MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物, 具有类似石墨烯的二维结构, 其化学通式是M_n+1X_nT_z, n = 1, 2, 3, 其中M为早期过渡金属元素, X为碳或氮元素, T为表面链接的F^-、OH^-、O^2-等活性官能团。通过化学液相法可以选择性蚀刻掉MAX相中的A元素得到相应的MXene相。现今较为成熟的制备方法是HF蚀刻法。对MXene的结构与性能进行的第一性原理计算表明, 其具有独特的二维层状结构、较大的比表面积及良好的导电性、稳定性、磁性能和力学性能, 已广泛应用于储能、催化、吸附等多处领域。本文综述了类石墨烯二维材料MXene的理论、制备和应用方面的研究进展, 并对现有挑战和未来发展提出了建议。随着研究的进一步深入, MXene将被应用于更广泛的领域。

采用分子级混合方法及SPS烧结技术制备了Ti₃C₂T_x含量分别为5vol%、10vol%和20vol%的Cu/Ti₃C₂T_x复合材料, 研究了Ti₃C₂T_x含量对铜基复合材料的导电性、力学性能及摩擦磨损性能的影响。研究发现: 随Ti₃C₂T_x含量增加, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的相对密度及电导率均持续下降, 拉伸强度则先升高后下降; 当Ti₃C₂T_x含量为5vol%时, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的拉伸强度相比纯铜提高了43%。添加Ti₃C₂T_x可以明显改善Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的摩擦磨损性能, 当Ti₃C₂T_x含量为10vol%时, Cu/Ti₃C₂T_x复合材料的磨损率仅为2.55×10^-7 mm³/(N·m), 比纯铜降低了一个数量级。

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。

MAX相材料是一类兼具金属和陶瓷特性的三元层状材料, 在高温导电、耐磨、耐腐蚀和耐辐照损伤等方面性能优异。目前已经合成出的MAX相材料已有70余种, 但A位元素一直局限在ⅢA和ⅣA主族元素, 如Al、Si、Ga等, 而以副族元素占据A位的MAX相鲜有报道。本研究以Ti₃AlC₂为前驱体, 利用熔盐中的A位置换反应, 制备出了A位为Zn元素的全新MAX相材料Ti₃ZnC₂。结合X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等分析手段对Ti₃ZnC₂的成分和结构进行了确认, 并通过密度泛函理论对Ti₃ZnC₂的结构稳定性和晶格参数进行了确定。进一步通过热力学计算对Fe、Co、Ni、Cu等几种元素的A位置换反应进行了预测, 发现采用这几种元素的氧化物进行置换反应在热力学上也都具有可行性。本研究所提出的元素置换策略是在保持MAX相六方层状晶体结构的基础上, 利用Al、Zn在高温下形成共晶产物实现Zn原子向A层内的迁移, 而熔盐介质的存在促进了反应动力学。本方法巧妙地避免了MAX相传统合成过程中竞争相的形成, 如M-A合金相, 因此可以用于探索更多未知的MAX相材料。

钙钛矿相SrTiO₃在太阳能电池、光催化、燃料电池, 超导等领域均有广泛应用, 这些应用均与其晶体质量、形貌、暴露晶面和光学吸收等特性息息相关。本文通过微弧氧化-水热两步法原位制备了两种典型形貌的SrTiO₃纳米晶。结果表明, 随着微弧氧化电解液锶源浓度的降低, SrTiO₃形貌从立方块状转变为超薄片状。进一步分析表明, 所得的SrTiO₃立方块和Sr_1-δTiO₃纳米片均为结晶质量良好的单晶体, 通过分析两种形貌样品的紫外-可见漫反射光谱, 发现Sr_1-δTiO₃纳米片相对于SrTiO₃立方块, 具有明显的尺寸效应诱导的光学吸收蓝移特性。最后, 本研究提出了SrTiO₃的原位生长及形貌演变机制。

