从可见光到近红外波段透过率可调制的电致变色材料, 对于智能窗及其热管理方面的应用来说极具吸引力。钛酸锂是一种有潜力的电致变色阴极材料, 但对其在智能窗领域的应用前景还缺乏相关的数据支持。本工作采用溶胶-凝胶旋涂法制备透过率高、结晶性好的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)薄膜, 通过联用电化学工作站和紫外-可见分光光度计原位表征了其电致变色性能。实验发现所有Li₄Ti₅O₁₂薄膜对扫描速率等测试条件十分敏感, 且有优异的双波段调制性能。此外, Li₄Ti₅O₁₂薄膜厚度对材料的初始态透过率、调制幅度、响应时间、电压窗口和循环耐久性均有显著影响。其中450 nm厚的Li₄Ti₅O₁₂着色/褪色响应时间分别为19.1和8.9 s, 透过率调制在可见光区(550 nm处)为45%, 经过20000 s连续循环, 性能未发生明显衰退。Li₄Ti₅O₁₂薄膜在近红外波段(1000 nm处)的透过率调制高达80%, 表现出优秀的节能潜力。本研究成功组装了由灰色至蓝色、循环性能良好的全固态无机电致变色器件: Glass/FTO/Li₄Ti₅O₁₂/LiNbO₃/NiO_x/ITO, 证明钛酸锂作为电致变色智能窗材料有潜力走向普及应用。

智能场致变色材料是一类能在外场(电场、温度、光照、气氛)刺激下发生可逆光学变化的物质群。其中, 电致变色材料因其调节幅度大、响应速率快、着色效率高和循环稳定性好等特点,有望在智能窗、屏幕显示和多功能储能器件等领域得到广泛应用。相较于半固态电致变色器件难于封装以及有机电致变色材料易于变性失效, 无机全固态电致变色材料及其器件具有更好的综合应用性。本文聚焦典型无机全固态电致变色材料与器件, 综述了当前电致变色器件各结构层的制备途径, 并对比了其优劣性, 详细介绍了主要的电致变色备选材料及其关键性能评价指标, 并阐释了几种代表性电致变色器件的作用原理, 提出了使用兼具高透光率、低面电阻以及优异抗弯折性的透明柔性电极替代传统的刚性衬底以实现多场响应器件的应用拓展。最后, 从性能瓶颈、工艺难点及产业化机遇的角度对无机全固态电致变色器件的应用前景进行了展望, 为电致变色产业化进程提供了借鉴。

第三代SiC纤维具有近化学计量比的元素组成和高结晶致密的特性, 与第一、第二代SiC纤维相比, 在耐高温、抗氧化、抗蠕变及抗辐射等性能上均有明显的提升, 因此在工程应用上尤其在核能领域拥有更明显的优势和更广阔的前景。本文对第三代SiC纤维的制备工艺、性能特点进行了介绍和比较, 综述了第三代SiC纤维在核能领域的应用, 并对其发展前景进行了展望。

纳米酶由于其独特、高效、稳定的催化性质而在生化反应中备受关注。本研究以碳酸钙微球为绿色模板剂, 多巴胺为氮源与碳源, 合成了氮掺杂中空碳球(N-HCSs)。以3,3°,5,5°-四甲基联苯胺(TMB)为底物, 采用紫外分光光度法探究了N-HCSs的类氧化物酶的催化活性, 并研究其催化机理。结果表明, N-HCSs具有氧化物模拟酶催化活性, KOH活化后氮掺杂中空碳球的催化活性提高了3倍; N-HCSs氧化物模拟酶催化反应符合Michaelis-Menten方程, 活化前后的米氏常数K_m分别为0.105和0.083, 对底物具有良好的亲和能力; N-HCSs氧化物模拟酶催化反应中起主要作用的活性氧基团是超氧阴离子(O₂^•-)。本研究为高活性无机非金属类氧化物模拟酶的设计和制备提供了理论依据。

采用自组装及热处理方法合成α-MoC_1-x纳米晶富集的纳米碳球(α-MoC_1-x/CNS), 并将其涂覆在商用聚丙烯隔膜上, 对隔膜实现了界面修饰。电化学性能显示, 与普通的聚丙烯隔膜相比, 采用修饰的α-MoC_1-x/CNS-PP隔膜组装的锂硫电池的循环稳定性和倍率性能均得到明显提升, 在0.5C条件下, 电池首周放电比容量提升至1129.7 mAh/g, 经过100周充放电循环后, 电池仍具有855.5 mAh/g的放电比容量, 且在此循环过程中, 库伦效率始终大于98%。在自放电测试中, 电池经过48 h静置后的容量损失率仅为7.7%。结合α-MoC_1-x/CNS的微观形貌及XPS分析可知, 在锂硫电池充放电过程中, α-MoC_1-x/CNS修饰层有效地阻挡了多硫化锂向负极侧的扩散迁移, 且当α-MoC_1-x与多硫离子接触时能产生Mo-S键、硫代和连多硫酸根产物, 进一步巩固了活性物质被约束的程度, 从而使电池性能得到提升。

