氢能作为一种理想的能源载体, 对推动能源结构转型具有重要意义。电解水制氢技术是实现制氢规模化的重要手段, 而催化剂的析氢活性、稳定性和成本则是该技术发展的核心要素。过渡金属化合物(TMCs)凭借其成本低、资源丰富以及电子结构可调等优点, 已成为替代贵金属催化剂的热门候选材料。构建半导体与金属之间的莫特-肖特基(Mott-Schottky, M-S)结是一种有效提升催化活性的策略。本文系统综述了金属/TMCs M-S结催化剂的研究进展, 包括其分类(如金属/氧化物、硫化物、硒化物、磷化物、氮化物)、构建策略(如水热法、原位还原、磷化处理等)及析氢增强机制。研究表明, M-S结通过界面电荷重排和形成内建电场, 优化电子结构和氢吸附自由能, 促进电荷分离和传输, 从而显著提升析氢活性。此外, 本文还探讨了M-S结催化剂需深入探索和厘清的关键问题, 并对未来研究方向和发展趋势进行了展望。本文旨在为设计高效、廉价析氢电催化剂提供理论指导, 推动氢能技术的可持续发展。

干法后处理技术具有耐辐照、防扩散和简化废物处理等特点, 是未来先进快堆乏燃料后处理的优选技术。其中, 熔盐电解精炼是干法后处理的核心技术, 主要利用铀、钚等锕系元素与其他裂变元素在熔盐体系中的氧化还原电位差来实现锕系元素的分离回收。然而, 在电解精炼过程中, 镧系元素和Sr/Cs等裂变元素在熔盐中不断积累, 改变了熔盐的理化性质, 严重影响电解精炼效率。另外, ⁹⁰Sr和¹³⁷Cs等裂变产物属于水溶性长寿命核素, 若处理不当, 将对环境造成巨大危害。因此, 有效净化熔盐中的Sr/Cs等裂变元素不仅是提高熔盐电解干法后处理效率的迫切需求, 也是减少放射性废物排放的重要手段。本文总结了熔盐中的Sr/Cs去除方法的研究现状, 对比分析了电解法、结晶法、减压蒸馏法、沉淀法和离子交换法等不同方法的分离原理和分离效果, 并探讨了未来的发展方向及潜在的可用材料体系。

闪烁体是辐射探测领域的关键材料, 在高能物理、医疗诊断、天文学、放射性勘测及国土安全领域有重要应用, 但迄今为止鲜有兼具高光产额与能量分辨率、优异环境稳定性与低成本的闪烁体材料, 迫切需要开发一种综合性能优异、成本合适的闪烁体。零维(0D)金属卤化物具有高光产额、弱自吸收效应、强环境适应性、良好的辐照稳定性等优势, 是下一代闪烁体的优选材料。本文概述了0D金属卤化物闪烁体及其在辐射探测领域的研究进展, 从分子结构出发概述了0D金属卤化物的特点与闪烁发光原理, 特别是其独特的自陷激子发光特性; 系统总结了具有优异辐射探测性能的Pb基、Cu基、Mn基、Sn基等典型0D金属卤化物材料, 并对它们进行了细致比较; 探讨了该类材料在辐射成像、能谱探测、中子探测等领域的应用。最后, 结合研究现状, 展望了0D金属卤化物材料在辐射探测领域面临的挑战与机遇。未来, 研究者们应致力于解决大尺寸低缺陷高透明闪烁单晶生长、更深入的闪烁机理研究以及针对多种形态的闪烁体性能测量标准构建等关键问题。

二氧化钛(TiO₂)作为一种典型的光催化材料, 因其优异的化学稳定性、无毒性和低成本等优势, 在环境治理和能源转换领域得到了广泛应用。然而, 较宽的带隙结构导致其只能吸收紫外光, 而且块体材料中光生电子-空穴对的严重复合制约了量子效率。本研究采用水热法构筑了一种新型2D/2D耦合的ZnIn₂S₄(ZIS)@TiO₂复合材料。该异质结构由超薄TiO₂纳米笼与ZIS纳米片复合而成, 具有独特的中空核壳形貌。复合20 mg TiO₂纳米笼的ZIS-T20催化剂在400~720 nm宽波长范围内展现出显著增强的光吸收能力。在内建电场的作用下, 光生电子无法从ZIS的导带(CB)向TiO₂的CB迁移, 而空穴从ZIS的价带(VB)转移至TiO₂的VB却不受阻碍, 这种空间分离效应使得ZIS中保留了具有较高还原电位的电子, 克服了传统I型异质结还原电势降低的固有缺陷。在光催化CO₂还原(PCR)性能测试中, ZIS@TiO₂的催化性能得到显著提升, CO和CH₄的生成速率分别达到58.87和12.03 μmol·g^-1·h^-1, 其中CO选择性高达83.03%, CO的生成速率较纯ZIS和TiO₂分别提高了6.15倍和1.96倍。该工作不仅为设计高效2D/2D异质结光催化剂提供了新思路, 也为深入理解界面电荷转移机制提供了重要参考。

钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells, PSCs)的光电转换效率(PCE)已达27%, 但其工业化进程仍受限于钙钛矿吸光层的薄膜质量与稳定性问题。本研究采用丁基碘化胺(BAI)作为添加剂, 通过延缓结晶速率和诱导择优取向生长, 实现了对钙钛矿薄膜的晶面取向调控, 使得晶粒尺寸显著增大和缺陷密度降低。得益于有机胺盐具有本征的高疏水性, 优化后的钙钛矿薄膜表现出更强的环境耐受性, PSCs的PCE从22.32%提升至23.46%, 迟滞效应得到显著抑制。并且, 柔性钙钛矿太阳能电池(F-PSCs)的PCE从21.51%提升至22.26%, 验证了该策略在不同基底上的普适性。稳定性测试表明, BAI处理钙钛矿薄膜后PSCs的环境稳定性、热稳定性、光照稳定性以及F-PSCs的机械稳定性同步提升。本研究为钙钛矿薄膜的结晶控制和稳定性提升提供了新的解决方案, 为高性能钙钛矿光伏器件的开发提供了新思路, 具有显著的产业化应用价值。

高镍三元正极材料LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂(NCM, x≥0.8)具有较高的能量密度和优异的放电性能, 是发展前景较好的一类锂离子电池正极材料, 但也面临着阳离子混排严重、高温和高截止电压下循环性能和安全性不佳等瓶颈。本研究将高熵(High-entropy, HE)掺杂改性策略引入高镍低钴的LiNi_0.86Co_0.04Mn_0.1O₂正极材料, 采用高温固相反应法合成了一种高镍单晶层状三元正极材料。在0.1C(1C=180 mA·g^-1)倍率和25 ℃条件下, 改性后的材料具有197 mAh·g^-1的可逆放电比容量, 能在高温环境和高截止电压下表现出很好的放电性能, 在0.5C、55 ℃和4.3 V条件下的放电比容量达到281 mAh·g^-1, 在0.5C、25 ℃和4.5 V条件下的放电比容量最高达194 mAh·g^-1。这种材料具有良好的层状结构, 微观上表现为纳米级一次颗粒的均匀排布, 具有更小的总阻抗。本工作显著提升了高镍三元正极材料在高温环境和高截止电压下的循环性能及安全性能, 为三元材料的去钴化、高镍化和实用化提供了一种很好的改性方法。

热中子技术在核物理、核安全、核能开发、工业无损检测及国土安全等各个领域应用广泛, 亟需发展高效的热中子探测闪烁体。已商业化的许多热中子探测闪烁体, 在性能和生产成本方面仍面临诸多发展挑战。由于有机-无机复合闪烁体具有制备简易、成本低廉、组分组合灵活等突出优势, 近期受到越来越多的关注。本研究通过将固相合成的LiF-CaF₂:Eu共晶粉体, 以质量分数0~20%的含量均匀分散在有机聚苯乙烯基体中, 成功制备出一系列热中子敏感的有机-无机复合闪烁体, 分析了合成的LiF-CaF₂:Eu共晶粉体的X射线衍射图谱、扫描电子显微镜形貌和元素分布, 评价了该系列有机-无机复合闪烁体的辐射发光和光学透射特性。采用镉差法和脉冲形状甄别技术, 较为系统地评价了填充天然丰度Li的LiF-CaF₂:Eu和⁶Li富集度为95%的⁶LiF-CaF₂:Eu共晶粉体复合闪烁体的热中子探测性能。与填充LiF-CaF₂:Eu混合粉体相比, 填充LiF-CaF₂:Eu共晶粉体的复合闪烁体具有更好的光透过性能和更高的辐射发光强度。随着LiF-CaF₂:Eu共晶粉体填充量的增加, 复合闪烁体的辐射发光强度逐渐升高。增大⁶Li丰度能有效提高热中子探测效率, 复合闪烁体的热中子/伽马甄别品质因子可达到2.64。作为一种具有较好应用潜力的新型闪烁体, 填充LiF-CaF₂:Eu共晶粉体的复合闪烁体具有较为优异的热中子探测效率和热中子/伽马甄别能力。