全无机钙钛矿(CsPbX₃)纳米晶因其出色的光电特性在光电子器件领域具有广泛应用, 然而稳定性依然是制约其发展的瓶颈。本工作结合当前的研究进展, 采用全固态反应, 通过对球磨参数以及反应物配比等多种条件的调控研究, 实现了在空气中可稳定放置60 d以上的BN/CsPbX₃复合纳米晶荧光粉, 其发光中心波长可覆盖417~680 nm的范围, 发光峰半高宽为23~47 nm, 展示出极高的色纯度。在出色发光性能基础上, 进一步将其直接应用于白光LED照明, 获得了出色、稳定的发光性能。在空气中放置1 m后, 其亮度衰减仅为0.7%, 且连续工作2 h后, 衰减程度小于4%, 展现出优异的工作稳定性。

可以图形化和沉积同时进行的镀膜技术可有效简化器件制备流程, 从而降低成本。本工作研究了一种新型的图形化沉积镀膜技术-微流控法: 将宽度及间隔均为80 μm、沟槽深度为2 μm左右的PDMS模板与衬底贴合构筑微流通道, 毛细力作用下前驱液可在微流通道内流动, 并在衬底表面形成图形化的液膜, 最后经热处理完成图行化的薄膜沉积。此外, 分析了硝酸镍/2-甲氧基乙醇前驱体的热分解过程和不同温度退火下前驱体粉末的相结构演化规律。最终利用微流控法图形化沉积技术制备了图形化的氧化镍沟道, 并构筑了薄膜晶体管器件。优化后的薄膜晶体管表现出典型的p型特征, 场效应迁移率可达0.8 cm²·V^-1·s^-1。

二维过渡金属碳化物(MXenes)具有良好的电化学性能与辐照稳定性, 其在放射性核素电化学检测领域有潜在应用价值。本研究通过碱活化的方式处理碳化钛型MXene(Ti₃C₂T_x), 随后将钾插层的Ti₃C₂T_x(K-Ti₃C₂T_x)负载到玻碳电极(GCE)上得到K-Ti₃C₂T_x/GCE修饰电极。采用XRD、SEM、XPS等手段分别对Ti₃C₂T_x和K-Ti₃C₂T_x进行分析表征, 并进一步研究了K-Ti₃C₂T_x/GCE对痕量铀酰离子(UO₂²⁺)的电化学检测性能。循环伏安(CV)实验结果表明, 相比于GCE电极, K-Ti₃C₂T_x/GCE修饰电极对UO₂²⁺的电化学响应显著增强。进一步使用差分脉冲伏安法(DPV)扫描, 发现pH=4.0时, K-Ti₃C₂T_x/GCE修饰电极对UO₂²⁺在铀浓度0.5~10 mg/L范围内呈现良好的线性检测关系, 本方法的检测限为0.083 mg/L(S/N=3), 稳定性和重复性好。

镉氧化产生的溶出电流与样品中Cd²⁺的浓度有关。本研究通过方波阳极溶出伏安法(SWASV)在活化铋膜电极(Activated BFE)上对低浓度μg/L水平的Cd(II)进行测定。通过电化学方法对电极进行初步改性, 然后电沉积制备铋膜再次对电极进行改进, 从而增强了对痕量目标Cd²⁺的敏感性。对改性前后的玻碳电极(GCE)表面进行SEM、CV、EIS和SWV的表征。为了将这种伏安法传感器应用于含有低浓度Cd²⁺的实际样品中, 对检测Cd²⁺的实验参数进行了研究。使用选定的条件, 在10 min的预富集条件下Cd²⁺的检测限为1 μg/L。

作为一类新型薄膜太阳能电池, 近年来钙钛矿太阳电池的发展十分迅速, 其效率已接近商业化硅基太阳能电池, 但是钙钛矿薄膜在空气中稳定性较差, 严重限制了其进一步的商业化应用。本研究通过在钙钛矿薄膜中添加聚4-乙烯吡啶(PVP)来增强钙钛矿薄膜在空气中的稳定性。通过形貌、结构及性能测试, 发现相比于未添加PVP的钙钛矿薄膜, 添加PVP的钙钛矿薄膜形貌更均匀致密。添加0.4wt% PVP将钙钛矿太阳电池的光电效率从6.09%提升到13.07%, 而且, 存放在相对湿度超过50%的空气中, 其电池效率衰减为一半的时间由原来的3 d延长到3 w, 但是过多的PVP添加量会导致PbI₂与CH₃NH₃I反应不完全。添加PVP工艺进一步优化后, 有望用于大面积、高稳定性的钙钛矿薄膜的制备。

