近年来, 石墨烯以其独特的结构和优异的性能, 在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣. 人们已经在石墨烯的制备方面取得了积极的进展, 为石墨烯的基础研究和应用开发提供了原料保障. 本文大量引用近三年最新参考文献, 综述了石墨烯的制备方法: 物理方法(微机械剥离法、液相或气相直接剥离法)与化学法(化学气相沉积法、晶体外延生长法、氧化?还原法), 并详细介绍了石墨烯的各种修饰方法. 分析比较了各种方法的优缺点, 指出了石墨烯制备方法的发展趋势. 

金属离子掺杂、非金属离子掺杂、离子注入以及染料光敏化等方法都可不同程度地实现TiO₂可见光化, 其中非金属掺杂TiO₂可见光催化剂其可见光活性是不以损失UV光激发效率而可以独立存在的. 本文重点介绍了近年来非金属掺杂修饰改性TiO₂光催化剂及本课题组在染料敏化半导体光催化制氢研究方面所取得的一些研究成果, 对非金属离子改性TiO₂光催化剂的效能进行了整理分类. 构建以天然海水和盐湖卤水为应用背景的无电子给体的无机水盐廉价制氢反应体系, 是光催化走向实用化的一个新探索. 本文回顾了无机水盐制氢反应体系构建方面的研究成果, 并对未来光催化分解水的研究工作进行了展望.

利用水合肼液相还原法在纳米磷化镓(GaP)粉体表面沉积贵金属铂(Pt), 制备低Pt担载量Pt(0.80 wt%)/GaP和高Pt担载量Pt(4.2 wt%)/GaP纳米粉体样品. 在可见光照射条件下, 分别以GaP和Pt/GaP纳米粉体作为光催化剂, 对结晶紫水溶液进行光催化降解. 实验结果表明, GaP和Pt/GaP两种纳米粉体皆具有可见光响应光催化性能; Pt担载量对Pt/GaP纳米粉体的光催化性能有着较大的影响, 低Pt担载量Pt(0.80 wt%)/GaP纳米粉体的结晶紫光催化脱色率高于GaP纳米粉体, 而高Pt担载量Pt(4.2 wt%)/GaP粉体的结晶紫光催化脱色率则低于GaP纳米粉体.

采用等离子体电解氧化(PEO)技术, 在纯钛基体上制备了具有多孔和纳米结构并含有不同钙磷含量的氧化钛涂层. 采用扫描电子显微镜和X射线衍射仪研究了涂层的显微结构和相组成. 采用模拟体液浸泡实验评价涂层的生物活性. 研究结果表明: 涂层主要由锐钛矿和金红石相组成, 涂层表面孔径小于10μm, 晶粒直径约10~100nm, 且涂层表面晶粒、涂层厚度、表面粗糙度和涂层中的钙磷元素含量均随着PEO过程中电流密度的增大而增加. PEO涂层在模拟体液中浸泡14 d即能够诱导类骨磷灰石在其表面沉积, 显示出良好的生物活性. 涂层中的钙磷含量和结晶形态对其生物活性起关键作用. 

采用磷酸四钙和磷酸氢钙为磷灰石水泥(AC)粉末, 5wt%硅酸钠水溶液为固化液, 氯化钠为致孔剂, 制备了掺杂钠元素的硅磷灰石水泥(s-AC)多孔支架用于骨缺损再生修复. 结果显示: s-AC多孔支架的成分为含钠硅元素的磷灰石, 支架大孔之间互相贯通, 孔径在200~600 μm, 孔隙率在58%~75%, 抗压强度在1.6~3.8MPa的范围内. 与AC相比, 掺杂一定量的钠硅元素提高了s-AC支架在Tris-HCl溶液中的降解性. 将s-AC多孔支架植入兔股骨缺损处, 组织学分析结果显示: 新生骨在支架材料的表面直接形成, 并长入其中, 相互贯通的多孔支架促进了新骨长入其内部. 结果表明: s-AC支架具有优良的生物相容性、降解性和成骨性, 将是一种优良的骨修复生物材料.

