氧化物纳米复合薄膜的研究有着重要的意义。

CaO-SiO₂-P₂O₅体系生物玻璃(Bioglass, BG)微球具有良好的生物活性和骨传导性, 在骨组织修复领域得到广泛研究与应用。传统熔融法制备BG粉体的能耗大、粉体形貌不可控、生物活性相对较低; 溶胶-凝胶法制备BG粉体则需大量溶剂、制备周期长、不易量产。为快速、规模化制备形貌、粒径、化学组成可控的BG微球, 本研究以水溶液为溶剂, 以正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、四水硝酸钙为原料, 采用喷雾干燥前驱体溶液方法制备BG微球, 探讨喷雾干燥过程中进气风量、前驱体溶液浓度和进料速率等工艺参数对BG微球粒径的影响; 前驱体溶液化学组成对BG微球的体外诱导磷灰石沉积能力的影响。结果表明, BG微球的粒径范围在40 μm以下可控, 且粒径随前驱体溶液浓度增大而增大, 随进气风量增大而减小, 进料速率则对微球粒径影响较小。不同化学组成的BG微球都具有良好的体外诱导磷灰石沉积能力, 而且随CaO含量的增加而提高。

过高温可诱发肿瘤周围正常组织产生炎症以及热辐射损伤。因此研发一种能在相对较低温度下(例如43 ℃)即可实现肿瘤细胞高致死率的磁性材料对于磁热治疗的临床应用至关重要。本研究聚焦低温、安全、高效磁热疗, 选取FDA批准的液固相变材料聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)为原料, 装载一步温和还原法制备得到的超顺磁性氧化铁纳米颗粒, 用于磁共振成像和磁热升温; 进一步在PLGA中装载热休克蛋白HSP90的小分子抑制剂-表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG), 抑制机体受热保护功能, 实现较低温度下杀死肿瘤细胞。体外实验结果表明, 制备得到的超顺磁性氧化铁纳米颗粒不仅拥有良好的T₂加权成像性能, 还具有优良的磁热升温性能。所制备的PLGA/Fe₃O₄/EGCG复合材料在交变磁场下控制升温至43 ℃并保温40 min后发现肿瘤细胞死亡率达70%, 显示出针对骨肉瘤低温磁热治疗的良好潜力。这种可注射磁热相变材料将为骨肉瘤的治疗提供新的思路和材料支撑。

锶(Sr)掺杂羟基磷灰石(HA)在生物材料中得到广泛应用。在此研究中, 使用水热合成的方法制备HA和Sr掺杂HA的纳米颗粒。通过实验和计算机模拟的方法研究Sr掺杂对HA化学成分、结晶度、晶格参数、形貌和形成能的影响。实验结果表明, Sr掺杂后的HA纳米颗粒晶格参数和晶体尺寸增大。随着Sr离子浓度的增加, Sr 掺杂HA的纳米颗粒的结晶度没有显著变化。模拟结果验证了实验得到的Sr 掺杂HA纳米颗粒晶格参数的准确性, 且进一步表明Sr 离子掺杂后纳米颗粒的形成能较低, 结构更稳定。当Sr掺杂浓度为10%时, Sr掺杂的优先位点是Ca(1); Sr掺杂浓度为50%时, Sr混合掺杂到Ca(1)和Ca(2)位点为更优先的掺杂模式。

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理对光伏材料Cu₂ZnSnS₄ (CZTS)掺Mg进行了研究。通过建立Mg取代CZTS中Cu、Zn和Sn的点缺陷结构, 计算Mg掺杂缺陷的生成能及对CZTS电子结构的影响。计算结果表明掺Mg不引入深能级缺陷也不改变材料的禁带宽度; 并且富Sn条件更有利于Mg取代Cu形成施主缺陷, 使p型转变为n型。本研究可为CZTS太阳能电池掺Mg的应用研究提供理论基础。