在石墨烯表面负载金属有机框架材料ZIF-8, 同时在金属有机框架材料表面分散Fe-2,2-Bipy螯合物, 通过高温煅烧分解制备了Fe, N 掺杂多孔碳催化剂材料。采用SEM, XRD, XPS对制备的催化剂材料进行了形貌、结构以及成分分析。采用旋转圆盘电极, CV曲线, LSV曲线对Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料的氧还原(ORR)以及析氧(OER)电催化性能进行了分析。并且将Fe, N 掺杂多孔碳催化剂应用于锌-空气电池。结果表明, 所制备的Fe, N掺杂多孔碳催化剂材料显示出均匀的二维结构形貌, Fe元素含量为1.32%。催化剂在0.1 mol/L KOH溶液中半波电位为0.83 V, 在1 mol/L KOH溶液中, 10 mA/cm²电流密度下过电势为420 mV。将催化剂应用于锌-空气电池, 锌-空气电池功率密度达到245 mV/cm², 并且表现出优异的循环稳定性。

为实现黑色纳米TiO₂有效负载, 提高实际应用能力, 本研究提出了脉冲激光溅射喷涂的方法。在石英玻璃基底上一步制备了非晶分子筛和金红石型TiO₂纳米晶的黑色复合涂层, 表征了复合涂层表面形貌, 测定了复合涂层粉末的光谱吸收性能、物相结构、化学价态以及光催化性能。研究结果表明: 涂层为2~5 μm球体堆积成的多孔结构, 在整个可见光区具有较强的吸收能力。脉冲激光溅射喷涂过程中, 分子筛高温熔融急冷转变为非晶态结构, TiO₂则由锐钛矿型转变为金红石型; 其中Ti⁴⁺离子部分被还原为Ti³⁺离子, 缩小了禁带宽度。脉冲激光溅射喷涂技术实现了黑色纳米TiO₂快速负载, 且在全光谱和可见光条件下仍表现出良好的光催化能力。

呼吸频率及呼吸模式检测可用于医疗诊断以及人体健康评估。传统的医学检测器件体积大、能耗高、使用不便捷。针对高性能、低成本、便携式电子产品的迫切需求, 本工作利用氧化石墨烯材料自发极化后对湿度敏感的特性, 通过喷墨印刷方法制备了一种可以实现自供能的平面型湿度传感器。所制备的传感器对湿度响应呈现为线性关系, 并且具有优异的灵敏度、快速响应和恢复特性、多次循环稳定性和长期老化稳定性等特性。基于该传感器可以实现对于人体呼吸频率和呼吸模式等的检测。制备的湿度传感器具有制作简单、成本低、不易受人体行动及外界环境干扰等优点, 适用于实时监测呼吸频率和呼吸模式。

为了揭示掺杂离子对具有磁铅石构型的锶铁氧体材料磁性能的影响, 本研究探讨了锶铁氧体及其锰掺杂体系的稳定构型及其磁结构。研究结果表明, 锶铁氧体为亚铁磁性, 与前期的研究结果相吻合。通过比较GGA和GGA+U计算方法, 发现U值的选取对体系的电子结构和原子磁矩有显著影响。当U值为3.7 eV时, 体系由金属性转变为自旋向上带隙为1.71 eV的半导体。原胞总磁矩为40 μ_B。对于Mn替换掺杂的SrFe_12-xMn_xO₁₉体系, 通过不同占据位能量比较, 当单个Mn原子替换(x=0.5)时, Mn离子优先占据Fe (12k)位置; 而当两个Mn原子替换Fe原子(x=1.0)时, 两个Mn分别占据Fe (12k)和Fe (2a)位置。Mn掺杂对锶铁氧体的结构影响较小, 但对于体系的总磁矩和电子结构有较明显的影响。在Mn含量x=0.5和x=1.0时, 自旋向上带隙值分别降低到0.85和0.59 eV, 原胞的总磁矩为39和38 μ_B。本研究可为实验研究提供理论指导。

