连续SiC纤维增强SiC(SiC_f/SiC)复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐辐照等优点, 在先进航空发动机热端部件和核反应堆包壳等领域具有广阔的应用前景。SiC_f/SiC复合材料具有纤维、界面、基体等复杂的多尺度结构, 其服役环境苛刻、损伤失效过程复杂, 深刻理解与准确分析其在近服役环境下损伤失效模式对于材料和构件的可靠服役具有重要意义。传统的“事后分析”方法无法获取材料在复杂服役环境下的损伤失效过程数据, 因此迫切需要发展面向高温服役环境的复合材料原位表征测试技术。本文介绍了基于扫描电子显微镜、数字图像相关、显微计算机断层扫描、声发射、电阻等原位监测方法的基本原理、优势与局限性, 重点讨论了以上各种原位监测方法及多种原位监测方法联用在SiC_f/SiC复合材料高温环境力学表征中的最新研究进展。最后, 总结了SiC_f/SiC复合材料高温环境原位监测技术存在的挑战, 并对多种原位技术联用、太赫兹辐射等新型检测技术、复杂构件的损伤原位监测方法等未来发展方向进行了初步展望。

热致变色智能窗是通过在玻璃上沉积温度刺激响应型材料, 实现根据环境温度调控窗户玻璃的太阳光透过率, 减少建筑物能耗的节能窗户。二氧化钒(VO₂)是一种典型的热致相变材料, 在~68 ℃发生金属-绝缘体相变, 相变前后伴随光学性能的显著变化, 在智能窗等多个领域有潜在的技术应用。然而, 当前VO₂基热致变色智能窗的应用仍存在着相变温度(τ_c)偏高、可见光透过率(T_lum)低和太阳能调节效率(ΔT_sol)不足等问题, 无法满足实际建筑节能的需求。为了解决这些问题, 研究人员开展了广泛而深入的工作。化学气相沉积法(Chemical vapor deposition, CVD)能够以合理的成本生产高质量、大面积的VO₂薄膜, 受到研究者青睐。本文总结了近年来利用CVD技术制备VO₂薄膜的研究进展, 系统介绍常压化学气相沉积、气溶胶辅助化学气相沉积、低压化学气相沉积、金属有机物化学气相沉积、原子层沉积和等离子体增强化学气相沉积等CVD工艺, 分析了反应物种类及比例、反应温度、压力、载体流量等因素对VO₂薄膜质量的影响, 并结合元素掺杂、纳米复合薄膜、多层膜结构等对VO₂薄膜的性能调控与优化进行总结, 最后对未来等离子体增强化学气相沉积制备VO₂薄膜的研究前景做出展望。

氨不仅是合成化肥的主要原料之一, 而且是一种高能量密度的新型燃料。近年来, 电催化硝酸盐还原合成氨作为一种绿色可持续的合成途径, 具有能源利用率高、碳排放量低等特点, 因此受到了广泛关注, 有望替代高能耗和高碳排放的Haber-Bosch法来高效合成氨。然而, 目前该技术的反应效率、产物选择性以及催化材料稳定性都难以满足应用需求, 迫切需要寻找高效的催化材料, 从而促进电催化硝酸盐还原合成氨技术的进一步发展。近年来, 金属氧化物催化材料在电催化硝酸盐还原合成氨领域展现出良好的催化性能。基于此, 本文综述了金属氧化物电催化硝酸盐还原合成氨的研究进展, 重点概述了电催化硝酸盐还原合成氨的反应机理, 系统介绍了用于电催化硝酸盐还原合成氨的Cu基、Fe基和Ti基等典型催化材料, 以及通过形貌调控、表面重构、氧空位构造、元素掺杂和金属助催化材料负载等策略提高催化反应效率、产物选择性及催化材料稳定性的最新研究进展。最后, 展望了电催化硝酸盐还原合成氨领域面临的挑战及未来的研究方向。

陶瓷基复合材料与环境障碍涂层组合(CMC-EBC)是目前航空航天领域最具应用前景的热结构材料体系。本文对CMC-EBC失效机理与分析模型的研究进展进行综述。首先, 简要回顾了CMC-EBC材料体系的发展及主要制备工艺。然后, 综述了CMC-EBC在服役环境下的主要损伤模式与失效机理, 总结发现CMC预制体结构、孔洞缺陷和EBC内裂纹等损伤演化相互影响, 这种细观损伤模式的耦合是决定其寿命的关键因素之一, 但目前的机理研究主要集中于涂层本身性能及其受环境因素的影响, 缺乏对涂层和复合材料编制结构在损伤演化过程中协同效应的考虑。接下来, 详细分析了CMC-EBC的失效模拟与预测模型研究的历史与现状, 指出其中存在的问题, 包括环境因素建模方法和损伤耦合演化模拟技术。目前大部分工作致力于分别开发CMC和EBC的失效模型, 而对于CMC-EBC构件的失效预测应考虑其损伤演化与微观结构之间的相互耦合影响。最后, 对CMC-EBC材料体系研发与服役性能预测方法进行了展望, 认为CMC本体和EBC失效模式相互耦合, 开展结构功能一体化设计和分析是CMC-EBC构件研究的趋势。

半导体材料是现代科技发展和产业革新的核心, 随着高频、高压、高温、高功率等工况的日趋严峻及“双碳”目标的需要, 以新型碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料逐步进入工业应用。半导体产业的贯通以及市场规模的快速扩大, 导致摩尔定律正逐渐达到极限, 先进封装互连将成为半导体行业关注的焦点。第三代半导体封装互连材料有高温焊料、瞬态液相键合材料、导电胶、低温烧结纳米Ag/Cu等几个发展方向, 其中纳米Cu因其优异的导电导热性、低温烧结特性和良好的可加工性成为一种封装互连的新型方案, 具有低成本、高可靠性和可扩展性, 近年来从材料研究向产业链终端应用贯通的趋势非常明显。本文首先介绍了半导体材料的发展概况并总结了第三代半导体封装互连材料类别; 然后结合近期研究成果进一步围绕纳米Cu低温烧结在封装互连等电子领域中的应用进行重点阐述, 主要包括纳米铜粉的粒度、形貌、表面处理和烧结工艺对纳米铜烧结体导电性能和剪切性能的影响; 最后总结了目前纳米铜在应用转化中面临的困境和亟待解决的难点, 并展望了未来的发展方向, 以期为低温烧结纳米铜领域的研究提供参考。

