Mg2X（X=Sn,Pb）和Mg3X2（X=Sb,Bi）热电性质的第一性原理研究

为探索性能更优的Mg基热电材料,本文基于第一性原理,结合分子动力学从能带结构和态密度、马利肯键布居以及载流子相对质量等微观层面研究Mg₂X（X=Sn,Pb）和Mg₃X₂（X=Sb,Bi）在基态、施加温度场和压力下的电子结构和热电性质.研究表明:Mg₂Sn,Mg₂Pb,Mg₃Sb₂和Mg₃Bi₂分别在温度为800 K,750 K,700 K和800 K左右时能隙最小,态密度峰值和载流子相对质量达到峰值,键布居数最小,热电性能最优;Mg₂Sn和Mg₂Pb在低压1～4 GPa时热电性能更理想,Mg₃Sb₂和Mg₃Bi₂在高压4～8 GPa时热电性能更理想,微观特征均表现为导带底下降接近价带,同时键布居数减小,载流子相对质量增加.     

柔性热电材料的研究进展及应用

热电材料是能够实现热能和电能直接相互转化的一类新型能源材料,在温差发电和半导体制冷两方面有重要应用。与传统热电材料相比,柔性热电材料具有形状可弯曲、重量轻和环境友好等优点,在可穿戴设备及其他柔性电子领域具有较好的应用前景。当前,如何进一步提高柔性热电材料的性能,特别是如何协同优化其柔韧性能与热电性能是研究的关键。本文结合近年的研究热点,综述了聚合物基柔性热电材料、碳基柔性热电材料和无机半导体类柔性热电材料的研究进展,详细介绍了这三类柔性热电材料的特点、性能优化以及制备方法,总结了柔性热电材料在电子、医疗和工业等领域的应用,并结合现存的一些问题和不足对柔性热电材料今后的研究方向进行了展望。     

纳米尺寸二硫化钼的制备与应用研究进展

二硫化钼(MoS₂)作为一种与石墨烯具有类似结构的材料, 近些年来受到了科学家们的越来越多的关注. 它凭借自身的层状结构, 独特的电子学、电化学性质, 大的比表面积以及表面改性的潜能, 在许多领域都有着广泛的应用. 本文简单论述了目前纳米尺寸MoS₂的制备方法, 包括微机械剥离、液相剥离、嵌锂法、水热反应、气相沉积以及热分解法等, 并对这些方法在制备纳米MoS₂中具备的优点和存在的不足作了简单点评. 另外, 介绍了纳米MoS₂在光电子器件、催化、传感、能量存储与转化等领域的应用研究进展, 并着重介绍了其在电化学和生物传感分析方面的应用研究现状, 并对未来纳米MoS₂的重点研究方向作出了展望. 从目前的研究来看, 纳米MoS₂在器件、能量存储和传感分析等应用方面存在着巨大的潜质, 有望成为一种继石墨烯之后性能十分优良的多功能材料.     

SnS2纳米片的制备及其器件应用进展

二维半导体是一种新兴的具有石墨烯类似结构的电子材料,拥有优异的电学、光学、磁学、力学等性能,可应用于不同的技术领域,因而成为当今材料科学研究领域的热点之一。在众多的二维半导体材料之中,二硫化锡(SnS₂)是一种对环境友好的电子材料,由自然界含量丰富的硫元素和锡元素组成。它在微电子学、太阳能电池、光催化等诸多方面均展现出巨大的应用潜力,受到了广泛的关注。本文主要介绍了近期气相沉积法制备SnS₂纳米片及其在电子学与光电子学领域中的应用进展。     

Fe2O3/rGO纳米复合物的制备及其储锂和储钠性能

金属氧化物可通过电化学转换反应与锂离子及钠离子发生多电子可逆结构转换,是一类极具应用前景的高容量锂离子和钠离子电池负极材料。实验以氧化石墨烯和铁盐为前驱体,采用简单的溶剂法,成功将Fe₂O₃纳米单晶粒子均匀负载于石墨烯的导电片层上,获得Fe₂O₃/rGO(还原氧化石墨烯)纳米复合材料。复合电极在锂离子和钠离子电池中都表现出优异的充放电性能和循环稳定性。实验结果表明石墨烯的包覆不仅能降低Fe₂O₃发生转换反应的电荷传递阻抗,而且能够稳定电极在循环过程中带来的结构转变,极大改善电极大电流充放能力和循环稳定性。本研究为发展高容量的锂离子和钠离子电池负极材料提供了可行的途径。     

