挥发性有机化合物(VOCs)及NO_x是PM_2.5和O₃的重要前体物, 其过量排放对环境质量及人类健康具有重要影响。与普通VOCs相比, 含氮挥发性有机化合物(N-VOCs)由于氮杂原子的存在使得其环境控制策略更为复杂。因此, 针对N-VOCs控制技术的开发及应用已成为当前的研究热点。为了实现N-VOCs催化氧化体系中低温高催化活性及高N₂选择性两个关键目标, 亟需设计高效、低成本的催化剂。本文系统总结了矿物材料、金属材料、单原子催化剂(SACs)、分子筛等在常见N-VOCs(N,N-二甲基甲酰胺、丙烯腈、乙腈、正丁胺、三乙胺等)催化氧化中的研究进展, 介绍了N-VOCs的来源及危害; 归纳总结了胺类、腈类等典型N-VOCs催化氧化研究中的关键影响因素, 主要包括催化活性、催化剂理化性质、催化构效关系及反应机理, 提出了N-VOCs催化氧化过程中应避免中间产物深度氧化产生二次污染物; 最后展望了N-VOCs催化氧化研究面临的前景和挑战, 以期为未来N-VOCs的治理提供一定的理论指导与最新信息。

超高温氧化物陶瓷凭借优异的高温强度、高温组织稳定性、抗氧化和耐腐蚀等特性, 有望成为在高温氧化环境下长期服役的新一代超高温结构材料, 在航空航天领域具有广泛的应用前景。激光增材制造(Laser Additive Manufacturing, LAM)技术具有快速近净成型、无需模具以及灵活制造复杂形状等优点, 近年来被应用于超高温氧化物陶瓷的制备并成为研究热点。然而陶瓷在LAM过程中极易产生孔隙缺陷, 其不仅不利于试样的后续沉积, 而且易恶化成型样件表面质量与力学性能。本文首先概述了选区激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS)、激光粉末床熔融(Laser Power Bed Fusion, LPBF)和激光定向能量沉积(Laser Directed Energy Deposition, LDED)三种LAM技术的基本原理及工艺特点, 重点分析了LAM超高温氧化物陶瓷过程中的孔隙缺陷特征、熔池流动特点及孔隙缺陷的形成机理, 并从工艺参数优化、外场辅助和第二相掺杂三个方面详细阐述了LAM超高温氧化物陶瓷孔隙缺陷抑制的研究进展。最后, 总结了LAM超高温氧化物陶瓷实现工程化应用面临的挑战, 并在成型缺陷抑制、粉末特性和后续热处理工艺等方面展望了该领域的发展趋势和突破点。

陶瓷与金属的连接能满足工程领域对高性能结构部件的需求。然而, 金属和陶瓷热膨胀系数的显著差异, 以及金属对陶瓷表面的润湿性较差, 使得陶瓷与金属的连接面临诸多挑战。本研究采用“闪连”技术, 在电场/电流的辅助作用下和相对低的温度下实现了金属Cu和5YSZ(5%氧化钇稳定氧化锆, 摩尔分数)陶瓷的快速连接。研究了电场强度、电流密度和连接时间对金属Cu和5YSZ“闪连”行为和连接程度的影响, 分析讨论了金属Cu和5YSZ的“闪连”机理。结果表明, 在温度为753 ℃、电流密度为10 A/cm²、连接时间为3 min的条件下, 金属Cu和5YSZ的连接界面最致密。进一步提高温度、增大电流或延长“闪连”时间, 连接接头开始恶化, 甚至发生断裂。当“闪连”发生时, 样品中会发生电化学反应, 并产生氧空位缺陷。物相分析和微观结构分析表明, 在电化学反应作用下, 原子扩散促进了Cu和5YSZ的连接, 其中Cu原子扩散进入5YSZ晶格中, 被还原的Zr原子扩散进入Cu晶格中。此外, 电场方向对Cu和5YSZ的连接有极大影响。当电场方向从5YSZ到Cu时, 可实现良好连接; 当电场方向从Cu到5YSZ时, 二者无法实现连接。