CaTiO₃是一种新兴的高温氧化物热电材料, 但多种元素掺杂对其微观结构与热电性能的影响规律尚不清晰。本研究采用水热法结合真空热压烧结分别制备了Cr、Nb、Eu、Dy、Ce与La六种不同元素掺杂的CaTiO₃多晶块体样品。Cr掺杂导致大量纳米级Cr相析出, 由于基体中施主元素含量过低, 功率因子严重损失, 其ZT仅为0.012(983 K)。Eu掺杂并未为基体提供施主载流子, 导致ZT提升不明显, 仅为0.141(1031 K)。Nb掺杂导致高热导的微米级Nb相析出, 热导率上升, 但基体中Nb含量较多为基体提供了载流子, 使其ZT有明显改善, 达到0.263(1013 K)。Dy、Ce与La掺杂则既提供载流子又作为点缺陷散射声子, 既提高了功率因子又降低了晶格热导率, 极大地提升了热电性能, ZT在1031 K分别达到0.357、0.398、0.329, 比纯CaTiO₃(0.096)分别提升了296%、342%、265%。其中, Dy掺杂的样品在整个温度测试范围内具有最低的晶格热导率和较高的功率因子, 通过调控Dy含量与晶界处富集第二相的含量, 可以解耦电和热传输性能, 有望刷新目前CaTiO₃的ZT记录。本研究揭示了多种元素掺杂条件下CaTiO₃的成分-结构-性能联系, 为其在高温热电领域的应用提供了理论支撑。

连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高强韧、耐氧化的特性, 现已成为航空航天领域重要的高温结构候选材料。反应熔渗法可实现陶瓷基复合材料的大规模、短周期和低成本制备, 是目前最具有商业化前景的技术之一。然而, 传统反应熔渗法制得陶瓷基复合材料存在着基体碳残留、纤维刻蚀等问题, 导致材料力学与氧化-烧蚀性能不佳。为突破传统碳基体陶瓷化程度低的局限性, 相关研究人员采用碳基体孔结构构筑方法, 通过多孔碳基体取代传统熔渗预制体中致密碳基体, 以促进碳基体的陶瓷化转变及反应熔体的消耗, 进而实现陶瓷基复合材料的性能优化。本综述介绍了采用多孔碳陶瓷化策略制备SiC陶瓷、SiC/SiC复合材料、C/SiC复合材料及超高温陶瓷基复合材料的相关研究进展, 并且通过与传统反应熔渗法对比, 验证了多孔碳陶瓷化策略的优势, 同时总结了相关多孔碳基体制备方法的发展演变过程, 最后针对先进陶瓷基复合材料的基础理论与工艺技术需求, 对多孔碳陶瓷化改进反应熔渗法的未来发展方向进行了展望。

光伏切割硅废料——硅泥, 因其低成本、二维片状结构和高比容量(4200 mAh·g^-1)的优势成为300 Wh·kg^-1以上高能量密度储能电池核心硅碳负极材料的理想原料之一。然而, 硅泥存在成分复杂、粒径较大、导电性差、稳定性低和电化学性能差的问题, 需要进行系统改性处理。本文综述了硅泥在锂离子电池中的应用研究进展。首先, 分析了硅泥中金属杂质和非金属杂质对电池性能的重要影响。其中金属杂质可通过磁选和酸洗去除, 非金属杂质可通过液-液萃取和热处理去除。其次, 详细阐述了纯化后硅泥的原始性能和改性方法。通过硅泥纳米化可以抑制其膨胀, 其中包括研磨、刻蚀、电热冲击和合金-脱合金等方式; 通过直接元素掺杂硅和掺杂硅表面碳层来提高导电性; 通过构建惰性层、导电层和一定作用的官能团等表面改性提高稳定性; 还可以通过硅碳复合获得稳固的机械支撑和保护。最后, 提出了基于硅泥为原料的硅基负极面临的挑战和研发方向, 展望了未来发展前景, 旨在为硅泥变废为宝提供参考, 推动高能量密度锂离子电池快速发展。

微波等离子体化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)技术是制备大尺寸、高品质单晶金刚石的理想途径, 然而MPCVD单晶金刚石生长过程的复杂性与晶体生长需求的多样性难以对生长过程进行优化设计。针对此问题, 本研究提出了一种基于等离子体诊断技术的MPCVD单晶金刚石生长的系统性设计方法, 采用等离子体成像和光谱分析对微波等离子体进行量化诊断。并利用自主研发的MPCVD设备, 研究了腔室压力-微波功率-等离子体性状-衬底温度间的物理耦合特性和量化关系, 得到了不同参数下的等离子体有效长轴尺寸、基团浓度和分布、能量密度等数据, 以实验观测数据为基础拟合得到了单晶金刚石生长工艺图谱。根据此工艺图谱, 可以通过选择生长温度和所需生长面积来选取工艺参数, 且通过实验验证, 表明此图谱具有较强的指导意义, 预测参数误差小于5%。同时根据该图谱的预测, 研究了不同等离子体能量密度下的单晶金刚石生长情况, 在较低功率下(2600 W)也得到了较高的能量密度(148.5 W/cm³), 含碳前驱体的浓度也高于其他工艺条件, 因而获得了较高的生长速率(8.9 μm/h)。此套方法体系可以针对不同单晶金刚石生长需求进行有效的等离子体调控和工艺优化。

超高温陶瓷(Ultra-high Temperature Ceramic, UHTC)结构材料因其在1600 ℃以上氧化环境中表现出优异的抗氧化/烧蚀性能、高温强度保持率和抗热冲击性能, 成为航空航天、国防装备、能源动力等领域的重要候选材料。近年来, 围绕UHTC结构材料的成分调控、微观结构设计、先进制备工艺以及性能优化等方面, 基础研究和技术应用均取得了显著进展。以碳化物、硼化物、氮化物等为代表的UHTC体系, 正面临着温度更高、环境更复杂的服役需求。为进一步推动极端环境用UHTC结构材料的发展, 本文系统综述了该领域的最新研究进展。首先, 详细阐述了UHTC粉体的合成工艺; 其次, 深入探讨了超高温结构陶瓷的体系、致密化方法及结构调控策略; 继而重点分析了超高温陶瓷基复合材料(Ultra-high Temperature Ceramic Matrix Composites, UHTCMCs)、超高温陶瓷改性碳/碳复合材料(Ultra-high Temperature Ceramics Modified Carbon/Carbon Composites, UHTCs-C/C)以及UHTC涂层的制备技术及其性能强化策略, 着重探讨了其在抗氧化/烧蚀领域的最新突破。同时, 本文还指出了极端环境下UHTC结构材料在长期稳定性和可靠性方面面临的主要技术挑战, 并对其未来发展趋势进行了前瞻性展望。

