钠离子电池具有成本低廉、钠资源丰富等优势, 是锂离子电池的潜在替代技术。开发兼具高离子电导率与宽电化学窗口的钠离子固态电解质对推动钠离子固态电池的发展与应用具有重要意义。在诸多固态电解质中, 氯化物电解质因具有高离子电导率、高氧化电位以及良好的塑性, 近年来受到广泛关注。本文系统梳理了钠氯化物固态电解质的发展脉络, 重点总结了固态电解质元素组成、晶体结构与离子电导率之间的内在关联, 并阐述了通过阳/阴离子掺杂、非晶化及异质结构复合等策略调控电解质离子输运性质的作用机制。此外, 本文讨论了钠氯化物固态电解质的电化学稳定性及其与正极材料的化学/电化学兼容性, 总结了其与钠金属负极的界面失效机制, 并简要概述了钠氯化物全固态电池的研究进展。最后, 本文凝练了氯化物全固态钠离子电池在实际应用中面临的关键挑战, 并对未来研究方向进行展望, 为该类材料在能源转换与储存领域中的实际应用提供指导。

锆酸镧多孔材料是一类以纳米或微米尺度锆酸镧颗粒为结构单元构成的高孔隙率材料, 具有低热导率和熔点前不发生相变的优点, 作为隔热材料在航空航天领域应用前景广阔。然而, 锆酸镧多孔材料受热后微纳结构单元易烧结, 导致其孔结构塌陷, 隔热和耐温性能下降。研究人员通过以模板法为主的工艺在微纳米尺度改变孔径尺寸, 通过溶胶-凝胶法结合不同的干燥工艺调节粒径尺寸, 实现了介观结构调控并有效降低了热导率; 采用单元素或多元素掺杂实现晶格畸变, 减弱热力学扩散作用, 从而抑制晶粒高温生长, 并显著提升锆酸镧多孔材料的隔热和耐温性能。本文介绍了锆酸镧的晶体结构、物相稳定性和掺杂改性优势, 综述了近年来国内外锆酸镧多孔隔热材料在介观结构调控和元素掺杂方面的研究进展, 总结了二者在降低热导率和提高耐温性能中的不同作用机制, 并对未来研究方向进行了展望。

钛及钛合金因其优异的力学性能、耐腐蚀性和生物相容性, 被广泛用作牙种植体材料。然而, 钛基牙种植体在临床使用中软组织封闭不佳, 易使细菌侵入诱发种植体周炎, 导致种植体植入手术失败。因此, 为提升钛基牙种植体的软组织封闭性能, 降低种植体植入手术的失败率, 国内外学者开展了持续、深入的研究。本文综述了近年来钛基牙种植体软组织封闭表面改性研究系列进展, 着重介绍了钛表面化学组分调控和微纳结构构建方法, 指出了当前研究面临的挑战以及未来发展趋势, 以期为该领域的进一步研究提供参考。

应用于高推重比航空发动机热端部件的连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料需采用热/环境障复合涂层(T/EBCs)进行防护。为了得到兼具低热导率、适配的热膨胀系数及良好的高温相稳定性的新型稀土氧化物热障涂层材料, 高熵化设计概念为其成分设计和性能调控提供了新思路和新契机。本研究针对复杂高熵陶瓷体系的结构建模和性能预测难题, 提出了一种基于特殊准随机结构(SQS)的新型高熵建模策略。该方法在保证计算精度的同时, 实现了对复杂结构陶瓷性能的快速预测。随后, 结合第一性原理计算方法, 预测并比较了四种高熵稀土氧化物材料的晶体结构、弹性性质及热物理性质, 重点揭示了不同稀土成分及Hf掺杂对材料低热导率性能的调控作用及原子尺度根源。本研究为航空发动机热端部件用T/EBCs材料的理论模拟和选材设计提供了科学思路与基础数据。

高熵硼化物陶瓷(High-entropy Boride Ceramics, HEBCs)在极端高温环境中的分子动力学模拟受限于经验力场的精度与温度适用性。本研究针对(Hf_0.2Zr_0.2Ta_0.2Ti_0.2Nb_0.2)B₂体系, 基于第一性原理计算与深度学习方法, 开发了高精度深度学习势能。通过主动学习优化训练数据集, 显著提升了模型在高温(~3000 K)下的模拟稳定性。该力场在模拟中兼具高精度与高效率。验证结果表明, 体积状态方程预测结果与第一性原理计算结果较为吻合, 证明了模型具有良好的可扩展性; 计算所得晶格常数及力学性能参数与实验值的误差<2%。尤为重要的是, 本研究成功揭示了HEBCs热膨胀各向异性规律, 修正了已有研究中的反常趋势。这项成果为极端条件下HEBCs的原子尺度模拟提供了可靠工具, 对深入理解其高温服役行为具有重要的科学价值。

