多尺度仿真是揭示纤维增强陶瓷基复合材料跨尺度力学行为与损伤失效机理的重要研究手段, 其在材料本构建模、损伤机理揭示及环境耦合失效预测等方面的应用已成为当前研究热点。本文基于微观-细观-宏观跨尺度耦合机制, 梳理了多尺度仿真方法的基本概念、分析策略与参数传递的难点, 重点阐述了数据驱动方式在提升多尺度计算效率中的应用进展。围绕陶瓷基复合材料损伤本构建模、失效机理分析和氧化损伤研究, 综述了多尺度仿真在纤维/基体拉伸与渐进损伤、界面分层与裂纹扩展、高温氧化损伤等典型问题中的应用成效, 分析了该方法在裂纹萌生扩展、裂纹生长预测等动态破坏过程模拟中的技术优势, 并进一步探讨了高温氧化环境下多物理场耦合损伤建模的最新进展。本文旨在为多尺度仿真方法在极端环境材料设计中的应用提供理论支撑, 并展望其在陶瓷基复合材料领域的未来发展方向。

层间堆叠方式在二维材料的晶体对称性与层间库仑相互作用中起着关键作用。通过精准调控堆叠结构, 可以诱导出丰富的有序态, 并赋予材料新颖的光学、电子和磁学性质, 从而推动二维材料在非线性光学领域的研究与应用。二维材料具有显著的二阶非线性极化率、原子级厚度以及良好的相位匹配条件, 为非线性光学研究提供了理想平台。二次谐波产生(Second harmonic generation, SHG)作为一种重要的非线性光学效应, 能够灵敏地反映二维材料的层间堆叠信息, 是表征堆叠结构的有力工具。本文对基于SHG技术的二维材料堆叠工程研究进展进行了系统综述。以“堆叠工程”为核心, 系统整合了SHG技术在堆叠结构表征与性能调控中的双重应用, 重点剖析了同质/异质堆叠、扭转角等关键参数对SHG性能的调控机制。接着, 详细讨论了利用SHG表征二维材料层数、堆叠顺序和层间转角的多种技术途径, 并深入分析了同质堆叠与异质堆叠对SHG响应的调控机制, 包括对称性破缺、层间耦合增强等关键物理效应。最后, 对材料体系拓展与跨维度堆叠结构在微纳器件中的应用前景进行了展望。通过充分发挥堆叠工程的潜力, 有望在二维材料中发现更多前所未有的光学与电子特性, 为发展下一代微纳器件提供新的思路与方向, 推动基础研究与工业应用的双重进步。

二维层状材料CuInP₂Se₆晶体因其铁电性和多种特殊的光学性质而被广泛关注, 但热学性质方面研究不足, 制约了其进一步推广应用。因此, 本研究通过气相输运法结合放电等离子烧结(SPS)技术制备了致密多晶CuInP₂Se₆, 探索其热稳定性与热传输特性。热重测试结果表明CuInP₂Se₆在300~740 K温度范围内没有分解和相变; 在300~623 K的温度区间内, 平行于SPS压力方向的热导率由0.63 W·m^-1·K^-1降低至0.35 W·m^-1·K^-1, 垂直于SPS压力方向的热导率由1.34 W·m^-1·K^-1降低至0.93 W·m^-1·K^-1。为了探究影响CuInP₂Se₆热导率的关键因素, 进行了相应的理论计算和声速测试。结果显示材料内部存在着强烈的声子散射, 且CuInP₂Se₆具有较低的横波声速(V_T=1199 m·s^-1)和较强的晶格非谐性(γ=1.83)。CuInP₂Se₆的低热导率主要源于强烈的声子散射、较低的声速以及较强的晶格非谐性三者的协同作用。本研究为CuInP₂Se₆的实际应用提供了理论基础与实际数据支撑。

