碳化硅陶瓷因自身优良的物理化学性能而具有广泛的应用前景。碳化硅的化学键结合特性决定了其难以烧结成型, 因此如何制备高质量碳化硅陶瓷是领域内的难点之一。本研究以三元稀土碳化物Dy₃Si₂C₂作为新型SiC陶瓷的烧结助剂, 依据Dy-Si-C体系的高温相转变原位促进碳化硅的烧结致密化。采用放电等离子烧结技术, 利用金属Dy与SiC反应生成Dy₃Si₂C₂, 对Dy₃Si₂C₂包裹的SiC粉体进行烧结。在1800 ℃、45 MPa的烧结条件下, 得到了致密度为99%、热导率为162.8 W·m ^-1·K ^-1的高纯度碳化硅陶瓷。进一步的研究表明, 高温下Dy₃Si₂C₂与SiC发生共晶反应, 在晶界处产生的液相促进了SiC陶瓷的致密化, 表明稀土层状碳化物Re₃Si₂C₂ (Re=La, Ce…)有助于SiC的烧结致密。

水解制氢是一种常温常压下的现场制氢方式。由于水解制氢材料氢含量高, 储存容易, 运输方便, 安全可靠, 一直受到研究者们的关注。本文综述了近年来水解制氢材料的总体发展情况, 介绍了三类主要的水解制氢材料, 包括硼氢化物(NaBH₄, NH₃·BH₃)、金属(Mg, Al)以及金属氢化物(MgH₂), 对不同材料的制氢原理、主要问题、催化剂与材料设计进行了详细介绍, 比较了不同体系的特点与制氢成本, 并对水解制氢及水解制氢材料的现状和商业化面临的困难做了评价, 最后对未来的发展方向进行了展望。

放电等离子体烧结的AlF₃掺杂氧化铝陶瓷在透射电镜(TEM)常规观察条件下发现了一种电子辐照诱导快速相分离行为。在透射电镜的电子辐照下, 球形纳米晶Al颗粒在几秒钟内从原始氧化铝晶粒表面析出。高分辨TEM观察结合衍射花样分析发现原始的F掺杂氧化铝晶粒表面为高度缺陷态, 电子辐照后, 随着Al纳米颗粒析出, 氧化铝晶粒表面的缺陷消失。通过对掺杂过程缺陷反应及氧化铝阳离子亚晶格的深入分析, 提出了一种缺陷辅助间隙原子偏析机理来解释这一现象。即掺杂F离子首先占据氧空位的同时Al离子占据间隙位, 当氧空位被全部占据时, F和Al离子同时占据基体八面体间隙位, 并形成了亚稳定的掺杂态。在氧化铝基体1/3 [11ˉ00]不全位错的作用下, 畸变的阳离子亚晶格产生双聚八面体间隙位。当这些双聚八面体空位被外来Al离子占据时, 正如高分辨图像所观察的, 形成了包含有三个原子层左右的堆垛层错。同时, 沿着层错偏聚在双聚八面体位的掺杂Al离子扮演了析出物早期的角色, 在电子辐照下随着F离子的烧蚀, 不稳定的偏聚Al离子析出成为纳米颗粒并伴随着基体氧化铝的晶格重构。

抗肿瘤药物靶向传递系统是提高传统化疗药物疗效, 并降低其毒副作用的重要手段。以多孔碳纳米材料为药物载体, 根据肿瘤组织微环境特点, 构建抗肿瘤药物靶向传递系统是实现靶向治疗方案的有效方式。本文围绕基于多孔碳纳米材料的抗肿瘤药物靶向传递系统的构建及应用进行综述, 描述了多孔碳纳米材料适宜载药的设计、合成及功能化修饰; 通过理论与实例相结合的方式, 介绍了提高多孔碳纳米材料载药量和实现联合给药的有效策略; 从内源和外源性敏感刺激的角度, 重点分析了多孔碳纳米材料基于肿瘤微环境构建的靶向传递系统的机制和应用; 阐述了多孔碳纳米材料作为抗肿瘤药物载体面临的生物相容性和生物降解性的问题, 并分析了可能的解决途径; 展望了多孔碳纳米材料在构建肿瘤药物靶向传递系统应用中的前景及发展方向, 为研发靶向、可控的抗肿瘤药物传递系统提供了理论依据和例证支持。

