无机纳米颗粒在生物医学领域展现出广阔的应用和发展前景, 其生物医学功能和理化性质受到颗粒尺寸和形貌的显著影响。但对于传统的间歇式合成方法, 无机纳米颗粒批次间的高度可重复性合成仍存在较大挑战。相比之下, 微流控技术为无机纳米颗粒的高度可控性和可重复性合成提供了一种先进方法。同时, 微流控技术能够实现快速传质和传热, 并且具有反应体积小、能耗低等优势, 使其成为纳米无机生物材料合成的理想途径。本文对微流控技术在纳米无机生物材料制备领域中的研究和应用进展进行了综述。首先概述了微流控装置中的流体特征和混合机制; 接着进一步介绍了5种经典的微流控装置的微通道结构特征和相应的流体混合特点, 并系统总结了不同类型微流控装置在无机纳米颗粒合成和表面改性中的应用; 最后简要描述了微流控技术在纳米无机生物材料的合成和应用中所面临的挑战以及未来发展的潜在机遇。

与传统锂离子电池相比, 钠离子电池因其成本优势与可持续的资源供应, 被看作是锂离子电池的理想替代品。现阶段主流钠离子电池正极材料包括过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物以及普鲁士蓝化合物。然而, 正极材料存在不可逆相转化、Jahn-Teller效应及界面不稳定等问题, 这严重影响了钠离子电池的循环稳定性。本文系统介绍了钠离子电池正极材料循环稳定性提升策略的研究进展与产业化进程。首先, 详细分析了正极材料的结构、优缺点, 并对比了结构稳定性、成本以及循环性能等。其次, 详细阐述了结构优化与化学元素掺杂策略在提升正极材料循环性能方面的最新研究进展, 探索了结构稳定性、电子电导率、离子迁移速率等与电化学性能之间的相互影响关系。然后, 归纳总结了钠离子电池的发展历程与近年来国内外的产业化进展。最后, 梳理了钠离子电池正极材料及钠离子电池体系仍需关注的问题并展望了其发展前景, 以期推进钠离子电池产业稳步、健康发展。

PrBaFe₂O_5+δ(PBF)是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)技术最有前途的阴极材料之一。虽然, PBF的极化面电阻(ASR)与Co基阴极材料相近, 但电子电导率低了一个数量级。针对此问题, 目前已报道了各种掺杂优化策略。本研究用过量Pr替换PBF中的Ba, 采用溶胶-凝胶法成功合成了PBF和Pr_1+xBa_1-xFe₂O_5+δ(PBF_x, x=0.01、0.02、0.04)材料, 并评价了其作为IT-SOFC阴极的电化学性能。结果表明, x=0.01时, 过量Pr进入PBF的晶格间隙; x≥0.02时, 过量0.01(摩尔分数)的Pr进入间隙位置, 其余过量Pr置换PBF中的Ba。在650~800 ℃范围内, Pr过量提高了PBF的电导率, 其中, PBF_0.01的电导率最高, 达到109.21 S•cm^-1, 提高了76%, 这是由于Pr过量使电子传输路径缩短。而且, Pr过量使阴极产生的晶格应变和晶格位错密度降低了氧还原反应(ORR)活性, 导致ASR略微增加。最终, 本研究制备的Ni-SDC|SDC|PBF_0.01(SDC: Sm_0.2Ce_0.8O_2-δ)单电池的峰值功率密度比PBF器件提高了49%, 表明Pr过量可以显著提升阴极材料的电化学性能。

