染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solar cells, DSSCs)作为制作工艺简易, 成本低廉, 环境友好的新型太阳能电池, 其发展一直备受关注。对电极作为DSSC的核心部件之一, 其制备工艺会直接影响到DSSC的发展和应用。以低成本高性能的催化材料代替传统的贵金属Pt对电极是降低DSSC生产成本的有效途径之一。具有类Pt催化性能的过渡金属化合物(TMCs)由于种类繁多, 制备方式简单多样, 近年来成为DSSC对电极研究中的热点。本文综述了DSSC过渡金属化合物对电极的最新研究进展, 总结概括了过渡金属化合物对电极的制备方法以及性能特点, 并对其发展方向和应用前景进行了分析。

电容去离子技术是一种高效节能、绿色环保的脱盐方法, 通过施加静电场, 强制离子向两侧电极迁移, 使其被电极表面产生的双电层吸附, 从而达到脱盐的目的。电容去离子技术的关键是高性能电极材料的制备, 要求具有较高的比表面积、合理的孔径分布和良好的导电性。石墨烯具有较高的理论比表面积和优异的导电性, 是一种理想的电极材料。然而由于石墨烯的聚集效应, 实际比表面积远远低于理论值, 将石墨烯制备成三维网络结构或将石墨烯与其他材料进行复合可以克服聚集效应, 提高电极的脱盐性能。本文综述了基于石墨烯及其复合物电极的电容去离子技术研究进展、存在的问题及应用前景。

以荷叶为原料, 采用多阶炭化的方法, 得到高比表面积(572.1 m²/g)和存在大量多级孔尤其微孔(平均孔径3.31 nm)结构居多的炭骨架, 继而用高能球磨法及熔融法与单质硫进行复合制备出不同含硫量(48wt%, 62wt%, 71wt%)碳/硫复合材料。通过XRD、FESEM、EDS和TG对材料结构和形貌进行表征, 结果表明硫被均匀固定在多孔碳材料的类石墨烯层状结构和类微米棒结构中。充放电测试表明, 62wt%含硫量的复合正极材料性能表现最佳, 在0.1C, 1.2~2.8 V范围内充放电, 首次放电比容量达1246 mAh/g, 100次循环后依旧保持在600 mAh/g, 制备出的复合正极材料对多硫化物的“穿梭效应”起到了抑制作用。

蒸汽输运法是制备高质量且大面积均匀的CdTe薄膜的一种优良的方法。采用自主研发的一套蒸汽输运沉积系统制备了CdTe多晶薄膜, 并研究了衬底温度对CdTe薄膜性质及太阳电池性能的影响。利用XRD、SEM、UV-Vis和Hall等测试手段研究了衬底温度对薄膜的结构、光学性质和电学性质的影响。结果表明, 蒸汽输运法制备的CdTe薄膜具有立方相结构, 且沿(111)方向高度择优。随着衬底温度的升高(520℃~640℃), CdTe薄膜的平均晶粒尺寸从2 μm增大到约6 μm, CdTe薄膜的载流子浓度也从1.93×10¹⁰ cm^-3提高到2.36×10¹³ cm^-3, 说明提高衬底温度能够降低CdTe薄膜的缺陷复合, 使薄膜的p型更强。实验进一步研究了衬底温度对CdTe薄膜太阳电池性能的影响, 结果表明适当提高衬底温度, 能够大幅度提高电池的效率、开路电压和填充因子, 但是过高的衬底温度又会降低电池的长波光谱响应, 导致电池转换效率的下降。经过参数优化, 在衬底温度为610℃、无背接触层小面积CdTe薄膜太阳电池的转换效率达到11.2%。

为了改善镍氢电池负极材料的循环稳定性能, 采用真空感应电弧熔炼炉制备了V₂Ti_0.5Cr_0.5Ni_1-xMo_x (x=0.02~0.08)合金, 分析了不同含量的Mo替代Ni之后对合金电极的组织结构及电化学性能的影响。研究结果表明, 电极材料主要由BCC结构的V基固溶体主相和TiNi二次相组成, 随着合金中Mo替代Ni含量x由0.02增加到0.08, 合金电极的放电容量先增加后降低, 合金电极的循环稳定性能以及电化学动力学性能先得到改善而后降低, 合金电极的综合性能均在x=0.04时达到最好。