稳定可靠的高光子能量发光(620~650 nm)红光荧光粉, 对于构建低色温、高显指荧光粉转换型白光发光二极管(WLED)至关重要。Mn ⁴⁺激活红光荧光粉是当前WLED用荧光粉研究热点之一。本文介绍了Mn ⁴⁺离子的能级跃迁与光致发光特性, 详细叙述了目前所报道的七种Mn ⁴⁺激活含d ⁰/d ¹⁰/s ⁰离子氧氟化物系列红色荧光粉(如Na₂WO₂F₄:Mn ⁴⁺等)的制备方法、晶体结构及其发光特性。目前Mn ⁴⁺在氧氟化物结构中得到强R线发光的情况少, 微观配位体仍是[MnF₆]或[MnO₆], 其化学稳定性和量子效率研究也很缺乏。最后对Mn ⁴⁺激活氧氟化物红光荧光粉的研究进行了展望。

动态热机械分析仪(DMA)具有高灵敏度、卓越制冷技术、自由旋转测试头、多种形变模式和连续频率温度扫描模式等优点, 能表征材料在交变应力(或应变)作用下的应变(或应力)的响应、蠕变、应力松弛和热机械性能等, 广泛应用于塑料、热固性材料、复合材料、高弹性体、涂层材料、金属和陶瓷等材料的研究和评估。本文简要介绍了DMA进行动态力学行为分析的基本原理和方法, DMA在铁电相变、低频弛豫特性和铁电疲劳研究方面的应用, 以及DMA在铁电/聚合物复合阻尼材料研究中的应用。在对PZT陶瓷和单晶、BaTiO₃陶瓷等常用材料的铁电弛豫特性分析中, DMA表现出比介电表征更为敏感的特性。现在DMA已成为研究铁电材料的重要工具之一。

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。

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。

近年来, 三元层状碳氮化合物(MAX相)及其衍生二维纳米材料MXene受到了科学界的广泛关注。MAX相的晶体结构由M_n+1X_n结构单元与A元素单原子面交替堆垛排列而成, 兼具金属和陶瓷的诸多优点, 在高温结构材料、摩擦磨损器件、核能结构材料等领域有较大的应用潜力。MAX相的A层原子被刻蚀之后获得成分为M_n+1X_nT_x(T_x为表面基团)的二维纳米材料, 即MXene, 具有丰富的成分组合以及可调谐的物理化学性质, 在储能器件、电磁屏蔽、电子器件等领域表现出良好的应用前景。本文简要介绍近年来国内外MAX相和MXene材料领域在成分与结构、合成方法、性能与应用研究等方面的研究动态, 据此展望未来几年该类新颖材料的发展方向。

二维材料以其丰富多样的性能受到广泛关注。该类材料具有极高的比表面积, 可以作为光催化剂和电催化剂, 在环境领域和可再生能源领域具有较大的开发和应用前景。本文综述了三种新型二维材料的结构性能, 即二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)、类石墨相氮化碳(g-C₃N₄)以及黑磷(BP)在光催化或电催化领域的研究进展及改性方式; 对二维材料催化性能的改性进行了总结, 并展望了今后的研究方向。