ZnO、Zn₂SnO₄均为直接带隙宽禁带氧化物半导体, 是优异的功能材料. 以ZnO、SnO₂为原料, 通过共热蒸发法, 合成了ZnO/Zn₂SnO₄纳米电缆结构. 该纳米电缆结构为以ZnO为芯, Zn₂SnO₄ 为鞘, 直径为50~100nm, 长度可达上百微米. 通过TEM分析手段, 发现该纳米电缆结构中, ZnO的生长方向为<0001>方向, ZnO芯与Zn₂SnO₄鞘之间形成晶格外延关系. 室温下光致发光谱结果显示, 该纳米电缆结构在紫外区域(380.58nm附近处)存在很强的带边发光, 而在可见光区域没有明显的发光带, 这一结果表明: Zn₂SnO₄鞘层的存在能有效抑制ZnO表面的缺陷发光. ZnO/Zn₂SnO₄纳米电缆结构可以抑制电子?空穴的复合, 在染料敏化太阳能电池等方面有一定的应用潜力.  

利用电化学沉积法, 通过调节电解液浓度、时间、温度等因素, 在氧化铟锡(ITO)导电玻璃上制备了形貌不同的氧化锌(ZnO)纳米薄膜. 通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、光致发光谱等测试手段对不同形貌的ZnO纳米薄膜进行了表征和研究. 研究表明, 在高于阈值电压的情况下氧化锌薄膜迅速生成, 微观形貌主要受电解质溶液的浓度影响, 随着电解质浓度的升高可分别获得胞芽状、棒状、片层状结构, 结合晶体生长理论探讨了不同形貌ZnO薄膜的成因. 室温光致发光谱显示片状的ZnO纳米薄膜在近带边有较强的宽化激发峰, 而可见区的发光峰受到明显抑制, 这一结构有望应用于光电器件、传感器等领域. 

采用气溶胶辅助化学气相沉积(AACVD)法在玻璃衬底上制备了Al掺杂ZnO(AZO)薄膜. 研究了Al掺杂(2at%~8at%)对ZnO薄膜结构及光电性能的影响. 利用XRD、SEM、EDAX、紫外可见分光光度计等手段对样品进行测试. 结果表明, 制备的所有AZO薄膜均具有纤锌矿结构, 不具有沿c轴方向的择优取向, XRD图谱中未观察出Al的相关分相. 在可见光范围内, AZO薄膜的平均透过率大于72%, 光学禁带宽度随Al掺杂量的增加而变窄. 同时根据四探针技术所得的数据得知: Al的掺杂导致薄膜方块电阻的变化, 随着Al掺杂量的增加, 方块电阻有明显变小的现象, 掺杂6at%Al的AZO薄膜具有最低方块电阻(18Ω/□).

玻璃陶瓷电容器内电极结构及界面形貌对电性能有重要影响. 采用磁控溅射法在介质层与银浆料电极间分别制备了Pt、Au、Cu和Ag金属膜内电极层, 研究此电极层对Na₂O-PbO-Nb₂O₅-SiO₂玻璃陶瓷电容器电性能的影响. 与单层浆料的电极结构相比, 引入Pt、Au金属膜可以更有效地改善电性能: 等效电容值增加25%, 漏电流降低一个数量级. 由SEM结果可知: Pt、Au、Cu膜与玻璃陶瓷紧密的界面接触能够抑制银向介质中扩散; 然而, 采用单层银浆料或引入Ag金属膜的样品界面多孔且银扩散严重. 以上分析表明: Pt、Au金属膜电极层能够改善玻璃陶瓷电容器界面微观结构, 有效抑制银的扩散, 提高整体电性能.

通过考察煤系针状焦在700~2800℃热处理过程中石墨微晶结构的变化规律及其电化学性能, 并结合TG-DTG、XRD、SEM、XPS表征方法以及充放电、循环伏安曲线特征, 分析了针状焦的石墨化机理及其储锂机制. 研究结果表明, 随热处理温度的升高, 针状焦的类石墨微晶在不断长大的同时, 还存在微晶在径/轴向的排列、石墨层间位错线的消失、晶界间C-C六圆环的形成、晶界的消失以及石墨层“褶皱”的平面化等复杂过程, 且每个过程的驱动力不同. 针状焦经过2800℃石墨化后, 可获得较低的Li⁺充放电电位和稳定的充放电平台, 且反复充放电40次后的有效嵌锂容量为305mAh/g.

