随着光伏智能电子产品日益融入到日常生活, 人们不仅对高性能光伏发电设备的需求增加, 同时对智能化、可持续和快速充电/放电能源集成设备的需求也急剧增加, 将能量产生部件和能量存储部件结合成独立设备已经成为一种极具有吸引力和挑战性的前沿技术。原位逐层制备光电转换功能薄膜与储电功能薄膜并组装, 获得光伏储电原位集成电池的技术, 既减少了太阳光波动对能量输出的影响, 又可以实现光伏自供电、弱光缓冲和可穿戴等功能, 因此具有良好的发展前景。本文综述了硅基光伏储电原位集成电池、敏化光伏储电原位集成电池、钙钛矿光伏储电原位集成电池的最新研究成果, 介绍了此类新型电池性能的评价方法, 分析了其工作原理、构造特点和性能参数, 并对此新兴研究领域的发展趋势进行了展望。

基于电卡效应的固态制冷技术, 具有高效、环境友好、轻量、低成本和易于小型化等优点, 是替代传统压缩机制冷的理想技术之一。在施加或去除电场时产生较大极化变化的铁电材料, 则是制备基于电卡效应固态制冷器件的理想材料。近年来, 人类对环境可持续发展的需求, 使无铅块体陶瓷的电卡效应研究成为铁电材料领域的研究热点之一。本文首先回顾电卡效应研究历史上的标志性事件, 随后简要介绍电卡制冷的原理, 提出了在室温附近获得宽温区和大电卡温变的材料设计思路, 之后系统综述了BaTiO₃基、Bi_0.5Na_0.5TiO₃基和K_0.5Na_0.5NbO₃基无铅块体陶瓷电卡效应的研究进展, 重点分析了这三类无铅块体陶瓷电卡效应的独特优势和面临的挑战, 最后对无铅块体陶瓷电卡效应的发展趋势进行了展望。

半导体光催化分解水被认为是解决全球能源短缺和环境污染问题的潜在途径之一。近年来, 磷烯(BP)由于具有带隙可调、空穴迁移率高、吸收光谱宽等特性而在光催化分解水方面得到了广泛关注。本文综述了国内外近年来在磷烯光催化分解水领域所取得的重要研究进展, 总结了磷烯基光催化剂的合成方法、表面修饰和异质结构构建等改性策略, 阐述了磷烯基光催化剂的构-效关系和电荷转移机制, 并展望了磷烯基光催化剂所面临的机遇和挑战, 揭示了磷烯基材料在太阳能利用和转化方面的重要应用潜力。

以碳纤维无纬布/碳纤维网胎叠层针刺预制体为增强体, 经化学气相渗透(CVI)联合沥青高压碳化(HPIC)工艺制备了热解碳+沥青碳双元基针刺C/C喉衬材料, 利用X射线断层扫描(μ-CT)和扫描电镜(SEM)表征了材料的微观结构, 采用等离子烧蚀试验考察了针刺喉衬材料X-Y纤维铺层面(0°)、Z向针刺面(90°)以及两者间过渡层面(23°、45°和68°)的烧蚀性能。结果表明, 采用CVI+HPIC组合工艺能使针刺材料达到高致密态, 获得了孔隙率仅为4%的C/C材料, 材料内部孔隙呈离散态分布, 其中98%的孔隙为小于20 μm的小孔。烧蚀结果显示, 针刺C/C材料不同区域的烧蚀性能存在差异, 从X-Y层面(0°)到Z向针刺面(90°), 其耐烧蚀性能呈先增强后减弱的趋势, 68°层面耐烧蚀性能最好, 线、质量烧蚀率分别为0.056 mm/s、0.050 g/s。烧蚀面纤维的排布是影响烧蚀性能的关键因素, 68°层面因形成的尖端烧蚀模式占比较高, 表现出最佳的耐烧蚀性能。

采用注浆成型和无压烧结技术制备铝电解测温热电偶NiFe₂O₄陶瓷U型保护套管, 对浆料稳定性、生坯烧结行为和组装热电偶的测温性能进行了研究。结果表明: 添加10wt% NiFe₂O₄纳米粉和5wt%纳米粘结剂能有效提高浆料体系的Zeta电位, pH在10.0~11.0之间时浆料体系的稳定性较好。升温至1100 ℃以上生坯开始大量收缩, 随烧结温度的升高线收缩和线收缩速率逐渐增大, 在1300 ℃时线收缩速率达到最大值; 烧结初期活化能为295.11 kJ·mol ^-1, 受体积扩散和晶界扩散共同控制。测温结果表明组装热电偶在升降温过程中温度响应及时, 具备良好的抗熔盐腐蚀性能和抗热震性能, 满足工业铝电解测温热电偶套管的要求, 具备工业应用前景。