连续纤维增韧陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites, CMCs)因其优异的性能在航空发动机、空天飞行器热防护系统、核能电站等领域具有广泛的应用前景。现阶段, CMCs的应用已由单一结构承载向多功能一体化发展。MAX相是一类能够发生塑性变形的三元层状陶瓷, 具有高导电、抗辐照和抗烧蚀等优异性能, 将其引入CMCs可实现强韧化与抗辐照/抗烧蚀/电磁屏蔽效能的协同提高, 满足多功能一体化CMCs的应用需求。本文综述了MAX相作为CMCs界面相和基体相的研究进展, 阐述了其设计机理, 并展望了MAX相在CMCs中的应用前景。

石墨相氮化碳材料作为一种重要的二维层状材料, 在光催化、能源存储和环境污染治理等领域引起了广泛关注。氮化碳基复合材料以其稳定的物理化学性质、低成本和环境友好等特点成为不同领域的研究热点。在过去几年中, 氮化碳及其氮化碳基复合材料的制备、性质表征和不同领域应用取得了重要进展。本文总结了近几年氮化碳基复合材料的制备及掺杂和功能化研究, 及其在重金属离子废水中的去除应用, 以及不同研究方法对吸附机理的分析。最后还总结了氮化碳基材料在未来研究和应用中面临的主要问题、挑战和机遇。

随着可穿戴柔性电子技术的发展, 高灵敏度和宽感应范围的柔性力敏传感器的需求量逐渐增大, 如何选择兼具高导电性和良好柔性的材料作为传感器的敏感材料是获得高性能传感器的关键。近年来, MXene材料因其导电性好、柔韧性高、亲水性好以及合成可控等优点成为一种极具潜力的导电敏感材料。本文就MXene基柔性力敏传感器的类型、敏感材料的微结构设计方式、传感性能及传感机理等方面的研究进展进行了阐述和总结。

相图, 又称相平衡图, 是“材料设计的索骥图”, 而涂层的制备过程中(如物理气相沉积, Physical Vapor Deposition, 简称PVD), 系统一般远离平衡态, 获得的相为亚稳相, 相图计算CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams)方法的应用遇到了挑战。本文概述了模拟涂层材料亚稳相图的研究历程, 重点介绍了近期建立的临界表面扩散亚稳相图模型, 即通过耦合CALPHAD、第一性原理计算和高通量磁控溅射镀膜实验的方法对涂层材料的亚稳相进行表面扩散模拟, 相关计算仅需要一个高通量镀膜实验作为基础数据, 获得的亚稳相图也得到了实验验证。由此, 可以建立相关材料体系的稳定和亚稳相图数据库, 通过组分-制备工艺-组织结构和性能的关系, 指导陶瓷涂层材料的设计, 助推研发时间和成本“双减半”目标的实现。

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。

六方氮化硼(h-BN)二维原子晶体以其独特的结构、优异的性质以及广泛的应用前景引起了人们的普遍关注。高质量h-BN材料的制备是其性质研究与实际应用的前提。机械剥离的h-BN尺寸有限, 普遍采用的化学气相沉积(CVD)技术通常以过渡金属为衬底, 器件应用时需要将h-BN转移到其它衬底上。因此, 在介质衬底上直接生长h-BN成为二维材料研究领域的一个重要发展方向。本文总结了近年来介质衬底(包括: Si基衬底、蓝宝石衬底和石英衬底等)上直接生长h-BN二维原子晶体的主要进展。人们采用CVD、金属有机气相外延法(MOVPE)、物理气相沉积法(PVD)等方法, 通过提高生长温度、衬底表面处理、两步生长等工艺实现了介质衬底上直接生长h-BN。此外, 还介绍了介质衬底上h-BN二维原子晶体的主要应用。

银纳米线透明导电薄膜材料作为新兴的无铟电极材料, 以其优越的光电性能和力学柔韧性, 在显示器件、触控面板、太阳能电池、智能加热和电磁屏蔽等领域崭露头角, 吸引越来越多的来自科研界及产业界的关注。然而, 银纳米线透明导电薄膜在应用中面临着较为严重的稳定性问题, 主要表现为容易被痕量含硫气体腐蚀, 在300 ℃以上的温度下纳米线出现断裂和球形化等结构失稳现象, 在紫外光照条件下腐蚀及球形化加剧, 在加载电场条件下出现离子迁移并产生孔洞及断裂现象。本文详细介绍了以上各种失效现象, 分析了失效的微观机制, 介绍了解决各种失效现象的具体措施。银纳米线透明导电薄膜失效行为的研究, 有助于进一步推动该材料的实际应用进程。