半导体光催化技术具有低能耗和环境友好等优点, 在众多氮氧化物去除技术中具有较大的发展潜力。本研究在室温下成功制备了碳酸氧铋(Bi₂O₂CO₃, BOC)/聚吡咯(PPy)光催化剂, 并在可见光下对一氧化氮(NO)进行光催化氧化去除。可见光催化NO氧化性能测试结果表明, BOC复合PPy之后, 其NO去除率从9.4%提高到20.4%, 毒副产物NO₂的生成率从2%降到接近零。这是因为在BOC和PPy界面氢键作用下, 在BOC和PPy界面形成了氧空位。光电流和交流阻抗测试表明氧空位的形成改善了BOC光生载流子分离和迁移过程, 从而提高其光催化活性。此外, BOC/PPy光催化氧化NO机理分析表明, 氧空位促进O₂生成更多的·O₂^-, 进而与·OH共同作用, 提高BOC的NO氧化反应活性和安全性。

采用真空电弧熔炼和均匀化退火制备La_0.3Y_0.7Ni_3.4-xMn_xAl_0.1(x=0~0.5)储氢合金, 采用不同方法系统研究了Mn元素对合金微观结构、储氢和电化学性能的影响规律和作用。结果表明, 退火合金微观组织与Mn含量关系密切, 提高Mn含量有利于合金组织形成Ce₂Ni₇型相, 当x≥0.3时, 合金形成Ce₂Ni₇型结构单相组织。随Mn含量增加, Ce₂Ni₇型主相晶胞参数a、c及晶胞体积V均依次增大, 导致合金吸氢平台压从0.079 MPa降至0.017 MPa, 储氢量达到1.268wt%~1.367wt%。添加Mn元素能显著改善合金的电化学性能, x=0.1的合金电极的放电容量最高(390.4 mAh·g ^-1); x=0.15和0.5的合金电极的容量保持率S₁₀₀分别为86.1%和88.5%, 具有较好的循环稳定性。上述合金电极的高倍率放电性能HRD₉₀₀为71.53%~87.73%。分析结果表明, 合金电极反应动力学过程由电极/溶液界面的电子转移与体相中的氢原子扩散共同控制。

采用改进的坩埚下降法成功生长了Ce ³⁺/Yb ³⁺离子双掺杂LiLuF₄单晶, Ce ³⁺的初始离子掺杂浓度为0.1mol%, Yb ³⁺离子浓度从0变化到2.0mol%。在波长291 nm激发时观察到Yb ³⁺在1020 nm( ²F_5/2→ ²F_7/2)附近的强近红外发射以及Ce ³⁺在300~350 nm(5d→4f)的紫外发射。通过吸收光谱、荧光光谱研究了Yb ³⁺离子掺杂浓度对Ce ³⁺/Yb ³⁺共掺杂LiLuF₄单晶光谱性质的影响及Ce ³⁺到Yb ³⁺离子的能量转移机理。通过变温光谱的研究发现, 当环境温度从298 K增加到443 K时, 其荧光发射强度不断降低。Ce ³⁺/Yb ³⁺共掺杂LiLuF₄单晶发光波长主要位于紫外和近红外, 这种独特的发光属性可望用于防伪技术和公共安全事务中。

LED具有高效、节能和环保等优势, 广泛应用于照明领域, 提高LED的发光效率一直是该领域的研究难点与热点。为了降低GaN材料与空气界面的全反射现象, 提高光提取效率, 本研究探讨了类阳极氧化铝AAO(Anodic aluminum oxide)纳米结构LED器件的制备和性能。通过电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma, ICP)刻蚀工艺的调控, 在p-GaN层表面制备了大面积有序孔洞纳米结构阵列, 可获得孔径250~500 nm, 孔深50~150 nm的准光子晶体结构, 从而大幅提高了LED的发光强度, 其中孔径400 nm、深度150 nm的纳米阵列LED相比于没有纳米阵列的LED发光强度提高达3.5倍。

