固态聚合物电解质具有柔韧性好和易于加工的优势, 可制备各种形状的固态锂电池, 杜绝漏液问题。但固态聚合物电解质存在离子电导率低以及对锂金属负极不稳定等问题。本研究以纳米金属-有机框架材料UiO-66为聚合物电解质的填料, 用于改善电解质的性能。UiO-66与聚氧化乙烯(poly(ethylene oxide), PEO)链上醚基的氧原子的配位作用以及与锂盐中阴离子的相互作用, 可显著提高聚合物电解质的离子电导率(25 ℃, 3.0×10 ^-5S/cm; 60 ℃, 5.8×10 ^-4 S/cm), 并将锂离子迁移数提高至0.36, 电化学窗口拓宽至4.9 V。此外, 制备的PEO基固态电解质对金属锂具有良好的稳定性, 对称电池在60 ℃、0.15 mA·cm ^-2电流密度下可稳定循环1000 h, 锂电池的电化学性能得到显著改善。

非贵金属修饰可以有效增强单一半导体的光生电荷分离, 进而改善光催化活性。采用一种简单的抗坏血酸室温还原法制备了WO₃-Cu复合光催化材料, 并用不同表征手段对其组成和结构进行了表征。结果显示, Cu颗粒沉积在WO₃纳米立方的表面, 在模拟太阳光照射下, 与WO₃相比, WO₃-Cu复合材料具有良好的光催化降解刚果红的能力。活性物种捕捉实验以及顺磁共振结果表明, 光诱导产生的空穴、羟基自由基、超氧自由基阴离子等活性物种在刚果红降解过程中起主要作用。根据光电化学测试结果, WO₃在光催化过程中产生的电子快速转移向Cu颗粒, 可以有效分离光生电子-空穴对并加快光生载流子迁移, 进而有利于光催化反应的发生, 从而使WO₃表现出较高的光催化活性。

GaFeO₃因其磁电耦合效应成为目前极具潜质的多铁性材料之一。本工作采用固相烧结法制备了不同钴掺杂浓度的铁酸镓陶瓷, 并研究了钴的掺杂浓度对铁酸镓陶瓷的相组成, 微观结构形貌, 漏电流及磁性的影响。XRD及Rietveld精修结果显示除了主相GaFeO₃, 还存在第二相, 且随着钴含量的增加, 第二相含量逐渐增加, 晶体的畸变程度增大; 因为掺入二价阳离子Co ²⁺并引入了第二相, 样品的漏电性能和纯GaFeO₃陶瓷相比显著改善; 当钴掺杂浓度为2at%时, 样品的漏电流密度相较于GaFeO₃降低了7个数量级; 掺入Co ²⁺引入第二相且晶格畸变程度增加使得GaFeO₃的磁性增强。研究结果表明: 铁酸镓中掺杂微量的钴可以改善磁性, 并使漏电流大幅降低而磁转变温度无明显下降。

Ⅳ-Ⅵ SnSe单晶是一种引人注目的热电材料, 不仅热电性能优异而且还具有环境友好的特征。本工作探索了一种制备SnSe单晶的技术, 并对产品的力学性能进行研究。利用坩埚下降法成功生长了化学计量比准确的非掺杂SnSe单晶, 其在室温下具有标准Pnma正交相结构。由于Sn层与Se层之间的结合力非常弱, SnSe单晶很容易沿(100)面解理。显微压痕测试表明SnSe单晶十分柔软, 0.01~0.05 kg载荷下的平均显微维氏硬度HV仅为53 MPa。然而, 得益于层内Sn和Se原子之间强烈的极性耦合, SnSe单晶沿(100)面却展现出了优异的断裂韧性。纳米划痕实验显示SnSe单晶(100)面在5~300 mN划痕压力范围内的摩擦系数COF可从0.09增加到0.8。本工作对完善SnSe单晶的力学性能信息具有重要意义。

Yb:YAG透明陶瓷由于具有宽的吸收带和发射带、高增益、低的热负载、长的荧光寿命、高的量子效率等优点而成为有应用前景的高功率固体激光器用增益介质。本研究优化了粉体的性能并制备了高透明的Yb:YAG陶瓷。以碳酸氢铵为沉淀剂, 分别以纯水或乙醇/水混合物为溶剂, 采用共沉淀法合成了5at%Yb:YAG纳米粉体。在1250 ℃下煅烧4 h得到的所有粉体均为纯YAG相。与纯水溶剂制备的粉体相比, 醇水溶剂制备的粉体具有更小的平均晶粒尺寸和更低的团聚程度。以醇水溶剂制备的粉体为原料, 采用真空烧结法在不添加烧结助剂的情况下成功制备了5at%Yb:YAG透明陶瓷, 并对1500~1825 ℃烧结20 h和1800 ℃烧结10~50 h所得陶瓷的微观结构和直线透过率进行了探究。除在1825 ℃下烧结20 h所得的陶瓷外, 其余的5at%Yb:YAG陶瓷都具有均匀的微观结构。在1800 ℃下烧结50 h制备的5at%Yb:YAG陶瓷具有最高的光学质量, 在1100和400 nm处的直线透过率分别为78.6%和76.7%(样品厚度为2.2 mm)。该Yb:YAG透明陶瓷在937 nm处的吸收截面为5.03×10^-21 cm², 在1031 nm处的发射截面为13.48×10^-21cm²。