热电化学电池(Thermo-electrochemical cells, TECs)是一种新型低品位热富集系统, 对其开发利用将有利于提高整体能源效率并缓解城市热岛效应。金属铂(Pt)是TECs研究中常用的电极材料, 但Pt高昂的价格限制了TECs的推广应用。因此, 开发低成本且性能优异的替代电极成为TECs领域的研究热点。本研究以商用碳布(Carbon cloth, CC)为基底和结构导向剂, 将具有高催化活性的FeCoNiCuMn高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)纳米粒子均匀生长在碳布上, 得到FeCoNiCuMn HEAs/CC复合材料, 并将其用作TECs电极。HEAs的高熵效应不仅赋予复合材料稳定的化学结构, 其多主元互相作用也提升了材料的催化活性和反应动力学。因此, FeCoNiCuMn HEAs/CC具有比CC、三元FeCoNi/CC和四元FeCoNiCu/CC更大的电化学活性表面积(2.52 cm²)以及更小的电荷转移电阻(2 Ω)。将HEAs/CC用作TECs电极, 在22.0 K温差下, 该电池具有0.35 mA·cm^-2的电流密度和30.40 mW·m^-2的输出功率密度, 远高于相同条件下以CC (0.17 mA·cm^-2/14.55 mW·m^-2)、FeCoNi/CC (0.27 mA·cm^-2/19.00 mW·m^-2)和FeCoNiCu/CC (0.30 mA·cm^-2/24.44 mW·m^-2)为电极的TECs体系。并且, 该电池体系循环7 d依然保持了91.5%的短路电流, 且电池可逆性良好。本研究所构建的高活性FeCoNiCuMn HEAs/CC复合材料为低成本、高性能TECs电极材料的开发应用提供了新的思路。

鉴于目前非贵金属电催化剂在产氢领域的迫切需求, 开发高效、稳定且廉价的析氢电极材料是实现可持续电解水制氢的关键挑战。本研究以镍网(NM)为基底, 结合氢气泡模板法与循环伏安电沉积技术, 制备了具有多孔圆形纳米片层结构的钴钒氢氧化物/镍铜复合催化剂(CoV LDH/NiCu/NM)。该催化剂由镍铜合金和钴钒氢氧化物主晶相构成, 形成纳米枝晶与圆形纳米片交织堆叠的三维开放多孔结构, 使电化学活性面积提升至基底的110倍, 极大增加了活性位点并促进了传质过程。多种组分与结构的协同效应使CoV LDH/NiCu/NM在1 mol·L^-1 KOH电解液中表现出类铂的析氢性能, 当电流密度为10和100 mA·cm^-2时, 析氢过电位分别仅为28和108 mV; 塔菲尔(Tafel)斜率为47.1 mV·dec^-1, 显示出良好的反应动力学特征。在析氧反应及全水分解中也表现出良好活性(10 mA·cm^-2时过电位及分解槽压分别为329 mV和1.506 V), 展现出潜在的双功能应用价值。此外, 该催化剂还表现出卓越的长效稳定性与耐久性, 在100 mA·cm^-2下连续电解72 h后活性无明显衰减。结构-性能分析表明, 其优异的催化活性主要源于独特的多孔纳米片层结构。本研究为设计高效、稳定的非贵金属析氢电极提供了新思路。

钠离子电池(SIBs)具有环境友好、原料储量丰富、成本低廉等优势, 已经成为锂离子电池在储能领域的重要补充甚至替代者, 具有广阔的应用前景。然而, 锰基SIBs正极材料存在的结构不稳定、循环稳定性差等问题, 严重制约了SIBs的应用。本研究以O3-NaMnO₂为基体, 探究了K/Cu双位点掺杂对其电化学性能的影响与调控机制。理论计算及实验结果表明, 在钠层中引入K⁺有效提升了钠离子的扩散速率, 同时在过渡金属层中掺杂Cu²⁺有效抑制了Mn³⁺的Jahn-Teller畸变, 限制了正极材料在充放电过程中发生复杂相变, 增强了材料的结构稳定性。K/Cu共掺杂打破了钠离子有序排列所形成的空位结构, 激活了阴离子氧化还原反应, 从而贡献了额外的比容量, 并显著增强了材料的电子导电性。Na_0.94K_0.06Cu_0.05Mn_0.95O₂在0.2C (1C=226.28 mAh/g)下首次放电比容量达201.16 mAh/g, 100 次循环后比容量保持率为85.67%, 并且在1C和2C大电流下循环后, 回到0.5C仍可保持170.87 mAh/g的比容量, 表现出优异的循环与倍率性能。这种双位点共掺杂策略为高性能SIBs正极材料的设计提供了新思路。