磁性可回收氟化石墨烯破乳材料的制备及乳液分离性能

以氟化石墨烯(FG)为原料, 首先制备了水合肼还原的具有一定亲水性的氟化石墨烯(HFG), 然后采用溶剂热法制备了可磁性分离的四氧化三铁负载的氟化石墨烯复合破乳材料(HFG-Fe₃O₄). 分别利用透射电子显微镜(TEM)、 扫描电子显微镜(SEM)、 傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、 X射线粉末衍射仪(XRD)和X射线光电子能谱仪(XPS)对HFG-Fe₃O₄的形貌、 结构和化学性质进行了表征. 最后研究了HFG-Fe₃O₄对含油废水的破乳性能, 探讨了影响其破乳性能的主要因素, 并对其破乳机理进行了分析. 结果表明: HFG-Fe₃O₄是一种表面负载有Fe₃O₄纳米颗粒的二维片状材料, 在最佳剂量为600 mg/L时对酸性和中性含油废水具有良好的破乳效果. 在酸性和中性条件下, 主要是利用HFG-Fe₃O₄与含油废水之间的静电吸引力以及HFG-Fe₃O₄与沥青质之间的π-π相互作用实现油-水分离. 但是, 在碱性条件下, HFG-Fe₃O₄与油滴之间的静电斥力将急剧增大, 最终导致破乳效率降低. 此外, 将磁性回收的HFG-Fe₃O₄循环利用4次后其乳液分离效率并没有明显下降, 表现出优异的循环稳定性.     

均一、单分散二氧化钛系列球形胶体颗粒的可控制备研究

TiO₂作为一种重要的半导体材料,具有光催化活性高、化学性质稳定、折射率高等特性,因而在光催化、陶瓷、涂料、化妆品及光电子器件等领域有着十分广泛的应用前景.尤其是近年来,核-壳结构的复合颗粒以及空心和介孔TiO₂胶体颗粒的出现,使TiO₂材料增添了许多独特的优异性能,相应研究成为热点.     

铀氮化物晶体结构及电子结构

铀氮化物因其独特的物理化学性质及优良的性能而成为核燃料循环系统中重要的燃料材料,是核领域的研究热点材料之一。此外,铀氮化物也被用作抗腐蚀涂层材料,在金属铀的表面腐蚀防护领域具有重要的应用价值。在铀-氮体系中,五种结构铀氮化物,包括NaCl型UN、HgIn型UN、Mn₂O₃型α-U₂N₃、La₂O₃型β-U₂N₃和CaF₂型UN₂,已经被确认并进行了广泛研究。但是到目前为止,由于铀氮化物复杂的非化学计量比问题,导致对上述物相之间的转化关系的认识仍不清楚;而不同化学计量比的铀氮化物由于其电子结构的差异,使得其基本物理化学性质发生了根本的变化。有关铀氮化物晶体结构和电子结构方面的研究是探讨其优异性能起因的第一步,因此引起研究者的广泛关注。本文在归纳和分析大量文献的基础上,结合本课题组在铀氮化物相关方面的研究成果,着重介绍铀氮化物晶体结构和电子结构方面的主要进展,并对铀氮化物相结构的转化规律以及电子结构的演化规律进行总结,以期为铀氮化物的实验研究和功能应用提供参考。     

