PEMFC金属双极板氮化物涂层的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)金属双极板具有机械强度高、易加工、成本低等优势,但其在PEMFC的酸性环境中容易被腐蚀,从而会对其寿命及导电性产生不利的影响。通过采用氮化物涂层改性的双极板表面结构会变得更加致密,能够提高基体的耐腐蚀性能,从而提高燃料电池的工作寿命。本文从氮化物涂层的种类出发,回顾了近年来氮化物涂层的研究进展。然后介绍了涂层常见的制备方法,同时对其原理进行了分析,对不同的方法制备出的氮化物涂层进行了分析对比。随后总结了不同种类涂层的特点及存在的问题,对不同种类的涂层的耐腐蚀性能进行了比较。最后指出了氮化物涂层存在的问题,并对其未来的发展方向进行了展望。

二维过渡金属碳/氮化物在肿瘤治疗中的应用

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)具有优异的光热转换性能,丰富的表面基团,良好的生物相容性、亲水性和粒径可调性,这使得应用MXenes作为肿瘤诊疗过程中的治疗剂和造影剂具有巨大潜力。本文综述了基于MXenes的肿瘤单一治疗和联合治疗的相关研究,同时介绍了MXenes在肿瘤主动靶向治疗领域的研究,最后阐述了目前MXenes在制备和肿瘤治疗研究中存在的挑战和对未来的展望。

煤表面含氧官能团吸附氮化物的模拟计算研究

煤表面六种常见的官能团结构单元包括酚羟基Ph-OH、羧基-COOH、羰基-C=O、醚键-O-、醇羟基R-OH和烷基R,采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)和密度泛函理论(DFT)从原子层面模拟计算煤表面官能团对苯胺、吡啶、喹啉三种典型氮化物的吸附性能.通过计算分析前线轨道、吸附能及分子间吸附距离等参数,探究三种氮化物在煤表面不同官能团上的吸附机理,结果表明煤表面模型上各官能团对三种氮化物的吸附强弱顺序均为:-COOH>R-OH>Ph-OH>-C=O>-O->R,三种氮化物在煤表面官能团的吸附强弱顺序为:吡啶>喹啉>苯胺.

熔盐法制备新型二维层状金属碳/氮化物(MXene)的研究进展

二维金属碳氮化物(MXene)是由过渡金属元素(铝、钛、铌、钼等)和X元素(碳、氮)组成的一种新型二维材料,在能源存储与转换、电磁屏蔽、传感器、催化等领域具有广泛的应用前景。其中,过渡金属M、X元素组合、表面官能团Tx元素种类调控是影响MXene结构和物理化学性质的关键,开发元素组合可调控的合成方法是MXene族材料制备和应用的热点和难点。熔盐合成法是制备MXene的方法之一,利用熔盐介质无水无氧、富含阴阳离子、弱溶剂化、电化学窗口宽等诸多特性,可以合成一些常规水溶液中无法获得的特殊组成和结构的MXene材料,这大大拓展了该材料的应用范围。本文综述了高温熔盐作为氧化刻蚀剂或溶剂制备新型MXene材料的最新研究进展,并讨论了不同共晶盐、反应物和反应条件调控MAX和MXene材料结构的影响机制。同时,对熔盐法未来的发展方向和面临的主要挑战也进行了展望。

轴承钢表面电弧离子镀氮化物涂层的抗冲击性能和耐磨性能

采用电弧离子镀工艺在GCr15轴承钢表面分别沉积了TiN和TiAlN 2种氮化物涂层,对比研究了涂层的微观结构、硬度、结合性能、抗冲击性能和耐磨性能。结果表明:制备的TiN涂层和TiAlN涂层表面平整,均以(200)晶面择优生长;TiN涂层和TiAlN涂层的硬度分别为2060.3,3390.8 HV,为基体(689.5 HV)的3.0倍和4.9倍。TiN和TiAlN涂层与轴承钢的结合性能良好,结合等级为HF1~HF2,40次冲击试验后TiN和TiAlN涂层表面均未发生剥落和开裂,抗冲击性能良好。TiN涂层和TiAlN涂层与轴承钢对磨时的平均摩擦因数分别为0.42,0.36,体积磨损量分别为1.26×10^(-3),0.54×10^(-3 )mm^(3),均低于基体,涂层表面均形成了较浅的犁沟,磨损机制为磨粒磨损,其中TiAlN涂层表面犁沟更浅,磨损程度更轻。TiAlN涂层的结合性能和抗冲击性能与TiN涂层相当,硬度和耐磨性能均高于TiN涂层,更适用于改善轴承钢的表面耐磨性能。

