纳米Fe3O4及Ni2+掺杂Fe3O4的制备、表征及吸附Pb(Ⅱ)的特性

采用一种改进的共沉淀法制备了纳米磁铁矿(Fe₃O₄)及Ni²⁺掺杂磁铁矿(Ni_xFe_3-xO₄,x=0.1,0.3,0.6),用X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、氮气物理性吸附、酸碱滴定等手段对产物进行了表征,用平衡吸附法研究了4种样品对Pb(Ⅱ)离子的吸附容量及吸附模型。结果表明,Fe₃O₄和3种Ni_xFe_3-xO₄均为近似球形的单相晶质纳米颗粒;与Fe₃O₄比较,Ni_xFe_3-xO₄的颗粒尺寸变小、表面电荷零点和pH＝5.0时的表面正电荷量降低;样品的孔体积、比表面积和表面分形度以及表面羟基含量都随产物中Ni²⁺掺杂量的增加而升高。4种样品对Pb(Ⅱ)的等温吸附数据均适合用Langmuir模型拟合(R₂=0.9942~0.9858),其相关系数的大小表现为:Fe₃O₄>Ni_0.1Fe_2.9O₄>Ni_0.3Fe_2.7O₄=Ni_0.6Fe_2.4O₄;Freundlich模型对样品等温吸附Pb(Ⅱ)的实验数据拟合度较低(R²=0.9813~0.9477),4种样品的Freundlich相关系数的大小关系与Langmuir相关系数相反。初始pH=5.0时,Fe₃O₄,Ni_0.1Fe_2.9O₄,Ni_0.3Fe_2.7O₄和Ni_0.6Fe_2.4O₄对Pb(Ⅱ)的最大吸附容量分别为6.02,6.68,7.29和8.34mg·g^-1。可见,Ni_xFe_3-xO₄(尤其是Ni²⁺掺杂量较高的产物)对水环境中重金属Pb(Ⅱ)的去除能力明显高于Fe₃O₄。     

电荷补偿对Ba2ZnGe2O7：Bi3+荧光粉发光性质的影响

采用高温固相法制备了2个系列的荧光粉样品：Ba_2-xZnGe₂O₇：xBi³⁺（系列Ⅰ）和Ba_1.994-yK_yZnGe₂O₇：0.006Bi³⁺（系列Ⅱ）。X射线衍射（XRD）测试结果表明,少量Bi³⁺、K⁺的掺杂不会明显改变材料的物相结构。样品的荧光光谱测试结果表明,虽然2个系列样品的发光光谱都随组成成分变化有少量变化,但发光颜色基本上均为黄绿色。在358 nm的激发下,荧光粉的发射光谱呈现一个峰值在500 nm的宽发射带,归属于³P₁→¹S₀能级跃迁。在500 nm监测下,荧光粉的最强激发峰位于358 nm,归属于¹S₀→³P₁能级跃迁,此外还有一个位于320 nm的肩峰归属于O^2--Bi³⁺电荷转移带。系列Ⅰ样品的光谱数据结果指出,Bi³⁺的最佳掺杂量x为0.006。在该基质中,Bi³⁺掺杂取代Ba²⁺属于不等价取代,会在晶格中产生Ba²⁺空位或间隙O^2-,对材料的发光强度产生负面影响。对此,采用K⁺与Bi³⁺协同掺杂起到电荷补偿的作用,填补Ba²⁺空位或捕获间隙O^2-缺陷。空位被填补或间隙被捕获均减少了晶格畸变,从而使发光强度明显提高。系列Ⅱ样品的光谱数据表明,完全电荷补偿的荧光粉样品相比于没有掺K⁺的样品,其发光强度提高了约2.5倍。     