硒硫化锑(Sb₂(S,Se)₃)具有优异的光电特性, 是一种很有前景的光伏材料。然而, 目前Sb₂(S,Se)₃太阳能电池的最高光电转换效率(PCE)仍与理论极限有较大差距, 这部分归因于Sb₂(S,Se)₃薄膜中存在严重的载流子复合。本研究采用水热沉积法制备Sb₂(S,Se)₃薄膜, 在前驱体溶液中引入过程性添加剂甲脒亚磺酸(FSA), 不仅优化了Sb₂(S,Se)₃薄膜的(211)、(221)晶面取向和Se/S原子比例, 还控制了薄膜中载流子复合中心Sb₂O₃的含量。添加了FSA的太阳能电池的暗饱和电流密度(J₀)和复合阻抗(R_rec)分别为1.10×10⁻⁵ mA·cm⁻²和3147 Ω·cm⁻², 明显优于参照器件(J₀=5.17×10⁻⁵ mA·cm⁻², R_rec=974.3 Ω·cm⁻²), 表明FSA显著抑制了Sb₂(S,Se)₃太阳能电池的载流子复合。在AM 1.5G太阳光模拟器照射下, 添加了FSA的太阳能电池的开路电压(V_OC)、短路电流密度(J_SC)、填充因子(FF)和PCE的平均值分别为0.69 V、18.46 mA·cm⁻²、63.60%和8.04%, 较参照器件(0.67 V、17.82 mA·cm⁻²、62.27%和7.70%)均明显提升, 最优未封装器件PCE达8.21%, 在空气中老化120 d仍保持初始PCE的82.1%。

直接乙醇燃料电池(DEFC)因其能量转换效率高、噪声低以及友好环境而受到广泛关注。然而, 这类电池仍面临催化剂成本高、稳定性差及催化活性低等问题。本研究选用氧化石墨烯(GO)作为载体, 以乙二醇为还原剂, 六水合氯铂酸为前驱体, 并引入非贵金属Fe, 通过调节Pt与Fe的摩尔比, 利用微波加热合成法制备出二元合金催化剂PtFe_x/GO(x=1/6、1/5、1/4、1/3、1/2、1), 在GO载体上原位负载纳米晶粒。原子半径小的Fe固溶到Pt晶格中, 导致Pt晶格的相邻原子间距缩小, 晶格收缩, 从而形成Pt-Fe合金。当x=1/3时, 催化剂表现出最优的催化活性, 其电催化活性面积为69.84 m²/g, 氧化峰值电流密度为858.42 A/g, 并且Tafel斜率较小。1100 s的计时电流测试下, PtFe_1/3/GO催化剂的稳态电流密度为194.80 A/g, CO的氧化峰电位为0.554 V, 活化能为18.37 kJ/mol, 800圈测试后电流密度保持率为80.48%, 优于商业Pt/C(JM)催化剂。研究表明, 引入非贵金属Fe能够显著提升Pt基催化剂的催化活性和稳定性, 为Pt基催化剂材料的设计与潜在应用提供了重要的理论依据。

抗生素排放不当会严重危害水体环境, 开发高效的吸附材料以去除环境中的抗生素, 是当前解决抗生素污染问题的重要手段之一。本研究通过调控合成过程中溶剂配比, 制得一系列不同形貌的类沸石咪唑酯骨架材料ZIF-67, 并将其用于吸附盐酸金霉素(CTC)。结果表明, 随着甲醇与水体积比逐渐降低, 所制得的ZIF-67从菱形十二面体结构转变为六方片状交叠堆积结构(ZIF-67-3), 后者更有利于CTC的吸附。在考察温度、溶液pH、浓度和杂质离子种类等对ZIF-67-3吸附CTC性能影响的基础上, 进一步研究了吸附过程动力学。结果表明, 该吸附过程遵循准二级吸附动力学模型和Langmuir模型。当ZIF-67-3用量为100 mg·L^-1时, 在20 min内其对CTC(初始浓度为30 mg·L^-1)的移除率可达90%以上; 在中性条件下, 吸附容量最大, 可达1206.58 mg·g^-1。ZIF-67-3主要通过π-π/π-阳离子相互作用、氢/配位键等来吸附CTC, 属于化学吸附机制。六方片状交叠堆积结构的ZIF-67-3更有利于充分暴露活性吸附位点, 因而具有更优的CTC吸附性能。本研究揭示了合成过程中溶剂配比对ZIF-67形貌结构的影响规律, 阐明了ZIF-67-3对CTC的吸附过程机理, 为ZIF-67在四环素类抗生素污染治理领域的实际应用提供了理论支撑。

