Mg掺杂提升钠离子电池正极材料高电压循环性能

钠离子电池层状氧化物正极材料具有高容量、易合成等优势,表现出巨大的应用潜力.为了开发出高容量、长循环的正极材料,本文提出对NaNi_0.4Cu_0.1Mn_0.4Ti_0.10₂ (NCMT)用Mg²⁺部分取代Ni²⁺的改性策略,设计并合成了高容量、长循环的NaNi_0.35Mg_0.05Cu_0.1Mn_0.4Ti_0.10₂ (NCMT-Mg)正极材料.该材料在2.4—4.3 V电压范围内,显示165 mAh·g^-1的高可逆比容量.在0.1 C的倍率下循环350周后,仍有111 mAh·g^-1的可逆比容量,容量保持率为67.3%,相较于未掺杂的原始样品提升了约13%.本文对其进行了系统表征并揭示了其高电压循环稳定的机理,为开发出高性能钠离子正极材料提供了重要参考.     

5d过渡金属氧化物中的奇异量子物性研究

相比于3d和4d过渡金属元素, 5d过渡金属元素既具有很强的自旋轨道耦合相互作用, 同时它们的电子关联作用也不可忽略. 因而5d过渡金属氧化物体系具有许多奇异的量子特性. 这篇综述主要介绍我们在5d过渡金属氧化物中的一些理论进展. 首先介绍烧绿石结构铱氧化物(A₂Ir₂O₇, A=Y或稀土元素)中的Weyl拓扑半金属性. 我们确定出A₂Ir₂O₇这一类具有阻挫结构材料的磁基态, 并预言其是Weyl半金属; 其Weyl 点受到拓扑保护而稳定, 而且它的表面态在费米能级形成特别的费米弧. 其次预言尖晶石结构锇氧化物(AOs₂O₄, A=Ca, Sr)是具有奇异磁电响应的Axion绝缘体; 然后分析了电子关联、自旋轨道耦合对钙钛矿结构的锇氧化物(NaOsO₃)的影响, 并成功定出它的基态磁构型, 最终确定其为Slater绝缘体. 最后介绍了LiOsO₃中铁电金属性的成因.     

基于层状多元金属氧化物的人造突触

神经形态电子学的迅速发展为生物神经系统仿生与模拟提供了有力支持.具有三明治结构的两端人造突触电子器件不仅在结构上模拟了生物突触,同时在类神经电脉冲信号的作用下可以完成对生物突触塑性的模拟与调控.本文利用溶胶-凝胶法合成了具有层状结构的P3相Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂多元金属氧化物.借助其晶体结构中Na~+易于嵌入/脱出的特性,设计并制备了基于Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂的离子迁移型人造突触,器件在电脉冲信号的刺激下实现了对生物突触塑性的模拟,并通过调校类神经尖峰脉冲信号,成功对塑性行为进行了调控.成功模拟了兴奋性突触后电流、双脉冲易化、脉冲数量依赖可塑性、脉冲频率依赖可塑性、脉冲电压幅值依赖可塑性和脉冲持续时间依赖可塑性.同时,器件实现了对摩斯电码指令的准确识别与响应.     

利用Li+插层调控WS2光电器件响应性能研究

过渡金属硫族化合物由于其具有独特的结构和性质,在光电子学、纳米电子学、储能器件、电催化等领域具有广泛的应用前景,是一类被持续关注的代表性二维层状材料.在材料应用过程中,对材料掺杂特性的调控会极大地改变器件的响应性能.因而,对利用掺杂手段调控过渡金属硫族化合物器件响应性能的研究具有重要的意义.电化学离子插层方法的发展为二维材料的掺杂调控提供了新的手段.本文以WS₂为例,采用电化学离子插层方法对厚层WS₂的掺杂特性进行优化,观察到离子插入后器件电导率的显著增强(约200倍),以及栅压对器件光电响应性能的有效且可逆的调控.本文通过栅压控制离子插层的方法实现对WS₂器件光电响应的可逆可循环调节,为利用离子插层方法调控二维材料光电器件响应性能研究提供了实验基础.     