粉煤灰基沸石吸附废液中氨氮化物与铜离子的试验研究

开展了粉煤灰基沸石吸附电镀废液中氮氧化物和铜离子的试验研究。结果表明:粉煤灰基沸石吸附铜离子的适宜条件为:pH值8,溶液中铜离子初始质量浓度200 mg/L,吸附时间0.45 h,温度200℃;粉煤灰基沸石吸附氨氮化物的适宜条件为:粉煤灰基沸石投入量8 g/L,pH值8,吸附时间0.60 h,溶液中氨氮化物初始质量浓度150 mg/L;粉煤灰基沸石吸附铜离子的吸附过程为物理吸附过程,粉煤灰基沸石对氨氮化物的吸附是离子交换和物理吸附共同作用的结果。

基于磁控溅射的氮化物薄膜摩擦与腐蚀性能研究

通过磁控溅射法在Ti45Nb合金表面溅射了TiN、ZrN和ZrTiN无毒陶瓷薄膜。采用扫描电镜、X射线衍射对样品的微观以及相结构进行了表征。样品的摩擦磨损性能通过往复式摩擦试验机进行评价,而其腐蚀性能通过Tafel极化和电化学阻抗谱测量来评价。结果表明:薄膜的结构都为面心立方结构,且都沿(200)方向择优生长。相比于TiN和ZrN薄膜,ZrTiN薄膜为合金化复合薄膜,改变了TiN、ZrN薄膜柱状晶生长模式,由柱状晶生长转变为小单晶聚合生长为多晶,形成更加致密的薄膜。此外,与Ti45Nb合金相比,不同氮化物薄膜改性的Ti45Nb合金的磨损率降低了两个数量级,其中ZrTiN薄膜具有最低的磨损率。在模拟体液中,ZrTiN薄膜改性的Ti45Nb合金的耐腐蚀性得到了一定的提高。

基于氮化物结构与加氢行为关系设计重油加氢脱氮催化剂

氮化物分子的结构随着油品馏程增加呈规律性变化,氮化物结构与加氢行为之间的关系是重油加氢脱氮催化剂设计的重要指导理论。本文采用量子化学理论计算的方法研究碱性氮化物和非碱性氮化物的理化性质与反应行为随氮化物结构的变化规律。研究发现,随着氮化物中共轭芳环数目的增加:氮化物吸附能力增强,且吸附过程中电荷转移能力也随之增强,氮化物的平躺吸附逐渐占优势;C—N键通过低活化能的消去路径断裂的难度增加,只能通过高活化能的取代反应路径实现断裂,这就要求与氮化物相邻芳环在C—N键断裂前必须充分得到加氢饱和。高氢解能力催化剂加氢产物中剩余氮化物以含有多环芳烃的氮化物为主,而高加氢饱和能力催化剂加氢产物剩余氮化物中含有更多的双环氮化物,加氢实验结果说明了具有高氢解能力的加氢催化剂更有利于轻质油品中氮化物的脱除,而具有高加氢饱和能力的催化剂更有利于重质油品中氮化物的加氢脱除。

Ⅲ族氮化物半导体及其合金的原子层沉积和应用

Ⅲ族氮化物半导体由于包含了宽的直接禁带宽度、高击穿场强、高电子饱和速度、高电子迁移率等优异的性质,自从发展以来便成为半导体领域中的一个热点.并且由于其禁带宽度可以从近紫外涵盖到红外区域,因此在传统半导体所难以实现的短波长光电子器件领域,也具有广阔的应用前景.原子层沉积由于其特殊的沉积机制可以在较低的温度下实现Ⅲ族氮化物半导体的高质量制备,通过调整原子层沉积的循环比也可以方便地调整合金材料中的成分.发展至今,原子层沉积已经成为制备Ⅲ族氮化物及其合金材料的一种重要方式.因此,本文着重介绍了近期使用原子层沉积进行Ⅲ族氮化物半导体及其合金的沉积及应用,包括使用不同前驱体、不同方式、不同类型原子层沉积,在不同温度、不同衬底上进行氮化物半导体及其合金的沉积.随后讨论了原子层沉积制备的Ⅲ族氮化物材料在不同器件中的应用.最后总结了原子层沉积在制备Ⅲ族氮化物半导体中的前景和挑战.