降低热障涂层面层中的低熔点杂质含量, 可提高涂层的高温稳定性和延长服役寿命。SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃是氧化钇稳定氧化锆(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)热障涂层中几种常见的低熔点氧化物杂质, 均会对涂层的性能产生一定的影响。本研究采用大气等离子喷涂法, 制备SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃的含量从小于0.01wt%增加至1.00wt%的YSZ热障涂层。采用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了上述涂层的微观结构; 采用激光热导仪测试了涂层的热扩散系数和抗热震次数。研究结果表明, 低熔点氧化物杂质对YSZ涂层的导热性、热处理状态的孔隙率具有明显影响, 且更容易引起涂层的热震失效。当杂质氧化物含量在小于0.2wt%范围内变化时, 涂层的性能变化更为显著。

采用电弧离子镀的分离靶弧流调控技术在硬质合金基体上制备了4组不同Al含量的Cr_1-xAl_xN硬质薄膜, 采用SEM、XPS、GIXRD、Nanoindenter及划痕仪分别表征了薄膜的形貌、成分、相结构和力学性能。结果表明: 4组薄膜厚度分别为1.28、1.42、1.64和1.79 μm; 成分x随着Al靶的弧流相对增大而增大, 分别为x=0.41、0.53、0.64和0.73; 相结构与成分密切相关, 当x=0.41时, 薄膜呈单一的c-(Cr,Al)N相, 而当x≥0.53时, 则由c-(Cr,Al)N相和hcp-AlN相混相构成; 随着Al含量增加, 晶粒尺寸先减小后增大, 在x=0.64时达到最小值8.9 nm; 相应地硬度则先增大后减小, 在x=0.64时达到峰值35.3 GPa; 4组Cr_1-xAl_xN薄膜的膜基结合良好, 结合力均在60 N以上。综合测试结果发现, 当x=0.53时, Cr_1-xAl_xN薄膜的韧性最佳, 弹性恢复系数最高为57.4%, 同时兼具较高的硬度34.7 GPa, 此时薄膜具有最佳的综合性能。

为探索界面工程对二维材料范德华异质结构中载流子复合率的影响, 本工作基于界面键弛豫理论和费米黄金定则, 建立了范德华异质结俄歇和层间复合率与各结构组元尺寸之间的理论模型。结果表明, MoS₂/WSe₂异质结的俄歇复合寿命随着组元尺寸的增大而增加, 且异质结的俄歇复合率远小于相应的单组元体系。在MoS₂/WSe₂双层异质结中引入薄h-BN插层后, 体系的层间复合率和俄歇复合率随h-BN厚度的增加而分别呈现减小和增大的趋势; 在组元处于单层MoS₂和WSe₂情况下, 当界面插层h-BN厚度达到9.1 nm时, 俄歇复合率将趋于5.3 ns ^-1。该研究结果为二维过渡金属硫族化合物基异质结光电器件的优化设计提供了一种理论依据。

为了有效地从油/水混合液体中回收油, 本工作以纤维状海泡石为原料, 硝酸镍为催化剂前驱体, 聚乙烯粉体为造孔剂和碳源, 采用冷冻干燥结合催化裂解法制备了超疏水/超亲油碳纳米管(CNTs)改性海泡石多孔陶瓷, 研究了固含量和催化热解温度对改性多孔陶瓷形貌的影响, 并表征了其在pH=1的强酸、pH=14的强碱、373 K高温和77 K低温等极端环境中的表面润湿性能及水油分离性能。结果表明: 催化剂前驱体溶液浓度为0.5 mol/L、海泡石的固含量为15wt%、催化热解温度为973 K且保温时间为2 h时所制备的CNTs改性多孔陶瓷具有最好的超疏水/超亲油性能, 其对柴油、白油、植物油和真空泵油的最高吸附量分别是其自身质量的15.7、20.8、23和25倍; 其连续油水分离时油通量高达250 kg·s ^-1·m ^-2, 且在5 h内分离效率及选择性不发生明显降低。

金属有机框架(MOFs)材料在CO₂的捕获与分离方面受到广泛关注。本工作结合分子动力学(MD)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法探究了一种MOFs材料DUT-49的负性气体吸附过程及结构转变对CO₂/N₂吸附分离行为的影响。结果表明: 在20~60 MPa的压强下, DUT-49均发生可稳定存在的结构变形, 实现开孔(DUT-49-op)和闭孔(DUT-49-cp)状态的转变。DUT-49气体吸附量随温度升高而下降。DUT-49-cp的框架收缩, 气体有效吸附位点减少, 吸附量明显降低。此外, 与DUT-49-op相比, DUT-49-cp中CO₂/N₂选择性明显降低, 且随温度升高而下降, 不利于气体分离。本工作的研究结果为吸附剂材料的开发提供了科学依据。