如何在实现超细晶碳化钨(WC)完全致密化的同时而不引起晶粒长大, 一直是其工业应用面临的难题。动态烧结锻造工艺可通过施加振荡压力对不致密材料坯体进行锻造, 促进致密化并抑制晶粒生长。本研究探索了动态烧结锻造中压力振幅对WC微观结构和摩擦磨损性能的影响。结果表明, 提高压力振幅能够提高WC的相对密度, 减小其晶粒尺寸并提高小角晶界和特殊晶界Σ2的占比, 同时提高其晶粒内的位错密度。当压力振幅为20 MPa时, WC的相对密度、平均晶粒尺寸和位错密度分别达到99.6%、203 nm和1.68×10¹⁵ m^-2。随着压力振幅的提高, WC的摩擦系数和磨损率均逐渐减小, 磨损机制以黏着磨损和犁削为主。磨损率减小主要是由于WC几近致密的特性、细小的晶粒及较高的位错密度。晶粒细化和高密度位错有助于提高其在摩擦磨损过程中的塑性变形能力和变形抗力, 从而增大磨痕表面硬度, 同时抑制裂纹萌生和扩展。特殊晶界Σ2也能够有效阻碍位错运动而提高应变硬化能力, 有助于提高磨痕表面硬度, 进一步抑制磨损。

连续碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_f/SiC)复合材料因其优异的力学性能和耐高温特性, 已广泛应用于航空发动机热端部件。为了确保SiC_f/SiC复合材料部件在服役过程中的安全性, 研究其在长时间高温下的力学性能演变具有重要意义。本研究采用Cansas-II SiC纤维制备了具有BN界面的mini-SiC_f/SiC复合材料, 在1100、1200、1350 ℃下分别进行5、10、50、100、200 h的热处理, 以探究长时间高温热处理对mini-SiC_f/SiC复合材料力学性能的影响。研究结果表明: 在1100 ℃下, 热处理对mini-SiC_f/SiC复合材料的力学性能未产生显著影响, 各阶段对力学性能的贡献占比几乎保持不变。在1200 ℃下, 短时间热处理对于mini-SiC_f/SiC复合材料的作用不明显, 其拉伸强度未显著变化; 然而, 长时间热处理会导致SiC纤维损伤, 从而降低复合材料的拉伸强度。在1350 ℃下, 热处理显著改善了BN界面性能, 导致SiC纤维损伤严重, mini-SiC_f/SiC复合材料的力学性能显著降低, 且随着热处理时间延长, 纤维损伤程度加深, 复合材料力学性能持续恶化。

SiO₂气凝胶具有低密度、极低热导率和良好的化学稳定性等特点, 在航空航天、建筑节能和能源化工等领域具有广阔的应用前景。然而, 传统SiO₂气凝胶相邻颗粒间形成珍珠项链状结构, 导致其脆性大且回弹性差。通过以纳米纤维为结构单元制备SiO₂纤维气凝胶, 能够有效克服传统颗粒气凝胶的脆性, 提升压缩回弹性, 但其压缩回弹机理尚不明确。本研究通过静电纺丝技术制备柔性SiO₂纳米纤维, 分析了煅烧温度对纤维相结构及柔性的影响, 揭示了纤维的柔性机理。在此基础上, 采用冷冻干燥法以柔性纤维为结构单元制备了SiO₂纤维气凝胶, 探究了固含量对孔结构、强度和回弹性能的影响规律, 基于有效纤维长度的屈曲变形理论揭示了压缩回弹机理。结果表明, 煅烧温度影响SiO₂纳米纤维的非晶结构和柔性, 随着煅烧温度升高, SiO₂的短程有序度增加, 导致纤维柔性变差。SiO₂纤维气凝胶的压缩回弹性与固含量密切相关。0.5%(质量分数)固含量的气凝胶表现出较好的压缩回弹性, 能量损失系数为0.6, 压缩回弹率为55.2%。气凝胶的压缩回弹性取决于有效纤维长度和纤维最小曲率半径, 基于纤维屈曲变形理论和实验结果建立并验证了三者之间的压缩回弹模型。纤维柔性越好, 屈曲变形时的曲率半径越小, 并且有效纤维长度越长, 气凝胶的压缩回弹率越高。本研究为高回弹性SiO₂纤维气凝胶的设计与制备提供了理论指导。