本研究合成了具有垂直栅栏结构的二维MXene材料, 与辣根过氧化物酶进行固定, 构筑了过氧化氢电化学酶传感器。合成的MXene纳米栅栏具有大的比表面积, 优良的电子传导特性和在水溶液中的良好分散特性; 固定化在酶电极上的辣根过氧化物酶分子表现出了优良的过氧化氢催化效果。结果表明HRP@MXene/chitosan/GCE酶电化学传感器在过氧化氢浓度为5~1650 μmol/L范围内表现出很好的线性关系, 最低检测限为0.74 μmol/L, 且具有很好的操作稳定性, 该生物传感器被成功地应用于固态与液态食品中过氧化氢残留检测。

对无机二维过渡金属碳化物(MXene)进行碱化处理, 成功制备了碱化碳化钛(Na-Ti₃C₂T_x), 用于对Eu(III)的快速去除。采用固液比、溶液pH和离子强度、动力学、等温线、热力学等批次实验方法对Na-Ti₃C₂T_x去除Eu(III)的行为进行了系统研究。实验结果表明: 整个吸附过程受溶液pH和离子强度影响较大, 吸附过程在很短的时间(5 min)就达到了吸附平衡, 该过程更符合Langmuir吸附模型, 在298 K时最大吸附容量可达54.05 mg/g。热力学结果表明Na-Ti₃C₂T_x对Eu(III)的吸附为自发吸热反应过程。使用能量色散X射线光谱(EDS)、粉末XRD和扩展X射线吸收精细结构光谱学(EXAFS)对其吸附机理进行了分析, 结果表明酸性条件下主要的吸附机理是Eu ³⁺离子与MXene层间的Na ⁺离子发生了离子交换, 吸附后的Eu(III)主要以外层配位络合物的形式存在, 而近中性条件下则出现了内配位络合作用。鉴于Na-Ti₃C₂T_x具有较低的合成成本与优异的吸附性能, 该材料有望应用于放射性废水中三价次锕系核素与镧系核素的快速高效清除。

以Mo、Y、Al和C元素粉为原料, 用放电等离子烧结技术(SPS)在1550 ℃合成了新颖的(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC MAX相, 并用较温和的化学刻蚀方法剥离得到相应手风琴状形貌的MXene。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和能谱分析(EDS)手段对材料的化学组成、微观结构等进行了表征, 确定最终产物为表面带有官能团的Mo_1.33CT₂ MXene。同时利用第一性原理密度泛函理论计算方法研究了新颖(Mo_2/3Y_1/3)₂AlC MAX相以及对应的Mo_1.33CT₂ MXene的电子结构和性能, 计算结果表明两者均呈现出金属特性, 有望应用于储能、生物传感器和电催化等方面。

近年来, 一种新型二维过渡金属碳化物及氮化物(MXene)凭借大的比表面积、良好的亲水性、金属导电性等物理化学性质而广受关注。通过LiF和HCl刻蚀Ti₃AlC₂的Al层, 改变机械剥离强度和方式, 以及离心速率和时间, 可控制备出平均横向尺寸为625 和2562 nm的单层Ti₃C₂T_x型MXene。借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对二维Ti₃C₂T_x进行形貌、结构和成分的表征。使用电化学工作站表征Ti₃C₂T_x的电化学性能。结果表明: 小片层Ti₃C₂T_x(625 nm)的质量比电容高达561.9 F/g, 远高于文献报道的石墨烯、碳纳米管和二氧化锰等电极材料; Ti₃C₂T_x电极在循环测试10 ⁴次后, 其比电容仍保持初始96%的容量。