可穿戴设备、微电子器件和物联网等领域应用的快速发展, 对自支撑柔性薄膜热电材料提出了迫切需求。当前, n型自支撑有机/无机复合柔性薄膜热电材料的研究进展滞后, 亟需通过优化制备工艺来提升薄膜性能。本研究采用简便高效的粉末热压工艺, 开发出高性能n型聚偏氟乙烯/硒化银(PVDF/Ag₂Se)自支撑柔性复合热电薄膜。热压过程的高温高压环境诱导Ag₂Se晶粒再结晶和长大, 有效减少了晶界数量, 显著降低了载流子散射和界面电阻, 从而使载流子迁移率、电导率和塞贝克系数同步提升。并且, 热压过程中熔融态PVDF能填充Ag₂Se导电网络的间隙, 在提高材料致密度的同时显著增强了柔韧性。实验结果表明, Ag₂Se质量分数为80%的热压复合薄膜展现出优异的室温热电性能: 电导率达277.0 S·cm^-1, 塞贝克系数为-135 μV·K^-1, 功率因子(PF)和热电优值(ZT)分别达到509 μW·m^-1·K^-1和0.26。这些性能不仅显著优于已报道的同类型PVDF/Ag₂Se自支撑薄膜, 在Ag₂Se基有机/无机复合自支撑柔性热电薄膜中也处于领先水平。力学性能测试显示, 该薄膜在5 mm半径下经过500次弯曲循环后, 电导率保持率仍超过92%, 最大拉伸应变是纯Ag₂Se薄膜的4倍。本研究为有机/无机复合热电材料中热电性能与力学柔性的协同优化提供了新思路。

硬碳具有成本低廉、来源广泛、使用寿命长等优点, 是一种极具发展前景的钠离子电池负极材料。然而, 其较低的首次库仑效率(ICE)和较差的倍率性能, 限制了实际应用。目前, 杂原子掺杂是调控无定形碳微观结构, 提高碳基材料储钠性能的有效方法。与单原子掺杂相比, 多原子掺杂产生的协同效应有利于增强材料的电化学反应活性。本研究以从马铃薯淀粉加工废液中提取的废渣为前驱体, 通过水热反应合成了碳球, 在此基础上采用尿素、四硼酸钠作为掺杂源, 利用球磨和热解的方法制备了硼氮共掺杂生物质碳球。随后, 探究了多原子掺杂对碳材料微观形貌及储钠性能的影响。结果表明: 硼、氮共掺杂提高了材料的无序度, 扩大了层间距, 同时形成了合适的、有利于生成稳定固体电解质界面膜的C=O键。在50 mA·g^-1的电流密度下, 其可逆比容量为284.3 mAh·g^-1, ICE为77.0%。在2 A·g^-1下循环500圈后, 比容量衰减至122.5 mAh·g^-1, 容量保持率为56.1%。

碳化硅(SiC)光导开关(PCSS)是一类基于超快脉冲激光调控半导体电阻率以实现导通与关断的光电器件, 在脉冲功率系统、介质壁加速器系统、超快电子学等领域具有广阔的应用前景。透明氧化物导电薄膜因其优异的透光性和导电性, 在光电器件透明电极领域具有重要应用价值。本研究采用磁控溅射法制备硼镓共掺氧化锌(Boron-gallium co-doped zinc oxide, BGZO)薄膜, 系统研究了退火温度(300~600 ℃)对薄膜结构与性能的调控规律。X射线衍射分析与霍尔效应测试结果表明, 400 ℃退火处理的薄膜呈现最优的结晶质量与光电性能, 其可见光波段透过率达93%, 电阻率低至1.40×10⁻² Ω·cm。作为应用验证, 将优化后的BGZO薄膜作为透明电极集成至SiC PCSS器件。对比实验显示, 在532 nm、170 mJ脉冲激光连续触发条件下, BGZO薄膜电极器件较传统Ni电极器件表现出更稳定的工作特性, 其界面丝状电流损伤减少, 电极边缘电场分布均匀性提升。本研究为制备高性能透明导电薄膜提供了优化方案, 并证实了其在PCSS器件中的应用优势。

