纳米多孔碳具有很多优良的性能, 如优异的生物相容性、高导电性、高比表面积等, 可应用于电极材料、吸附、分离、催化剂载体等领域。碳化物衍生碳法(Carbide-derived carbons, CDC)在制备纳米多孔碳方面具有比表面积大范围可调、孔结构和石墨化程度精确可控、成本低、保持原有碳化物形态等优点, 逐步引起了材料研究者的重视。本文从CDC工艺原理出发, 重点概述了CDC工艺的最新研究进展, 并介绍了其在超电容电极材料、吸附等领域中的应用情况, 最后针对CDC工艺的不足, 对其未来发展进行了展望。

以液相渗硅工艺为手段制备了C/C-SiC复合材料。分别采用MMW-1A与MM-1000型试验机对复合材料的摩擦磨损性能进行了研究。结果表明: 在实验室条件下, 当压力恒定在0.48 MPa时, 转速对复合材料的摩擦磨损的性能影响甚微, 摩擦系数为0.15~0.16, 且磨损率接近; 当转速恒定在0.3 m/s时, 不同压力条件下的摩擦系数相近, 为0.13~0.15, 但磨损率存在较大差异, 材料磨损以磨粒磨损为主。在近工况条件下, C/C-SiC复合材料的摩擦系数达到0.50, 磨损率达到5.95 mg/次, 摩擦曲线表现为典型的马鞍形曲线, 试验前期材料磨损主要表现为磨粒磨损, 试验后期为粘着磨损。

采用平均粒径分别为3.5 μm、1.5 μm和200 nm的碳化硼粉体为原料经1850℃热压烧结制备了碳化硼陶瓷, 研究了粉体粒径对陶瓷烧结致密化过程及其性能的影响。根据保温时间对线收缩率的影响及热压初期的塑性流动机理, 得出了不同粉体间烧结初期的激活能差。结果表明: 在相同工艺条件下, 随着粉体平均粒径的减小, 粉体的扩散激活能降低, 致密化初始温度降低, 而且完成塑性流动所需时间也会明显缩短, 致密化速率加快, 致密度增大; 碳化硼陶瓷的显微结构与力学性能亦随着粉体粒径的减小而改善; 1850℃保温1 h后, 平均粒径为200 nm的粉体制备的碳化硼陶瓷相对密度可达90.5%, 硬度为(17±1.8) GPa。

针对船舶压载水转移所引起的外来生物入侵问题, 开发了以廉价煤为原料经挤压成型、炭化等工艺制备出煤基管状多孔炭膜。分别采用扫描电镜和气体泡压技术对煤基炭膜的微观形貌和孔结构特性进行表征, 并详细考察了压载水处理过程中微藻种类、跨膜压差、错流速率以及微藻密度对处理效果的影响。实验结果表明, 煤基炭膜表面光滑, 孔隙结构发达, 孔径均一, 这非常有利于处理压载水中微藻。压载水中微藻尺寸越大, 膜的稳定通量越小; 增大跨膜压差, 膜的稳定通量增幅变缓, 尤其对含有小球藻和叉鞭金藻的模拟压载水, 因其尺寸与炭膜平均孔径相近, 容易受压变形进入膜孔形成膜内污染, 变缓程度更为明显; 增大错流流速可增大膜表面剪切力, 减少微藻在膜表面堆积, 提高炭膜的稳定通量; 提高藻液密度, 加重膜表面污染, 降低膜的稳定通量。经炭膜处理后, 渗透液中均未检出微藻的存在, 显示出煤基多孔炭膜在船舶压载水处理领域具有潜在的应用前景。

PdH_x是Pd/C催化剂中重要的活性物种, 在常温无氢的条件下不能稳定存在。在常压无氢条件下, 以PdO作前驱体, 用水合肼还原法可制备出PdH_x含量较高, 且能够稳定存在的PdH_x-Pd/C催化剂。通过XRD、XPS和TEM等表征方法研究了PdH_x和Pd颗粒的微观结构、形貌及化学状态; 提出了水合肼还原法生成PdH_x的机理。实验结果表明: PdH_x颗粒的平均粒径为3.9 nm, PdH_x(111)晶面间距比Pd(111)稍大; PdH_x生成于水合肼对PdO的还原过程, 且其晶粒大小与前驱体PdO的粒度大小及结构不完整性密切相关。将该催化剂应用于无氢条件下胺化法合成2, 6-二甲基苯胺的反应中, 其催化性能明显优于普通的Pd/C催化剂。