连续碳化硅(SiC)陶瓷纤维是航空航天和先进核能领域用复合材料的增强体。高温拉伸性能是陶瓷纤维在极端环境应用的关键指标之一, 但关于SiC纤维原位高温拉伸性能的报道较少。本研究采用冷端夹持和热端夹持的原位高温拉伸测试方法, 系统研究了SiC纤维在室温至2000 ℃、不同气氛条件下的组分、微观结构与力学性能的关系。高温环境下的束丝拉伸强度受气氛影响, 在1200 ℃、空气气氛下, 纤维氧化导致拉伸强度从室温的1632 MPa衰减至417 MPa, 强度保留率为44.4%。而在氩气气氛中, 纤维在1200 ℃时的拉伸强度为843 MPa, 强度保留率高达89.7%。纤维在1400和1600 ℃氩气中的拉伸强度保留率分别为76.1%和63.5%。当温度达到1700 ℃及以上时, 由于β-SiC晶粒急剧粗化及纤维中部分非晶相分解形成气孔缺陷, 纤维拉伸强度显著下降, 纤维在2000 ℃时的强度仅为331 MPa, 强度保留率仅为22.5%。本研究揭示了SiC纤维在1600 ℃以下氩气中具有相对较高的强度保留率, 阐明了晶粒粗化、部分相分解和相变是1700 ℃以上高温力学性能演变的机制, 为国产SiC纤维高温工程应用提供了关键的基础数据支撑。

随着集成电路制程节点不断微缩, 光刻系统对氟化钙(CaF₂)光学材料的表面质量提出了原子级光滑度的苛刻要求。针对传统碱性二氧化硅抛光液去除速率低、易腐蚀等问题, 本研究开发了一种用于CaF₂化学机械抛光的高效、稳定且环境友好的近中性二氧化铈(CeO₂)抛光液。采用尿素沉淀法合成了三种不同粒径的单分散球形CeO₂磨料, 并以聚丙烯酸钠(PAAS)为分散剂、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO-9)为表面活性剂配制抛光液, 系统研究了煅烧温度、磨料粒径及添加剂含量对抛光性能的影响。研究结果表明, 以500 ℃煅烧的CeO₂为磨料, 添加0.2% PAAS和0.2% AEO-9 (质量分数)对CaF₂的抛光性能最佳。其中, 粒径140 nm的磨料可实现109 nm/min的材料去除速率, 抛光后表面粗糙度(R_a)为0.12 nm; 而粒径110 nm的磨料可获得R_a低至0.09 nm的超光滑表面, 两者均优于传统碱性二氧化硅抛光液。激光损伤阈值测试表明, 经优化的CeO₂抛光液处理的CaF₂损伤阈值达6.4 J/cm², 较二氧化硅抛光液(4.9 J/cm²)提升了约31%。电子顺磁共振(EPR)光谱和傅里叶变换红外(FT-IR)光谱分析证实, CeO₂表面的Ce³⁺是提升化学活性的关键。接触角测试表明, PAAS和AEO-9可显著降低接触角, 明显改善抛光液在CaF₂表面的润湿性。本研究为CaF₂的超精密加工提供了一种高效、环境友好的新策略。

硒化锌(ZnSe)是一种具有低声子能量、宽透光范围和优良物化性能的II-VI族半导体材料, 在红外窗口和中红外激光基质等领域具有重要应用价值。然而, 在高温熔体生长过程中, ZnSe组分挥发不均衡, 导致化学计量比难以稳定控制, 从而制约了高品质单晶的制备。本研究围绕ZnSe单晶的稳定生长, 制定了一种基于密封熔体生长的制备技术路线。以气相法提纯的ZnSe多晶为原料, 通过钼坩埚真空密封抑制组分挥发, 并采用垂直布里奇曼法成功生长出尺寸为φ27 mm×100 mm的ZnSe单晶; 随后利用热扩散法制备Cr²⁺:ZnSe晶体元件。单晶摇摆曲线显示(110)面的半高宽为0.016° (57.6 arcsec), 表明晶体具有优异的结晶完整性; 透射光谱显示样品在1~15 μm波段呈现出接近理论透过率的高透过特性, 表明晶体具备良好的光学品质。电感耦合等离子体质谱测得Zn与Se原子比约为0.997, 说明密封生长可有效抑制化学计量比偏离。对于Cr²⁺:ZnSe样品, 吸收光谱在1770 nm处出现了Cr²⁺特征吸收峰(⁵E→⁵T₂), 且测试掺杂浓度约为1.81×10¹⁹ cm^-3; X射线光电子能谱进一步证实Cr主要以二价态存在。研究结果表明, 钼坩埚密封技术能够实现高质量ZnSe单晶生长, 且热扩散法可获得有效的Cr²⁺掺杂, 为高熔点、易挥发型中红外激光晶体的制备提供了可行的技术路径。