等离子体与催化材料协同作用CO₂甲烷化反应为CO₂再利用提供了可能, 但催化材料的制备方法对其结构和性能有重要影响。本研究以等体积浸渍法制备的Ru/γ-Al₂O₃为催化材料前驱体, 分别采取H₂大气压冷等离子体还原和H₂热还原方法制备Ru/γ-Al₂O₃-P和Ru/γ-Al₂O₃-T催化材料。考察两种方法制备Ru/γ-Al₂O₃催化材料与大气压冷等离子体共同作用下CO₂甲烷化反应中的催化活性, 并采用不同测试方法研究制备方法对Ru/γ-Al₂O₃结构的影响, 分析影响Ru/γ-Al₂O₃催化活性的结构因素, 进而探究了Ru/γ-Al₂O₃-P和Ru/γ-Al₂O₃-T催化材料的制备机理。研究结果表明: 载体γ-Al₂O₃与大气压等离子体共同作用下CO₂转化率为24.8%, 主要产物是CO; Ru/γ-Al₂O₃与大气压等离子体共同作用下的主要产物是甲烷。Ru/γ-Al₂O₃-T和Ru/γ-Al₂O₃-P催化材料的CO₂转化率分别为66.9%和77.3%。Ru/γ-Al₂O₃-P较高的催化活性源于其表面Ru还原程度高、Ru/Al原子比高以及Ru单质在载体γ-Al₂O₃上分散性较好且粒径较小, 说明采用大气压H₂冷等离子体技术可制备高活性的负载型金属催化材料。

氨选择性催化还原(NH₃-SCR)技术需要进一步研发在相对较低温度(<300 ℃)下具有良好催化活性、高稳定性及环境友好的脱硝催化材料。本工作采用草酸共沉淀法制备Mn-Fe-O催化材料, 并对其进行不同含量CeO₂修饰, 用于低温NH₃-SCR脱硝催化反应。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、氮气吸附-脱附、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温还原或脱附(H₂-TPR、NH₃-TPD)等手段对催化剂进行了表征。催化结果表明, 在相同反应条件下适量CeO₂修饰后的Mn-Fe-O样品比纯Mn-Fe-O表现出更优异的NH₃-SCR脱硝催化性能, 在80 ℃时NO转化率在95%以上, 且具有较高的N₂选择性。CeO₂修饰提高了Mn-Fe-O氧化物表面的Fe ³⁺、Mn ³⁺和Mn ⁴⁺含量及表面酸性位点数量, 从而有助于NH₃的吸附及催化反应的进行, 并且Fe ²⁺/Fe ³⁺、Mn ²⁺/Mn ³⁺/Mn ⁴⁺以及Ce ³⁺/Ce ⁴⁺电子对之间的相互氧化还原反应提高了催化剂的氧化还原能力及稳定性。

乙烯是果蔬采摘后腐烂变质的主要因素, 如何减少或去除果蔬贮藏过程中释放的乙烯, 是果蔬保鲜领域亟待解决的问题。本工作采用溶胶-凝胶法制备了一系列金属泡沫镍网负载TiO₂/WO₃薄膜催化剂, 采用不同手段对样品进行表征分析, 并以此薄膜为催化剂, 考察紫外光下乙烯催化降解性能。结果表明: TiO₂/WO₃成功负载在泡沫镍网表面。TiO₂与WO₃复合后形成了异质结, 抑制了电子-空穴对的复合, 样品的禁带宽度减小, 吸光度增强, 光催化性能提升。TiO₂/WO₃在紫外光下展现出良好的光催化活性和光催化稳定性, 当WO₃占TiO₂质量百分数为6%时, 光催化活性最高, 光催化乙烯速率常数为0.0332 min ^-1, 是TiO₂的9.48倍, 但是过量的WO₃会成为电子-空穴的复合中心, 降低光催化活性。研究还对紫外光下泡沫镍网负载TiO₂/WO₃薄膜的光催化降解乙烯机理进行了探讨。

以乙醇和甲烷为前驱体, 采用化学气相渗透工艺制备了三维五向编织C/C复合材料。利用偏光显微技术分析了复合材料的微观结构, 考察了复合材料的静态弯曲性能和疲劳行为, 研究了不同循环加载周期对复合材料弯曲强度和力学行为的影响。结果表明: 采用混合前驱体可成功制备高织构3D C/C复合材料, 材料的平均弯曲强度为379.2 MPa, 其疲劳极限为静态弯曲载荷的80.3%。加载循环应力后, C/C复合材料的弯曲强度在不同周次均有所提升, 循环10 ⁵周后弯曲强度的增幅达16.8%。材料弯曲承载时的“屈服区”随着循环次数的增加出现先增大后减小的变化趋势, 这与材料疲劳过程中纤维与基体、基体与基体的结合状态有关。