采用水热法合成了多孔结构Bi₂WO₆光催化剂, 借助X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线能量色散谱(EDS)、紫外-可见漫反射(UV-Vis-DRS)、N2吸附/脱附等测试手段对样品的物相组成、形貌、比表面-孔径分布和光吸收特性等进行了表征。考察了水热温度、水热反应时间对Bi₂WO₆的形貌、比表面-孔径分布和光吸收特性影响, 并探讨了Bi₂WO₆光催化剂对模拟燃油的脱硫活性。结果表明, 在强酸性条件下水热温度和水热时间对Bi₂WO₆的形貌、比表面积和催化活性影响显著, 190℃水热反应2 h所得Bi₂WO₆为新颖的鸟巢状微晶, 且鸟巢状Bi₂WO₆由片层状二级结构组装而成。XRD和EDS表明, 鸟巢状结构的Bi₂WO₆为正交晶系, 纯度较高。N₂吸附-脱附测试结果表明, 鸟巢状Bi₂WO₆具有多孔结构, 孔主要分布在10 nm, 比表面积大约为17.49 m²/g。催化活性测试结果表明, 三维介孔结构Bi₂WO₆具有较好的模拟燃油脱硫效果, 在空气流量为100 mL/min, 催化剂加入量为1.2 g/L, 可见光照射180 min, 模拟汽油脱硫率高达91.2%, 且催化剂的稳定性能较好。

利用热气流法制备的宏观平行取向介孔二氧化硅薄膜为载体, 经氨基硅烷APTS对孔道进行表面修饰后, 在介孔孔道中原位生成了金纳米线。研究结果表明: 由于介孔孔道的限制效应, 在氯金酸的乙醇溶液中浸泡较长时间后, 利用氢气还原可获得长径比较大的金纳米线。Z扫描测试表明, 这种金纳米线-介孔二氧化硅复合薄膜材料具有明显的非线性光学特性。在532 nm的激光下, 它还表现出明显的各向异性, 有望在新型光学器件方面得到应用。

采用简单的离子交换沉积法制备了SnS敏化的纳晶TiO₂光阳极。通过SEM、XRD、UV-Vis等手段对光阳极的表面形貌, 晶态结构, 紫外-可见吸收和散射性能进行表征。并分别以聚苯胺和铂为催化剂制备对电极, 以含碘氧化还原电对和硫氧化还原电对溶液为电解质, 组装SnS敏化太阳能电池, 对其光电性能进行研究。通过比较不同光阳极、电解质和对电极的组合, 发现用光阳极为离子交换沉积9次SnS的纳晶TiO₂膜, 对电极为聚苯胺不锈钢网压片膜, 电解质为含硫氧化还原电对溶液组装的太阳能电池光电性能最佳, 其短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率分别达到4.59 mA/cm²、0.547 V、0.505和1.27%。

用溶胶-凝胶法制备了金红石 Ti_1-xCr_xO₂ (x=0、0.04、0.08) 纳米粉末。磁性测量结果显示, 制备的 Cr 掺杂金红石 TiO₂ 纳米粉末具有室温铁磁性, 样品 x=0.04 和0.08 的饱和磁化强度M_s分别为 0.55×10^-3和 1.6×10^-3 emu/g, (emu/g=4π×10^-7Wb•m/kg)矫顽力H_c分别为 220和 40 Oe(Oe=10³/(4π)A/m)。Cr 掺杂量较大的样品的饱和磁化强度较大, 在 Ar 气中退火可以使粉末呈超顺磁性。Cr2p 区域的密集扫描 X 射线光电子能谱 (XPS)分析显示, 在所有的样品中 Cr都是以Cr³⁺存在。电子顺磁共振谱 (EPR)分析表明, 样品中的 Cr³⁺ 离子仅对其顺磁性有贡献。这些结果提示, 粉末微弱的室温铁磁性来源于掺杂引入的结构缺陷, 其中, 氧空位起重要作用。

采用熔盐法制备了钙钛矿结构的钛酸锶立方块。通过浸渍法对所得钛酸锶进行表面离子修饰, 得到表面负载无定形Cu(II)纳米团簇的新型可见光催化剂。利用ICP-AES、XRD、SEM、XPS、DRS等对其进行表征。通过光催化降解气相异丙醇对其可见光催化活性进行评价。研究发现, 负载无定形Cu(II)团簇后, 所得的催化剂Cu(II)-SrTiO3具有较好的可见光催化降解气相异丙醇的性能, 能够有效地将异丙醇彻底矿化成二氧化碳。

