负极材料是锂离子电池的重要组成部分, 目前商用锂离子电池的负极材料石墨的理论比容量仅为372 mAh/g, 严重制约了锂离子电池的进一步发展。在众多的锂离子电池负极材料新体系中, 金属氧化物具有理论比容量高、价格低廉、环境相容性好等优点, 受到广泛关注, 但是其存在导电性差、充放电体积变化大等缺点。研究发现, 纳米化可以在保持金属氧化物优点的同时克服其缺点, 因此成为金属氧化物基负极材料的研究热点。本文对近期纳米金属氧化物基锂离子电池负极材料研究的主要成果进行综述, 着重关注几种具有代表性的金属氧化物及其复合物的纳米结构设计与性能优化, 并为后续相关研究提出建议。

二氧化锰作为一种重要的过渡金属氧化物, 因其储量丰富、晶型多样、性能优异而备受关注。将二氧化锰纳米化后, 其颗粒尺寸变小、比表面积变大、材料性能优化、应用领域得以拓宽。本文在引言部分从介绍二氧化锰的应用着手, 指出纳米化和晶型多变对二氧化锰的结构和性能有着重要的影响。正文部分主要从纳米二氧化锰的制备方法和纳米二氧化锰的应用两个方面对近年来的研究进展进行了总结和评述。(1)介绍了水热法、溶胶-凝胶法、化学沉淀法、固相合成法等纳米二氧化锰的制备方法, 对各种制备方法的优点与缺点以及所制备纳米二氧化锰的形貌与性能进行了总结。(2)综述了纳米二氧化锰在储能电极、电致变色器件、催化剂、生物传感器等领域的应用研究进展。纳米二氧化锰可作为电池的正极材料和超级电容器的电极材料。通过调控二氧化锰的晶型和复合制备的含锰复合氧化物用于锂离子电池的正极材料, 可提高电池的容量并改善循环稳定性。作为锂离子动力电池的正极材料已有产业化应用, 在新能源汽车领域具有良好的应用前景。由于纯二氧化锰本身的颜色主要是在棕色和黄色之间变化, 光调制幅度较小, 因此作为电致变色器件的电极材料, 通常将其与其它光调制幅度较大的材料进行复合使用。如聚苯胺/二氧化锰杂化电致变色薄膜较纯聚苯胺薄膜在形貌、结构和电致变色性能上有巨大差异, 显示出更高的光调制幅度、着色效率和循环稳定性。纳米二氧化锰在乙苯的催化转化和空气污染物的催化消除方面发挥重要作用。纳米二氧化锰能够增大电流响应、降低检出限, 使检测的灵敏度大大提高, 近年来在生物传感器领域逐渐被大家重视并得到广泛应用, 如二氧化锰纳米片辅助荧光偏振生物传感器可有效检测环境水样中Ag⁺, PtAu-MnO₂二元纳米结构修饰的石墨烯纸在非酶葡萄糖检测中表现出良好的传感性能。在结语部分, 分析了当前纳米二氧化锰的制备和应用方面存在的问题, 指出了纳米二氧化锰在锂离子电池正极材料和电致变色器件中应用的发展方向, 并对其未来的发展前景进行了展望。

以石墨烯为代表的二维材料具有优异的本征性质, 例如高表面积和电导率, 但其宏观块体材料的性质仍不理想。这是由于石墨烯片层堆叠损失了有效的表面; 片层之间联结较弱导致接触电阻和热阻增大。原则上二维材料的三维化设计能避免上述问题, 将纳米尺度的优异性质传递到宏观尺度, 获得高表面积、高导电、贯通孔道和优良机械性能的块体材料。二维材料多孔块体可用于电极、吸附剂和弹性体等。发泡法工艺简单、成本低, 是近年来制备二维材料泡沫体的主要方法。本文系统总结了发泡法的基本原理, 综述了石墨烯、氮化硼等二维材料泡沫体的研究进展, 展望了二维材料泡沫体在能源、环境等方面的应用前景。