采用固相法制备了Ce ³⁺掺杂的Na_0.5Bi_8.5-xCe_xTi₇O₂₇(NBT-BIT-xCe, 0≤x≤0.1)共生铋层状无铅压电陶瓷, 研究了NBT-BIT-xCe陶瓷的结构和电学性能。研究结果表明所有陶瓷样品均为单一的铋层状结构, 随Ce ³⁺掺杂量的增加, 样品的畸变程度呈现上升趋势, 同时陶瓷晶粒的平均尺寸不断减小, 介温谱和差热分析结果表明样品的介电双峰均对应于陶瓷内部结构的铁电相变。Ce ³⁺掺杂可以显著减少陶瓷内部的氧空位浓度以及降低陶瓷的介电损耗, 提升陶瓷的压电常数(d₃₃), 当x=0.06时, 陶瓷的综合电性能最佳: 压电常数(d₃₃)达到27.5 pC/N, 居里温度(T_C)达到658.2 ℃, 介电损耗(tanδ)为0.39%。

电卡效应是极性材料中极化强度和温度的相互作用, 具有电卡效应的铁电陶瓷材料在高效固态制冷领域有很好的应用前景。本研究以Pb_0.3Ca_xSr_0.7-xTiO₃ [PCST(x), x = 0.00, 0.05, 0.10, 0.15]陶瓷为对象, 系统研究了在电场作用下Ca含量对材料介电性能和铁电性能的影响, 并通过间接法计算了不同温度下材料的电卡温变。研究结果显示: Ca含量可显著调控PCST陶瓷的弥散相变特性, PCST(0.05)的相变弥散因子随外加电场的增大而增大, 可利用弥散相变在较宽温度区间内获得较大的电卡效应。经计算可得: PCST(0.05)在室温下可产生1.71 K的温变。当电场为8 kV/mm时, PCST(0.05)陶瓷在5~70 ℃的温度范围内, 绝热温变均大于1 K, 表现出优异的电卡效应。

本论文基于硅铬共掺杂, 合成得到了一种尖晶石长余辉材料Zn_1+xGa_2-2xSi_xO₄:Cr ³⁺。实验采用高温固相法, 按照设计的化学计量比精确称量ZnO、Ga₂O₃、SiO₂和Cr₂O₃等原料, 制备了一系列硅铬共掺杂的镓酸锌尖晶石长余辉材料, 其化学式为Zn_1+xGa_2-2xSi_xO₄:Cr ³⁺(x=0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.5, 1)。实验结果表明: 采用硅铬共掺杂方式后, 引入合适浓度的硅离子可有效改善余辉性能。当x=0.2时, 样品余辉强度最佳, 相比ZnGa₂O₄:Cr ³⁺增强了3倍, 并且余辉持续时间长达24 h。进一步的陷阱分布分析表明, 在ZnGa₂O₄基质基础上引入硅掺杂, 可有效调控不同陷阱深度的分布。即在丰富的反位缺陷基础上, 硅的共掺杂可增加不等价替换缺陷和填隙缺陷等, 并可调控禁带宽度及缺陷形成, 从而实现改善余辉性能的目的。

金刚石因其独特的物理化学性质, 在探测器、光电子器件等领域得到了广泛的应用, 单晶金刚石更是因为具有大幅度提高这些器件功能的潜力而引起了众多学者的关注。目前在铱(Ir)衬底上异质外延生长的单晶金刚石具有最大尺寸和较为优异的生长质量。本文介绍了可用于外延金刚石的不同结构的衬底以及金刚石在铱(Ir)衬底上的形核和生长过程, 重点阐述了金刚石偏压辅助形核(BEN)和外延横向生长(ELO)的机理, 以及衬底图形化形核生长技术, 指出了目前研究存在的不足, 并对金刚石异质外延理论和实验研究方向进行了展望。