LiYF₄晶体是一种具有优异光学和物理性能的激光基质材料, Tb³⁺掺杂使其在绿、黄光波段高能量脉冲激光领域具有重要应用潜力。然而氟化物原料易潮解、高温下组分易挥发以及强腐蚀性等问题, 对高品质晶体制备及生长成本控制带来了挑战。本研究采用真空密封铂金坩埚工艺结合垂直布里奇曼法成功生长了尺寸为φ16 mm× 120 mm的Tb:LiYF₄单晶。通过多种测试手段对晶体的结晶质量、组分均匀性及光学性能进行了系统表征。晶体在透明波段内透过率超过93%, 吸收系数低于0.02 cm^-1, 具有优异的光学质量。基于Judd-Ofelt理论, 计算得到三个振子强度参数以及一系列光谱参数, 并测试了变温条件下荧光发射光谱以及荧光衰减曲线。Tb:LiYF₄在545和585 nm处表现出强荧光发射, 荧光分支比分别为57%和15%, 常温下⁵D₄能级荧光寿命为4.83 ms, 较大的荧光分支比以及较长的荧光寿命表明Tb:LiYF₄晶体具有在绿光与黄光波段实现高效率激光输出的潜力。本研究成功建立了一种可行的Tb:LiYF₄晶体生长方法, 并对其光谱性能进行了系统性研究, 为构建高效率绿、黄光固体激光器提供了材料基础与实验依据。

硅酸铋(Bi₁₂SiO₂₀, BSO)晶体是一种宽带隙、高电阻率的非铁电立方半绝缘体, 凭借其线性电光效应、光电导特性、压电性能及光折变效应, 在诸多光电子领域展现出广阔的应用前景。目前, 采用坩埚下降法生长的BSO晶体中易形成散射颗粒缺陷, 严重制约其实际应用。本研究以坩埚下降法生长的BSO晶体为研究对象, 采用偏光显微镜、扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱及分光光度计等表征手段, 系统分析了BSO晶体中散射颗粒的形貌、尺寸、空间分布及化学组成, 并结合晶体生长热力学与动力学过程, 探讨了散射颗粒的形成机制。结果表明, BSO晶体中的散射颗粒主要成分为金属铂, 其来源于高温下BSO熔体对铂金坩埚的腐蚀反应; 该类颗粒以棒状-H状过渡的线状缺陷存在, H状缺陷在纵向轮廓上呈连续的波峰-波谷锯齿状精细结构; 其形成与晶体生长环境相关, 主要分布在晶片中心区域, 且散射颗粒取向与晶体[100]生长方向基本一致。基于散射颗粒的本质与形成路径。本研究提出严格控制原料比、降低熔体生长温度等优化生长工艺参数的解决方案, 为制备大尺寸、低铂金散射颗粒、高光学均匀性的BSO晶体提供了依据。

碳化硅(SiC)是制备大功率、高温高频电子器件的核心宽禁带半导体材料, 其外延层质量直接关系器件的性能与可靠性。垂直热壁化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition, CVD)因具备温度场和流场稳定、生长速率快、有助于提高厚度均匀性等优势, 代表了未来SiC外延行业的重要发展方向。反应腔压力和衬底转速作为垂直热壁CVD工艺中的两个关键可调参数, 通过改变反应腔内流场分布、边界层厚度及前驱体浓度分布, 对外延层生长速率和厚度均匀性产生显著影响。因此, 本研究探究上述两个关键工艺参数对垂直热壁CVD SiC外延生长过程的影响机理, 并确定兼顾高生长速率与均匀性的优化工艺窗口。基于有限体积法, 建立了垂直热壁CVD SiC外延过程的传热传质数值模型, 采用三氯氢硅(TCS)/C₂H₄/H₂前驱体体系的气相反应和表面反应动力学。设计多组数值模拟算例, 系统研究不同反应腔压力和衬底转速对外延过程的影响规律。模拟结果表明, 随着反应腔压力从5 kPa升高到45 kPa, 衬底上方CH₄和SiCl₂等主要反应物浓度逐渐升高, 同时组分边界层厚度减薄, 但当压力超过25 kPa时, 腔体内流场易产生涡流, 导致径向质量输运不均匀, 厚度均匀性逐渐恶化。在衬底转速方面, 生长速率随转速提高而逐渐上升, 在0~500 r/min范围内, 转速提升有效优化了径向组分浓度分布, 改善了外延层厚度均匀性; 而当转速超过500 r/min时, 旋转效应加剧衬底边缘组分聚集, 形成中心浓度高、边缘浓度低的分布, 导致均匀性轻微恶化。上述结果揭示了反应腔压力与衬底转速通过调控边界层厚度和径向浓度分布影响外延生长速率和厚度均匀性的内在机理, 确定了腔体压力为25 kPa, 衬底转速为500 r/min的工艺参数可实现51 μm/h的生长速率和2.1%的厚度均匀性, 为优化SiC外延生长工艺参数、推动垂直热壁CVD技术的产业化应用提供了理论依据。