本研究采用水热法制备了花状MoS₂微米材料, 将其作为电极构建葡萄糖生物传感器, 并研究了相关性能。结果表明: 水热法制备的MoS₂呈花状, 具有较好的结晶质量, 尺寸约为3.6 μm, 比表面积约为9.646 m²/g; MoS₂电极具有优良的电催化活性, 且电阻抗较小, 使得传感器对葡萄糖具有较好的响应。葡萄糖检测结果表明, 该传感器在0~20 mmol/L范围内, 氧化峰电流与葡萄糖浓度呈良好的线性关系, 相关系数(R)为0.9653, 灵敏度为262 μA•L/mmol。

为比较研究不同纳微米尺寸的一水草酸钙(COM)和二水草酸钙(COD)晶体对阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的吸附差异, 探讨抑制剂对结石形成的抑制机理, 本研究测定了各浓度CTAB下不同尺寸COM或COD对CTAB的吸附量; 采用XRD和FT-IR表征吸附前后晶体是否发生晶相改变; 采用Zeta电位仪测定吸附后晶体表面的Zeta电位随CTAB浓度的变化。结果发现, 随着c(CTAB)浓度升高, 3 μm和10 μm的COM、COD晶体的吸附曲线由上升段和平台段组成, 而小尺寸的50 nm、100 nm、1 μm的COM、COD晶体的吸附曲线为直线型。随着晶体尺寸的增大, COM和COD晶体的吸附量依次降低。当尺寸相同时, COM对CTAB的吸附量要大于COD, 归因于CTAB更容易选择吸附在COM表面负电荷的区域。上述结果表明, 草酸钙晶体对阳离子表面活性剂的吸附量与比表面积和晶体的晶面结构有关。晶体尺寸越小, 比表面积越大, 晶面暴露的草酸根密度越大, CTAB的吸附量越大, 导致晶体表面Zeta电位绝对值增大, 静电排斥力增强, 从而抑制尿微晶的聚集, 有利于抑制草酸钙结石的形成。

采用WinTA 100热膨胀仪研究了四方黄铜矿CdGeAs₂晶体在320~620 K温度范围内的热膨胀行为, 探索了CdGeAs₂晶体热膨胀各向异性的物理机制。测定晶体a轴和c轴方向的热膨胀系数α_a和α_c发现, α_a>>α_c>0, 表现出强烈的各向异性热膨胀特性。利用最小二乘法, 拟合出CdGeAs₂晶体的晶格常数(a, c)与温度(T)的函数关系式, 与文献报道值吻合。分别计算出不同温度下的四方畸变因子δ=2-c/a, Cd-As 键长(l_Cd-As)和 Ge-As 键长(l_Ge-As)以及相应的热膨胀系数α_Cd-As和α_Ge-As。结果表明, a、c、δ、l_Cd-As、l_Ge-As和α_Cd-As均随着温度的升高而增大, c/a和α_Ge-As则随着温度的升高而减小。当T=360 K时,α_Cd-As是α_Ge-As的6.36倍, 是造成CdGeAs₂晶体强烈热膨胀各向异性的主要原因。

本研究基于密度泛函理论的第一性原理超软赝势平面方法计算了LiNbO₃和LiTaO₃的晶格参数、电子结构和弹性常数, 并利用Christoffel方程研究了二者平面声波特征。结果表明: 两者的理论计算晶格参数和弹性常数与实验值接近, 禁带宽度分别为3.78和3.98 eV, 导带底和价带顶主要由O-2p和Nb-4d(Ta-5d)态电子贡献。化学键理论揭示Li和Nb(Ta)与O原子之间有两种成键类型。 电荷布局分析结果显示有两种相应的重叠布居数, Nb(Ta)-O键呈现强共价键作用, 并且Nb-O(Ta-O)键长小于Li-O键长。LiNbO₃和LiTaO₃晶体平面声波有两支横波和一支纵波, 纵波速度大于横波速度, 在xy平面呈现六重对称性, 在xz和yz平面各向异性程度强于xy平面, 沿[001]、晶向上两支横波振动速度相等。最后利用模守恒赝势(Norm-conserving)计算了介电常数和静态折射率, 计算表明LiNbO₃晶体的折射性能和非寻常光(e光)离散程度均强于LiTaO₃晶体。