CeO₂-ZrO₂固溶体的制备一般通过化学沉淀和高温焙烧两步完成, 但是在高温条件下, 纳米晶粒容易聚集长大, 导致其比表面积降低, 进而削弱了其吸附和催化性能。本研究通过简单的一步醇热法制备出高比表面积的纳米CeO₂-ZrO₂固溶体, 避免了高温焙烧对晶粒长大和比表面积降低的影响。采用不同手段对制备的CeO₂-ZrO₂固溶体的晶体结构、微观形貌以及热稳定性进行表征, 并测试其除砷(As)性能。结果表明, 本研究制备的纳米CeO₂-ZrO₂固溶体晶粒发育完整, 粒子纯度高、分散性好, 对水中As(III)具有良好的吸附效果。其中, Ce_0.8Zr_0.2O₂样品在As(III)平衡溶度为95 mg/L时的饱和吸附量可达163 mg/g, 高于纯CeO₂和ZrO₂样品, 也远高于采用传统焙烧法制备的CeO₂-ZrO₂固溶体, 并且该吸附材料在pH 3~9范围内一直保持较高的As(III)去除率以及良好的耐酸碱性能。吸附机理研究表明, 溶液中As(III)离子与Ce_0.8Zr_0.2O₂固溶体表面金属离子形成配位键, 该过程属于化学吸附。

MgAgSb在近室温区间(300~573 K)表现出良好的热电性能, 近年来成为p型材料的重点研究对象。由于原子掺杂水平较低, 仅采用掺杂手段优化载流子浓度, 热电性能的增幅有限。本研究选择在MgAg_0.97Sb_0.99基体材料中分别引入Nb和Ta纳米第二相, 通过高能球磨机械合金化的方法制备了xNb/MgAg_0.97Sb_0.99和yTa/MgAg_0.97Sb_0.99两种系列合金。引入Nb纳米第二相显著改变了材料的载流子和声子输运特性。0.005Nb/MgAg_0.97Sb_0.99合金中由于存在纳米第二相Nb, 其特殊的微观结构优化了电学性能, 该合金在533 K时的最高功率因子为24.1 μW·cm^-1·K^-2。同时, 引入的Nb第二相增加了声子散射, 从而显著降低了热导率, 最终0.005Nb/MgAg_0.97Sb_0.99样品的热电优值(zT)在483 K时达到最大1.09, 相较于MgAg_0.97Sb_0.99样品提升了9.0%。此外, 在MgAg_0.97Sb_0.99样品中引入Nb的同族元素Ta, 其产生的影响与Nb近似, 0.005Ta/MgAg_0.97Sb_0.99样品在483 K时zT达到1.02。本研究展示了一种有效的纳米复合策略, 能够优化热电输运性能并提高p型MgAg_0.97Sb_0.99的热电性能。

钠离子电池(SIBs)具有低廉的成本和良好的安全性, 在储能领域极具发展前景, 有望替代锂离子电池。P2型Ni/Mn基氧化物具有高理论容量和宽工作电压的优点, 然而, 高压下P2-O2相变和Jahn-Teller畸变严重影响了循环可逆性和结构稳定性。针对上述问题, 本研究通过高温固相法制备了不同Al掺杂量的P2型Na_0.8Ni_0.33Mn_0.67-xAl_xO₂, 并将其用作SIBs正极材料, 表征了它们的形貌、成分、元素价态和结构特征。研究发现, Al掺杂增强了金属-氧键(M-O键), 增大了Na层距离, 有助于Na⁺扩散和结构稳定。电化学性能测试结果表明, Al掺杂可以抑制高压相变, 触发Mn的电化学活性, 降低电荷转移电阻, 从而增强材料的电化学性能。其中, Na_0.8Ni_0.33Mn_0.62Al_0.05O₂正极表现出最佳的循环性能, 在2.0~4.2 V范围内和0.1C(1C=200 mA·g^-1)条件下循环200 次后容量保持率为87.3%, 并且具有良好的倍率性能, 在2.0~4.2 V范围内和2C条件下放电比容量达到100.9 mAh·g^-1。

石榴石型固态电解质(LLZTO)具有高离子电导率、宽电化学稳定窗口等优点, 近年来受到了广泛关注。但LLZTO存在与金属锂负极浸润性差、循环过程中锂枝晶生长严重等问题, 限制了其大规模应用。本研究通过熔融金属Li和AlF₃, 制备了含氟化物(LiF、AlF₃)和Li-Al合金的复合负极(LAF)。元素分布分析表明LAF复合负极与LLZTO电解质接触后, 在界面处形成氟化物。与金属Li相比, 该复合负极能与LLZTO形成较小的界面接触角, 使得界面浸润性显著提升。改性后的LAF3复合负极(Li与AlF₃质量比3 : 1)与LLZTO的界面电阻仅为3.9 Ω/cm², 远小于金属Li负极与LLZTO的界面电阻(138.6 Ω/cm²); 同时, 临界电流密度从0.2 mA/cm²提升至0.8 mA/cm²。组装的LAF3|LLZTO|LAF3对称电池在0.2 mA/cm²电流密度下能稳定沉积/剥离3500 h, 表明LLZTO|LAF3界面处具有稳定的锂离子沉积/剥离过程。LiFePO₄|LLZTO|LAF3准固态电池在0.1C(1C=170 mA/g)电流密度下实现了151.1 mAh/g的放电比容量, 且在1C电流密度下循环240圈后, 容量保持率高达96.5%。本研究提出的LAF复合负极有效降低了LLZTO|负极的界面电阻, 并显著提升了锂离子在界面处的沉积/剥离稳定性, 为高性能LLZTO基金属锂电池提供了新的设计思路。