锂硫电池被认为是新一代低成本、高能量密度的储能系统。但由于硫正极导电性差、穿梭效应严重以及氧化还原反应速率慢, 导致电池容量衰减严重, 倍率性能较差。本研究以柠檬酸钠为碳源制备了具有三维中空结构的多孔碳材料, 并在其骨架上负载钴纳米颗粒后作为硫正极的载体。引入的钴纳米颗粒可有效吸附多硫化物, 提升其转化反应的动力学, 进而明显改善电池的循环和倍率性能。所得的钴掺杂复合硫正极在0.5C (1C=1672 mAh·g^-1)的倍率下首圈放电比容量高达1280 mAh·g^-1, 在1C的倍率下稳定循环200圈后可保持770 mAh·g^-1, 并且具有优异的倍率性能, 即使在10C的大电流密度下仍可稳定循环。

研究了层状硅酸钇的引入对SiC_f/SiC复合材料湿氧化行为的影响。首先通过硝酸钇乙醇溶液浸渍热解法向碳化硅纤维引入Y₂O₃, 再采用化学气相渗透法沉积SiC。层状Y₂Si₂O₇主要通过Y₂O₃与沉积过程中的SiC反应转化而成。研究发现, Y₂Si₂O₇在1400 ℃湿氧环境条件下发生富集, 在氧化层表面形成保护层。氧化80 h后, 单层和多层Y₂Si₂O₇改性的SiC_f/SiC复合材料强度保留率分别达到60.38%和71.93%, 而没有改性的SiC_f/SiC复合材料强度保留率仅为50.11%。结果表明: 层状Y₂Si₂O₇的引入可显著提升SiC_f/SiC复合材料在湿氧环境的抗氧化性能。

锌锰掺杂的Fe₃O₄纳米颗粒具有优异的磁性能, 在生物医药领域有广泛的应用前景。磁性纳米颗粒的尺寸与其磁学性质以及生物磁性应用密切相关。因此, 为了适应不同生物应用对尺寸的需求, 研究其尺寸调控具有重要的意义。在本研究中, 我们采用高温热分解法, 通过加入还原剂1,2-十六烷二醇, 改变金属前躯体和回流时间成功制备了尺寸在5~20 nm的锌锰掺杂Fe₃O₄纳米颗粒。研究发现:强还原剂1,2-十六烷二醇的加入有利于合成小尺寸的纳米颗粒, 而以金属氯化物作为金属前躯体和延长回流时间可以进一步合成更大尺寸的纳米颗粒; 纳米颗粒的饱和磁化强度随着尺寸的增大而增大。

本研究以碳酸氢铵(AHC)为沉淀剂, 采用共沉淀法制备了TGG粉体。以上述粉体为原料, 将素坯于1500 ℃空气预烧3 h, 然后于1550 ℃, 150 MPa氩气气氛下HIP后处理3 h获得TGG陶瓷。系统研究了碳酸氢铵与金属离子摩尔比(R值)对合成粉体的相组成、形貌以及TGG陶瓷的透光率和Verdet常数的影响。R=3.6, 4.0和4.4的前驱体在1100 ℃煅烧形成纯相TGG粉体, 而R=3.2的前驱体经相同温度煅烧后形成了TGG和Ga₂O₃的混合相粉体。R=4.0的TGG粉体分散性和均匀性最好, 故制备的陶瓷光学质量最佳。R=4.4的粉体具有较严重的团聚, 这与其前驱体形貌密切相关。以R=4.0的粉体为原料, 制备的TGG透明陶瓷在1064 nm处的直线透过率为80.1%。制备的TGG陶瓷在633 nm处的Verdet常数和商业TGG单晶(-134 rad·T ^-1·m ^-1)几乎相等。

采用简单的水浴法成功制备了具有高可见光活性的Ag₃PO₄材料。扫描电镜测试结果表明反应过程中产物经历了三种形貌的演变, 最终产物具有均一的立方体浮雕形貌, 平均颗粒尺寸大小约为1.6 μm。通过X射线衍射图谱可知产物具有体心立方结构。此外, 从高倍透射电镜图片中可判断出样品表面存在多种晶面。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱结果表明该产物具有高的响应可见光的性能和较弱的荧光发射强度。该产物与立方Ag₃PO₄、反应的中间产物和商用氮化的TiO₂催化剂相比, 在可见光下对甲基橙的降解表现出有显著的催化活性。研究工作表明, 通过改变催化剂的表面结构可以有效提高材料的光催化性能。