锂离子电池SnS2基负极材料

随着应用范围的逐渐扩大,锂离子电池对具有高比容量、长循环寿命以及优异倍率性能的新型正负极材料的需求日益迫切。SnS₂材料因具有独特的层状结构和高的理论比容量而被视作潜在的高比容量负极材料,但其也存在首次不可逆容量较大、导电率低、充放电过程中体积变化较大等问题。本文综述了SnS₂负极材料的研究历程以及最新研究进展,介绍了SnS₂负极材料的基本性质,具体论述了SnS₂电化学性能改进的相关措施,主要包括控制纳米SnS₂微观形貌、制备SnS₂/C及SnS₂/氧化物复合材料、掺杂、一体化电极以及优化粘结剂等。文章同时总结了水热（溶剂热）法各工艺参数（原料种类、浓度、比例、溶液pH值、水热温度及时间等）对制备SnS₂纳米材料及SnS₂/C复合材料形貌结构及电化学性能的影响,并对目前SnS₂材料仍然存在的问题进行了分析。研究表明,通过制备片状、花状等高比表面积的SnS₂纳米材料,可明显提升其循环性能;将石墨烯等碳材料与SnS₂复合,有助于提高材料的结构稳定性及导电性,进而改善电极的循环及倍率性能。经工艺优化后的SnS₂/graphene复合材料具有高的比容量（大于1000 mAh/g）、稳定的循环性能和优秀的倍率特性,是一种非常有研究价值的高比容量锂离子电池负极材料。     

基于石墨烯及其衍生物的信息存储:材料、器件和性能

石墨烯以其独特的二维结构和高的热导电性、高杨氏模量、高电子/空穴迁移率、高抗拉强度、大的布鲁诺尔-埃米特-特勒表面积和量子霍尔效应等优异性能,备受科研工作者的关注,迅速成为材料、化学、物理和工程领域的热点研究课题。与富勒烯(C₆₀、C₇₀)的功能化一样,利用共价键合修饰或非共价键合修饰的方法可以在石墨烯表面或石墨烯体系中引入功能基团或功能组分,制备出种类繁多的具有特殊光、电、磁和生物效应的石墨烯衍生物。以石墨烯作为数据存储介质的分子级别计算已经引发了一场信息技术产业的革命,它能在更小的空间上,使用更少的能源来存储更多的数据信息, 有望成为目前基于硅半导体存储技术的潜在替代或补充技术。基于石墨烯的存储器件展现出优良的数据存储性能、器件稳定性和可靠性,为使这类器件具有更好的实际应用前景,人们采用许多技术手段来调控和优化器件性能。本文综述了近年来引起广泛关注的诸如石墨烯、共价修饰的石墨烯、石墨烯基复合材料、石墨烯/无机材料异质结等基于石墨烯及其衍生物的存储器件及相关材料研究进展,以及石墨烯/还原的氧化石墨烯透明电极在存储器件中的应用。探讨了该领域存在的亟待解决的关键基础问题和未来发展方向。     

石墨相氮化碳材料在水环境污染物去除中的研究

水污染是世界性问题,严重影响了人类的身体健康和环境的可持续性。迫切需要一种高效环保的吸附剂材料用于水体污染治理。石墨相氮化碳(g-C₃N₄)材料具有与石墨类似的层状结构,具有许多优异性质,如大的表面积、高的热稳定性和化学惰性,成为新兴的吸附剂材料。本文主要介绍了g-C₃N₄基材料在重金属、放射性核素以及有机污染物去除方面的应用。通过批实验、光谱分析、表面配位模型和理论计算等技术系统分析了g-C₃N₄基材料与污染物之间的作用机理。g-C₃N₄基材料与污染物之间的相互作用主要归因于表面配位、π-π作用、离子交换作用和静电作用。本文有助于读者进一步了解g-C₃N₄基材料与污染物之间的作用机理,并且发掘更多的g-C₃N₄改性材料,将其应用于环境修复领域当中。     

石墨烯基二氧化碳电化学还原催化剂的研究进展

利用电催化技术将CO₂转化为小分子燃料或高值化学品是实现原子经济、构建人工碳循环的绿色能源技术之一。电催化还原CO₂ (ECR)的反应条件温和、产物多样(C₁、C₂和C₂₊),有极大的发展潜力。然而,ECR技术面临一些需要解决的挑战性问题,包括电极过电势高、C₂及C₂₊产物选择性低、伴随析氢反应等。解决这些问题的关键在于创制低成本、高性能电催化剂。近年来,石墨烯基电催化剂的研究成为ECR领域的热点之一,原因包括：1)在电化学环境中稳定性好;2)表面原子、电子结构可调,进而实现材料催化活性的调控;3)维度可调,易暴露较大的比表面积和形成层次孔结构;4)耦合石墨烯的高导电性与特定材料的高活性,可协同提升ECR催化性能。本文评述了石墨烯基材料在ECR中的研究进展,详述了石墨烯基电催化剂的构筑方法,探讨并梳理了石墨烯的点/线缺陷、表面官能团、掺杂原子构型、金属单原子种类、材料表界面性质等与ECR性能之间的本征构效关系。最后展望了石墨烯基催化剂在ECR领域中的挑战和未来发展。     