本研究利用相转化共纺丝法一步制备出微管式固体氧化物燃料电池(MT-SOFC)用电解质/阳极(YSZ/NiO-YSZ)双层中空纤维膜, 将制得的YSZ/NiO-YSZ双层中空纤维膜前驱体经1450℃烧结后, 以纯H₂在700℃下还原4 h得到YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维膜。电解质YSZ膜层厚度通过改变YSZ铸膜液挤出速率来调节。将La_0.8Sr_0.2MnO_3-δ(LSM)阴极乳浆浸渍涂覆在烧结后的YSZ/NiO-YSZ双层中空纤维膜外, 经1200℃烧结后形成微管式固体氧化物燃料电池。结果表明, 当阳极铸膜液以10?mL/min速率挤出, 而电解质铸膜液挤出速率为0.5、1、1.5、2 mL/min时, 构造的YSZ/Ni-YSZ双层中空纤维膜电解质层厚度分别为6、13、18、28 μm, 其机械强度、气密性均随着电解质层厚度增加而增大, 但电导率与孔隙率受电解质层厚度的影响较小。YSZ膜厚度为28 μm的MT-SOFC, 800℃时以20 mL/min氢气作为燃料, 30 mL/min空气作为氧化剂, 最大开路电压为1.01 V, 最大输出功率只有75 mW/cm²。但同样测试条件下, YSZ膜厚度为6 μm的MT-SOFC, 开路电压为0.92 V, 最大输出功率升至329 mW/cm²。

在STA409PC热重分析仪上对Cu/Si氧载体的脱氧-吸氧性能加以研究, 并利用BET、SEM和XRD对所制备氧载体的比表面积、表面形貌和物相组成进行分析。结果表明, 在N₂氛围中, 当温度高于850℃时Cu/Si氧载体脱氧反应进入快速反应阶段; 氧载体在空气氛围中再生的快速反应温度高于400℃; 氧载体脱氧和吸氧的反应速率随颗粒直径的减小及气体流量的增大, 而增大但变化不明显, 而随反应温度的升高, 氧载体脱氧和吸氧反应速率都会急剧增大; 23次循环实验中, 氧载体脱氧-吸氧性能稳定, 经循环之后的氧载体, 颗粒表面变得光滑, 空隙率增加, 但机械强度降低。物相分析结果表明氧载体脱氧后的成分主要有Cu₂O和SiO₂, 吸氧后的成分主要有CuO和SiO₂, 氧载体的制备方法和循环性能有很好的稳定性和适应性。

采用化学沉淀法由HCl-Na₂WO₄制备WO₃-C复合载体, 通过微波辅助乙二醇还原法制备Pt/WO₃-C复合载体催化剂。研究了WO₃含量以及热处理温度对Pt/WO₃-C催化剂性能的影响, 采用X射线衍射、透射电子显微镜和能量散射光谱对Pt/WO₃-C的物化结构和组成进行了表征。结果表明, WO₃的最佳含量为10wt%, N₂气氛中热处理适宜温度为250℃。所制备的Pt/WO₃-C催化剂中WO₃以单斜晶型存在, Pt颗粒的平均粒径为2.77 nm。通过循环伏安法和单体质子交换膜燃料电池极化曲线测试了Pt/WO₃-C催化剂的电化学性能, 证实了Pt与WO₃之间存在协同催化作用, 与Pt/C催化剂相比, Pt/WO₃-C的催化活性和稳定性都有明显改善。

为了获得高性能的锂硫电池正极材料, 采用先超声分散再进行热处理的方法制备了负载ZnS的介孔炭复合材料(ZnS/MC), 进而用热复合法获得负载有ZnS的介孔炭复合硫正极材料(ZnS/MC/S)。XRD、SEM、EDS和N2吸附脱附等温线表明, 当ZnS含量低于17wt%时, 通过超声波分散, ZnS可以均匀负载到介孔炭中; 但热处理或提高ZnS含量时ZnS会发生聚集, 形成闪锌矿型ZnS晶相。循环伏安测试表明, ZnS对多硫离子的氧化起促进作用; 充放电测试表明, ZnS/MC/S电极的初始放电比容量为1354.6 mAh/g, 首次充放电库仑效率为98.7%; 50次循环后容量仍有650 mAh/g。

基于粉末叠层-共烧法设计并制备了α-Al₂O₃与Na-β-Al₂O₃相梯度变化的陶瓷基功能材料(FGM), 用于钠电池中绝缘陶瓷α-Al₂O₃和Na-β-Al₂O₃之间的封接。所设计的相变化率分别为20wt%、10wt%和5wt%。研究结果表明: 二维生长的Na-β-Al₂O₃晶粒对梯度复合陶瓷的致密度有一定的影响。对沿梯度变化方向不同位置FGM的成分分析表明, 由于FGM中Na、Li成分的扩散, 消除了梯度过渡层间的界面。20wt%、10wt%和5wt%梯度变化的FGM的抗折强度分别为: (130(2)、(180(3)和(225(2) MPa。经过长时间350℃保温以及多次热循环, 梯度材料的机械性能没有明显退化, 表现出良好的机械热稳定性和抗热震性。