Cr₄AlB₄是一种近期发现的三元层状硼化物MAB相陶瓷。该材料可形成具有保护性的氧化膜, 在高温结构材料领域有巨大应用潜力。本工作采用基于第一性原理的“线性优化法”和“键刚度”理论模型分别研究了Cr₄AlB₄的物相稳定性和力学行为。声子谱中没有虚频出现, 表明Cr₄AlB₄具有本征稳定性。而与其它Cr-Al-B系内的竞争相相比, Cr₄AlB₄具有最低的能量, 表明其在热力学上也是稳定的。采用“键刚度”模型对化学键刚度的定量计算显示, Cr₄AlB₄中Cr和B以及B和B原子之间形成了强共价键, 而Cr和Al原子则形成相对较弱的Cr-Al(625 GPa)和 B-Al(574 GPa)键。Cr₄AlB₄可以看成是由强共价键紧密连接在一起的Cr-B结构单元, 被弱Cr(B)-Al键分割而成的层状结构, 与MAX相结构类似。Cr₄AlB₄具有类似于MAX相的高损伤容限和断裂韧性。

直接甲醇燃料电池因操作方便、转化效率高、操作温度低、污染少以及液体燃料易存储易运输等优势具有良好的应用前景, 但现有阳极催化剂存在催化活性低、抗CO中毒性差等缺点, 制约了其商业化应用前景。本研究采用三步法制备得到了一系列不同Pt、Ru配比的PtRu/(Ti₃C₂T_x)_0.5-(MWCNTs)_0.5阳极催化剂材料, HF腐蚀Ti₃AlC₂得到Ti₃C₂T_x, 与酸化处理的多壁碳纳米管(MWCNTs)复合后通过溶剂热法负载Pt、Ru颗粒。通过XRD、SEM、EDS、TEM、XPS等分析铂钌的协同关系。结果表明: Ru原子与Pt原子晶格混合, 形成了粒径约3.6 nm的铂钌双金属合金。电化学分析结果表明: Pt₁Ru_0.5/(Ti₃C₂T_x)_0.5-(MWCNTs)_0.5催化剂具有最佳的电化学性能, 其电化学活性面积(Electrochemical Active Area, ECSA)为139.5 m ²/g, 正向峰电流密度为36.4 mA/cm ²。

高强电磁屏蔽薄膜材料在柔性器件、汽车电子和航空航天等领域具有广泛应用前景, 受珍珠母微纳米结构及其优异机械性能的启发, 利用简单的溶液共混及真空抽滤方法, 将纤维素纳米晶(CNC)和MXene混合, 经层层组装制备了高性能MXene基复合薄膜。结果表明: 薄膜的机械性能有了显著提高, 拉伸强度从18 MPa提高到57 MPa, 韧性从70 kJ/m ³提高到313 kJ/m ³, 同时保留了复合薄膜的高电导率(10 ⁴ S/m)和优异的电磁屏蔽性能, 厚度8 μm时可达40 dB以上。

通过化学溶液法一步制备锗/MXene复合材料, 在MXene表面均匀负载了锗金属纳米颗粒。采用SEM和TEM对Ge/MXene复合材料进行了微观形貌分析, 探索了复合材料的形成过程, 结果表明, Ge/MXene复合材料是二维结构形貌, 其元素分布均一。用Ge/MXene复合材料制备了电极, 并组装成纽扣电池进行充放电性能测试, 对电池的比容量、倍率、循环稳定性能进行了系统分析。测试结果表明, Ge含量为50%时的电化学性能最佳, 0.2C下第5~100圈的容量稳定在1200 mAh/g, 载量为1 mg/cm ²; 载量提高到2 mg/cm ²时的比容量依然能达到450 mAh/g。

采用等通道转角挤压(Equal Channel Angular Pressing, ECAP)并结合热处理制备了Ag/Ti₃AlC₂复合材料。通过XRD、SEM分析物相和形貌, 探讨了不同热处理条件下Ag/Ti₃AlC₂材料的电阻率和力学性能。结果表明: 采用ECAP可以明显致密化Ag/Ti₃AlC₂疏松坯体, 且在ECAP的剪切作用下, 层片状Ti₃AlC₂颗粒沿基面分层并按一定方向排列。Ti₃AlC₂的定向排列使材料性能呈现各向异性: 垂直于Ti₃AlC₂排列方向时, Ag/Ti₃AlC₂材料的电阻率和压缩强度更高。后续热处理提升了Ag/Ti₃AlC₂的电阻率和压缩强度, 并发现在800 ℃时增幅显著。这主要归因于Ag与Ti₃AlC₂在高温下明显增强的界面反应。本研究表明采用ECAP方法可以在致密化Ag/MAX复合材料的同时调控其显微组织, 而结合热处理可以进一步调控界面反应并优化材料性能。