白光LEDs(White Light-Emitting Diodes, WLEDs)作为一种新型的固体照明光源, 相对于已有光源(白炽灯、荧光灯等)具有发光效率高、响应速度快、寿命长等优势, 在照明和显示领域有着广阔的应用前景。目前获取WLEDs最常用的方法是蓝光LED芯片激发YAG : Ce ³⁺黄光荧光粉以及紫外-近紫外芯片激发三基色荧光粉(RGB混合荧光粉), 相比于以上两种方式, 单基质WLEDs荧光粉由于能克服传统RGB荧光粉颜色再吸收及配比调控的问题, 获得较高的流明效率及较高色彩还原性而受到越来越多的关注。目前关于单基质白光荧光的研究已有大量文献报道, 涉及多种材料体系, 按照发光原理的不同, 可以将其地简单分为单离子激发体系、多离子激发体系以及不依赖于稀土离子发光的其他体系等。本文综述了单基质WLEDs荧光粉的研究进展, 指出了其发展中存在的问题, 并对未来发展趋势作了展望。

可见光激光在数据存储、光通讯、激光显示、激光医疗、激光打印以及科学研究等领域具有非常重要的应用价值。随着蓝光LD泵浦源的商用化, 直接泵浦稀土离子掺杂激光晶体实现可见光激光输出吸引了人们极大的研究兴趣。目前, 可见光稀土离子主要集中在Pr ³⁺、Dy ³⁺、Tb ³⁺和Sm ³⁺等。其中, Pr ³⁺的研究较多, 发光波长涵盖面较广, 发射波段覆盖蓝光、绿光、红光、橙光; Dy ³⁺和Tb ³⁺因为能够发射黄光以填补Pr ³⁺的不足也吸引了广泛的研究; 此外, Sm ³⁺和Eu ³⁺也是典型的可见波段稀土发光离子。本文综述了近几年可见波段稀土离子掺杂激光晶体的研究现状, 主要以Pr ³⁺、Dy ³⁺、Tb ³⁺和Sm ³⁺掺杂YAlO₃ (YAP)、Mg : SrAl₁₂O₁₉ (SRA)等晶体为研究对象, 总结了一套适合Pr ³⁺掺杂材料的判据, 对晶体生长、结构、热学性能、偏振光谱性能和激光性能进行了系统的研究。

石墨烯具有超高的比表面积和优异的力学性能, 是铜基复合材料理想的增强体。传统的粉末冶金工艺很难解决石墨烯在铜基体中的分散问题, 以及石墨烯与铜基体结合性差的难题。随着近些年研究者对石墨烯-铜界面问题深入的探索, 一些新的制备工艺不断出现。本文系统地介绍和对比了近几年石墨烯增强铜基复合材料的制备工艺, 概述了关于石墨烯/铜复合材料力学性能的研究进展, 总结了石墨烯增强铜基复合材料力学性能的机理, 并对未来石墨烯增强铜基复合材料的研究重点进行了展望。

硅的理论嵌锂比容量是石墨材料比容量的十倍以上, 脱锂电位低, 资源丰富, 倍率特性较好, 故高比能量的硅基材料成为了电动汽车?可再生能源储能系统等领域的研究热点?但由于其在脱嵌锂过程中巨大的体积膨胀效应会导致硅电极材料粉化和结构崩塌, 并且在电解液中硅表面重复形成的固相电解质层(SEI)使极化增大?库伦效率降低, 最终导致电化学性能的恶化?为了解决上述问题, 加快实现硅基电极的商业化应用, 本文系统总结了通过硅基材料的选择和结构设计来解决充放电过程中体积效应的工作, 并深入分析和讨论了具有代表性的硅基复合材料的制备方法?电化学性能和相应机理, 重点介绍了硅碳复合材料和SiO_x(0<x≤2)基复合材料?最后对硅基负极材料存在的问题进行了分析, 并展望了其研究前景?