Cr3+掺杂Ca4HfGe3O12宽带近红外荧光粉的发光特性及应用

近红外荧光粉在生物活体成像领域展现出重要的应用前景。但活体成像用近红外荧光粉存在种类匮乏、耐温性差等瓶颈问题。采用固相法合成了宽带近红外Ca₄HfGe₃O₁₂∶ xCr³⁺(0≤x≤0.09)荧光粉。X射线衍射和能谱分析的结果表明Cr³⁺离子成功进入Ca₄HfGe₃O₁₂晶格。在469 nm蓝光激发下,Ca₄HfGe₃O₁₂∶xCr³⁺荧光粉发射出690~1 200 nm的宽带近红外光,峰值波长为825 nm (⁴T₂-⁴A₂),半高宽达到141 nm,Cr³⁺掺杂最佳浓度为0.03。依据激发光谱峰形和寿命衰减行为,证实Cr³⁺仅占据基质中一种阳离子格位。Ca₄HfGe₃O₁₂∶0.03Cr³⁺荧光粉的荧光量子效率为33.63%,该荧光粉发射光谱在400 K下的积分面积为室温下的60.5%,表明该样品具有优良的热稳定性。采用自制近红外荧光粉转换器件照射人手掌和滤波片遮挡的水果,观察到清晰地静脉血管和遮挡水果的轮廓。     

溶胶-凝胶法合成Li1-xNaxMn2O4及其作为水系锂离子电池正极材料的电化学性能

用溶胶凝胶法合成了Na⁺离子掺杂的Li_1-xNa_xMn₂O₄(x=0,0.01,0.03,0.05)。X射线衍射图表明Na⁺取代Li⁺进入Li_1-xNa_x Mn₂O₄晶格中,扫描电镜图看出产物是粒径为100~300 nm的颗粒。恒流充放电测试结果表明,Li_0.97Na_0.03Mn₂O₄在2C倍率下循环100圈后放电容量保持率比未掺杂的LiMn₂O₄从51.2%提升到84.1%。循环伏安测试表明Na⁺离子掺杂降低了材料极化且增大了锂离子扩散系数。10C倍率下Li_0.97Na_0.03Mn₂O₄仍有79.0 mAh·g^-1的放电容量,高于未掺杂样品的52.1 mAh·g^-1。Na⁺离子掺杂可以稳定材料结构并提高锂离子扩散系数,从而提高LiMn₂O₄的电化学性能,是一种可行的改性方法。     

Ba0.4Sr0.6Co1-xFexO3-δ系阴极材料的制备和表征

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba_0.4Sr_0.6Co_1-xFe_xO_3-δ(x=0.0～0.8)系列粉体。利用XRD和SEM对材料的结构和微观形貌进行分析,用直流四端子法测量了烧结陶瓷体在中温(450～800 ℃)范围内的电导率。结果表明,制备的样品为单一钙钛矿相,随着Fe含量增加,XRD衍射峰值向高角度方向稍有偏移。电导率随着温度及Fe含量的变化出现极大值,在x＜0.2时,Ba_0.4Sr_0.6Co_1-xFe_xO_3-δ系列烧结体在中温(450～800 ℃)区的电导率,随Fe掺入量的增大而增大,x=0.2样品的电导率最高,800 ℃时达244.7 S·cm^-1,远超过文献报道值,进一步增大Fe含量导电性能变差。     

Mn4+掺杂Co3O4纳米纤维的静电纺丝法制备及其电化学性能

通过静电纺丝法制备Mn⁴⁺掺杂的Co₃O₄复合纳米纤维,利用XRD、XPS、BET、SEM和电化学工作站等对材料的结构、成分、形貌和电化学性能进行表征与测试。研究发现,通过Mn⁴⁺掺杂,Co₃O₄复合纳米纤维的电化学性能得到明显改善。当n_Co∶n_Mn=20∶2时,相应的复合纤维具有较大比表面积68 m²·g^-1,而且该样品呈现出清晰的氧化还原峰,在1 A·g^-1的电流密度下,放电比电容量为585 F·g^-1,这比纯Co₃O₄纳米纤维的416 F·g^-1,有显著提高;循环500圈电容保持率达到82.6%,而纯Co₃O₄纳米纤维则是76.4%。     