开发兼具轻质、宽频与强吸收特性的微波吸收材料, 对于复杂电磁环境下的防护具有重要意义。本研究以天然乳糖为碳源, 设计了一系列组分可调的多酸衍生金属钨酸盐与钨氧化物及多孔碳复合材料(WX@LC, X=Mn, Fe, Co)。实验采用乳糖为碳源, 以缺位多酸(SiW₉)配位组装的过渡金属取代多酸(W₁₈X)作为无机前驱体, 将其与硼酸充分混合辅助造孔后, 通过一步空气热解策略成功合成了该复合材料。微观结构分析表明, 纯碳基底仅具备由硼酸辅助造孔促成的高度互连的三维多孔导电网络; 引入多酸前驱体后, WX@LC复合材料内部精准构筑了高浓度氧空位以及晶体与无定形碳的异质界面。此外, 在Mn掺杂的WM@LC样品中观测到了MnWO₄与WO_2.83的双相异质界面。这种WM@LC独有的多重异质结构网络诱发了极强的界面极化, 同时保持了适度电导损耗, 有效优化了阻抗匹配。吸波性能测试结果表明, WM@LC展现出最优的吸波性能, 在15%(质量分数)填充量下, 匹配厚度为4.11 mm时, 最低反射损耗(RL_min)达-73.13 dB; 匹配厚度为2.18 mm时, 最大有效吸收带宽(EAB_max)达6.64 GHz, 完全覆盖Ku波段。本研究为碳基吸波材料的微观结构设计提供了一种有效途径, 并为多酸衍生物在电磁防护领域的应用提供了可靠参考。

黑磷量子点(Black phosphorus quantum dots, BPQDs)因其可调的带隙与高载流子迁移率在能源领域备受关注, 但其高质量可控制备仍是当前技术瓶颈。本研究提出了一种基于微波辅助液相剥离技术的简便、低成本、高效的BPQDs合成策略, 并探究其在提升场效应直流发电机(Field-effect direct-current generator, FENG)性能中的应用。通过系统调控微波温度、时间及前驱体/溶剂配比, 筛选出最佳工艺参数为150 ℃, 6 h, 1 : 2。在此条件下, 成功制备出平均尺寸低至1.47 nm且分布均匀的高质量BPQDs。与传统方法相比, 该策略在制备效率及产物结构完整性方面均展现出显著优势。进一步地, 将所制备的BPQDs与导电聚合物PEDOT:PSS复合, 构建了FENG的活性摩擦层。实验结果表明, 引入BPQDs后, 器件的输出性能显著提升; 相较于纯PEDOT:PSS器件, 平均峰值电流提升43.6%; 系统研究还发现, 通过升高合成温度减小BPQDs尺寸, 可线性提升器件的输出电压、电流及电荷转移速率, 在150 ℃时获得最佳输出。性能提升可归因于超小BPQDs优异的电学特性及其大比表面积对界面极化与电荷存储的促进作用。本工作不仅为BPQDs的绿色、可控制备提供了高效新方法, 还通过柔性自供能系统应用, 展示了其在能源转换领域的广阔应用潜力。