本研究通过使用相图计算(Calculation of Phase Diagrams, 简称CALPHAD)耦合第一性原理计算的方法, 以相图作为判断依据, 探究Ti₃AuC₂、Ti₃IrC₂、Ti₃ZnC₂和Ti₂ZnC新型MAX相在不同温度下的热力学稳定性。使用相图计算(CALPHAD)方法建立起研究体系的热力学数据库, 耦合第一性原理得到的新型MAX相生成焓数据, 最终得到包含新型MAX相的三元相图。研究结果表明Ti₃AuC₂、Ti₃IrC₂、Ti₃ZnC₂和Ti₂ZnC的MAX相具有很好的热力学稳定性, 与实验结果吻合。本研究为确定新型MAX相的热力学稳定性提供了系统的研究方法, 可应用于指导合成更多未知的MAX相材料。

本研究提出一种Mn ²⁺插层策略用于优化V₂C MXene的储钠性能。Mn ²⁺的插层不仅扩大了V₂C MXene的层间距同时形成了V-O-Mn 共价键, 有利于稳定V₂C的结构, 抑制Na ⁺脱嵌过程中由于体积变化引起的结构坍塌。结果表明, 插层后的V₂C MXene(V₂C@Mn)电极在电流密度为0.05 A·g ^-1时具有425 mAh·g ^-1的高比容量, 并且经过1200次长循环后容量还有70%保留。V₂C@Mn优异的性能表明阳离子插层调控的MXene在Na ⁺存储方面具有潜在的应用前景。

锰基氧化物是一类非常有潜力的水系锌离子电池正极材料, 但是在充放电循环过程中面临结构坍塌而导致容量快速衰减。本研究结合微波水热法和原子层沉积法在碳布上构筑了具有核壳结构的Mn₃O₄@ZnO纳米片阵列, 经优化ZnO的包覆厚度后, Mn₃O₄充放电100个循环的容量保持率可以提高至60.3%。ZnO包覆层可以有效维持Mn₃O₄的结构稳定性, 并且避免其与电解液直接接触而被腐蚀溶解, 从而改善材料的储锌电化学性能。这种核壳状结构的设计为发展高性能水系锌离子电池锰基氧化物正极材料提供了一种有效的思路。

Cr₂AlC是MAX相家族中具有代表性的三元层状碳化物, 它兼具金属和陶瓷的特性, 有导电、耐腐蚀、抗氧化等优异性能。为进一步提高Cr₂AlC的综合性能, 本研究以ZrC为增强相, 利用热压烧结技术制备了ZrC/Cr₂AlC复合材料, 探讨了增强相含量(10vol%~20vol%)对材料力学性能的影响。结果表明: 10vol% ZrC/Cr₂AlC复合材料的弯曲强度和硬度分别为715 MPa和7 GPa。相比Cr₂AlC材料的强度(398 MPa)和硬度(3.4 GPa), 复合材料的强度和硬度提高幅度分别为80%和106%。采用扫描电子显微镜对材料的微观结构进行了分析, 阐明了复合材料具有较高性能的原因。本研究为拓宽Cr₂AlC材料的应用领域奠定了基础。

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。

碳化钛作为一种新兴的层状二维材料具有一些独特的物理化学性质, 近年来引起了科研工作者广泛的注意。它是由化学选择性刻蚀的方法获得, 在电化学如锂电池, 超级电容器等领域展现出极好的应用前景。目前研究中碳化钛的电极往往活性物质负载量较低, 导致面容量不佳, 从而限制了其在大规模生产中的应用。本工作受自然界中椴木结构的启发, 利用其多孔道、孔道弯曲度低、导电性好、低价环保等特点, 将碳化钛与椴木活性炭复合, 获得了一种具有高面电容且稳定的超级电容器, 该电容器在2 mV/s的扫速下具有1983 mF/cm ²的面容量, 同时活性材料负载量可以达到17.9 mg/cm ²。本研究为后续利用自然界构型材料与功能材料的复合提供了一定的借鉴。