窄带隙半导体作为可见光光催化剂, 可以有效地将太阳能转化为化学能, 在缓解能源短缺和环境污染方面具有潜在的应用前景。以氯化铜(CuCl₂·H₂O)为前驱体, 盐酸羟胺(H₃NO·HCl)和硼氢化钠(NaBH₄)为还原剂, 采用一锅无模板湿化学还原法制备Cu₂O/Cu空心球异质结光催化剂。采用不同表征手段对样品形貌、晶体结构、组成、比表面积和光学性质进行分析。加入NaBH₄使Cu₂O/Cu形貌从中空截角八面体逐渐演化为中空纳米球。通过改变NaBH₄加入量可以控制Cu₂O表面Cu层厚度。NaBH₄直接还原Cu₂O使Cu₂O和Cu界面紧密结合, 这有利于载流子分离和传输, Cu的表面等离子体共振(SPR)效应使Cu₂O/Cu对可见光的吸收能力增强, 因此Cu₂O/Cu对甲基橙(MO)和无色恩诺沙星(ENR)均表现出良好的光催化活性。连续循环使用5次, Cu₂O/Cu对MO的降解率影响不大。捕获实验表明∙O₂^-和空穴是降解MO过程中主要的活性物质。Cu₂O/Cu的良好光催化活性归因于Cu₂O和Cu的协同作用。本研究为异质结光催化剂的制备提供了一种策略。

细直径连续SiC纤维是先进陶瓷基复合材料的最佳增强纤维之一, 在航空航天和核工业领域具有重要的应用价值, 其中高结晶近化学计量比SiC纤维的耐温性能最好, 但是高温烧结条件对该纤维元素组成与微观结构的影响规律还不清楚。本工作研究了烧结温度和时间对纤维中SiC_xO_y相分解、晶粒长大以及纤维致密化的影响规律, 发现SiC_xO_y相分解和纤维的致密化过程均是由表层逐渐向芯部进行, 并且只有在适当的烧结温度(1800 ℃)下, 才能通过生长β-SiC晶粒来弥补SiC_xO_y相分解产生的孔隙缺陷, 最终实现纤维的致密化。值得注意的是, 过高的烧结温度会造成β-SiC晶粒分解。虽然延长烧结时间有助于消除纤维中的残余氧, 但会使β-SiC晶界处的石墨相变得更加集中, 且纤维芯部产生更多的孔隙缺陷。通过优化条件最终成功制备了致密的高结晶近化学计量比SiC纤维, 其组成为SiC_1.04O_0.02Al_<0.01, 纤维中的β-SiC晶粒均匀分布, 尺寸达到100~200 nm。纤维的拉伸强度和杨氏模量分别为1.88 GPa和373 GPa, 并且密度高达3.1 g/cm³。上述研究结果可以为进一步提升SiC纤维的综合性能奠定坚实的基础。

轻质、隔热和耐高温材料是航天人员和精密设备的必要保障。纳米纤维素(CNFs)因高比表面积、低热膨胀系数和高强度等特性, 在轻质航天航空材料领域具有潜在的应用前景, 但是质脆易燃限制了其在高温领域的广泛应用。为了提升CNFs的耐高温性能, 本工作采用共沉淀法和离子交换法成功制备了[PMo₁₂O₄₀]^3-插层改性的ZnAl-PMo₁₂O₄₀-LDHs(PMo-LDHs, LDHs: 类水滑石插层材料), 将其与硼酸(BA)复合CNFs制备了PMo-LDHs+BA/CNFs气凝胶。当PMo-LDHs和BA的质量分数分别为CNFs的62.5%和2.0%时, 所制得的62.5PMo-LDHs+BA/CNFs气凝胶的密度为16.28 kg·m^-3, 导热系数为0.044 W/(m·K)。隔热背温实验表明, 该气凝胶的t₂₅₀(隔热背温达到250 ℃所需时间)长达2022.8 s, 比纯CNFs延长867.8 s; 其R₂₅₀(隔热背温达到250 ℃时的升温速率)只有0.124 ℃·s^-1, 仅为纯CNFs R₂₅₀的57.4%, 表现出优异的隔热保温性能。灼烧实验显示, 纯CNFs气凝胶在15 s内完全燃烧, 而62.5PMo-LDHs+BA/CNFs气凝胶在81 s内未被点燃, 且未出现明显收缩或变形。燃烧残余物的形貌结果表明, PMo-LDHs受热分解, 在CNFs基材表面催化形成致密均匀的连续炭层, 从而提高了CNFs气凝胶的耐火性能。