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)以其优异的力学和电学性能, 在多个领域展示出巨大的应用前景。近年来, 高性能MXenes纳米复合材料(包括一维纤维、二维薄膜和三维块体)的研究取得了显著进展, 但其力学性能仍远低于MXenes纳米材料的本征力学性能, 这主要归因于MXenes纳米复合材料中存在的孔隙缺陷、MXenes纳米片取向度低以及界面相互作用弱等关键科学问题。针对上述问题, 本文首先讨论了MXenes纳米材料的本征力学性能, 总结讨论了不同类型高性能MXenes纳米复合材料的发展历程, 并介绍了高性能MXenes纳米复合材料的最新研究进展, 包括如何消除孔隙缺陷、提高MXenes纳米片的取向度以及增强界面相互作用。同时, 介绍了高性能MXenes纳米复合材料在电热、热伪装、电磁屏蔽、传感以及储能等领域的应用。最后, 梳理了高性能MXenes纳米复合材料存在的挑战, 并展望了未来的发展方向。

太阳能作为自然界中丰富的可持续清洁能源, 可以在解决当前能源短缺问题的同时有效减少因过度消耗化石燃料造成的环境污染问题。近年来, 第三代新型薄膜太阳能电池, 如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)等, 凭借其原料丰富、制造成本低廉和光电性能良好等优点而受到广泛关注。然而, 新型薄膜太阳能电池器件的电荷传输性能和运行稳定性与正式商用的要求仍有一定差距。二维MXene材料具有比表面积高、表面官能团丰富、导电性优良、功函数可调和亲水性等优点, 已成为能源转换领域的研究热点。鉴于此, 本文在综述二维MXene材料的结构、光学和电学特性的基础上, 阐述了近些年二维MXene材料应用于新型薄膜太阳能电池的研究进展, 并重点探讨了二维MXene材料增强太阳能电池光电性能的机制。二维MXene材料可通过作为钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层和电荷传输层的添加剂、修饰染料敏化太阳能电池的光电阳极和制备电极, 来调整能带对齐、降低功函数、拓宽吸光范围和形成“柱撑效应”, 有效改善器件的光吸收效率、载流子迁移率和电荷提取能力, 从而提升器件的光电性能和稳定性。最后, 结合目前的研究进展, 对二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的发展前景及面临的挑战提出了建议。

类脑神经形态计算通过电子或光子器件集成来模拟人脑结构和功能。人工突触是类脑系统中数量最多的计算单元。忆阻器可模拟突触功能, 并具有优异的尺寸缩放性和低能耗, 是实现人工突触的理想元器件。利用欧姆定律和基尔霍夫定律, 忆阻器交叉阵列可执行并行的原位乘累加运算, 从而大幅提升类脑系统处理模拟信号的速度。氧化物制备容易, 和CMOS工艺兼容性强, 是使用最广泛的忆阻器材料。本文梳理了氧化物忆阻器的研究进展, 分别讨论了电控、光电混合调控和全光控忆阻器, 主要聚焦阻变机理、器件结构和性能。电控忆阻器工作一般会产生微结构变化和焦耳热, 将严重影响器件稳定性, 改进器件结构和材料成分可有效改善器件性能。利用光信号调控忆阻器电导, 不仅能降低能耗, 而且可避免产生微结构变化和焦耳热, 从而有望解决稳定性难题。此外, 光控忆阻器能直接感受光刺激, 单器件即可实现感/存/算功能, 可用于研发新型视觉传感器。因此, 全光控忆阻器的实现为忆阻器的研究和应用打开了一扇新窗口。

构建异质结能够有效抑制光催化剂中光生电子和空穴的快速复合。本研究采用水热法、煅烧法以及溶剂热法合成了II/Z型Bi₂MoO₆/Ag₂O/Bi₂O₃异质结光催化剂, 利用不同研究手段分析材料的组成、形貌以及光电化学性能。结果发现, 复合材料的最佳组成为25%ABOBM (Ag₂O/Bi₂O₃和Bi₂MoO₆的质量比为1 : 4)。在可见光照射下25%ABOBM对四环素(TC)的降解效率可达85.6%, 明显高于Ag₂O/Bi₂O₃和Bi₂MoO₆, 而且三次循环实验后仍具有良好的稳定性。25%ABOBM光催化性能的提高可归因于Ag₂O、Bi₂O₃以及Bi₂MoO₆之间异质结的构建和特殊形貌的形成。自由基捕获实验和电子顺磁共振谱(EPR)结果表明, h⁺和·O₂^-在TC的降解过程中发挥着主要作用, 而·OH和¹O₂发挥着次要作用。实验还探索了相关光催化机理, 并利用液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)对TC可能的降解路径进行了分析。本研究为双异质结光催化剂的制备及其在有机污染物降解应用方面提供了新的思路。

相比于第一代和第二代半导体材料, 第三代半导体材料具有更高的击穿场强、电子饱和速率、热导率以及更宽的带隙, 更适用于制备高频、大功率、抗辐射、耐腐蚀的电子器件、光电子器件和发光器件。氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表之一, 是制作蓝绿激光、射频微波器件和电力电子器件的理想衬底材料, 在激光显示、5G通信、相控阵雷达、航空航天等领域具有广阔的应用前景。氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy, HVPE)方法因生长设备简单、生长条件温和和生长速度快而成为制备GaN晶体的主流方法。由于普遍使用石英反应器, HVPE法生长获得的非故意掺杂GaN不可避免地存在施主型杂质Si和O, 使其表现出n型半导体特性, 但载流子浓度高和导电率低限制了其在高频大功率器件中的应用。掺杂是改善半导体材料电学性能最普遍的方法, 通过掺杂不同掺杂剂可以获得不同类型的GaN单晶衬底, 提高其电化学特性, 从而满足市场应用的不同需求。本文介绍了GaN半导体晶体材料的基本结构和性质, 综述了近年来采用HVPE法生长高质量GaN晶体的主要研究进展; 对GaN的掺杂特性、掺杂剂类型、生长工艺以及掺杂原子对电学性能的影响进行了详细介绍。最后简述了HVPE法生长掺杂GaN单晶面临的挑战和机遇, 并展望了GaN单晶的未来发展前景。