在光电子器件领域, 具有可控电学参数的p型透明半导体材料具有重要的应用价值。但以CuI为代表的该类材料在制备工艺与掺杂调控方面仍存在显著技术瓶颈。本研究通过锰阳离子掺杂, 成功制备出具有可调电学特性的新型p型透明半导体材料, 为透明电子学发展提供了新思路。采用反应磁控溅射技术制备的Cu_1-xMn_xI固溶体薄膜展现出独特的性能优势。首先, 该材料可以在室温条件下制备, 并保持优异的可见光透明性。其次, 随着锰掺杂量(x)的增加, 薄膜晶粒尺寸逐渐减小, 并且出现明显的晶粒团聚现象。通过X射线光电子能谱分析, 揭示了薄膜中锰离子以Mn²⁺和Mn³⁺混合价态存在。电学性能表征显示, 薄膜电阻率可在0.017~2.5 Ω·cm区间实现两个数量级的可控调节, 同时空穴载流子浓度稳定维持在10¹⁸~10¹⁹ cm^-3较高数量级。与传统n型半导体掺杂规律不同, 引入高价态锰离子未显著影响材料的p型导电特性, 这可能源于锰取代亚铜离子后形成的非完全离域电子态。本研究表明CuI半导体的空穴导电特性不易受高价锰离子掺杂的影响, 有望在保持良好p型导电性的情况下在较大范围内实现材料组分的宽域调控, 为开发CuI基多功能透明电子器件提供了重要材料基础。

宽带增透膜在透镜和太阳能电池等领域具有广泛应用, 其中多孔结构增透膜表现出巨大潜力。本工作研究了一种由原子层沉积(ALD)法制备的多孔SiO₂折射率梯度减反射膜。通过磷酸刻蚀Al₂O₃/SiO₂多层膜, 得到具有渐变孔隙率的多孔SiO₂膜, 折射率从衬底到表面逐渐降低。在320~1200 nm波长范围内, 薄膜的平均透过率达97.8%。利用稀土氧化物La₂O₃表面改性, 薄膜表面形成荷叶状疏水结构, 水接触角为100.0°, 在保持薄膜透过率的同时显著提高了疏水自清洁能力。改性薄膜在擦拭测试后未受到破坏, 表明其具有优异的表面耐久性, 而且环境适应性得到明显增强。

Y₃Al₂Ga₃O₁₂:Ce³⁺,Cr³⁺(YAGG:Ce³⁺,Cr³⁺)作为长余辉发光材料, 具有初始发光强度高和余辉时间长的优点, 在长余辉发光材料应用中具有广阔的前景。目前, YAGG:Ce³⁺,Cr³⁺粉体具有良好的余辉性能, 但陶瓷的余辉性能还有待进一步优化。本工作通过固相反应及空气预烧结、热等静压烧结(HIP)后处理和空气退火制备了不同Cr³⁺掺杂浓度的(Y_0.998Ce_0.002)₃(Al_1-xCr_x)₂Ga₃O₁₂陶瓷, 研究了Cr³⁺掺杂浓度对陶瓷的微观结构、光学性能和余辉性能的影响。结果表明, 随着Cr³⁺掺杂浓度从0.025%增加到0.2%(原子百分数), 预烧结陶瓷或HIP后处理陶瓷的微观结构没有明显变化, 但陶瓷的直线透过率逐渐增加, 余辉性能逐渐下降。其中, 掺杂了0.025% Cr³⁺的YAGG:Ce³⁺,Cr³⁺陶瓷经过空气预烧结结合HIP后处理和空气退火后, 具有超过6055 mcd/m²的最强初始发光强度和1030 min的最长余辉时间。本工作通过优化Cr³⁺掺杂浓度和制备工艺, 使得YAGG:Ce³⁺,Cr³⁺陶瓷的长余辉发光(PersL)性能得到明显提升。