自2019年Al_1-xSc_xN薄膜的铁电性能被实验报道以来, 纤锌矿结构铁电材料在全球范围内受到广泛关注。然而, 其铁电性能对制备工艺的强烈依赖性仍然是一个重大挑战, 限制了其在实际器件应用中的集成。本研究旨在系统探究溅射工作气压对Al_1-xSc_xN薄膜微观结构及相应铁电特性的影响。核心目标在于确定优异铁电性能的最佳工作气压窗口, 并揭示其背后结构与性能的关联机制。本研究在纯氮气气氛下, 采用反应磁控溅射技术在硅衬底上制备Al_0.71Sc_0.29N薄膜, 工作气压范围为0.27~1.33 Pa。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和铁电测试仪等表征手段, 系统分析了薄膜的晶体结构、表面形貌与铁电性能之间的关联机制。结果表明, 工作气压显著影响Al_0.71Sc_0.29N薄膜的结晶质量, 在0.52 Pa条件下制备的薄膜具有最佳结晶质量和最优铁电性能。随着工作气压增加, 薄膜表面开始出现棱锥状结构并逐渐增多, 静态漏电流逐渐减小。本研究证实工作气压是调控Al_1-xSc_xN薄膜结构与铁电性能的决定性因素之一。工作气压诱导的薄膜形貌变化及漏电流抑制, 为设计高性能纤锌矿铁电器件提供了重要参考。

硒化铟(InSe)作为一种典型的层状III-VI族半导体, 因其高电子迁移率、可调控带隙以及卓越的塑性变形能力而备受关注, 成为下一代电子、光电子以及柔性器件的候选材料之一。近年来, 本征InSe晶体的可控制备技术已趋于成熟, 但针对掺杂InSe晶体制备的系统研究仍相对缺乏。实现高质量、成分可控的掺杂InSe晶体的稳定合成, 已成为推动InSe走向实际应用的关键驱动因素。本研究首先采用布里奇曼法生长出本征InSe晶体, 随后在原料合成阶段引入Bi元素, 成功制备出高质量的Bi掺杂InSe晶体。光学显微镜和扫描电子显微镜测试表明, 所得Bi掺杂InSe晶体表面光滑、单晶特性优异。拉曼光谱与X射线衍射分析进一步证实, 掺杂前后InSe晶体的物相结构保持一致, 均为ε相。化学腐蚀实验证实, 引入的Bi原子能够与晶体中的位错核心发生相互作用, 有效抑制其运动, 因此显著降低InSe晶体的位错密度。电学测试结果表明, Bi元素掺杂在高温区可以明显提升InSe晶体的载流子浓度和迁移率, 这主要归因于引入额外载流子以及位错密度降低减弱了载流子散射效应。本研究成功制备出Bi元素掺杂的InSe晶体, 并证实其具有优于本征InSe的电学性能, 为优化InSe晶体特性、推动其在未来器件中的集成应用提供了理论依据与实验指导。

氨分解制氢作为一种极具前景的氢气制备方法, 其关键在于开发具有高活性、高选择性和低成本的中低温催化剂。本研究以甲烷850 ℃裂解制氢副产物纳米洋葱碳(CNOs)为载体, 采用均匀沉积沉淀法负载活性金属钴(Co), 并引入碱金属氧化镁(MgO)作助剂, 成功制备了高性能氨分解催化剂。通过系统研究酸洗及钾(K)活化处理对CNOs载体形貌的调控作用, 深入探究了其对催化剂性能的影响机制。多种表征与化学吸附实验证实, 催化剂碱性强度与其氨分解性能呈正相关。引入CNOs显著提升了催化剂的电子导电性, 并促进了Co₂MgO₄纳米颗粒在载体上的均匀分散。这种均匀分散增加了碱性活性位点的暴露度, 从而增强了催化剂表面对氨分子的吸附能力。酸洗处理在CNOs表面引入了更多含氧官能团, 这些官能团可作为锚定位点, 与Co²⁺或Mg²⁺形成强化学键(配位键或离子键), 进而稳定Co₂MgO₄颗粒。这种强相互作用提高了金属氧化物的还原难度, 导致其还原温度升高。催化性能测试表明, CNOs、MgO、K和Co的协同作用显著优化了催化剂的结构特性、金属粒径及催化性能。在一系列合成催化剂中, Co₂Mg/K-CNO’展现出最优异的氨分解催化活性, 在12000 mL·g_cat^-1·h^-1、550 ℃条件下氨转化率为99.6%。