通过二维C/SiC-ZrC复合材料的低速冲击、冲击后拉伸试验以及CT扫描方法, 研究了不同冲击能量对材料冲击损伤特征及拉伸性能的影响。结果表明C/SiC-ZrC复合材料具有较高的冲击损伤容限, 在15~24 J能量范围内的损伤状态主要表现为穿透损伤。随着冲击能量的增大, 材料名义拉伸强度的下降趋于平缓, 最大降幅约为25%。冲击主要造成冲击区域附近的复合材料发生分层和纤维断裂损伤, 冲击区域以外未发生明显的损伤和破坏。

中空纤维陶瓷膜具有装填密度高, 传质阻力低, 使用寿命长等优点, 被广泛用于膜分离领域。高度非对称结构的中空纤维膜有利于同时实现高通量与高截留率, 本研究采用共挤出法制备双层中空纤维陶瓷复合膜, 内外层纺丝液分别掺杂平均粒径为1 μm和300 nm的α-Al₂O₃粉体。系统考察了内层纺丝液TiO₂掺杂量、外层纺丝液Al₂O₃/聚醚砜(PESf)质量比和煅烧温度对膜的结构与性能的影响。结果表明, 在内层纺丝液TiO₂掺杂量为2wt%, 外层纺丝液Al₂O₃/PESf质量比为5.60, 烧结温度为1350 ℃的最优条件下, 中空纤维膜断裂负荷为24 N、平均孔径为0.15 μm、去油率为97.5%。

为探究不同N源对无定形TiO₂/g-C₃N₄(TCN)复合材料光催化还原Re(VII)的影响, 通过热分解不同前驱体(尿素Urea、硫脲Thiourea和三聚氰胺Melamine)制备g-C₃N₄, 再分别与无定形TiO₂复合, 制备了三种TCN复合光催化剂。通过不同分析手段对材料进行表征, 并比较了不同TCN复合材料光催化还原去除Re(VII)的活性差异。结果表明, U-TCN(尿素为N源)具有更均匀的表观形貌, 最大的比表面积(474 m²/g), 最优异的光吸收性能, 对Re(VII)的光催化还原效率(90%)明显高于T-TCN(20%)和M-TCN(15%)。通过复合材料的瞬态光电流和电化学阻抗(EIS)分析光催化机理, 证明U-TCN光生电子空穴分离效率最高; 电子顺磁共振波谱(EPR)分析表明U-TCN产生的羟基自由基(?OH)更多, 因此与甲酸反应产生的强还原性?CO₂^-自由基更多, 从而更有利于Re(VII)的还原; 利用同步辐射X射线吸收光谱分析Ti元素价态及配位环境, 表明U-TCN还具有优异的光化学稳定性。本研究揭示了不同N源对所制备TCN复合材料光催化性能的影响, 并发现了一种可用于实际废水中光催化还原去除Tc(VII)的优选材料。

为研究热处理过程与异质结构筑对WO₃的光电化学效应的影响机制, 采用低温溶剂热法制备纳米花状WO₃, 通过热处理精确调控WO₃纳米花的活性晶面、晶粒尺寸及结晶度。进一步借助循环化学浴法, 构筑WO₃/CdS/α-S异质结, 并研究其光电化学性能与浓度效应。结果表明, (200)晶面是WO₃纳米花的主要暴露晶面, 且比例随热处理温度升高而增大。350 ℃热处理的WO₃纳米花表现出最高的光响应电流。通过构筑WO₃/CdS/α-S梯形异质结, 增强材料在可见光区的吸收, 以牺牲少部分载流子的方式提高整体光生载流子的分离效率, 促进WO₃的宏观光电化学效应的提升。