热电材料是一种新型能量转换材料, 在温差发电或通电制冷等领域具有广泛应用。热电优值ZT值是衡量热电材料能量转换效率的关键参数, ZT值要求热电材料具有优异的电输运性能及较低的热导率。传统第一性原理热电材料研究往往关注少量样本下的电热输运性质理解与优化, 很难得到系统性的规律, 也不利于新体系的设计优化。材料基因组计划力求通过大数据、高通量手段去加速材料设计与发现, 具有广阔的发展前景。在热电材料研究领域, 第一性原理高通量计算也将在新材料预测与性能优化等方面起到越来越重要的作用。另一方面, 高通量研究也带来了新的挑战, 譬如电热输运性质的高通量算法发展、大数据分析手段等等, 这些方面的问题决定了高通量方法在材料应用中的效率与准确性。本文综述了热电材料中现有的电热输运性质高通量计算方法, 介绍了这些方法具体的应用案例, 并对高通量与热电材料结合的未来发展趋势进行了展望。

高通量材料实验旨在利用较少的实验次数快速获得成分-物相-结构-性能之间关系, 筛选出组分最优的材料体系, 目前已在超导材料、荧光材料以及巨磁阻材料等方面有较多应用。热电材料是可以实现热能和电能直接相互转换的功能材料, 在温差发电和废热利用等领域有着重要的应用价值, 但热电材料的传统实验制备与表征方法存在着实验周期长和效率低等问题。因此, 将高通量实验的方法和理念引入新型热电材料的研发和优化具有重要的理论和实际意义。本文主要总结和梳理了现有在热电材料实验研究中具有较好应用前景的高通量实验制备与表征技术, 包括高通量样品制备、成分-结构高通量表征、电-热输运性能高通量表征等, 并分析了各高通量实验技术在实验热电材料研究中的优势和局限性, 希望为今后热电材料高通量实验优化和筛选提供一定的参考。

随着可再生能源及能源转换技术的快速发展, 热电材料在发电及制冷领域的应用前景受到越来越广泛的关注。发展具有高热电优值材料的重要性日益突出, 如何获得低晶格热导率是热电材料的研究重点之一。本文阐述了热容、声速及弛豫时间对晶格热导率的影响, 介绍了本征低热导率热电材料所具有的典型特征, 如强非谐性、弱化学键、本征共振散射及复杂晶胞结构等, 并分析了通过多尺度声子散射降低已有热电材料晶格热导率的方法, 其中包括点缺陷散射、位错散射、晶界散射、共振散射、电声散射等多种散射机制。此外, 总结了几种预测材料最小晶格热导率的理论模型, 对快速筛选具有低晶格热导率的热电材料具有一定的理论指导意义。最后, 展望了如何获得低热导率热电材料的有效途径。

基于塞贝克效应的热电转换技术, 在大量分散的低品位废热转换电能方面有着不可替代的优势。以热电优值ZT为性能指标的热电材料研发成为新能源材料领域研究的热点之一。近年来, 大量新型中温热电材料被相继发现, 然而新型热电材料的产业化应用, 尤其是在温差发电方面的进展尤为缓慢, 其中热电器件中的材料界面问题严重制约了热电转换技术的应用进程。本文从Bi₂Te₃型器件在温差发电方面所遇到的技术瓶颈为例, 阐述热电器件中的界面关键技术, 并归纳出电极接触界面需要综合考虑低的界面电阻、高的结合强度、以及好的高温稳定性能。然后总结了与Bi₂Te₃、PbTe、CoSb₃基三种热电材料相关的界面材料研究进展。