为了提高LiFePO₄的倍率性能, 用碳热还原法制备了Na⁺掺杂的LiFePO₄/C复合正极材料, 并用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、恒电流充放电技术、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)研究了Na⁺掺杂对LiFePO₄/C材料的结构、微观形貌和电化学性能的影响. 结果表明, Na⁺掺杂的LiFePO₄/C复合材料具有单一的橄榄石型晶体结构, 不存在杂质衍射峰, Na⁺在Li位掺杂可提高材料的导电性能和Li⁺扩散速率, 降低电极极化, 能有效改善材料的循环性能和倍率性能. 与LiFePO₄/C相比, Li_0.99Na_0.01FePO₄/C的0.5C、2C和5C放电比容量分别为147.6、126.4和105.1 mAh/g, 并表现出良好的循环性能和倍率性能.

以苯为碳源, 在900 ℃下采用TVD(thermal vapor deposition)法对螺旋结构碳纳米管(Helical carbon nanotubes, HCNTs)进行了包碳修饰, 采用XRD、SEM、TEM、BET 等检测方法对所制备材料进行了表征分析. 包碳后HCNTs的比表面积明显降低. 研究了包碳HCNTs用作锂离子电池负极材料的性能, 结果显示适量包碳不仅提高了HCNTs的首次库仑效率, 而且改善了其循环稳定性和倍率充放电性能. 当TVD包碳45 min、HCNTs增重约220 wt%时, 首次库仑效率从59.2%提高到77.8%, 在1.0C、2.0C、5.0C以及10.0C倍率下的放电比容量分别为265.6、245.7、196.0、163.2 mAh/g, 在10.0C下循环95次后放电比容量保持率为93.3%. 过多的碳包覆虽然会进一步提高材料的首次库仑效率和循环稳定性, 但会导致其倍率性能变差.

采用湿法工艺制备了4种不同石墨粒度的纸基摩擦材料, 利用惯量摩擦试验机研究了石墨粒度对摩擦力矩曲线和动、静摩擦系数及磨损率的影响; 并对不同压力和转速条件下动摩擦系数的变化趋势进行了研究. 利用扫描电子显微镜观察了磨损后纸基摩擦材料的表面形貌. 研究结果表明: 随着石墨粒度的减小, 制动时间增加, 摩擦力矩曲线中间部分趋于平直; 动、静摩擦系数减小, 磨损率降低. 同时, 动摩擦系数随着制动压力和转速的增加而减小. 循环制动过程中, 石墨粒度较小的试样制动稳定性较好. 随着石墨粒度的减小, 摩擦表面形成了润滑性能良好的固体润滑膜, 有利于提高材料的耐磨性能.

利用四球摩擦磨损试验机对硫化锑纳米棒束作为液体石蜡添加剂的摩擦学性能进行了研究. 结合硫化锑纳米颗粒的性能, 对比分析两者作为添加剂润滑下摩擦系数、磨斑直径、钢球磨损表面形貌的变化规律, 并得到以下结论: 两种材料均能在一定程度上改善基础油的减摩抗磨性能, 在低载荷时硫化锑纳米棒束的减摩抗磨性能明显优于纳米颗粒, 较高载荷时, 两者的减摩抗磨性能相当; 就承载能力而言, 纳米颗粒的性能明显优于纳米棒束; 低载时纳米棒束的“微滚珠”效应是其优异摩擦学性能的主要原因.