Sm3+掺杂Ba0.85Ca0.15Ti0.90Zr0.10O3无铅多功能铁电陶瓷的储能和光致发光性能

通过高温固相反应法制备了Ba_0.85Ca_0.15Ti_0.90Zr_0.10O₃∶xSm³⁺(BCTZ∶xSm³⁺,x=0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%,物质的量分数)陶瓷,系统研究了其微观形貌、铁电性能、储能性能和光致发光性能。研究表明,Sm³⁺掺入后,陶瓷平均晶粒大小明显下降,致密度显著提高。所有陶瓷均表现出典型的铁电性。BCTZ∶xSm³⁺陶瓷放电储能密度得到了极大的提高,BCTZ∶1.0% Sm³⁺陶瓷放电储能密度较纯BCTZ陶瓷可提高约49.0%。此外,在408 nm光的激发下,BCTZ∶xSm³⁺陶瓷在596 nm左右表现出强烈的橙红色发光,且发光强度相对可调性可达449%。     

纳米结晶体Ni0.5Zn0.5Fe2O4对高氯酸铵热行为及分解反应动力学的影响

采用差示扫描量热法(DSC)、热重和微分热重(TG-DTG)及固相原位反应池/快速扫描傅立叶变换红外联用技术(hyphenated in situ thermolysis/RSFTIR)研究了纳米结晶体Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄与高氯酸铵(AP)组成的混合物的热行为和分解反应动力学。结果表明：Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄使得AP的低、高温分解放热峰温分别提前17.44 K和27.74 K,并使得对应的分解热分别增加3.7 J·g^-1和193.7 J·g^-1。Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄并不影响AP的晶转温度和晶转热。Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄使得AP的TG曲线出现3个阶段,并使得后2个失重阶段的初始和终止温度都有所提前。凝聚相分解产物分析表明Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄加速了凝聚相AP的分解及氨气的释放。含Ni_0.5Zn_0.5Fe₂O₄的AP的高温分解反应的动力学参数E_a=238.88 kJ·mol^-1,A=1018.59 s^-1,动力学方程可表示为dα/dt=10^18.99(1-α)[-ln(1-α)]^3/5e^-2.87×104T。始点温度(T_e)和峰顶温度(T_p)计算得出AP的热爆炸临界温度值分别为:574.83 K和595.41 K。分解反应的活化熵(ΔS^≠)、活化焓(ΔH^≠)和活化能(ΔG^≠)分别为:109.61 J·mol^-1·K^-1、236.49 kJ·mol^-1及172.58 kJ·mol^-1。     

纳米固体超强酸SO42-/Fe2O3的制备及其催化合成乙酸乙酯

将Fe₂O₃纳米粉体经一定浓度的H₂SO₄浸泡活化后制成纳米固体超强酸SO₄^2-/Fe₂O₃,将其用于催化合成乙酸乙酯以考察其活性。利用均匀设计分析了超强酸制备过程及酯化反应过程中各因素的影响,研究结果表明较好的制备条件是:H₂SO₄浓度:2.5mol·L^-1;浸泡时间:1h;活化温度:167℃;活化时间:1h,此时获得的固体超强酸SO₄^2-/Fe₂O₃的粒径小于50nm。当催化剂用量为冰乙酸质量的5%,n(乙醇)∶n(冰乙酸)为3∶1,反应3.5h后乙酸的转化率高于80%。该催化剂经H₂SO₄溶液浸泡、活化再生后可重新使用,推断出其酸强度H₀<-14.5。     