有机/无机复合电解质被认为是全固态锂电池中最具潜力的固态电解质之一, 但由于无机填料易团聚, 通过提高无机填料含量来改善复合电解质的电导率难有成效。此外, 在全固态锂电池中, 电解质和电极之间松散的固-固接触造成过大的界面阻抗, 限制了全固态锂电池的性能。本研究采用固相法合成具有Li⁺连续传输通道的自支撑三维多孔Li_6.4Al_0.1La₃Zr_1.7Ta_0.3O₁₂骨架, 并利用原位聚合的方法构筑一体化电解质/电极固-固界面。此策略指导合成的复合电解质的室温电导率可达1.9×10^-4 S·cm^-1。同时, 一体化的界面使得Li-Li对称电池的界面阻抗从1540 Ω·cm ²降低至449 Ω·cm ², 因此4.3 V(vs. Li⁺/Li)的LiCoO₂|Li全固态锂电池展现出良好的电化学性能。

有机/无机杂化的介孔有机硅纳米颗粒因其高的比表面积、丰富的介孔孔道、功能性的骨架以及高的药物装载量等特点而在生物医学领域受到广泛关注。本研究提出以二硫键桥接的有机/无机杂化介孔有机硅纳米颗粒为载体共装载化疗药物和光热剂, 设计制备以DNA分子作为控释“开关”修饰介孔有机硅纳米颗粒的纳米递送系统(ICG/DOX-MONs @DNA₂₀)。该纳米递送系统结合了光热剂的光热效应以及DNA分子随温度升高而从颗粒表面脱附的特性, 可实现近红外光照射激发药物在肿瘤细胞中的控制释放, 同时获得药物化疗-光热联合治疗肿瘤的效果。实验结果表明, 纳米递送系统在近红外光照下能迅速升温至43 ℃以上的热疗温度, 而且在37 ℃条件下6 h内仅缓慢释放药物12.3%, 而当温度升至43 ℃时则快速释放药物52.4%; 细胞实验显示该纳米递送系统能够被HeLa肿瘤细胞吞噬, 在近红外光照下有明显的药物化疗-光热联合治疗效果。因此, ICG/DOX-MONs@DNA₂₀纳米递送系统在药物化疗-光热联合治疗肿瘤方面具有应用前景。

固溶结合掺杂是优化材料热电性能的有效途径。本研究采用固相反应结合等离子体活化烧结成功合成了一系列单相的Mo_1-xW_xSeTe(0≤x≤0.5)固溶体及其Nb掺杂产物。热电输运研究表明, W固溶结合Nb掺杂显著提高了Nb_2yMo_0.5-yW_0.5-ySeTe固溶体的载流子浓度、载流子迁移率、电导率和功率因子, 适当降低了样品的晶格热导率, 进而显著提高了材料的热电优值ZT。随着Nb掺杂量的增加, 掺杂引入的离散能级转变为连续的杂质能带, 同步提升了载流子浓度和载流子迁移率。取向性研究发现, 由于在平行方向晶格热导率较低, Nb_2yMo_0.5-yW_0.5-ySeTe固溶体在平行烧结压力方向的ZT略优。最优组分Nb_0.03Mo_0.485W_0.485SeTe在垂直于烧结压力和平行于烧结压力方向获得了最高ZT, 分别达到0.31和0.36(@823 K), 是目前MoSe₂基热电材料获得的最好结果之一。后续通过优化掺杂元素来改善Seebeck系数和功率因子, 将有望进一步提升MoSe₂基化合物的ZT。