近年来, 有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池以其优异的性能和低廉的制造成本受到了广泛关注。然而, 其含有铅元素的毒性以及稳定性阻碍了进一步商业化应用。双钙钛矿材料Cs₂AgBiBr₆具有稳定性优异、毒性低、载流子寿命长和载流子有效质量小的优势, 是一种颇具潜力的光伏材料, 已被应用于太阳能电池并展现出良好的性能。但是Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池的光电转换效率还无法与有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池相媲美, 发展仍面临诸多挑战。本文首先介绍了Cs₂AgBiBr₆的晶体结构及容忍因子等结构参数; 然后介绍了溶液法、反溶剂辅助成膜法、气相法、真空辅助成膜法以及喷涂法等薄膜制备工艺的进展, 评述了各种薄膜制备工艺的优缺点; 接着从元素掺杂、添加剂工程及界面工程(界面能级匹配和界面缺陷钝化)三方面介绍了Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池的性能优化策略, 结合近年来的研究进展进行了评述; 最后指出Cs₂AgBiBr₆钙钛矿太阳能电池面临的挑战, 并从前驱体溶剂工程、带隙工程以及器件降解机理三方面展望了未来研究方向。

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti₃C₂T_x是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

为了应对能源供应紧张和环境保护的挑战, 探索和开发高效催化剂成为解决能源和环境问题的关键策略。单原子催化剂(Single-atom catalysts, SACs)作为近年来新兴的催化剂类型, 其独特的性质吸引了科研界的广泛关注。金属以单原子的形式负载在载体表面, 实现了电子、几何结构的特殊性以及原子利用率的最大化。在能源催化、环境催化、有机催化等多个领域, SACs都表现出优异的活性、选择性和稳定性, 为相关催化反应提供了强有力的支撑。更重要的是, SACs在贵金属利用方面展现出巨大的潜力。通过精确调控可以最大限度地提高贵金属的催化效率, 进而降低催化剂制造成本。因此, SACs的制备方法和作用机理成为国际催化领域的研究热点。本文综述了SACs的合成策略, 包括自下而上、自上而下和量子点交联/自组装, 具体介绍了共沉淀法、浸渍法、原子层沉积(Atomic layer deposition, ALD)法、高温原子热迁移法和高温热解法等制备SACs的研究进展, 并对SACs制备面临的挑战和未来前景进行了总结和展望。

有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池具有制备成本低、光电转换效率(Photoelectric Conversion Efficiency, PCE)高的巨大优势, 显示出广阔的商业化前景。经过十几年的深入研究, 钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cells, PSCs)的实验室器件(<1 cm²)、大面积器件(1~10 cm²)、迷你模组级器件(10~800 cm²)和模组级器件(>800 cm²)的最高认证PCE已分别提升至26.10%、24.35%、22.40%和18.60%。随着PSCs面积扩大, PCE急剧下降, 这主要是因为制备方法的局限性，难以获得高质量的大面积钙钛矿薄膜。实验室器件常采用的旋涂法难以应用到实际生产中, 目前大面积钙钛矿薄膜的制备方法主要有刮涂法和狭缝涂布法, 但其存在薄膜成核结晶过程难以精确控制等问题。本文从大面积有机-无机杂化钙钛矿薄膜的制备方法入手, 介绍了大面积钙钛矿层成膜机制及薄膜质量提升策略。最后, 对未来高PCE、高稳定性的大面积PSCs的制备技术和应用进行了展望, 旨在对高性能的大面积PSCs研究提供有益参考。

为进一步拓展先进陶瓷材料在直升机结构领域的应用, 本文对国内外直升机结构用先进陶瓷材料进行了审视和回顾, 重点关注直升机能量冲击防护部位、能量转换部件及腐蚀防护区域等特定结构部位用各类先进陶瓷材料, 对比分析国内外先进陶瓷材料在直升机上述特定结构部位的应用差距, 并提出未来发展建议。高速动态冲击能量防护部位应发展反应烧结曲面一体化成型的非透明装甲陶瓷材料和多晶透明装甲陶瓷材料, 低能量冲击防护部位应发展与环氧树脂基基材兼容的金属陶瓷复合涂层, 热能冲击防护部位应发展陶瓷基/树脂基混杂复合材料(Hybrid Ceramic Matrix Composite/Polymer Matrix Composite, HCMC-PMC), 机械能与电能转换部件应发展以高性能微型压电陶瓷薄膜功能器件及柔性混合电子结构复合材料为代表的多功能复合材料, 电磁能与热能转换部件应发展与环氧树脂基复合材料兼容的纤维增强吸波陶瓷基复合材料, 腐蚀防护区域应发展高性能耐磨腐蚀防护用溶胶-凝胶涂层。同时, 应大力构建直升机装备高速动态能量冲击防护机理及防护材料抗弹击性能优化机制, 并发展垂直起降飞行器多功能复合材料数字试验验证技术, 以显著缩短先进陶瓷材料的研发及装机应用周期并降低验证成本。

碳化物超高温陶瓷具有高熔点(>3000 ℃)、高硬度、低热导率、优异的耐高温性和良好的化学稳定性等优点, 是高超声速飞行器热防护系统的理想涂层材料。本文概述了碳化物超高温陶瓷(TiC、ZrC、HfC、NbC、TaC)的结构与性质, 总结了化学气相沉积法、等离子喷涂法和固相反应法制备碳化物超高温陶瓷涂层的研究进展, 分析了涂层微观结构、组分、结构设计以及热流密度对烧蚀行为的影响。研究表明, 添加第二相形成多元复合涂层和采用多层结构设计, 可以有效提升碳化物超高温陶瓷涂层的抗烧蚀性能。添加第二相形成复杂氧化物, 可使烧蚀后的氧化层适度烧结, 从而获得良好的结构完整性和阻氧性能。采用梯度分层和多层功能结构设计, 有效缓解了涂层热应力, 抑制了裂纹扩展, 并促进了不同层间的协同增强作用。最后, 结合研究现状, 对碳化物超高温陶瓷抗烧蚀涂层发展面临的挑战与机遇进行了展望。