随着尾气排放法规的日益严格, 对柴油机尾气颗粒物过滤器(DPF)的过滤精度提出了更高的要求, 传统DPF难以满足尾气中纳米颗粒精密过滤的需求。本研究以堇青石蜂窝陶瓷为基体, 采用十六烷基二甲基溴化铵(CTAB)辅助共沉淀法在硼酸铝晶须上负载Co_0.8Fe_xCe_0.2-xCr₂O₄系列尖晶石型催化剂。独特的“纤毛状晶须增强过滤-双金属掺杂催化氧化”分级结构设计实现了高效过滤性能和低温催化性能的结合, 可在较低的温度下催化氧化碳烟颗粒, Fe与Ce共掺杂产生了显著的协同效应, 提高了催化剂表面氧物种(氧空位)、Co³⁺、Cr⁶⁺的浓度, 增强了反应活性。负载C_0.8F_0.15C_0.05C₂催化剂(Z/C_0.8F_0.15C_0.05C₂-CT)使碳烟颗粒转化率达到50%对应的温度(T₅₀=446 ℃)显著优于原始堇青石(T₅₀=567 ℃)。5次循环测试表明该催化剂具有良好的稳定性和CO₂选择性(86%~94%)。这种独特的分级结构有效实现了高效颗粒过滤与低温催化燃烧性能的统一, 在DPF领域具有潜在的应用前景。

挥发性有机化合物(VOCs), 尤其是芳香烃类物质如甲苯, 由于其高挥发性和生物毒性, 严重威胁环境与人类健康。传统的金属有机框架(MOFs)材料多以微孔结构为主, 但在吸附容量与分子传质之间存在矛盾, 这促使研究者探索更优的材料体系。本研究以UiO-66为主体, 复合氧化石墨烯(GO)进行改性, 构建了GO复合的金属有机框架凝胶(MOGs)。GO的π共轭结构增强了与甲苯分子的π-π相互作用, 丰富的含氧官能团则促进了与金属节点的配位, 形成更多Lewis酸性位点, 协同增强了金属-π相互作用。实验结果显示, UG-1样品(GO与ZrCl₄质量比为1 : 100)在动态穿透实验中的平衡吸附容量达77.4 mg/g, 静态吸附实验中的饱和吸附容量高达1245.5 mg/g, 优于UiO66 MOF和UiO66 MOG, 表现出卓越的吸附性能。本工作揭示了GO改性对材料孔结构及主-客体相互作用的多重调控机理, 为设计高效可再生VOCs吸附剂提供了新的理论基础和实践支撑。

牙周炎是临床极富挑战的问题, 由口腔致病菌过度生长失衡引起, 可导致牙周组织的不可逆损伤。与清创术相比, 抗菌声动力疗法(aSDT)具有优异的生物相容性和组织穿透能力, 是一种有前景的替代方案。本工作制备了铁掺杂的钛基金属有机框架(Fe/Ti-MOFs), 研究了铁掺杂与声催化效率间的量效关系。引入Fe能够调节MOFs的能带结构和结晶度, 且未改变其晶格结构。结果表明, Fe/Ti-MOFs在超声作用下表现出增强的羟基自由基(•OH)产生能力, 从而催化杀灭细菌病原体。其中, Fe/Ti摩尔比为0.025 : 1的样品表现出较佳的声催化性能, 且受带隙工程、铁掺杂浓度和结晶度的共同调节。此外, 牙龈成纤维细胞增殖和活死染色结果表明, Fe/Ti-MOFs具有优异的生物相容性。超声响应的Fe/Ti-MOFs材料为牙周炎的aSDT提供了新的见解和策略, 有望避免抗生素的不良反应。

氧化铝陶瓷是广泛应用的结构材料, 但固有脆性和单一功能限制了其在高性能要求环境中的应用。二维石墨烯具有优异的机械、热和电特性, 将其组装入陶瓷基体, 可通过界面工程促进晶粒细化, 实现性能优化。传统的物理混合方法导致石墨烯片的均匀性和完整性较差, 阻碍了复合材料的发展。针对上述问题, 本工作提出了一种新型的吸附沉淀自组装(APSA)方法, 能够实现氧化石墨烯(GO)薄片与亚微米Al₂O₃颗粒无损复合。通过在GO表面吸附Al³⁺离子实现均匀沉积, 可获得均匀前驱体, 进一步结合放电等离子烧结(SPS)可实现低温快速致密化。在制备的复合陶瓷中, 石墨烯沿着氧化铝晶粒平行排列, 促进了晶粒细化, 并通过拉出、裂纹扩展和桥接等多种增韧机制的协同作用显著提高了材料的机械性能。与单一氧化铝陶瓷相比, 复合陶瓷的抗弯强度((428±87) MPa)提高了43%, 断裂韧性((4.40±0.13) MPa·m^1/2)提高了34%。此外, 与传统球磨混合工艺制备的试样相比, 强度和韧性也分别提高了15%, 进一步证实该技术路线的有效性与先进性。