石墨烯-Li2MnSiO4复合正极材料的合成与电化学性能研究

采用水热辅助溶胶凝胶法成功合成了石墨烯-Li₂MnSiO₄锂离子电池复合正极材料. 利用XRD,SEM及TEM等手段表征了复合正极材料的组成和形貌,并测试了不同氧化石墨烯复合量正极材料样品（质量分数为2%,4%,6%,8%,10%,及未复合氧化石墨烯）的电化学性能. 研究结果表明,石墨烯与Li₂MnSiO₄材料均匀地复合在一起;添加适量的氧化石墨烯能促使Li₂MnSiO₄粒子的分布趋向疏松,并形成微孔结构;氧化石墨烯复合量为6%时形成的石墨烯- Li₂MnSiO₄样品电化学性能最佳,扣除碳含量后,以10 mA/g为电流密度,首周放电比容量为166 mAh/g,循环20周后放电比容量仍保持在101 mAh/g. 此外,与石墨烯复合后的Li₂MnSiO₄材料倍率性能也得到了明显的改善. 石墨烯的存在提高了复合材料的导电性,提升了Li₂MnSiO₄正极材料的可逆嵌脱锂容量.     

钇对石墨烯储氢性能的影响

应用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究过渡金属钇（Y）修饰对石墨烯储氢性能的影响。考虑Y原子在石墨烯上易形成团簇,采用B原子掺杂有效阻止了团簇形成。通过模拟计算得到的改性体系稳定、储氢性能优异,可吸附6个H₂分子,平均吸附能范围为-0.539到-0.655 eV （per H₂）,理论上满足理想的氢吸附能范围。经Bader电荷初步计算和基于Y/B/graphene （G）体系吸附H₂分子的电子态密度及电荷差分密度图分析得,Y原子与石墨烯间通过电荷转移产生结合,与H₂分子则发生典型的Kubas型相互作用。Y原子改变了H₂分子与石墨烯基的电荷分布,成为连接两者电子云的桥梁,从而增强了H₂分子的吸附能。改性石墨烯体系吸附的均为氢分子,有利于在环境温度和压力条件下进行循环控制,是具有良好发展前景的储氢材料之一。     

金属改性煤基石墨烯复合材料的制备及其光催化性能

石墨烯由于其大的比表面积和良好的电子传输特性,在光催化领域具有巨大的应用潜力。本文通过水热法原位合成制备得到CuO/TiO₂/煤基石墨烯复合材料（CTG）,采用XRD、SEM、TEM等手段对样品结构、形貌等进行了表征和分析;进而以CuO/TiO₂/煤基石墨烯复合材料为光催化剂,在可见光条件下还原CO₂制备甲醇以考察其光催化性能。结果表明,CuO/TiO₂/煤基石墨烯复合材料具有良好的光催化活性,当其中Cu的负载量为2%（质量分数）时,目标产物甲醇的产率最高可达94.79 μmol/g.cat,为同样条件下单独采用煤基石墨烯作为光催化剂时甲醇产率的5倍。     

石墨烯基纤维电容器的可控制备及应用

超级电容器又名电化学电容器,是一种绿色储能器件。 超级电容器的研究,从根本上讲是寻找比表面积大且可以被充分利用的电极材料。 石墨烯作为sp²杂化碳质材料的基元单位,具有独特的二维结构和优异的物化特性,使得其在超级电容器领域具有巨大的应用潜力,其中石墨烯纤维超级电容器受到了研究工作者越来越广泛的关注。 本文通过对一维石墨烯纤维的自组装以及与制备材料的共组装来作为超级电容器的电极材料,对其可控制备进行了系统的归纳和总结,可控构建独特的电极材料,使其性能得以优化,组装出高性能的超级电容器,并对相关领域的发展趋势做了展望。     