SiC陶瓷具有高强度和良好的热稳定性, 在航空航天、热端部件等领域有着广泛的应用前景。随着对大尺寸和复杂形状SiC陶瓷需求的日益增长, 3D打印技术在制造周期、成本及可靠性等诸多方面明显优于传统减材、等材制造方法, 越来越受到重视。3D打印方法众多, 各具特点: 立体光刻(Stereolithography, SLA)技术可以实现高精度和优良的表面质量, 但实际操作中往往需要设计支撑结构, 再加上残余应力和低固含量等问题, 极大限制了其发展; 激光选区烧结(Selective laser sintering, SLS)技术具有较强的材料普适性, 适用于高分子、金属和陶瓷等多种材料, 可实现大尺寸快速成形, 且制造成本较低, 但其成形素坯表面质量较低, 需进行后续加工; 熔融沉积(Fused deposition modeling, FDM)技术制备的SiC陶瓷材料可借助反应烧结实现致密化, 但成形素坯存在层间结合强度低、表面有较明显条纹等缺陷, 并且成形速度相对较慢, 不适合构建大型零件, 因此在实际生产中受到限制。本文综述了近五年来3D打印SiC陶瓷的最新研究进展, 讨论了成形素坯的后续高温致密化处理方法及其基本物理性能, 并展望了3D打印SiC陶瓷材料的未来前景。新型3D打印技术及其与多种打印方式的融合将在陶瓷宏微观结构的精细化中发挥重要作用, 或将成为未来的重要发展趋势。

室内甲醛污染已成为影响人类生命健康的重要问题之一。以氧气为氧化剂的催化氧化甲醛技术以其条件温和、无毒副产物等优势而受到广泛关注, 但是开发经济高效的催化材料仍然面临巨大的挑战。本工作通过一步水热法制备了α-Ni(OH)₂, 并研究了其催化氧化甲醛机理。测试结果表明, 以水为溶剂、硝酸镍为镍源制备的α-Ni(OH)₂在室温下催化氧化甲醛效率最高, 达到71.2%。原位红外和理论计算分析发现, 由于α-Ni(OH)₂表面丰富的羟基官能团, 吸附的甲醛与α-Ni(OH)₂表面羟基之间存在强烈的相互作用, 增强了对甲醛的活化, 在无氧气条件下实现了甲醛氧化。另一方面, 不同条件处理的α-Ni(OH)₂的XPS分析证实了催化氧化甲醛的活性位点为Ni³⁺, 且氧气可加速Ni³⁺活性位点的回复。α-Ni(OH)₂表面羟基协同活性位点Ni³⁺促进了甲醛的催化氧化, 这与传统氧气解离为速控步的甲醛氧化反应路径明显不同。本研究提出了表面羟基协同活性位点促进甲醛氧化的反应机理, 为催化氧化甲醛技术的实际应用提供了理论基础。

单结太阳电池的能量转换效率从根本上受限于Shockley-Queisser(S-Q)理论极限, 二端叠层结构可同时解决单结器件中面临的光谱失配和热弛豫能量损耗问题, 是突破S-Q极限最有前途的实用技术。二端叠层太阳电池中的复合层作为中间层的重要组分, 为来自两侧的电子和空穴提供复合位点, 避免了电荷堆积造成的开路电压损失并促进了电流流通, 是实现高性能叠层器件的关键因素之一。理想的复合层应具有较高电导率以提高电荷复合速率、高光学透过率以保证后结子电池的有效光吸收、良好的化学稳定性以降低溶剂对子电池的溶解伤害以及较低的制备成本以推动叠层电池的商业化生产进程。目前已有多种材料被应用于二端叠层太阳电池中, 如薄金属、透明导电氧化物、导电聚合物、氧化石墨烯等, 在钙钛矿-钙钛矿、钙钛矿-有机、钙钛矿-晶硅叠层器件中发挥了重要作用。本文归纳了不同类型叠层太阳电池复合层的研究进展, 系统介绍了复合层的种类、设计原则、制备工艺等, 对比其优缺点并提出了复合层目前存在的问题和面临的挑战, 为制备高效叠层电池提供了有益参考。

Al₂O₃-TiC_p(AT)复相陶瓷材料以其优异的综合力学性能而被广泛用作金属切削刀具材料。针对AT材料传统烧结方法在能耗及周期方面的局限, 本工作利用激光定向能量沉积技术开展了AT复相陶瓷材料直接增材制造的研究, 系统探讨了不同TiC_p比例对复相陶瓷材料微观结构和力学性能的影响。结果表明TiC_p颗粒均匀分布在成型样件的基体中, 掺杂TiC_p细化了Al₂O₃晶粒。同时, 由于TiC_p与Al₂O₃基体的热膨胀失配引起裂纹出现偏转、贯穿颗粒等现象, 消耗了裂纹扩展能量, 进而有效抑制了AT材料直接增材过程中的裂纹扩展行为。掺杂TiC_p颗粒对熔池形成冲击, 在一定程度上加快了气体的逸出速率, 进而提高了材料的相对密度。但TiC_p含量过高将加剧其与Al₂O₃基体在高温时的化学反应, 生成的气体使复合材料中出现较大气孔并降低了材料部分力学性能。TiC_p质量分数为30%的复合材料的相对密度达到96.64%、平均显微硬度达到21.07 GPa和断裂韧性达到4.29 MPa·m^1/2。

Cu/Mg-MOF-74具有比表面积高、微孔结构和碱金属活性位点可调、CO₂吸附性能及光催化活性优良等优点, 但其Cu与Mg物质的量比(简称: Cu/Mg比)对烟气中CO₂吸附选择性影响机制尚不清晰。本研究采用溶剂热法合成了不同Cu/Mg比的Cu/Mg-MOF-74, 表征了其CO₂光催化性能、CO₂和N₂吸附量及孔结构, 计算了Cu/Mg-MOF-74的CO₂吸附选择性, 并分析了Cu/Mg比对吸附量、选择性影响机制。结果表明：随着Cu/Mg比减小, Cu/Mg-MOF-74光催化CO₂还原为CO和H₂的活性先增后减, 当Cu/Mg比为0.6/0.4时, 其光催化还原CO和H₂产率最大, 分别为10.65和5.41 μmol·h⁻¹·g_cat⁻¹(1 MPa, 150 ℃); 随着Cu/Mg比减小, CO₂、N₂在Cu/Mg-MOF-74上的吸附量增加, 且CO₂吸附量增加显著, 当Cu/Mg比为0.1/0.9时, 其CO₂、N₂吸附量最大, 分别为9.21、1.49 mmol·g⁻¹(273.15 K, 100 kPa); 随着Cu/Mg比减小, Cu/Mg-MOF-74的微孔(d₁≥0.7 nm)、超微孔(d₂<0.7 nm)的面积、体积均增加, 当Cu/Mg比为0.22/0.78时, 其微孔、超微孔的面积、体积均大于Mg-MOF-74; 其选择性随Cu/Mg比减小和CO₂浓度增大而改善。CO₂在Cu/Mg-MOF-74上的吸附作用包括微孔填充和Mg²⁺化学吸附, 微孔体积是影响其吸附性能的关键。调整Cu/Mg比可调控Cu/Mg-MOF-74的孔结构、CO₂吸附量和选择性。