电荷补偿对Ba2ZnGe2O7∶Bi3+荧光粉发光性质的影响

采用高温固相法制备了2个系列的荧光粉样品：Ba_2-xZnGe₂O₇∶xBi³⁺(系列Ⅰ)和Ba_1.994-yK_yZnGe₂O₇∶0.006Bi³⁺(系列Ⅱ)。X射线衍射(XRD)测试结果表明,少量Bi³⁺、K⁺的掺杂不会明显改变材料的物相结构。样品的荧光光谱测试结果表明,虽然2个系列样品的发光光谱都随组成成分变化有少量变化,但发光颜色基本上均为黄绿色。在358 nm的激发下,荧光粉的发射光谱呈现一个峰值在 500 nm 的宽发射带,归属于 ³P₁→^1S₀能级跃迁。在 500 nm 监测下,荧光粉的最强激发峰位于 358 nm,归属于¹S₀→³P₁能级跃迁,此外还有一个位于320 nm的肩峰归属于O^2--Bi³⁺电荷转移带。系列Ⅰ样品的光谱数据结果指出,Bi³⁺的最佳掺杂量x为0.006。在该基质中,Bi³⁺掺杂取代Ba²⁺属于不等价取代,会在晶格中产生Ba²⁺空位或间隙O^2-,对材料的发光强度产生负面影响。对此,采用K⁺与Bi³⁺协同掺杂起到电荷补偿的作用,填补Ba²⁺空位或捕获间隙O^2-缺陷。空位被填补或间隙被捕获均减少了晶格畸变,从而使发光强度明显提高。系列Ⅱ样品的光谱数据表明,完全电荷补偿的荧光粉样品相比于没有掺K⁺的样品,其发光强度提高了约2.5倍。     

ZnAl2O4:Mn材料的制备及发光性能

以共沉淀法与煅烧法联用,成功制备了一系列ZnAl₂O₄:xMn样品。通过扫描电镜和X射线粉末衍射测试研究了样品的形貌和物相特征,结果表明尖晶石结构的ZnAl₂O₄中[AlO₆]的八面体位可以有效被Mn⁴⁺替代。通过荧光激发和发射光谱研究了样品的发光性能,发现Mn⁴⁺在ZnAl₂O₄体系中掺杂可以显示出明亮的红色发光(发射峰值位于680 nm处)。比较不同Mn⁴⁺浓度(Mn与Al的物质的量之比)掺杂样品的发光强度时发现,Mn⁴⁺最佳掺杂浓度为0.06%。通过德克斯特公式分析了发光强度与浓度关系,探究浓度猝灭机制,结果表明最邻近离子之间能量传递造成Mn⁴⁺浓度猝灭的发生。为了提高Mn⁴⁺的发光强度,选择了7种金属离子(Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Sn²⁺和Ga³⁺)与Mn⁴⁺共掺杂进入ZnAl₂O₄基质中,其中效果较突出的为Li⁺和Ga³⁺,其共掺杂使Mn⁴⁺发光强度分别增强0.6倍和1倍。     

BaCe0.8-xNbxGd0.2O3-δ(0≤x≤0.45)的制备及性能研究

采用高温固相反应法制备了质子导体BaCe_0.8-xNb_xGd_0.2O_3-δ(0≤x≤0.45)。结合XRD、SEM、EIS等技术对其物相、微观形貌、稳定性及电导率进行了研究。结果表明,在1 600 ℃烧结5 h制备的质子导体BaCe_0.8-xNb_xGd_0.2O_3-δ(0≤x≤0.45)均能保持主相为斜方晶的钙钛矿结构。Nb的加入可明显提高烧结样品的致密性及在CO₂和水蒸气气氛下的稳定性。在湿润H₂/Ar(0.4%,V/V)气氛中800 ℃下,x=0.1样品的电导率为5.73 mS·cm^-1,电导活化能为0.35 eV,与x=0的样品相当。     

纳米钙钛矿LaxSr1-xFe1-yCoyO3复合氧化物的制备和表征

用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法，制备La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃复合氧化物的陶瓷粉末，对该钙钛矿型氧化物进行了XRD、IR、紫外漫反射光谱及循环伏安曲线分析。结果表明：该复合氧化物粉体平均晶粒为15.3～29.8 nm,为立方和正交晶系。该氧电极具有双功能催化特性，但不完全可逆。对水溶液染料进行光解实验，利用紫外-可见、人工神经网络光度法研究La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃的催化性能。结果表明：CO²⁺的加入可使La_xSr_1-xFeO₃的光催化活性有所提高，B位离子(Fe³⁺，CO²⁺)改变与加入，使La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃(x=0.7，0.3；y=0.3，0.9，1)光催化活性高于La_xSr_1-xFeO₃。同时，对5种染料进行紫外光解，在0.75 h，脱色率大于91%，并为动力学一级反应。     