高温氢退火还原V2O5制备二氧化钒薄膜及其性能的研究

过渡金属氧化物二氧化钒(VO₂)在温度340 K附近会发生金属绝缘体的转变(metal-insulator transition, MIT). 基于金属绝缘体的转变性质, VO₂薄膜材料具有很好的应用前景. 本文首先采用脉冲激光沉积制备了高质量的V₂O₅薄膜, 再通过高温氢退火还原V₂O₅薄膜制备出VO₂多晶薄膜. 研究了不同的退火温度、退火时间、退火气氛对VO₂薄膜制备的影响, 采用X射线衍射、X射线光电子能谱、变温电阻特性测量等手段对样品进行分析, 发现在H₂(5%)/Ar退火气氛下, 在一定的退火温度范围内(500–525 ℃), 退火 3 h, 得到了B相和M相共存的VO₂薄膜, 具有M相的VO₂的MIT特性, 而相同退火温度下退火时间达到4.5 h, 薄膜完全变成B相的VO₂. 通过纯Ar气氛下对B相VO₂再退火, 得到了转变温度为350 K, 电阻突变接近4个数量级的M相的VO₂薄膜. 实现了VO₂的B相和M相的相互转变. 关键词： 2薄膜')" href="#">VO₂薄膜 金属绝缘体转变 氢退火     

Na+替位掺杂对Li2MnSiO4的电子结构以及Li+迁移过程的影响

在锂二次电池中, 硅酸锰锂作为正极材料得到广泛研究, 但其固有的电子和离子电导率较低, 直接影响着电池的功率密度和充放电速率. 本文建立了不同浓度的Na⁺离子替位掺杂Li⁺离子形成的Li_1-xNa_xMnSiO₄(x=0, 0.125, 0.25, 0.5)结构, 采用第一性原理的方法, 研究了掺杂前后硅酸锰锂的电子结构以及Li⁺离子的跃迁势垒. 发现在Li⁺位替代掺杂Na⁺, 导带底的能级向低能方向发生移动, 降低了Li₂MnSiO₄ 材料的禁带宽度, 有利于提升材料的电子导电性能. 随着掺杂浓度的升高, 禁带宽度逐渐变窄. CI-NEB结果表明, 在Li₂MnSiO₄体系中具有两条有效的Li⁺离子迁移通道, 掺杂Na⁺以后扩大了Li⁺ 离子在[100]晶向上的迁移通道, Li⁺离子的跃迁势垒由0.64 eV降低为0.48, 0.52和0.55 eV. 掺杂浓度为 x=0.125时, 离子迁移效果最佳. 研究表明Na⁺掺杂有利于提高Li₂MnSiO₄材料的离子和电子电导率.     

Ni/Pb(Zr,Ti)O3/TbFe2层状复合材料的谐振磁电特性研究

采用化学镀和黏接法制备层状磁电复合材料Ni/PZT/TbFe₂,研究其磁电性能及谐振频率随Ni层厚度的变化情况. 结果表明:Ni/PZT/TbFe₂层状磁电复合材料与其他结构的磁电性能不同,其一阶弯曲谐振峰值和纵向谐振峰值都很大. 随着Ni层厚度的增加,Ni/PZT/TbFe₂层状磁电复合材料的一阶纵向谐振峰值逐渐增大. 结合实验数据和理论计算值得出了材料的一阶弯曲谐振频率fr1和一阶纵向谐振频率f 关键词： 磁电效应 正磁致伸缩 负磁致伸缩 谐振频率     

MC与$lt;i$gt;M$lt;/i$gt;$lt;sub$gt;$lt;i$gt;n$lt;/i$gt;+1$lt;/sub$gt;$lt;i$gt;AC$lt;/i$gt;$lt;sub$gt;$lt;i$gt;n$lt;/i$gt;$lt;/sub$gt;稳定性与电子特征的第一性原理研究

研究MC与M_n+1AC_n(M=Sc, Ti, V, Cr, Mn; A=Al, Si, P, S; n=1, 2, 3)结构的稳定性与电子特征有利于探究三元层状结构M_n+1AC_n稳定性的内在原因和设计新型M_n+1AC_n结构. 第一性原理计算研究表明, M-3d与C-2p轨道间的电子转移对MC与M_n+1AC_n 的形成焓有较大影响. 供电子能力较强的前过渡金属可以形成稳定的MC结构. 计算结果显示, MC结构是缺电子体系, 其趋向于与具有一定供电子能力的MA结构结合形成M_n+1AC_n. 与M₂PC和M₂SC 相比, M₂AlC和M₂SiC可以更为容易地被分离成二维 M₂C结构. 关键词： MAX相结构 第一性原理 电子结构 过渡金属碳化物     

新型交生结构自掺杂铁基超导体

铁基高温超导体的基本结构单元是反萤石型Fe₂X₂层（X为磷族或硫族元素）,因此,设计具有Fe₂X₂层的新化合物成为探索铁基超导材料的有效途径.本文在回顾铁基超导体结构特征和基本结构类型的基础上,归纳总结了铁基超导体块层结构设计的基本原则;着重介绍迄今发现的几类具有层状交生（intergrowth）结构的新型自掺杂铁基超导材料.     