MXene是一类具备丰富物理化学性质的新型二维过渡金属碳化物, 在储能、催化、复合材料、发光材料等领域都表现出潜在的应用前景。元素掺杂、结构缺陷、表面功能化、外加电场、外加应力等方法是调节二维材料性能的有效手段。作为厚度最小和最轻的含钛MXene材料, Ti₂CO₂具有间接半导体特性, 本工作研究外加电场、外加应力和电荷态等条件对Ti₂CO₂电学性能的调控。结果表明：无缺陷Ti₂CO₂原胞的带隙随着外加电场的增强而变小。在Ti₂CO₂体系中, 碳空位较易形成。研究发现拉伸应力可以改变含碳空位体系的导电能力, 费米能级附近的能带随着拉伸应力的增大而逐渐平滑。研究还发现电荷态会改变含碳空位2×2×1 Ti₂CO₂超胞的能带结构, 随着电荷态的增加, 体系费米能级的位置逐渐降低, 且电荷态为+2时, 含碳空位2×2×1 Ti₂CO₂超胞表现出半导体特性, 带隙类型转变为直接带隙, 带隙值为0.489 eV。

本工作采用真空热压烧结的方法, 研究Mo₂Ga₂C粉体的烧结性能, 制备致密的Mo₂Ga₂C块体材料, 并且表征所制备材料的微观结构。实验发现750 ℃是合适的烧结温度, 过高的烧结温度(850 ℃)会导致样品分解, 主要产物为Mo₂C。在750 ℃烧结过程中, 随着烧结时间的延长, 样品的晶粒没有明显长大, 但是样品内部空隙显著变小, 内部织构增强, 相对密度明显提高。因为Mo₂Ga₂C晶体的片状结构, 热压烧结过程中, 部分片状晶粒会偏转, 导致烧结样品的多数晶粒的(00l)晶面会倾向垂直于热压方向。在750 ℃烧结8 h, 可以得到几乎完全致密(相对密度98.8%)的Mo₂Ga₂C块体材料。

MXene是一种新型二维过渡金属碳/氮化物, 具有优异电化学性能的赝电容型超级电容器电极材料。本研究尝试用同步氨化/碳化制备MXene平面多孔电极。以滤纸为多孔平面模板, 通过浸渍-烘干的手段把MXene固定在滤纸的纤维上, 然后在氨气的气氛中热处理, 得到了MXene/C平面多孔复合电极。分析结果表明: MXene纳米片均匀包覆在由滤纸碳化形成的碳纤维上。当浸渍5次时, 在2 mV/s的扫速下测试, 制备出的复合电极的面积比电容达到403 mF/cm ²。在电流密度为10 mA/cm ²下进行恒流充放电循环测试2500次后, 比电容仍然与初始电容几乎相同, 表现出良好的倍率性能和循环稳定性。在不使用高分子粘合剂和金属集流体的情况下, 同步氨化/碳化法制备出的MXene/C平面多孔复合电极表现出优良的电化学性能。

以聚多巴胺(PDA)修饰的Ti₃C₂T_x为基体, 高锰酸钾(KMnO₄)为锰源, 十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚乙二醇(PEG)为表面活性剂, 采用液相共沉淀法及水热法, 制备出四种不同形貌的Ti₃C₂T_x@MnO₂复合材料。通过FE-SEM、XRD、Raman、FT-IR、BET及电化学测试, 系统研究了纳米碎片状(δ-MnO₂)、米粒状(α-MnO₂)、纳米花球状(α-MnO₂)以及纳米线状二氧化锰(α-MnO₂)对Ti₃C₂T_x物相结构、电化学活性和电荷存储机理的影响。结果表明: 纳米线状MnO₂复合改性的Ti₃C₂T_x比表面积最大、电荷转移阻抗最小且循环稳定性最优, 在扫描速率为2 mV?s ^-1时的比容量达340.9 F?g ^-1, 比使用CTAB时高出近2.5倍。

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。

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。