针对TiO₂表面活性位点不足、反应动力学缓慢、CO₂还原产物中碳氢化合物的产率低以及选择性差等问题, 研究通过Pd催化氧还原法在缺氧环境中构筑了具有表面氧空位的一维单晶TiO₂纳米带阵列(Pd-Ov-TNB)。通过形貌结构、载流子行为及光催化性能分析, 探究了表面氧空位和Pd的氢溢流效应对光生载流子分离传输及还原产物选择性的影响。结果表明, Pd-Ov-TNB的CO₂还原活性强, 产物中CH₄、C₂H₆和C₂H₄的产率分别为40.8、32.09和3.09 µmol·g^-1·h^-1, 碳氢化合物的选择性高达84.52%, 在C-C偶联方面展现出巨大的潜力。其一维单晶纳米带结构提高了材料的活性比表面积和结晶度, 为CO₂还原反应提供了更多的活性位点, 并加速载流子的分离传输。同时, 氧空位增强了光生电荷的表面积累, 为CO₂还原提供了富电子环境。此外, Pd纳米颗粒提高反应体系中H*的浓度, 并通过氢溢流效应将H*转移到催化剂表面吸附CO₂的活性位点, 促进反应中间产物氢化。各种优势共同作用促使CO₂向碳氢化合物高效转化。

带隙1.1~1.4 eV的锡铅混合卤化物钙钛矿是单结太阳能电池光电转换效率(PCE)接近Shockley-Queisser (S-Q)理论效率极限值的理想材料。钙钛矿薄膜垂直方向上的化学组分梯度会通过影响能带结构影响载流子的传输和分离, 因此对锡铅混合钙钛矿薄膜的结晶过程进行控制十分重要。本研究发现使用不同剂量的反溶剂制备锡铅混合钙钛矿会形成不同的垂直组分梯度, 并且随反溶剂用量增大薄膜表面铅含量增加。调整溶剂组分可以控制锡铅混合钙钛矿的垂直组分梯度, 增大溶剂中V(DMSO):V(DMF)可以形成底部富铅而表面富锡的垂直组分梯度。当铅基前驱液溶剂中V(DMSO):V(DMF)最优化为1 : 2时, 相比于1 : 4的对照组, 器件在标准光照条件下的开路电压从0.725 V提高到0.769 V, 短路电流密度从30.95 mA·cm^-2提高到31.65 mA·cm^-2, PCE从16.22%提升到接近18%。利用SCAPS软件数值模拟进一步证明了垂直组分梯度的必要性, 当钙钛矿薄膜底部富铅、顶部富锡时, 载流子在空穴传输层界面区域的复合有所减少, 因而电池性能得到提升。

在全球能源结构转型与碳中和目标驱动下, 质子传导型固体氧化物燃料电池(Proton-conducting Solid Oxide Fuel Cells, P-SOFCs)兼具中低温(400~600 ℃)高效发电、出色的燃料兼容性与高能量转换效率的优势, 成为清洁能源技术的研究热点。本文分析了泛氢燃料P-SOFCs的发展前景, 围绕泛氢燃料电池技术瓶颈, 聚焦材料设计、反应机制以及表征手段三个核心维度, 综述了碳氢燃料与氨燃料P-SOFCs体系的研究进展与技术挑战。针对碳氢燃料电池碳沉积问题, 深入探讨了碳沉积的形成机理、表征手段以及影响因素, 指出了重整催化剂改性、质子导体电解质优化和新型电极设计等前沿改进策略; 针对直接氨燃料电池(Direct Ammonia Fuel Cells, DAFCs)性能问题, 系统阐述了催化剂活性、载体种类、氮化腐蚀机制、氢分压、氨气流量以及阳极微结构等关键影响因素; 根据DAFCs的前沿工作, 总结了阳极改性、阳极催化层构筑以及新型电池结构设计等新型改进策略, 为推动泛氢燃料P-SOFCs商业化应用指明未来发展方向。

有机-无机杂化钙钛矿具有高的光吸收系数、可调节的带隙以及双极性的电荷传导特性, 是一种理想的光吸收材料。然而, 溶液法制备的钙钛矿薄膜在表/界面上存在多种缺陷, 会抑制载流子传输并引发复合。本研究选用含多官能团的氨基酸衍生物——9-芴甲氧羰基-L-苯丙氨酸-L-苯丙氨酸(Fmoc-FF-OH)作为添加剂来降低钙钛矿膜缺陷并抑制晶界上的载流子复合。结果表明, 当Fmoc-FF-OH的浓度为0.6 g·L^-1时, 钙钛矿薄膜的粒径从138 nm增大到210 nm, 缺陷态密度从2.46×10¹⁵ cm^-3降低至2.17×10¹⁵ cm^-3。同时, 钙钛矿太阳能电池也表现出最优的性能, 开路电压从1.05 V提升到1.10 V, 器件的光电转化效率(PCE)从15.50%提升到17.44%。在220 h的稳定性测试中, 器件的光电转化效率仍能维持初始的71%。

研究钠离子电池(SIBs)对开发新能源和新储能方式具有重要意义。P2型层状氧化物Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂正极材料具有容量和工作电压较高的优点, 但在高电压下发生的P2-O2不可逆相变会导致体积急剧变化, 容量迅速衰减。针对这个问题, 本研究采用Cu和Mg协同取代的策略, 通过固相反应法合成了P2-Na_0.67Ni_0.18Cu_0.10Mg_0.05Mn_0.67O₂ (NCMM-10-05)正极材料。结果表明, 掺入Cu和Mg有效抑制了P2-O2相变, 转而形成了可逆程度更高的OP4相, 提高了材料结构的可逆稳定性, 且电化学性能得到了显著提升。在2.00~4.35 V(vs. Na⁺/Na)电压窗口内NCMM-10-05初始放电容量为113 mAh·g^-1, 在8C(1C=100 mA·g^-1)电流密度下仍有64.1 mAh·g^-1的可逆容量, 在1C电流密度下循环200圈后容量保持率可以达到88.9%。本研究探讨了Cu和Mg协同取代对P2型层状氧化物结构与电化学性能的影响, 并通过原位X射线衍射(XRD)分析与密度泛函理论(DFT)计算进一步探究了Cu、Mg元素在结构演变中的具体作用, 为合理设计具备Na⁺快速传输能力和高稳定性的SIBs正极材料提供了参考。