本工作合成了一种具有高吸附性能和光催化性能的表面改性竹炭/二氧化钛(SMBC/TiO₂)纳米复合材料。通过湿法氧化处理廉价、天然绿色的竹炭(BC), 制备了具有良好吸附性、化学稳定性的表面改性竹炭(SMBC)。经过改性, BC表面生成大量含氧官能团, 因此SMBC粒子易分散于水中, 并且与TiO₂有较强的相互作用, 确保TiO₂均匀地负载在SMBC表面。SMBC/TiO₂比BC/TiO₂有更大的比表面积, 能提供更强的吸附性能。SMBC/TiO₂的饱和吸附容量大约是BC/TiO₂的1.6倍, 是TiO₂的12.1倍。吸附和催化的协同作用使SMBC/TiO₂复合材料降解MB具有更高的光催化活性, SMBC/TiO₂光催化降解MB的速率常数分别是BC/TiO₂ 和TiO₂的7倍和6倍。

本文采用“蒸汽相转化”法合成了球形多级Y沸石。采用X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM), N₂吸附-脱附, 固态核磁共振(NMR)谱和傅里叶变换红外(IR)光谱等表征手段对制备材料的结构性能进行了表征。SEM观察结果表明合成的Y型沸石是由尺寸为50~300 nm的初级晶粒组成的球形多晶聚集体, 透射电镜观察结果表明多晶聚集体为空心Y型沸石。通过分析FT-IR, ²⁹Si NMR, SEM和TEM等表征结果, 提出了空心球形Y沸石的形成机理。

二维材料因其不同于体相的超薄原子结构、大的比表面积和量子限域效应等受到了人们的广泛关注。二维各向异性材料作为二维材料家族的一员, 其取向依赖的物理和化学性质, 使得对该类材料性能的选择性优化成为可能。过渡金属Re基硫属化合物作为各向异性材料的典型代表, 具有可调的可见光波段吸收带隙, 极弱的层间耦合作用力, 以及各向异性的光学、电学性能, 现已成为电子和光电子领域的研究热点之一。本文主要介绍了ReX₂ (X=S, Se)的晶体结构和基本性质, 总结目前该材料体系主流的合成方法, 研究其各向异性物理特性及优化的手段和条件, 并对ReX₂的制备和发展进行了展望。

核能利用的过程中, 从铀矿开采、核燃料加工、核能发电到乏燃料后处理, 会产生大量放射性废物, 部分放射性核素会不可避免的释放到环境中, 对环境和人类健康造成重大危害。放射性核素的高效去除是核电健康发展的重要关键科学问题之一。近年来, 高化学稳定性、具有大量功能基团而且结构可调的多孔金属有机骨架材料(MOFs)在放射性污染治理方面受到国内外同行的高度关注。本文系统地介绍了MOFs及MOFs复合材料在放射性核素吸附去除方面的研究进展, 通过宏观吸附、模型分析、先进光谱表征和理论计算四个方面描述放射性核素与MOFs材料的界面作用机理, 并对MOFs材料的吸附性能与其它材料进行对比, 评价MOFs材料在放射性污染治理中的应用前景。

材料基因组工程技术是运用人工智能手段实现新材料按需设计的关键技术, 其中尤为重要的是创新智能算法的开发和应用。本文在总结、分析已有自然启发算法的基础上, 提出建立自然启发算法库(Nature-inspired Algorithms Library, NIAL)的设想; 明确了从不同学科取得算法启发并高通量产生新算法的基本思路; 详细阐述了构建该算法库的基本流程, 并剖析建立自然启发算法库平台的若干优势和特点。最后, 展望了自然启发算法库在新材料研发中的应用模式, 希望借此提升人工智能在材料基因组工程领域的应用水平。