CdS因具有独特的光电化学性能而被广泛用于光催化研究, CdS与窄带隙半导体和有机物复合是重要的光催化研究方向。研究采用化学沉淀法制备了六元瓜环(Q[6])复合和Ag₂S掺杂的硫化镉光催化剂(Q[6]/CdS-Ag₂S), 通过不同手段对复合催化剂进行表征。实验以可见光为光源, 罗丹明B为模拟污染物, 考察了六元瓜环对CdS-Ag₂S光催化性能的影响。结果表明: 经Q[6]复合后的Q[6]/CdS-Ag₂S形貌为菜花状, 颗粒粒径变小。复合催化剂Q[6]/CdS-Ag₂S的催化性能明显优于CdS-Ag₂S, 光催化反应110 min, 15 mg复合催化剂对100 mL 6 mg/L罗丹明B溶液的催化降解效率达到92.4%。

采用不同浓度的NaOH溶液对AZ31镁合金微弧氧化(Micro-arc oxidation, MAO)陶瓷层进行水热处理, 研究了水热溶液浓度对MAO陶瓷层组织结构及耐蚀性能的影响, 探讨了水热成膜及膜层的腐蚀机理。研究结果表明：水热处理过程中MAO陶瓷层表面的MgO部分溶解, 释放出的Mg ²⁺与水热溶液中的OH ^-结合形成Mg(OH)₂纳米片沉淀在陶瓷层表面及孔洞内。随着水热溶液中NaOH浓度的增加, 水热处理过程中形成的Mg(OH)₂将MAO陶瓷层表面的孔洞及裂纹等固有缺陷闭合, 提高了膜层的致密性。电化学实验结果表明, MAO及水热复合处理所制备的Mg(OH)₂/MAO复合膜层比单一MAO陶瓷层具有更好的耐蚀性, 而且随着NaOH浓度的提高, Mg(OH)₂/MAO复合膜层的耐蚀性增强; 浸泡实验结果表明Mg(OH)₂/MAO复合膜层能为镁合金基体提供长久的腐蚀防护保护能力。

生物源材料由于来源丰富、可循环使用、无污染, 并且能够实现多功能化而引起了广泛关注。本研究利用大自然中广泛分布的桦木树干为原料, 通过不同取向切割、去木质素和碳化等过程得到具有相应取向的微孔道结构的生物质炭, 并用作锂硫电池的隔层。生物质炭的比表面积为267.7 m ²/g, 有大量的微孔及介孔。测试结果表明: 沿与电极平面呈45°方向切割所得的生物质炭的电化学性能最好。在0.2C(1C=1650 mA/g)下该生物质炭隔层制备的锂硫电池初始比容量为979.4 mAh/g, 200次循环后保留有625.4 mAh/g, 每圈容量损失率仅为0.18%。该生物质炭隔层可以有效地吸附和阻挡多硫化锂, 减小充放电过程中产生的穿梭效应, 并且桦木的微通道结构和类蒸腾特性可以有效地提高电池的比容量、循环稳定性, 有利于锂硫电池的商业化应用。

羟基磷灰石超长纳米线可用于构建不同种类的生物材料, 如高柔性生物医用纸和弹性多孔骨缺损修复支架, 在生物医学领域具有良好的应用前景。锶元素作为一种微量元素, 在骨代谢过程中起着重要作用。本研究通过一步溶剂热法合成了具有不同锶掺杂量的羟基磷灰石超长纳米线; 研究了不同锶掺杂量对羟基磷灰石超长纳米线的形貌和物相的影响。所制备的锶掺杂羟基磷灰石超长纳米线具有高柔韧性和超长一维纳米结构。能量色散谱、X射线粉末衍射和傅里叶变换红外光谱分析表明, 锶元素成功地掺杂到了羟基磷灰石超长纳米线中。本研究发展的制备方法可以制备锶/(锶+钙)摩尔比从0到100%任一比例的锶掺杂羟基磷灰石超长纳米线, 大幅拓展了羟基磷灰石超长纳米线在骨缺损修复和牙科修复等生物医学领域中的应用。

Ag基电触头是低压开关的“心脏”, 触头无Cd化一直困扰着人们, 寻找新型环保电触头材料是目前低压开关领域研究的重点。本研究从Ag基电触头增强相材料设计入手, 利用简单快速的无压技术合成了高纯Ti₂AlC粉末(99.2%), 制备的Ag/Ti₂AlC复合电触头材料组织均匀、Ti₂AlC颗粒与Ag基体结合紧密、相对密度高(95.7%)、硬度适中(96HV)、导电性好(电阻率低至79.5 nΩ·m)、抗电弧侵蚀性能优良(5610次电弧放电后触头质量损失仅为4.4wt%)。Ag/Ti₂AlC优良的结构和性能主要归因于Ti₂AlC本身的导电导热性能和Ag/Ti₂AlC之间的润湿性。该复合材料在进一步深入研究后, 有望大面积应用并替代传统电触头材料。