TiO₂的微观形貌、颗粒尺寸及比表面积是影响其光催化活性的重要因素, 介观晶体是一类由无机纳米粒子沿着相同的结晶轴方向有序排列的超结构材料, 在光催化领域具有重要的研究价值。本工作分别以六氟钛酸铵和硼酸为钛源和氟离子捕获剂, 以无水乙醇和去离子水的混合溶液为溶剂, 采用简单绿色的方法制备了NH₄TiOF₃介观晶体前驱体, 然后用硼酸溶液酸洗, 使NH₄TiOF₃介观晶体通过拓扑转变形成TiO₂介观晶体。最后采用沸石咪唑骨架材料ZIF-8纳米粒子对TiO₂介观晶体进行修饰, 制备了ZIF-8/TiO₂复合介观晶体材料, 并研究了其光催化降解亚甲基蓝的活性。实验结果表明, ZIF-8纳米粒子能够均匀生长在TiO₂介观晶体表面, 形成比较致密的包覆层。ZIF-8/TiO₂复合介观晶体光催化剂具有较高的比表面积和较窄的禁带宽度, 其光生电子和空穴的分离效率得到一定程度的提高。其中, 样品M-TiZIF-2(加入4 mmol硝酸锌的复合介观晶体)展现出最高的光催化活性, 其一级反应速率是TiO₂介观晶体的42倍, 是ZIF-8单元材料的16倍。总之, 在ZIF-8纳米粒子和TiO₂介观晶体的协同作用下, ZIF-8/TiO₂复合介观晶体材料显示出更优异的光催化性能。

全无机钙钛矿(CsPbX₃, X = Cl, Br, I)纳米晶因其卓越的光电性能被广泛应用于光电子器件领域, 但稳定性问题仍然是制约其商业化发展的主要因素之一。基于此, 本研究以提高CsPbBr₃纳米晶的稳定性和固态发光性能为研究目标, 选用具有优异疏水性能的多孔MIL-53(Al)金属有机框架(MOFs)作为封装基质, 通过热注射工艺在MIL-53(Al)孔道内原位限域生长CsPbBr₃纳米晶, 成功制备了优异发光性能和稳定性的CsPbBr₃@MIL-53纳米复合荧光粉。MIL-53通过包含的苯环和有机配体与CsPbBr₃纳米晶螯合, 将其稳固地锚定在孔道内, 既保护了CsPbBr₃纳米晶免受外界环境的影响, 又有效防止了纳米晶之间的聚集, 从而避免了固态荧光猝灭。此外, MIL-53中的COO^-官能团与CsPbBr₃纳米晶表面未配对的Pb²⁺结合, 钝化了其表面的缺陷, 抑制了载流子的非辐射复合。MIL-53包含的苯环及有机长链又赋予了纳米复合荧光粉出色的疏水性能。这些因素的协同作用显著提升了CsPbBr₃@MIL-53纳米复合荧光粉的光学性能和水稳定性, 其荧光量子产率(Photoluminescence Quantum Yield, PLQY)为75.4%, 是固态CsPbBr₃纳米晶粉体(33.2%)的2.3倍。将CsPbBr₃@MIL-53纳米复合荧光粉完全浸泡在水中10 h, 其荧光强度仍能维持初始值的75.6%。最后, 将绿光发射的CsPbBr₃@MIL-53纳米复合荧光粉应用于白光发光二极管(Light Emitting Diodes, LEDs)器件, 实现了126% NTSC和85% Rec. 2020的宽色域覆盖面积, 表明其在显示器件领域具有优异的应用前景。

水体Pb(II)污染严重危害生态环境与人类健康, 而吸附法可以简单、环保地处理Pb(II)。氧化石墨烯(GO)是一种潜在的理想吸附材料, 但其表面官能团种类有限、吸附选择性差、吸附后难分离等缺点制约了其实际应用。发展各种改性策略提高GO吸附性能, 已成为目前研究热点。本文针对如何提高GO对水中Pb(II)的吸附效率, 重点总结了N/S官能团改性、形貌改性、磁化改性三类改性策略; 综述了GO基吸附剂的吸附性能, 涵盖吸附容量、吸附选择性、再生性以及其他性能; 详细讨论了Pb(II)吸附的四种机理, 包括物理吸附、静电吸引、离子交换和表面络合; 最后对GO基吸附剂去除Pb(II)进行了展望, 以期为GO改性材料在Pb(II)处理方面的研究和应用提供参考依据。

开发低成本、高活性的非贵金属电催化剂对电解水的实际应用具有重要意义, 稀土(Rare Earth, RE)元素因其独特的电子结构成为金属催化剂改性的研究热点, 但在泡沫镍(Nickel Foam, NF)基体上制备稀土复合催化剂的方法存在成本高、工艺复杂和耗时长等问题。本研究采用一步化学沉积法, 在NF基体上制备了三种稀土复合电极Ni-Co-B-Tb/NF、Ni-Co-B-Sm/NF和Ni-Co-B-Dy/NF, 对催化电极的结构和形貌进行了表征, 并研究其在1 mol·L^-1 KOH溶液中的析氢性能。结果表明, 添加Sm、Dy和Tb可使电极的电子结构发生改变, 改善催化剂材料的本征性质, 进而提高析氢反应(Hydrogen Evolution Reaction, HER)的催化性能。其中, Ni-Co-B-Tb/NF表现出最佳的析氢性能, 达到10 mA·cm^-2的电流密度仅需58 mV的过电位, Tafel斜率为65 mV·dec^-1, 析氢反应由Volmer-Heyrovsky步骤控制。进一步研究发现稀土浓度对电催化性能影响较大, 当Tb浓度为3 g·L^-1时, Ni-Co-B-Tb/NF表面颗粒尺寸较小且分布均匀, 暴露出更多的活性位点, 有利于HER的电荷转移, 析氢性能最佳。此外, 经过100 h长期稳定性测试和2000次循环伏安(Cyclic Voltammetry, CV)测试后, 该催化剂表现出良好的电化学稳定性。