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)是应用于新一代高推重比航空发动机热端部件的重要材料。但在服役过程中, 硅黏结层的氧化和开裂是导致EBCs失效的重要因素。对硅黏结层进行改性成为延长EBCs服役寿命的重要手段。本研究在硅黏结层中掺杂Yb₂O₃来缓解高温水氧环境下涂层开裂的问题, 并提高其耐高温水氧腐蚀性能。通过真空等离子喷涂技术在SiC基体上制备了五种不同Yb₂O₃掺杂量(0、5%、10%、15%、20%, 体积分数)的EBCs体系(Si-Yb₂O₃)/Yb₂Si₂O₇/Yb₂SiO₅, 并研究其在1350 ℃下的耐水氧腐蚀行为和机理。结果表明, 掺杂适量(5%)的Yb₂O₃能够在高温水氧腐蚀过程中反应并消耗SiO₂, 减少SiO₂相变(β→α)带来的应力变化, 抑制混合热生长氧化(mTGO)层纵向裂纹的产生, 达到提高结构稳定性的效果。另外, 反应生成的Yb₂Si₂O₇具有合适的热膨胀系数(CTE)和化学相容性。然而, 随着Yb₂O₃掺杂量提高, 过量的Yb₂O₃会在黏结层内部相互联结并形成“骨架”结构, 为氧化性物质提供向涂层内部扩散的直接通道, 使黏结层内部发生腐蚀, 导致涂层体系耐水氧腐蚀性能下降。

作为环境友好型发光量子点(QDs)的重要替代材料, CuInS基核/壳量子点近年来受到越来越多的关注。然而, 这类量子点的一些缺点仍然阻碍了它们的工业化应用, 比如较低的光致发光量子产率(PLQY)、复杂的合成途径、发射光谱易失去控制、光稳定性不足等。本研究通过一锅/三步法合成策略成功制备了CuInZnS@ZnS核/壳量子点, 并精确调控其荧光发射光谱, 然后系统研究了CuInZnS@ZnS量子点在晶核形成、合金化和ZnS壳层生长过程中的集合体光谱特性。通过控制Cu/In元素的化学计量比、Zn²⁺掺杂以及ZnS壳层生长, 实现了量子点荧光发射峰在530~850 nm范围内的精准调控。CuInZnS@ZnS量子点具有明显的长荧光发射寿命(长达750 ns)、高PLQY(高达85%)和优异的结晶度。基于Cu缺陷相关的分子内定域能级发射模型阐释了集合体光谱演变规律。通过控制Cu/In元素的化学计量比, 并且基于Cu缺陷的不同氧化态, 提出了两种不同的Cu缺陷相关发射途径。本工作为制备高荧光效率的三元或四元合金量子点提供了更深入的见解。

层状双氢氧化物(LDH)具有优异的亲水性和离子相互作用, 是一种很有前途的高性能催化剂载体。本研究采用简单的共沉淀水热法制备了CoFe₂O₄/MgAl-LDH复合催化剂。结果表明, 纳米级CoFe₂O₄颗粒覆盖在MgAl-LDH表面; CoFe₂O₄/MgAl-LDH的比表面积为82.84 m²·g^-1, 是CoFe₂O₄的2.34倍; CoFe₂O₄/MgAl-LDH的饱和磁化强度为22.24 A·m²·kg^-1, 可实现高效的固液分离。将催化剂用于活化过氧一硫酸盐(PMS)高效降解盐酸四环素(TCH), 发现CoFe₂O₄/MgAl-LDH的催化性能明显优于CoFe₂O₄。在最佳条件下([TCH]=25 mg/L, [PMS]=1.5 mmol/L, CoFe₂O₄/MgAl-LDH=0.20 g/L, pH 7, T=25 ℃), TCH去除率最高可达98.2%; 溶液中共存离子SO₄²⁻、Cl⁻、H₂PO₄⁻和CO₃²⁻对催化性能影响不大; 而且经过5次循环后CoFe₂O₄/MgAl-LDH的催化性能仍保持在67.2%。机理研究发现, O₂^•−和¹O₂在催化降解过程中起主导作用。