采用层次聚类及基于改进遗传算法的无监督模式识别方法, 对2D-C/SiC复合材料常温拉伸试验过程的声发射数据进行分析, 结合试样断口的扫描电镜(SEM)照片, 得到拉伸过程中5类损伤模式及其典型声发射特征参数。通过对各类损伤的能量分布、累计事件数和累计能量的分析, 研究C/SiC复合材料的损伤演化过程, 发现其过程可分为基体微裂纹和界面失效为主的初始损伤阶段、基体微裂纹停滞导致层间剥离及纤维失效占主导地位的裂纹饱和阶段、基体长裂纹和界面失效为主的损伤积累发展阶段和纤维束大量失效的宏观断裂阶段。

以牡蛎壳为原材料, 通过水热法制备了碳酸钙(CaCO₃)/羟基磷灰石(HA)复合材料, 拟达到降低HA生产成本并改善其降解性能的目的。通过物相分析和SEM、TEM观察发现制得的CaCO₃/HA复合材料呈现片层状, 其微观形貌呈现纳米颗粒状。实验通过控制钙、磷元素的投料比例制备了HA含量为20%、40%、60%的三种CaCO₃/HA复合材料(20%HA、40%HA、60%HA), 通过ICP测试计算得出HA的实际含量为17.52%、34.30%、43.24%。随着HA含量的增加, CaCO₃/HA复合材料的比表面积和热稳定性显著提升。体外降解实验结果表明, 三种不同HA含量的复合材料在PBS模拟体液中14 d的降解率分别为15.2%, 12.0%和10.8%, 降解率随HA比例的增高而降低。这些结果表明: 水热法合成CaCO₃/HA复合材料可通过钙、磷元素的投料比例来调控HA的转化率, 进而调控CaCO₃/HA复合材料的降解速率, 实现其在骨科领域的潜在应用。

本研究报道了一种简便的封装热解同步沉积方法, 并可控地制备了直径和壳厚度可调的中空碳球。该方法通过在密闭的二氧化硅壳中热解和同步沉积过程, 将广泛用作牺牲硬模板的聚苯乙烯球转化为碳。实现了聚苯乙烯在致密的二氧化硅壳中通过热解和沉积过程转化为碳, 无需任何交联剂和催化剂, 减少了操作步骤和降低了生产成本。所获得的中空碳球显示出均匀的球形形态, 具有可调节的颗粒尺寸(190~1600 nm)和良好控制的介孔结构。此外, 通过改变二氧化硅前体的用量, 获得具有精确调节的厚度(4.5~13.5 nm)的碳材料。所得的样品具有头孢氨苄吸附作用, 显示出良好的应用前景。此外, 这种合成策略为碳材料生产提供了一种有效的途径, 有助于其商业应用。

本研究利用固相反应法合成了一系列镧取代La_xSr_2-3x/2Fe_1.5Ni_0.1Mo_0.4O_6-δ (La_xSFNM, x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)钙钛矿陶瓷材料, 并研究其作为固体氧化物燃料电池阳极的电化学性能。X射线衍射(XRD)测试表明合成的粉末具有立方钙钛矿结构。在高温下利用氢气还原La_xSFNM样品, 发现其晶粒表面析出纳米尺度的Fe-Ni合金颗粒, 并且偏析纳米颗粒的密度随着La ³⁺掺杂量的增加而显著降低。在对称电池阻抗测试中, 随着La ³⁺掺杂量的增加, 阳极极化阻抗逐渐降低, 掺入量为0.3时阻抗达到最小值。La_0.3SFNM对称电池在750 ℃下极化阻抗仅为0.16 W·cm ², 进一步增加掺杂量时, La_0.4SFNM对称电池极化阻抗增加至0.17 W·cm ²。La_0.3SFNM材料良好的电极反应催化活性源于适当分布的Fe-Ni合金纳米偏析颗粒与La_xSFNM陶瓷基体的共同作用。利用流延法制备一系列以La_xSFNM为阳极、SmBa_0.5Sr_0.5Co₂O₆为阴极、LSGM为电解质的单电池, 使用氢气作为燃料时, La ³⁺掺杂量x=0.3的单电池表现出最高的功率密度, 在750、650和550 ℃时峰值功率密度可达1.26、0.90和0.52 W·cm ^-2。上述结果表明, La_0.3Sr_1.55Fe_1.5Ni_0.1Mo_0.4O_6-δ可以用作高性能SOFC阳极催化剂。