LiNi1-x-yCoxMnyO2正极材料的制备与电化学性能

LiNi_1-x-yCo_xMn_yO₂正极材料作为最有商业化前途的锂离子电池正极材料，近年来成为研究者关注的焦点。但目前针对该材料合成工艺的研究还较少。对LiNi_0.8Co_0.15Mn_0.05O₂开展了不同的烧结工艺研究，并对制备出的正极材料进行了表征和性能测试。研究发现在0.1C (电池容量额定值)倍率下充放电比容量为200 mA·h·g-1左右，在1C倍率循环100次下，480 ℃@3 h + 780 ℃@5 h和500 ℃@5 h + 780 ℃@10 h两种烧结工艺下容量保持率分别为94%和86%，说明用这两种工艺制备的正极材料的综合性能最优。     

新型二维材料Ti3C2Tx MXene制备及其气敏性能研究

随着石墨烯材料的发现,二维材料被人们广泛认识并逐渐应用,相比于传统二维材料,二维过渡金属碳化物(MXene)的力学、磁学和电学性能更加优异.本文分别利用HF溶液和LiF/HCl溶液刻蚀Ti₃AlC₂获得了Ti₃C₂T_x样品,通过电子扫描显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和气敏特性分析,研究了刻蚀剂对Ti₃C₂T_x材料结构和气敏性能的影响.材料结构分析表明:HF和LiF/HCl刻蚀剂均对Ti₃C₂T_x材料具有良好的刻蚀效果;气敏性能结果表明:LiF/HCl刻蚀剂制备的Ti₃C₂T_x的气敏性能优于HF刻蚀剂,并实现了室温下宽范围、较高灵敏和较高稳定地检测NH₃.分析认为:LiF/HCl溶液刻蚀制备的Ti₃C₂T<...     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

锂离子电池富锂锰基三元材料中氧空位簇的形成:第一原理计算

采用第一原理方法计算了两种不同镍含量的锂离子电池富锂锰基三元正极材料Li_1.2Ni_0.32Co_0.04Mn_0.44O₂(空间群为■)和Li_1.167Ni_0.167Co_0.167Mn_0.5O₂ (空间群为C2/m)中氧空位簇的形成能.结果表明,含镍量较少的Li_1.167Ni_0.167Co_0.167Mn_0.5O₂正极材料中氧空位簇的形成能总是高于含镍量较多的Li_1.2Ni_0.32Co_0.04Mn_0.44O₂材料中的氧空位簇形成能,这说明含镍量较高的正极材料中氧空位簇更容易形成.无论是含镍量较高的富锂锰基材料,还是含镍量较少的同类材料,过渡金属边上的氧空位簇的...     

SnO2/C复合纳米材料的制备及储钠性质的研究

二氧化锡由于其低电位和高储钠理论容量以及绿色无毒的优点被认为是最有前途钠离子电池负极材料之一。但其导电性不好，且在嵌/脱钠的过程中会发生体积膨胀，从而导致电池的容量和循环稳定性等电化学性能下降。碳具有良好的导电性，同时能减缓材料在脱/嵌钠过程的体积膨胀，本文采用一步合成制备SnO₂/C复合纳米材料，并将其作为钠离子电池的负极材料进行研究。结果发现碳包覆花瓣状SnO₂复合材料相比于纯的SnO₂具有良好的储钠性能     

SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+长余辉发光材料的喷雾热解制备及其表征

采用喷雾热解两段法制备了SrAl₂O₄∶Eu²⁺ ,Dy³⁺长余辉发光材料,并利用XRD、SEM、荧光长余辉亮度测试等方法分析了不同制备工艺条件下SrAl₂O₄∶Eu²⁺ ,Dy³⁺发光材料的结构、形貌以及发光性能的变化。结果表明:采用喷雾热解两段法可制备出球形SrAl₂O₄∶Eu²⁺ ,Dy³⁺长余辉发光材料,SrAl₂O₄∶Eu²⁺ ,Dy³⁺的晶体结构与α-SrAl₂O₄磷石英晶体结构相同。热解温度、还原温度、添加剂对产物的形貌、粒度分布、发光性能有较大影响。较之高温固相法,喷雾热解法制备的SrAl₂O₄∶Eu²⁺ ,Dy³⁺具有发光性能好、形貌好、粒度分布窄等优点。     