以无机盐为前驱体, 利用溶胶?凝胶法固溶合成了(1-x)Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃-xPb(Mg_1/2W_1/2)O₃多铁性固溶体. XRD分析表明, 在0≤x≤1.0的掺杂范围内, 700℃煅烧所得产物都具有钙钛矿结构; x=0时得到的纯Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃为长程无序结构, x=1.0时可获得完全有序的纯Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃相, 其单胞为Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃单胞的2倍; 当0<x<1.0时, (1-x)Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃-xPb(Mg_1/2W_1/2)O₃固溶体也为有序结构, 出现1/2 (111)及1/2 (311) XRD衍射峰, 且强度随掺杂系数x的升高逐渐增大. TEM分析证实, 煅烧产物为具有钙钛矿结构的单相固溶体, 而非两相复合物; 固溶相形貌以立方颗粒为主, 随掺杂量增加其晶胞常数线性增大, 而晶粒尺寸先减小后变大. 性能测试发现, 固溶相的磁学性能随x的增加而逐渐下降, 起因于抗磁性的Pb(Mg_1/2W_1/2)O₃破坏了Pb(Fe_2/3W_1/3)O₃原有的价键结构所致.

采用固相反应法制备了(Ba_1-xCa_x)(Ti_0.82Zr_0.18)O₃(BCZT, 0≤x≤0.26)陶瓷, 研究了Ca²⁺掺杂对BCZT陶瓷微观结构和介电性能的影响. 结果表明: 当Ca²⁺掺杂量为0.16时, BCZT陶瓷出现第二相CaTiO₃, 其四方率c/a随Ca²⁺掺杂量的增加先减小再增大, 当Ca²⁺掺杂量为0.06时达到最小值1.00276. 通过容差因子和晶格参数的计算确认了Ca²⁺已进入到A位; 随Ca²⁺掺杂量的增加, 晶粒得到细化, 居里温度向低温方向移动, 介电峰被压低并展宽, 且逐渐呈现铁电弥散性.

研究了低温烧结助剂Li₂O对SPS烧结AlN陶瓷烧结致密化过程、烧结体显微结构和导热性的影响. 研究表明: 在SPS烧结过程中, 烧结助剂Li₂O和Sm₂O₃(或Y₂O₃)的加入使AlN试样开始收缩并进入烧结初期阶段的温度从1550℃左右下降到1200℃以下; 同时Li₂O使AlN试样的烧结温度显著降低, 完全致密化温度降低到1650℃左右. 烧结体的显微结构表明: Li₂O的加入有助于形成润湿性良好的液相, 促进AlN陶瓷的液相烧结; 但不利于快速烧结坯体中气体的扩散与逸出, 使试样的致密度受到影响. 同时, Li₂O影响AlN晶粒的发育, 使液相润湿性提高, 晶界相均匀分布, 增加了晶粒界面上的声子散射, 对AlN材料的热导率产生不利影响. 同时, 添加1.0wt% Li₂O和1.5wt% Sm₂O₃的AlN试样的热导率低于仅添加1.5wt% Sm₂O₃的试样. 

研究了(1-x)(Mg_0.9Co_0.1)TiO₃-x(Ca_0.61La_0.26)TiO₃(MCT-CLT)体系陶瓷的微波介电性能. 目的是通过(Ca_0.61La_0.26)TiO₃ (CLT)协调(Mg_0.9Co_0.1)TiO₃(MCT)陶瓷的谐振频率温度系数. 实验发现, 烧结温度和陶瓷组成对微波介电性能影响显著, 当烧结温度为1300℃时, 可以获得良好的致密度, 当烧结温度超过1300℃时, 陶瓷致密度和介电性能下降. 此外, 随着CLT含量的增加, 材料的介电常数增大, 品质因数减小. 当CLT含量为13%, 烧结温度为1300℃, 保温2h, (MCCLT)陶瓷具有优良微波介电性能, ε_r =22.4, Q×f =35000 GHz, τ_f = -8.7×10^-6/℃, 从而达到实用要求.

采用超声波真空浸渍-碳热还原法将ZrB2引入碳纤维预置体, 结合热梯度化学气相渗透、高温石墨化工艺制备了ZrB₂改性C/C复合材料. 氧-乙炔烧蚀测试结果表明, 添加了6.87 wt% ZrB₂后, C/C复合材料的线烧蚀率和质量烧蚀率分别下降了64.9%和67.5%. 分析表明, C/C复合材料的烧蚀主要是由热化学和热物理反应控制, 机械剥蚀在烧蚀过程中仅起到次要作用. 烧蚀产物ZrO₂/B₂O₃在烧蚀过程中的挥发会带走大量的热, 从而减少了烧蚀火焰对烧蚀表面的热冲击.