阻变器作为一种基于可逆、非易失、阻态突变的信息存储和处理器件, 是解决传统存储器的内在物理限制和冯·诺依曼架构瓶颈问题的核心电子元器件之一, 受到了广泛关注。卤化物钙钛矿具有快速的载流子迁移特性和优异的光电转换性能, 作为阻变功能层赋予光电阻变存储器优异的阻变性能。因此, 近年来卤化物钙钛矿基阻变器的存储和计算应用研究发展迅速。然而, 目前对于卤化物钙钛矿的光电阻变机理尚未形成统一认识。基于此, 本文分析了卤化物钙钛矿阻变存储器的工作机理, 对比分析了卤化物钙钛矿基光电阻变器导电细丝和能级匹配调控特性, 总结了其各种机理的制约因素, 揭示了导电细丝在光场和电场作用下重复形成和断裂, 以及阻变器中卤化物钙钛矿功能层和其他功能层之间肖特基势垒改变, 主导卤化物钙钛矿光电阻变器的开关比、阈值(Set/Reset)电压和阻变器性能稳定性, 并进一步展望卤化物钙钛矿基光电阻变器在新型人工智能仿生突触、存内运算、机器视觉的应用。

四氧化三铁(Fe₃O₄)磁性纳米颗粒因其制备简单, 在外加磁场作用下具有靶向性，并且表面易接枝等特性, 可作为被动靶向载体应用于基因治疗领域。本研究采用溶剂热法制备纳米颗粒, 并调控堆积生长时间, 制得粒径在4~9 nm范围内可控的油相Fe₃O₄纳米颗粒; 使用内消旋-2,3-二巯基丁二酸(DMSA)二次取代其表面的油酸分子, 使其具备良好的水相分散性; 通过酰胺化反应在其表面接枝支链型聚乙烯亚胺(PEI), 最终得到Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒。研究发现, Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒的表面Zeta电位高达(52.50±1.94) mV, 具有一定的超顺磁性(14.48 emu/g, 1 emu/g=1 A∙m²/kg)。磁性纳米颗粒与质粒DNA的质量比为15 : 1时可完全阻滞DNA在凝胶上的电泳, 装载量高达6.67%。本研究制备的Fe₃O₄-DMSA-PEI磁性纳米颗粒具有一定的基因负载能力, 有望作为基因载体应用于基因转染领域。

本研究采用水热-磷化-电化学沉积法在磷化钴表面构筑了金属氢氧化物层, 制备了NiFeOH/CoP/NF复合电极, 考察了复合电极电解水制氢的性能。在1.0 molּ/L的KOH介质中, NiFeOH/CoP/NF复合电极表现出良好的催化电解水性能。在电流密度为100 mA/cm²时, NiFeOH/CoP/NF复合电极电催化析氢(HER)和析氧反应(OER)所需的过电势分别为141和372 mV。在电流密度为10 mA/cm²时, NiFeOH/CoP/NF同时用作阴极和阳极电解水所需电压仅为1.61 V。NiFeOH保护层增强了CoP在电解水反应中的活性和稳定性, NiFeOH/CoP/NF复合电极在恒电流电解中表现出高的HER和OER稳定性, 活性可维持60000 s, 性能未见明显衰减。将NiFeOH/CoP/NF两电极电解池与GaAs太阳能电池组成光伏-电解水系统, 该系统在100 mW/cm²模拟光照条件下, 太阳能至氢能转化效率达到18.0%, 并可稳定运行200 h。

可再生能源发电与质子交换膜水电解结合产生“绿色氢”对能源安全具有战略意义, 其速控步骤是析氧反应。从稳定性、活性和成本角度考虑, 本研究采用滑动弧暖等离子体一步合成了氧化锰(MnO_x)及过渡金属掺杂(Fe-MnO_x, Co-MnO_x, Ni-MnO_x)的析氧电催化剂, 并对其晶体结构、形貌尺寸、元素组成和表面价态进行了表征。氧化锰主要由晶相Mn₂O₃和无定形Mn₃O₄组成。与之相比, 掺杂的氧化锰尽管晶相组成基本不变, 但其粒径明显变小、比表面积增大; 掺杂Co促使氧化锰的表面电子增多。氧化锰基催化剂在酸性电解液的循环伏安测试中表现出独特的电流阶跃现象(低电势Ⅰ-Ⅱ区: 1.4~1.8~2.4 V; 高电势Ⅲ区: 2.4~2.7 V)。该电流阶跃过程与Bulter-Volmer简化方程的电极动力学参照曲线相吻合, 属于多价态锰参与的电催化反应。低电势区Fe-MnO_x的电化学活性最优, 而高电势区Co-MnO_x表现最优。Co-MnO_x的起始电位比MnO_x低160 mV, 且在恒电位电解中其末端电流密度是MnO_x的3倍。与其活性趋势一致, Fe-MnO_x、Co-MnO_x分别在低电势区、高电势区更具稳定性。本研究通过掺杂过渡金属优化氧化锰的颗粒尺寸、比表面积和电子结构, 显著提高了催化剂析氧反应活性及稳定性。

Y₂O₃以其优良的物理化学性质和在280 nm~8 μm宽频段内的高透明性, 而广泛应用于激光介质或光学窗口等领域。制备高透明的Y₂O₃陶瓷是目前的研究热点和难点, 而高质量的粉体是制备高透明Y₂O₃陶瓷的关键, 尿素均相沉淀法以其爆发成核和均匀可控的阴离子释放机制成为制备单分散颗粒的主要方法。本工作以硝酸钇和尿素为原料, 采用尿素均相沉淀法制备了单分散、亚微米级的球形Y₂O₃粉体。采用不同方法研究了Y₂O₃前驱体和煅烧后粉体的结构、物相演变和形貌。前驱体的颗粒尺寸约为330 nm, 800 ℃煅烧2 h得到的Y₂O₃粉体尺寸约为260 nm。在800 ℃煅烧后即可得到纯相的Y₂O₃粉体, 粉体呈球形, 分散性好, 且粒径均匀。以该Y₂O₃粉体为原料, 添加原子分数0.3%的Nb₂O₅为烧结助剂, 在1780 ℃通过真空无压烧结成功制备了透明Y₂O₃陶瓷。材料的光学性质优良, 即样品(厚度1 mm)的直线透过率在1100 nm处达到76.9%, 在400 nm处达到65.6%。本工作为制备性能优良的Y₂O₃透明陶瓷提供了一种新的方法。