随着5G通信和电子设备小型化的快速发展, 开发轻量化、宽频高效电磁波吸收材料成为解决电磁污染与信息泄露问题的关键。传统吸波材料面临密度高、吸收频带窄及环境相容性差等瓶颈, 而工业固废资源化利用为高性能吸波材料设计提供了兼具经济与生态效益的创新路径。本研究以燃煤电厂固废粉煤灰为原料, 通过磁选富集获得磁性粉煤灰(MFA)微珠, 利用其表面原位负载的Fe基纳米颗粒作为催化剂, 采用化学气相沉积(CVD)法成功构筑了具有3D网络结构的磁性粉煤灰微珠@碳纳米管微球(MFA@CNTs)复合吸波材料。微观结构表征表明, MFA微珠表面生长的竹节状CNTs通过管间缠绕与硅酸盐骨架桥接形成多孔结构。吸波性能测试表明, 复合材料在8.8 GHz处获得最小反射损耗(RL_min), 达到-44.52 dB(厚度为2.99 mm), 有效吸收带宽(EAB, RL<-10 dB)覆盖4.72 GHz(厚度1.7 mm)。电磁吸波性能提升机制源于: (1) MFA微珠的磁性组分(Fe₃O₄)与CNTs的导电网络形成磁-电耦合效应, 优化阻抗匹配; (2)竹节状CNTs的缺陷结构诱导多重极化弛豫(界面极化、偶极极化), 增强介电损耗; (3) 3D多孔网络延长电磁波传播路径, 促进多重反射与散射损耗。本研究不仅为工业固废高值化利用提供了新范式, 也为轻量化宽频吸波材料设计奠定了理论与技术基础。

碳化硅(SiC)陶瓷因其优异的力学性能以及抗高温蠕变、耐酸碱腐蚀、高热导率等优良性能在半导体、核能、航空航天、海洋等领域得到广泛应用。然而, 脆性陶瓷材料的断裂强度通常表现出显著的离散性, 导致可靠性降低, 限制了其在工程结构中的应用。本研究通过调节晶粒尺寸, 提升了常压固相烧结碳化硅(SSiC)陶瓷的断裂强度可靠性。系统研究了晶粒尺寸对SSiC陶瓷力学性能、断裂强度Weibull分布以及裂纹扩展阻力曲线(R曲线)特征的影响, 深入分析了SSiC陶瓷断裂强度可靠性的调控机理。结果表明: 随着烧结温度从2100 ℃升高至2200 ℃, SSiC陶瓷平均晶粒尺寸从3.01 µm增大至8.45 µm, 晶粒尺寸分布均匀性系数从0.70减小至0.62; 同时, 随着平均晶粒尺寸从8.45 µm减小至3.01 µm, SSiC陶瓷断裂强度Weibull模数从8.5逐渐增大至12.2, 增幅达到44%, 表明晶粒细化对提高断裂强度可靠性具有积极作用。其主要原因在于高密度晶界网络通过裂纹分叉与桥接效应分散应力集中, 同时均匀的晶粒分布和较小的缺陷尺寸提升了裂纹扩展的能量阈值, 从而表现出上升的R曲线行为。本研究通过调控晶粒尺寸明显改善了SiC陶瓷的断裂强度可靠性, 有望推动SiC陶瓷材料更广泛的工程化应用。

量子点(Quantum Dots, QDs)凭借其优异的光致发光特性, 在生物检测领域展现出重要的应用价值。其中, pH作为调控生理功能的关键参数, 其高灵敏度响应具有重要意义。然而, 传统pH荧光探针常受限于灵敏度不足或稳定性较差的问题。基于此, 本研究采用能带工程优化设计, 构建CdSe/CdS/ZnS核壳结构QDs, 以提高其荧光量子产率和稳定性。进一步通过巯基乙胺(Mercaptoethylamine, MEA)和多巴胺异硫氰酸酯(Dopamine-isothiocyanate, DA-ITC)修饰, 制备得到具有高灵敏度pH响应的QDs荧光探针。实验结果表明: 氨基化的CdSe/CdS/ZnS QDs具有优异的光学性质。经DA-ITC修饰后, 探针表现出高灵敏度的pH响应性能, 其响应机制源于碱性条件下表面配体氧化形成的多巴胺醌(Dopamine Quinone, DQ)对QDs的荧光猝灭作用。对于1 nmol QDs, DA-ITC投入量为4~40 μg/nmol时, 在pH 5.0~10.0范围内, 探针的荧光强度呈现随pH增加而线性降低的趋势(线性拟合常数R²>0.90)。当DA-ITC投入量为20 μg/nmol时, 探针的pH响应效果最佳, 其线性拟合常数为0.9869。此外, 该探针具有良好的细胞相容性, 能够有效应用于细胞pH荧光成像监测研究。