随着5G通信对高集成度器件的需求日益增长, 开发兼具高介电常数与低饱和磁化强度的旋磁铁氧体成为研究关键。本研究旨在通过多离子协同取代策略, 设计并制备一种适用于3.0~3.6 GHz频段的石榴石铁氧体。采用固相反应法制备了Bi_1.4Gd_0.2Ca_1.4Zr_0.2Al_nV_0.6Fe_4.2-nO₁₂ (n=0~0.20)系列样品, 系统研究了Al³⁺取代对其微观结构、磁性能与介电性能的影响。所有样品均保持纯石榴石相, 无第二相产生, 微结构致密、均匀, 粒界清晰。当n=0.10时, 材料获得最佳综合性能: 饱和磁化强度(Saturation magnetization, 4πM_s)降至774 G (1 G=10^-4 T), 铁磁共振线宽(Ferromagnetic resonance linewidth, ΔH)优化至83 Oe (1 Oe=1000/4π A/m≈79.577 A/m), 介电常数(Dielectric constant, ε_r)达26.31, 介电损耗(Dielectric loss, tanδ_ε)为8.49×10^-4。基于此材料研制的双Y结环行器在3.0~3.6 GHz频段内的插入损耗为0.27~0.31 dB, 回波损耗与隔离度均优于20 dB, 且在-40~85 ℃宽温范围内性能保持稳定。Al³⁺取代通过稀释磁性离子与弱化磁晶各向异性, 协同降低了4πM_s与ΔH。本工作为5G小型化环行器提供了一种高性能的铁氧体材料解决方案。

由糖尿病等代谢性疾病引发的难愈合慢性创面的治疗具有重要意义, 也是相关领域科技工作者关注的研究方向之一。形成难愈合慢性创面的主要原因是微环境失衡导致细菌感染、血管生成障碍及持续炎症反应。pH作为创面微环境的重要参数, 对症状调控和药物释放具有关键作用, 但是传统pH响应型水凝胶依赖创面内源性pH变化, 而慢性创面的pH往往长期偏离正常生理范围, 导致其治疗效果受到限制。本研究设计并制备了一种能够主动按需调控pH的多功能复合水凝胶(HPL-PDA@Cur-BG), 该水凝胶以锂离子导电的羟丙基甲基纤维素(HPMC)/聚丙烯酰胺(PAM)双网络水凝胶为基体, 负载载药聚多巴胺纳米颗粒(PDA@Cur NPs)和生物活性玻璃(BG)。在外加直流电刺激下, 该复合水凝胶能够实现pH动态调控, 并触发抗炎药物的智能释放; 同时, 聚多巴胺赋予其优异的光热抗菌性能, 而生物活性玻璃释放的功能离子还有利于促进血管生成和组织再生。实验结果表明, 该水凝胶具有良好的导电性能(1.87 S·m^-1), 在电刺激和近红外光照射协同作用下, 实现了高抗菌率(约98%)及促血管生成效果。本工作为难愈合慢性感染性创面的治疗提供了一种新思路、新策略。

煤气化渣(CGS)富含硅铝物种, 是分子筛制备的潜在大宗原料, 但CGS中硅铝物种的传统活化方法存在能耗高、污染大、成本高等问题。本研究采用亚熔盐法低温活化CGS, 然后采用水热法合成ZSM-5分子筛, 并考察其甲醇制芳烃(MTA)性能。结果表明, 亚熔盐活化CGS合成ZSM-5分子筛较为适宜的活化条件为CGS/NaOH质量比1 : 1.2、碱浓度6.10 mol/L、活化时间3 h、活化温度200 ℃; 活化CGS合成ZSM-5分子筛较为适宜的晶化条件为合成体系pH 11、晶化温度160 ℃、晶化时间72 h、四丙基溴化铵(TPABr)/SiO₂摩尔比0.10, 在上述条件下合成的ZSM-5分子筛结晶度良好、骨架完整、形貌较为规整。合成的ZSM-5分子筛经离子交换和等体积浸渍后, 制得Zn/H-ZSM-5催化剂, MTA性能评价结果表明, Zn/H-ZSM-5催化剂在反应温度400~500 ℃和质量空速5~20 h^-1范围内甲醇转化率均达100%; 随着反应温度的逐渐升高, 芳烃的选择性先增加后降低; 随着质量空速的逐渐升高, 芳烃的选择性逐渐降低。反应温度450 ℃、质量空速5 h^-1时, Zn/H-ZSM-5催化剂展现出良好的MTA性能, 此时甲醇转化率达100%, 芳烃选择性为45.0%。本研究可为CGS绿色高效合成分子筛提供新途径。