表面效应对锂离子电池正极材料LiMn2O4性能的影响

应用基于自旋极化和广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)的密度泛函理论计算,研究了锂离子电池正极材料LiMn₂O₄ (001)表面原子和电子结构.发现表面和亚表面附近的原子在垂直于(001)面的方向上具有非常大的弛豫,这对LiMn₂O₄材料在锂离子电池中应用时发现的表面Mn的溶解现象有很大关联.由于表面效应,在LiMn₂O₄ (001) 表面只有三价Mn³⁺离子存在,而这些三价锰离子非常活跃,在该材料电极/电解液界面很容易发生歧化反应,从而加速了Mn的溶解.其他计算结果也和实验观察相符合. 关键词： 锂二次电池 表面弛豫 从头算     

MgNi2Bi4弹性和电子性质的第一性原理研究

Bi基化合物因其奇异的结构和物化性质备受科研人员关注MgNi₂Bi₄是实验上合成的一种新型泡利顺磁性层状金属材料,弱的层间相互作用表明它可能是一种潜在的二维材料本文利用第一性原理计算研究了块体和单层MgNi₂Bi₄材料的弹性和电子性质,结果显示块体MgNi₂Bi₄是一种具有复杂费米面的非磁延展性金属.小的解离能表明在实验上可能可以制备得到单层MgNi₂Bi₄,进一步计算表明单层MgNi₂Bi₄仍为典型的金属材料.我们对MgNi₂Bi₄材料弹性和电子结构的计算和分析有助于未来对该材料的进一步研究.     

过渡金属氧化物界面二维电子气及其超导电性研究

过渡金属氧化物异质界面形成的二维电子气(2DEG)因其丰富的物理性质而备受研究人员关注,其中最具代表性的是能带绝缘体LaAlO₃和SrTiO₃形成的界面.此界面高迁移率的2DEG展现出超导电性、铁磁性、超导和铁磁共存等性质,其他过渡金属氧化物界面系统也显示出高迁移率和类似的新奇量子现象.本文主要介绍过渡金属氧化物异质界面2DEG的超导电性及其研究进展,并着重展示近年来北京师范大学在本领域取得的研究成果.     

熵调控的Gd2Co17金属间化合物的结构与室温磁性能

熵调控材料因其独特的设计理念和优于传统合金的性能而受到广泛关注.本文将熵调控的设计理念引入金属间化合物中,设计并通过真空电弧熔炼的方法制备了一系列熵调控的Gd₂Co₁₇金属间化合物,期望通过熵调控的方法来稳定其结构,改善其磁性能.应用热力学理论预言熵调控的Gd₂Co₁₇系列金属间化合物具有稳定的单相,其单相性被X射线衍射实验所证实.通过组态熵调控原子尺寸因素,获得了菱方和六方两种晶体结构.熵调控改善了Gd₂Co₁₇系列金属间化合物的室温磁性能,过渡族金属位的熵调控使磁各向异性发生由基面到易轴的转变,稀土位的熵调控有助于提高其矫顽力,所有熵调控样品室温时的饱和磁矩均比二元Gd₂Co₁₇显著提升,可能是稀土或过渡族金属子晶格磁矩无序取向削弱了金属间化合物中稀土的4f电子与过渡族金属的3d电子磁矩之间的反平行交换作用所导致.磁价模型研究表明:熵调控设计导致Gd₂Co₁₇系列金...     

电池正极材料中Li+运动特性的7Li NMR研究

利用变温⁷LiNMR实验对Li-电池正极材料LiMn₂O₄和LiCoO₂中Li⁺的运动特性进行了研究,结果表明,随实验温度的提高,LiMn₂O₄的⁷LiNMR谱线窄化,表明其中Li⁺迁移能力增加,而LiCoO₂的谱线无变化.此外随温度提高,LiMn₂O₄的⁷Li的T₁变短,而LiCoO₂的T₁变长,产生这种不同变化趋势的原因在于LiMn₂O₄和LiCoO₂晶相结构的差异造成其中Li⁺迁移能力的差别,它们各自的相关时间τ_c使⁷Li核的T₁分别位于T₁-τ_c曲线极小点两侧.