有效控制细菌感染并促进血管生成是加速感染性创面愈合面临的重要挑战。开发一种兼具抗菌和促进血管生成的多功能水凝胶创面敷料具有重要研究价值。本研究以Ti₃C₂Al为前驱体, 采用选择性化学刻蚀法制备Ti₃C₂T_x MXene纳米片, 并将其与可注射性聚乙烯醇(PVA)/阳离子瓜尔胶(CGG)水凝胶形成动态交联网络, 构建了具有超声响应特性的PVA/CGG/MXene(PCM)复合水凝胶。实验结果表明, CGG分子链中的季铵阳离子基团通过静电相互作用显著增强了PCM水凝胶的抗菌性能, 对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别达到97.34%和95.40%。MXene纳米片赋予水凝胶稳定的导电及压电特性, 在低频超声刺激下, PCM水凝胶可通过压电效应产生电信号, 进而促进细胞增殖、迁移和血管再生。大鼠全层皮肤感染创面模型证实, PCM水凝胶通过抗菌、促进血管生成和胶原沉积, 显著加快了创面愈合过程, 10 d内创面几乎完全愈合。本工作成功开发了一种集超声响应电刺激、抗菌与促进血管再生功能于一体的多功能水凝胶敷料, 为感染创面修复治疗提供了新策略。

对乙酰氨基酚(Acetaminophen, APAP)过量服用是临床上急性肝损伤(Acute Liver Injury, ALI)的常见诱因, 主要病理特征为大量活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)累积和炎性细胞浸润。本研究通过仿生矿化工艺制备了一种超小尺寸(约1.3 nm)氧化铈团簇酶(CeO₂ Clusterzymes, CeCs), 该材料具有高的氧空位含量(52.6%)和高的Ce³⁺/Ce⁴⁺比例(1.06), 对多种ROS(包括自由基)具有优异的吸附和清除能力, 可用于肝细胞保护。动物体内实验进一步证实CeCs可以实现APAP诱导的ALI的高效干预治疗, 显著延长治疗窗口和逆转无菌炎症, 表现出潜在的临床应用价值。

隧穿二极管在太赫兹(THz)和可见光频谱的未来整流领域中具有显著的应用前景, 这得益于其拥有飞秒级的隧穿渡越时间。本研究制备了隧穿距离分别为10和5 nm的TiN/ZnO/Pt鳍式隧道二极管(Fin tunneling diodes, FTDs), 它们展现出优异的特性, 其中包括超高的不对称性(10 nm器件为1.6×10⁴, 5 nm器件为1.6×10³)、零偏压下的高响应度(10 nm器件为25.3 V^-1, 5 nm器件为28.3 V^-1), 均超越了传统肖特基二极管的热电压限制, 并且两个器件的开启电压(V_on)都极低, 约为100 mV, 这使得它们成为能量转换应用的理想选择。基于技术计算机辅助设计(Technology computer-aided design, TCAD)模拟, 所观测到的电子传输不对称性可归因于在不同偏置条件下福勒-诺德海姆隧穿(Fowler-Nordheim tunneling, FNT)和陷阱辅助隧穿(Trap-assisted tunneling, TAT)之间的转变, 这在相应的能带排列图中得以阐明。此外, 通过对FTDs进行集成, 设计了一种具有全波整流特性的整流桥电路, 其在太赫兹波段(0.1 THz)的整流性能通过SPICE电路仿真得到了验证。本研究为太赫兹能量转换和探测应用提供了一种高效的解决方案。

二氧化硅气凝胶因低密度、低导热系数和良好的高温稳定性, 广泛应用于高温隔热领域, 但由于其固有的材料特性, 当工作温度超过600 ℃, 其孔结构将逐渐塌缩, 从而使隔热性能大幅度衰减, 同时在高温下红外辐射的遮蔽效果也较差。本研究旨在探讨通过钙掺杂提高二氧化硅气凝胶的高温稳定性及红外遮蔽能力。以水玻璃和无水氯化钙为前驱体, 以三甲基氯硅烷(TMCS)为疏水改性剂, 通过溶胶-凝胶、水热和常压干燥(APD)技术制备了耐高温的钙掺杂二氧化硅气凝胶(CSA)粉体。研究了前驱体中Ca/Si摩尔比和水热条件(温度和pH)对CSA结晶特性、微观形貌和孔结构的影响。结果表明, 在400~1000 ℃范围内, Ca/Si摩尔比和水热处理对CSA的微观结构和耐热性有显著影响。1000 ℃烧结的样品具有较高的比表面积(100.1 m²/g)和孔容(0.8705 cm³/g), 表明CSA具有良好的耐高温性能。温度高达600 ℃的单面隔热测试表明, Ca/Si摩尔比为1的样品隔热性能最好, 冷表面温度为450 ℃, 比纯二氧化硅气凝胶低27 ℃。