通过动态蒸馏提纯技术制备了高纯Ge-As-Se和Ge-As-S硫系玻璃。采用两步棒管法拉制了以Ge-As-Se玻璃为纤芯、Ge-As-S玻璃为包层的小芯径阶跃折射率光纤, 并使用飞秒激光抽运光纤测试了超连续谱的产生。以Al 和GaCl₃分别作为除氧剂和C/H纯化剂可以有效消除玻璃中的C、H和O杂质。制备的GeAsSe/GeAsS光纤在2~9 μm波段表现出优异的传输性能, 光纤数值孔径约为1.3; 采用重复频率为10.5 MHz、脉冲宽度为320 fs、中心波长为4.0 μm、峰值功率为4.6 kW激光抽运长度为22 cm、芯径为6 μm的光纤, 获得了覆盖1.9~8.2 μm、光谱平坦度为±10 dB、平均功率为4.5 mW的超连续谱。

以La₂O₃、CeO₂、CaO和Fe₂O₃为起始原料, 采用高温固相烧结工艺制备得到(Ca,Fe)共掺铈酸镧(La_1.9Ca_0.1Ce_1.9Fe_0.1O₇)红外辐射陶瓷材料。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、紫外-可见-近红外(UV-Vis-NIR)分光光度计分别对样品的物相组成、显微结构、化学成份、UV-Vis-NIR反射率及UV-Vis吸收进行了表征, 同时采用IR-2双波段红外发射率测量仪测试了样品3~5 μm波段的红外发射率。结果表明: 掺杂元素(Ca, Fe)均固溶进入铈酸镧晶格, 共掺后样品的晶体结构也为萤石结构; (Ca,Fe)共掺样品内部形成杂质能级, 强化了自由载流子吸收与杂质能级吸收, 使样品红外短波段(0.75~5 μm)性能由高反射转变为高吸收(辐射), 其中在0.75~2.5 μm波段的平均红外吸收率为0.88, 3~5 μm波段的红外发射率为0.752, 与未掺杂样品相比分别提高了1660%与60%。

采用大气等离子喷涂(APS)技术, 以ZrO₂-8wt%Y₂O₃(8YSZ)和团聚的P7216(8YSZ和珍珠岩粉)粉末为原料, 在基体上制备了厚度大于4 mm的SiC纤维/YSZ(SFY)复合厚热障涂层, 通过扫描电子显微镜(SEM)分析了涂层的显微结构, 发现SFY涂层具有钢筋混凝土结构, 这种结构能够防止因为涂层厚度增加而引起的失效。此外, 基于计算机的断层成像技术分析热障涂层孔隙率的变化, 考察了SFY涂层和YSZ 热障涂层的抗热震性能、断裂韧性以及热导率性能, 并探讨了纤维的增韧机制。研究结果表明, SFY涂层具有更高的断裂韧性值和更好的抗热震性能, 25℃时SFY涂层的热导率为0.632 W/(m·K), 大约是传统YSZ热障涂层热导率的一半。SiC纤维对涂层内部裂纹的偏转和截止作用, 防止了裂纹扩散长大, 形成网状微裂纹结构, 有效提高了涂层的抗热震性能和断裂韧性。

采用共沉积法在TA15合金表面制备了Ni-SiC复合镀层, 分析了Ni-SiC复合镀层对基体合金硬度和磨擦磨损性能的影响, 并对其摩擦磨损机制进行了讨论。结果表明: 所制备的Ni-SiC复合镀层组织致密且与基体结合紧密, 硬度明显高于TA15合金基体。摩擦磨损实验结果表明, Ni-SiC复合镀层能为TA15合金提供良好的摩擦磨损抗力, 在相同的摩擦条件下, Ni-SiC复合镀层的磨损率明显低于TA15合金。TA15合金与GCr15球和Al₂O₃球对磨的磨损机制均主要为犁削磨损、粘着磨损, 同时伴随有氧化磨损和轻微的磨粒磨损; Ni-SiC复合镀层与GCr15磨球对磨的磨损机制主要为镀层组织的拔出及GCr15钢球在其表面上的涂抹, 与Al₂O₃磨球对磨时的磨损机制主要为疲劳磨损和削层磨损。