为在磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷(Apatite-Wollastonite Bioactive Glass-Ceramic, AW)表面引入能够促进细胞粘附的RGD(精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸)多肽以提高其生物活性, 采用低温等离子法在材料的表面引入活性氨基基团, 并通过浸渍法使氨基基团与多肽发生反应。采用XRD、XPS、ATR-FTIR对AW的相组成及表面改性特性进行表征, 确认通过低温等离子法在AW表面接上氨基, RGD多肽分子与氨基反应以化学键合的形式接枝到材料表面(RGD-AW), 实现了在AW表面接枝生物大分子的改性。将改性前后的材料分别与类成骨细胞(MG63细胞)混合培养并使用荧光显微镜、SEM及MTT等测试方法对材料的细胞生物学性能进行了表征。细胞实验结果表明: 接枝RGD多肽分子的材料在细胞培养的早期阶段比AW更有利于细胞的粘附及铺展。

通过两种不同多孔结构的双相磷酸钙(biphasic calcium phosphate, BCP)陶瓷的制备, 以人血清为蛋白溶液模型, 选择三种不同的洗脱液对材料表面吸附的血清蛋白进行洗脱, 考察不同洗脱液及材料多孔结构对于BCP陶瓷表面吸附血清蛋白洗脱效果的影响。结果显示, 相对于2 mol/L氯化钠(NaCl)和 2%十二烷基磺酸钠溶液, 400 mmol/L 磷酸钠(Na₃PO₄)溶液对于BCP陶瓷表面吸附的血清蛋白洗脱效果更佳。此外, 材料多孔结构在血清蛋白的吸附和洗脱中起重要作用, 微孔结构能促进BCP陶瓷表面的血清蛋白吸附并减缓吸附蛋白的释放速率, 而三维贯通的大孔结构则有利于材料表面吸附血清蛋白的洗脱和释放。

环己二胺四乙酸(DCTA)作为一种新型添加剂被加入到KDP晶体生长溶液中。采用“点籽晶”快速生长技术, 在掺杂100×10^-6 DCTA的饱和溶液中, 生长了KDP晶体, 生长速度达20 mm/d。研究了这种新型添加剂DCTA对快速生长的KDP晶体的生长习性和光学质量的影响, 并与常用添加剂EDTA的影响效果进行了对比。研究发现, 在KDP晶体生长溶液中添加100×10^-6 DCTA使生长溶液的亚稳区宽度提高了约10℃, 晶体(100)面的生长速度提高了3~10倍; 生长出的晶体在紫外波段的透过率上升了2~8倍, 晶体内部的光散射大大减轻, 激光损伤阈值也有所提高。添加剂DCTA对KDP晶体生长及性能的改善作用比同等浓度的EDTA更加显著。

采用高温固相合成法分别在1200和1500℃合成了λ-PrBO₃和ν-PrBO₃样品, 并通过单晶X射线衍射确定了ν-PrBO3的晶体结构。结果表明该结构为三斜晶系, 空间群为P1, 晶胞参数为a = 0.6302 (4) nm,  b = 0.6521 (4) nm, c = 0.6525 (4) nm, α = 94.312(7) °, β = 107.335(7) °, γ = 106.455(7) °, V = 0.2417(2) nm³, Z = 4。同时研究了从λ-PrBO₃到ν-PrBO₃的相变过程, 并从漫反射光谱得出λ-PrBO3和?-PrBO3的光学带隙均为4.96 eV。在X射线和紫外激发下,均未观测到λ-PrBO3和?-PrBO3样品在紫外可见波长范围内的Pr³⁺特征发光。

为了提高陶瓷基复合材料的抗氧化性能，分别采用气相、液相渗硅工艺制备了ZrB₂-SiC涂层，利用静态氧化试验测试了ZrB₂-SiC涂层的抗氧化性能，并分析了涂层的微观结构演化过程。结果表明：气相渗硅工艺制备的涂层抗氧化性能更优良，氧化试验后在涂层表面形成一层致密结构的氧化物层，有效抑制氧化性气体向涂层内部扩散，提高涂层的高温抗氧化防护能力。由于液相渗硅工艺制备的涂层存在残留硅成分和微裂纹，导致涂层高温抗氧化防护能力较差。