由于优异的光电性能与环境稳定性, 全无机铯铅卤化物CsPbX₃(X=Cl, Br, I)钙钛矿材料自2015年起逐渐成为光电领域的研究热点, 在诸多电子、光电子器件的应用研究中取得了突破性进展, 受到了科学界的广泛关注。本综述结合铯铅卤化物钙钛矿型平面异质结LED的最新研究进展, 对器件的结构及其工作原理进行扼要的介绍, 并着重从提高LED器件发光性能和工作稳定性方面进行优化策略的归类与总结, 最后就稳定高效的无机钙钛矿型平面异质结LED的发展趋势进行了展望。

随着光伏产业、平板显示技术的发展, 市场对于透明导电材料的需求量迅速增加。传统的透明导电材料氧化铟锡(ITO)面临着资源不足、脆性大的问题, 无法满足市场需求。铜纳米线透明电极导电性好、成本低、柔性好, 是一种有潜力的新一代透明导电材料。近年来, 铜纳米线的合成及其在透明导电领域的应用引起了研究人员的关注, 并取得显著的进展。本文从铜纳米线的合成方法、合成机理, 铜纳米线透明电极的制备方法及后处理手段, 铜纳米线透明电极在光伏器件、电加热元件、柔性可穿戴器件中的应用等方面的研究进展进行了阐述。并对铜纳米线研究及应用前景进行了展望。

以含氢聚硅氧烷(PHMS)、四甲基四乙烯基环四硅氧烷(D₄ ^vi)和铂络合物为原料, 采用热交联合成交联体, 通过水蒸汽辅助热解促进前驱体低温分相及后续HF对SiOC陶瓷侵蚀基础上, 获得高比表面积微/介孔SiOC陶瓷。采用XRD、FT-IR、SEM和BET等测试技术对试样的物相组成、化学键、微观结构、比表面积和孔径分布等进行了表征。实验结果表明, 水蒸气能够促进前驱体低温分相, 使SiOC陶瓷中生成Si-O-Si键、SiO₂纳米畴和SiO₂纳米晶, 这些可以作为造孔剂而被HF侵蚀, 从而提高了SiOC陶瓷的比表面积。在热解温度1300℃条件下, 微/介孔SiOC陶瓷具有最大比表面积1845.5 m²/g, 孔径分布2.0~10 nm。

采用无模板法, 以天然的矿物原料制备介孔材料是一种经济有效的制备方法。本研究利用“煅烧-沸石化-酸处理”工艺制备高比表面积的介孔氧化硅颗粒。研究发现,通过长时间的碱处理将煅烧埃洛石转化为沸石,随后通过酸处理,可制备出比表面积高达767 m²/g的介孔氧化硅材料。该工艺机理为: 850℃煅烧使埃洛石转变为无定型态的Si-O-Al网络结构,煅烧埃洛石在长时间的水热碱处理过程中转化为结晶态的LTA沸石硅铝酸钠,在随后的强酸性环境下,沸石的Al-O和Na-O成分被完全溶解,而残余的Si-O纳米碎片在酸环境中相互聚合,生成无定形态的介孔氧化硅颗粒。本实验制备的介孔氧化硅比表面积高达767 m²/g,最可几孔径为5 nm,其亚甲基蓝平衡吸附量可达741 mg/g,表明其在污染物吸附中具有良好的应用潜力。

热电发电技术在特种电源、绿色能源、环境能量收集与工业余热发电等领域具有重要的应用价值。近年来, 热电材料zT值的纪录不断被刷新, 为热电器件应用技术的发展奠定了坚实的基础。然而, 目前热电应用技术远滞后于热电材料科学的发展, 特别是热电发电技术的大规模应用仍面临着技术瓶颈和挑战。本文介绍了热电器件设计与集成的基本原理及其关键科学与技术问题, 着重总结了器件集成中的界面结构设计与优化、电极连接与器件一体化制备技术、器件服役性能与寿命评价等方面的最新研究进展。同时, 分析和展望了热电发电技术规模化应用面临的挑战与发展策略。