CaSb2O6:Bi3+,Eu3+荧光粉的制备和发光性质

采用共沉淀法及1 200 ℃后续煅烧4 h,成功制备了CaSb₂O₆:Bi³⁺,Eu³⁺荧光粉,并对其结构及发光性能进行了研究。所制备荧光粉颗粒为六边形类圆饼状,平均尺寸在100~600 nm之间。对CaSb₂O₆:Bi³⁺,Eu³⁺发光的机理分析表明,Bi³⁺对Eu³⁺的发光存在高效的敏化与能量传递。当Bi³⁺和Eu³⁺的掺杂浓度分别为0.5%和8%,Eu³⁺位于580 nm(⁵D₀→⁷F₀ )处的荧光发射显著增强,Bi³⁺,Eu³⁺共掺样品的荧光强度是CaSb₂O₆:Eu³⁺的10倍左右。调节Bi³⁺/Eu³⁺离子掺杂比,色坐标呈现了从蓝、白光到红光的变化,表明该荧光粉可分别作为蓝或红色荧光粉使用,甚至可实现从蓝、白光到红光的自由调控,这为白光LED荧光粉的发展提供了参考。     

Cr3+掺杂Ca4HfGe3O12宽带近红外荧光粉的发光特性及应用

近红外荧光粉在生物活体成像领域展现出重要的应用前景。但活体成像用近红外荧光粉存在种类匮乏、耐温性差等瓶颈问题。采用固相法合成了宽带近红外Ca₄HfGe₃O₁₂∶ xCr³⁺(0≤x≤0.09)荧光粉。X射线衍射和能谱分析的结果表明Cr³⁺离子成功进入Ca₄HfGe₃O₁₂晶格。在469 nm蓝光激发下，Ca₄HfGe₃O₁₂∶xCr³⁺荧光粉发射出690~1 200 nm的宽带近红外光，峰值波长为825 nm (⁴T₂-⁴A₂)，半高宽达到141 nm，Cr³⁺掺杂最佳浓度为0.03。依据激发光谱峰形和寿命衰减行为，证实Cr³⁺仅占据基质中一种阳离子格位。Ca₄HfGe₃O₁₂∶0.03Cr³⁺荧光粉的荧光量子效率为33.63%，该荧光粉发射光谱在400 K下的积分面积为室温下的60.5%，表明该样品具有优良的热稳定性。采用自制近红外荧光粉转换器件照射人手掌和滤波片遮挡的水果，观察到清晰地静脉血管和遮挡水果的轮廓。     

Mg掺杂In2O3-x催化剂光热催化CO2加氢

为提高光热催化CO₂加氢催化剂In₂O₃的催化活性,采用均相水热法制备Mg(OH)₂-In(OH)₃前驱体,通过高温煅烧和H₂-还原处理得到了富含氧空位的Mg掺杂In₂O_3-x(Mg-In₂O_3-x)催化剂。在300℃、常压、可见光照射条件下,CO₂加氢转化为CO的CO₂转化率可达31.20%,CO产生速率为14.22 mmol·gcat^-1·h^-1,CO选择性为100%。相比于单一In₂O_3-x催化剂,Mg-In₂O_3-x催化剂光热催化CO₂转化率及CO产生速率明显提高,这归因于Mg成功掺杂到In₂O₃形晶格中,促进In₂O₃表面氧空位的形成,进而对可见光响应效率大幅提高,并有效减缓光生电子-空穴的复合。     