Mn3O4/石墨烯复合材料的制备与电化学性能研究

本文以氧化石墨烯（GO）溶液为氧化剂,采用水热法使GO直接氧化Mn(Ac)₂制备Mn₃O₄/石墨烯复合材料,并通过在制备过程中加入氨水提高了复合材料中GO的还原程度与Mn₃O₄颗粒的分散性. 制得的Mn₃O₄/石墨烯复合材料表现出优异的电化学性能. 在0.5 A·g^-1的电流密度下复合材料质量比容量可达到850 mAh·g^-1,0.5 A·g^-1时充放电循环测试200周容量保持率为99%.     

复合沉淀剂制备的CeO2-ZrO2-Al2O3材料及其负载的单Pd三效催化剂

采用了一种由氨水和碳酸铵组成的复合沉淀剂来制备CeO₂-ZrO₂-Al₂O₃ （CZA）复合氧化物。作为对比,分别采用氨水和碳酸铵为沉淀剂制备了另外两个CZA复合氧化物。系统地研究了各CZA材料在织构、结构、氧化还原性能、热老化行为之间的区别,以及其负载的单Pd三效催化剂的催化性能。结果表明,不同的沉淀剂制得的材料中其CeO₂-ZrO₂ （CZ）和Al₂O₃之间的相互作用不同。用氨水做沉淀剂时,得到的材料中CZ和Al₂O₃之间的相互作用很小,导致其热稳定性较差。在碳酸铵做沉淀剂的情况下,CZ和Al₂O₃之间具有很强的相互作用,可以提高材料的热稳定性,但同时,CZ固溶体的均一性被严重破坏,使得材料的氧化还原性能不理想。而复合沉淀剂的使用可以有效地平衡CZ和Al₂O₃之间的相互作用,导致得到的CZA材料具有优异的织构、结构性能及良好的热稳定性。因此,其负载的单Pd催化剂表现出最为优异的氧化还原性能和三效催化活性。     

二氧化钛多孔材料及其性能研究进展

二氧化钛(TiO₂)多孔材料由于具有优异的物理化学性质,在催化、能源、传感等领域展现了重要的研究价值和应用潜力。 TiO₂的多孔结构特别在一些涉及异相反应的应用(如异相催化、气敏等)中具有重要的优势,如丰富的传质通道和表面活性位点、可调变的孔尺寸等。 目前,多孔TiO₂功能材料的开发和优化研究正在不断推进其工业化应用的进程。 本文围绕多孔TiO₂的几个优势应用领域(光催化、光生电子存储和气敏)的研究进展,从结构和缺陷设计出发介绍和讨论性能调控策略。 本文还特别介绍了本课题组通过光诱导合成法开发的一系列多孔TiO₂基功能材料,并对相关性能研究领域的关键问题进行了分析和展望。     

四元化合物半导体Cu2ZnSnS4:结构、制备、应用及前景

四元化合物半导体铜锌锡硫(Cu₂ ZnSnS₄,CZTS)由于其四种组成元素在地壳中丰度非常高且安全无毒,因而成本低廉。CZTS作为直接带隙半导体材料,其吸收光谱与太阳辐射光谱匹配性好、光吸收系数高,具有结构与性质可调可控、光电性能优异等优势,是发展绿色、低成本、高效率和稳定薄膜太阳电池的理想核心材料。近年来,国内外研究者对CZTS的结构与性质、制备工艺、应用尤其是通过结构、成分的调控提高其光电转换效率等方面进行了广泛的研究和探讨。本文对CZTS的结构演变、制备工艺、光电性质与应用等进行综述,重点分析了晶体结构、缺陷、表面与界面、合金化等因素对其光伏性能的影响。同时,对CZTS作为新型能量转换材料在光催化和热电等领域的应用进行了探讨。最后对CZTS目前存在的挑战和今后的研究重点进行总结并展望了将来可能的突破方向。