电催化氮还原反应被视为可持续合成氨的重要路径, 开发高活性、高选择性的催化剂是该技术的核心挑战。本研究通过密度泛函理论计算, 系统探究了钼修饰B₂N、B₃N及B₄N单层材料的氮还原反应性能。钼与基底间的强相互作用确保了体系稳定性, Mo-B₂N、Mo-B₃N和Mo-B₄N的结合能分别为-8.39、-5.91和-6.75 eV。研究表明, 钼活性位点能有效活化氮气分子, 吸附后N≡N键长由气相中的1.108 Å分别延长至1.128 Å (Mo-B₂N)、1.132 Å (Mo-B₃N)和1.132 Å (Mo-B₄N)。自由能分析表明, Mo-B₂N、Mo-B₃N和Mo-B₄N的热力学能垒分别为1.21、1.07和0.61 eV, 其中Mo-B₄N展现出最优催化活性, 证实配位环境可有效调控钼的反应活性。电子结构分析揭示了N≡N键强度与热力学能垒的关联性, N≡N键越弱, 氮还原反应活性越强。此外, 300 K室温下的结构刚性保持验证了Mo-B₄N优异的热力学稳定性。综上, Mo-B₄N在电催化氮还原反应中兼具高活性与稳定性。本研究为氮还原电催化剂的设计提供了理论指导, 并提出了具有实验可行性的候选体系。本文数据集可在 https://www.doi.org/10.57760/sciencedb.jim.00043中访问获取。

自石墨烯被发现以来, 二维材料一直都是研究热点。二维半导体材料具有原子级厚度和优异的光电性能, 被认为是理想的半导体材料。在材料晶体结构数据库中, 范德华材料只占5%, 导致可研究的二维材料数量稀少, 这限制了二维材料的发展和应用。非范德华二维材料的开发将极大地丰富二维半导体材料家族。非范德华材料的二维方向生长仍然是一个巨大的挑战, 常规合成方法难以限制其在三维方向的生长。本研究开发了一种一步法化学气相沉积, 在C面蓝宝石上生长了非范德华二维Bi₂WO₆纳米片, 平均尺寸达到60 μm。通过精确控制生长参数, 实现了二维Bi₂WO₆纳米片的厚度调控。Bi₂WO₆纳米片被用于构建顶栅场效应晶体管, 其开关比高达10⁶, 载流子迁移率达到2.4 cm²∙V^-1∙s^-1。本研究还构建了光电探测器, 实现了高达3.6×10¹⁰ Jones的比探测率, 响应度为0.779 A∙W^-1, 外量子效率为218.5%。本研究表明, 二维Bi₂WO₆有望成为未来电子和光电子器件的理想材料。

在追求高推重比航空发动机的应用背景下, 热障涂层材料在具备优异隔热性能的同时, 还必须具有能够抵抗高温燃气中熔融盐(如V₂O₅和硫酸盐)“热腐蚀”的能力。本研究通过固相烧结法合成了RE₂Ti₂O₇ (RE=Dy, Yb)陶瓷, 并通过热重-差示扫描量热(TG-DSC)分析检测了其相稳定性和分解行为, 并系统研究了该陶瓷在900、1000和1100 ℃下在V₂O₅及Na₂SO₄+V₂O₅熔盐中的腐蚀行为。TG-DSC结果显示, RE₂Ti₂O₇在1100 ℃下未出现明显分解峰, 表现出良好的热稳定性。在纯V₂O₅熔盐环境中, 陶瓷表面生成颗粒状的稀土钒酸盐(REVO₄), 并伴随柱状TiO₂析出; 腐蚀产物呈致密层状分布, 有效限制了腐蚀介质的进一步侵蚀。引入Na₂SO₄后, 体系中形成的NaVO₃降低了局部熔体黏度, 显著提高离子迁移率, 从而加速了稀土元素和钛元素的溶出与再沉淀过程, 使腐蚀产物以柱状REVO₄和TiO₂为主。基于相图分析与吉布斯自由能(ΔG)计算, 提出了V₂O₅与RE₂Ti₂O₇之间的反应以氧化还原和离子交换为主, 并运用路易斯酸碱理论解释了加入Na⁺对溶剂化与络合行为的影响机制, 进而揭示了整体腐蚀动力学机制。综上, RE₂Ti₂O₇陶瓷表现出优异的高温熔盐耐腐蚀性, 具备作为热障涂层候选材料的应用潜力。