Cr2O3和CrO3/Cr2O3催化剂的2-氯-1，1，1-三氟乙烷气相氟化反应的活性物种和失活

采用沉淀法和浸渍法制备了2种铬基（Cr₂O₃和CrO₃/Cr₂O₃）催化剂,用于气相氟化2-氯-1,1,1-三氟乙烷合成1,1,1,2-四氟乙烷。研究发现含有低价铬（Cr³⁺）物种的Cr₂O₃催化剂上2-氯-1,1,1-三氟乙烷的稳态转化率为18.5%,而含有高价铬（Cr⁶⁺）物种和低价铬（Cr³⁺）物种的CrO₃/Cr₂O₃催化剂初始转化率达到30.6%,然而存在明显的失活。含有Cr⁶⁺物种的CrO₃/Cr₂O₃催化剂的2-氯-1,1,1-三氟乙烷氟化反应初始TOF值为1.71×10^-4 mol_HCFC-133a·mol_Cr(Ⅵ)^-1·s^-1,高于含有Cr³⁺物种的Cr₂O₃催化剂（4.16×10^-5 mol_HCFC-133a·mol_Cr(Ⅲ)^-1·s^-1）。Cr₂O₃催化剂在氟化反应前后催化剂的物相结构保持不变;而含有高价铬物种的CrO₃/Cr₂O₃催化剂经HF反应后生成了CrO_xF_y活性物种。然而,CrO_xF_y物种在反应中挥发或转化成稳定但无活性的CrF₃,从而导致催化剂失活。     

钒掺杂对正极材料LiFePO4/C的电化学性能影响

以LiH₂PO₄和廉价的Fe₂O₃为原料,葡萄糖为有机碳源,通过选择高价V⁵⁺进行铁位掺杂固相合成碳包覆复合改性的LiFe_1-xV_xPO₄/C（x=0,0.01,0.03,0.05,0.07,0.1）材料。700℃下处理得到结晶性好、电化学性能良好、较高振实密度ρ=1.2g·cm^-3的材料。X射线光电子能谱（XPS）测试结果表明掺入的钒为高价态V⁵⁺,能产生更多的过剩电子,从而提高了电子电导率,且V⁵⁺的掺入没有改变Fe的价态。交流阻抗测试结果进一步证明了V⁵⁺的掺入降低了电荷迁移阻抗,提高了材料的电子电导率。其中优化的材料LiFe_0.95V_0.05PO₄显示了不同倍率下良好的充放电比容量,在0.1C、1C、2C和5C倍率的放电比容量分别为155、146.5、135.3和125.9mAh·g^-1,5C循环500次后容量为119.5mAh·g^-1,容量保持率为94.9%,材料循环性能较好,具有良好的实际应用价值。     

La3+掺杂CaFe2O4材料的制备及室温检测超低浓度甲醛

采用静电纺丝法成功制备了La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱对La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料的结构和形貌进行了表征。随后，研究了La³⁺的掺杂量（质量分数）对CaFe₂O₄气敏性能的影响。研究表明，3% La³⁺掺杂CaFe₂O₄材料在室温下对100 μL·L^-1甲醛的响应最高（R_a/R_g=14.1）。更为重要的是，对甲醛的最低检测限低至0.1 nL·L^-1，并且响应/恢复时间仅为4.3 s/8.4 s。     

双钙钛矿型Ca2Gd1-xTaO6：xTb3+绿色荧光粉的合成与荧光性质

通过高温固相法合成了双钙钛矿型Ca₂Gd_1-xTaO₆：xTb³⁺（CGTO：xTb³⁺）绿色荧光粉。采用X射线衍射、扫描电镜、荧光光谱、荧光衰减曲线、量子效率（η）测试分别表征了CGTO： xTb³⁺荧光粉的物相、形貌和荧光性质。在紫外光激发下,CGTO： xTb³⁺荧光粉实现了较强的绿光发射,绿光为Tb³⁺离子的⁵D₄-⁷F₅跃迁。通过变温发射光谱研究发现CGTO：0.15Tb³⁺荧光粉的热猝灭活化能为0.181 9 eV。在255 nm的激发下,最佳Tb³⁺掺杂浓度的CGTO：0.15Tb³⁺荧光粉的量子效率为32.32%。