铅基复合钙钛矿铁电材料广泛应用于机电传感器、致动器和换能器。二元铁电固溶体Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃- PbTiO₃(PNN-PT)由于其在准同型相界(MPB)区域具有优异的压电、介电性能而备受关注。然而较大的介电损耗和较低的居里温度限制了其在高温高功率器件方面的应用。本研究通过引入Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃ (PIN)作为第三组元改善PNN-PT的电学性能, 提高其居里温度; 通过两步法合成了MPB区域的三元铁电陶瓷Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃- Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ (PIN-PNN-PT), 研究了其结构、介电、铁电和压电性能。制备的所有组分陶瓷具有纯的钙钛矿结构。随着PT含量的增加, 陶瓷结构从三方相转变为四方相。通过XRD分析得到了室温下PIN-PNN-PT体系的MPB相图。体系的居里温度由于PIN的加入得到了很大的提高, 更重要的是PIN的引入降低了PNN-PT体系的介电损耗和电导。MPB处的组分展现出了优异的电学性能, 室温下, 性能最优组分为0.30PIN-0.33PNN-0.37PT: d₃₃=417 pC/N, T_C=200 ℃, ε′= 3206, tanδ=0.033, P_r=33.5 μC/cm², E_C=14.1 kV/cm。引入PNN-PT的PIN第三组元使得体系的居里温度和压电性得到提高的同时降低了的介电损耗和电导率, 因此, PIN-PNN-PT三元铁电陶瓷在高温高功率换能器等方面具备一定的应用潜力。

本研究提出了一种利用离心纺丝技术制备稳定碳化锆(ZrC)纤维的有效方法。此方法使用醋酸锆和蔗糖作为锆源和碳源, 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为纺丝助剂, 经过1600 ℃的裂解与碳热还原热处理后, 所纺原丝转化成由均匀纳米ZrC晶体组成的ZrC纤维。研究结果表明, 纤维中残留的少量碳可助力ZrC纤维在2000 ℃的超高温环境下仍保持较好的结构稳定性。

灵敏的UV探测对于工业生产和个人防护非常重要, 本研究旨在开发新型UV探测材料。一般而言, 铀酰单元具有相对高的UV吸收效率和荧光强度。本课题组成功地在水热条件下制备了一例铀酰配位聚合物[(TEA)₂(UO₂)₅(PhPC)₆] (TEA = 四乙基胺离子, PhPC = (2-羧基乙基)苯膦酸, 标记为UPhPC-1)。基于单晶XRD数据的结构分析表明UPhPC-1中有三个不同的铀酰中心, 其中两个铀酰单元为五角双锥构型, 而第三个铀酰单元为四角双锥构型。全部三个铀酰中心与配体在[bc]平面配位形成无限的铀酰层。通过氢键网格和π-π相互作用, 这些铀酰层堆积成整体的层状结构。此化合物具有很好的热稳定性、水稳定性和高抗辐照能力。UV辐照实验结果表明UPhPC-1的本征荧光强度对365 nm的UV辐射高度敏感, 检测下限低且响应速率快, 而发光强度与UV辐照剂量呈负相关。电子顺磁共振谱分析证实在UV光照射下, UPhPC-1中极有可能产生自由基, 造成铀酰荧光部分淬灭。进一步, 被淬灭样品中的自由基能够在加热后被去除, 从而实现UPhPC-1发光强度的快捷恢复。目前的结果表明UPhPC-1在UV辐照的定量探测领域具有一定的发展潜力。

以溶胶-凝胶法制备的介孔硼硅酸盐生物活性玻璃微球(MBGS)作为固相, 海藻酸钠(SA)溶液作为液相,开发了一种可注射复合骨水泥。对MBGS中氧化硼/氧化硅的比例对其质构性能及骨水泥的可操作性、抗压强度和生物活性的影响进行表征。实验结果表明, 随着硼含量的增加, MBGS的比表面积从161.71 m²/g增大至214.28 m²/g, 平均孔径以及总孔容也随之增长, 加速了玻璃相中钙离子的释放, 使得玻璃与SA的快速交联, 改善了骨水泥可操作性能和力学性能, 凝固时间由21 min缩短至9 min, 抗压强度由3.4 MPa提升至4.1 MPa, 体外矿化性能也随之提高。综合各方面性能表现, BC-30骨水泥兼具良好的可操作性能、力学性能和体外矿化能力, 是最合适的骨水泥组分。总之, 提高MBGS的质构性能是增强复合骨水泥的可操作性、抗压强度和生物活性的有效方法。