采用电泳沉积(EPD)在1k碳布表面均匀加载了碳纳米管(CNTs), 借助化学气相沉积(CVD)致密化碳布叠层预制体, 制备了EPD CNTs掺杂的二维(2D)碳/碳(C/C)复合材料。研究了EPD CNTs对2D C/C复合材料致密化过程、微观组织和弯曲性能的影响。研究结果表明: EPD CNTs在碳纤维表面呈现平面内高密度、杂乱取向分布特征, 该形貌CNTs降低了热解炭在碳纤维预制体内的沉积速率, 诱导了高石墨微晶堆垛高度(L_c)、低(002)晶面面内方向上的沉积有序度(L_a)热解炭的形成; EPD CNTs的掺杂可提高C/C复合材料的弯曲强度和模量: 当CNTs含量为0.74wt%时, 复合材料弯曲强度和模量可达150.83 MPa和23.44 GPa, 比纯C/C复合材料提高了31.4%和13.9%; 继续提高CNTs含量, 复合材料弯曲强度降低, 这与过高含量EPD CNTs导致复合材料密度降低有关; 同时, EPD CNTs的掺杂使得C/C复合材料断裂模式由脆性断裂转变为假塑性断裂, 复合材料断裂塑性的提高是由于EPD CNTs造成的碳基体结构的变化以及碳纤维的大量拔出。

针对重大工程和关键技术对高强韧性、高可靠性陶瓷部件的迫切需求, 本研究提出了适用于高性能陶瓷制备的振荡压力烧结(Oscillatory Pressure Sintering, OPS)新方法, 并采用此种方法制备了高致密度、细晶粒、高强度和高可靠性的氧化锆陶瓷。作为对比, 在相同的温度条件下分别采用无压烧结(Pressureless Sintering, PS)和热压烧结(Hot Pressing, HP)制备了氧化锆陶瓷。SEM研究表明振荡压力抑制了高温下氧化锆晶粒的快速生长, 统计表明OPS氧化锆的平均晶粒尺寸为251 nm, 而PS氧化锆、HP氧化锆的平均晶粒尺寸分别为451 nm和298 nm。另外, 振荡压力引发的晶粒塑性形变和晶界滑移促进了晶界处闭气孔的排出, 使OPS氧化锆的体积密度提高到99.7%。氧化锆致密度的提高及晶粒细化使其断裂强度从1003 MPa提高到1572 MPa, Weibull模数从13提高到32。另外, 低温老化实验表明OPS氧化锆的抗老化性能也得到显著提高。

通过挤压一个缺口环或闭口环样品来评价不同管材的弹性模量和弯曲强度。在弹性范围内, 弹性模量可由载荷—位移关系和样品尺寸获到; 而弯曲强度则由断裂临界载荷决定。在本研究中, 四种管材被分为两组来研究这两种方法的适用范围。结果表明: 缺口环适合评价刚度较大、极限应变较小的材料, 而闭口环则更倾向于评价低刚度的材料。此外, 三点弯曲的数据也验证了这两种方法的有效性、便捷性及其各自的适用范围。

通过简单的两步溶液法对石墨烯进行羧基接枝和表面活性剂修饰, 并研究其电化学性能。研究结果表明, 与纯石墨烯(比电容50 F/g)相比, 表面活性剂本身并不能有效提高石墨烯的比电容(45 F/g), 羧基功能化可以将石墨烯的比电容提高至130 F/g。而羧基功能化和表面活性剂修饰双处理工艺能够将石墨烯的比电容提高到230 F/g, 且经800次充放电循环后其比电容仍然具有95%的保持率, 表明该材料具有良好的循环稳定性。因此, 调控石墨烯的表面化学特性对提高其电化学性能具有重要的意义。