沸腾床蜡油氮化物分析及加氢裂化工艺研究

以常规减压蜡油和沸腾床蜡油为原料,利用高分辨质谱对比了两种原料中氮化物的分子结构及变化规律,在常规减压蜡油中掺炼不同比例的沸腾床蜡油为混合油,并以此为原料进行加氢裂化反应,考察了工艺条件对产物分布及产品性质的影响。实验结果表明,与常规减压蜡油相比,沸腾床蜡油的密度更大,馏程范围较窄,具有更多的大分子烃类物质,组分中的氮化物主要为五环非碱性氮化物,在加氢裂化工艺中脱除难度大。在相同的加氢裂化催化剂体系下,加工混兑沸腾床蜡油的混合油与单独加工常规减压蜡油在产物分布上没有太大变化,产品性质根据混兑比例不同存在差异。

氮化物涂层在海水环境中磨蚀性能的研究进展

综述了应用于海水环境中不同结构氮化物涂层的磨蚀性能,探讨了基体材料、制备工艺参数、掺杂元素等对氮化物涂层在海水环境中磨蚀性能的影响,分析了氮化物涂层在海水环境中的磨蚀机理,并对氮化物涂层在海水环境中磨蚀性能的研究方向提出了思考与展望。

双金属氮化物Ni_(3)FeN的制备及其析氧性能研究

利用化学气相沉积法在氨气(NH_(3))氛围下合成了镍铁双金属氮化物(Ni_(3)FeN)纳米颗粒,Ni_(3)FeN在碱性介质中的析氧反应(OER)表现出良好的催化活性。Ni_(3)FeN在电流密度为10 mA/cm^(2)时的过电势为287 mV,相较于Ni_(3)N性能提升了173 mV,塔菲尔斜率为60 mV/dec,催化剂在8 h的稳定性测试中仅衰减2.4%。电化学性能测试结果表明,Ni_(3)FeN具有良好的活性和稳定性,与单金属氮化物相比,双金属氮化物催化剂的本征活性得到了提升。

碳氮化物析出行为对钒微合金化套管钢屈服强度的影响

钒微合金化套管钢调质处理后的屈服强度对回火温度有较高的敏感性。研究了碳氮化物析出行为对钒微合金化套管屈服强度的影响。分析了钒微合金化的作用与N含量的关系,研究了VN和VC的析出行为以及析出相的强化作用。分析认为:V含量与材料热处理后的强度波动存在近似定量关系,V含量每增加0.03%,在回火温度变化10℃时将产生3~4 MPa的附加屈服强度波动。因此,可据此对钒微合金化钢种进行成分优化设计和产品性能控制,以增加实际生产中套管强度指标的稳定性。

渗氮温度对低温高磁感取向硅钢氮化物析出行为的影响

采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM),结合能谱仪(EDS)与选区电子衍射(SEAD)对渗氮条件下低温高磁感取向硅钢析出相进行表征分析,探讨渗氮过程氮化物析出与转变的机制。结果表明:渗氮处理前,硅钢中固有氮化物以AlN,AlN+MnS与AlN+CuxS为主,尺寸分布在40~150 nm,析出相在基体中的分布较为弥散,主要在晶粒内部析出,晶界上的析出量较少;经750,900℃渗氮处理,渗氮板表层出现大量新析出的氮化物,析出相均分布于晶界及附近与晶粒内部,随渗氮温度的升高,析出相的种类与形貌更复杂多样,尺寸分布范围由50~150 nm减至20~100 nm,其中在120 nm以下析出相的分布密度由9.449×10^(8)个/cm^(2)增至1.649×10~9个/cm^(2),平均尺寸由90 nm减至55 nm,体积分数由5.55%减至3.63%;氮化物析出相沿整个渗氮板厚度方向分布不均匀,但900℃渗氮板中心层析出相的分布密度与含量明显更高,平均尺寸明显更小,提高渗氮温度可大幅改善渗氮板中的氮含量与氮化物在板厚方向上分布的均匀性;渗氮温度由750℃升高至900℃,氮化物析出种类由非晶结构富Mn的Si3N4→正交晶体结构的MnSiN2或(Si,Mn)N→(Si,Mn,Al)N或(Si,Al,Mn)N→(Al,Si,Mn)N或(Al,Si)N进行转变;渗氮温度对氮化物的热稳定性、氮原子的扩散路径与扩散系数的影响是造成氮化物种类与分布发生变化的主要原因。

稀土Ce对441铁素体不锈钢碳氮化物析出的影响与控制

通过高温热态模拟实验和热力学计算,考察了不同Ce含量微合金化对441铁素体不锈钢中碳氮化物特征的影响规律。结果表明,无Ce添加的441铁素体不锈钢中碳氮化物主要有两种类型:单独析出的碳氮化物和异质形核的复合碳氮化物。钢中加入稀土后,碳氮化物形核氧化物中的Al逐渐被Ce取代,改性顺序为Al_(2)O_(3)·Ti_(2)O_(3)→AlCeO_(3)·Ti_(2)O_(3)→Ce2O3·Ti_(2)O_(3)。改质形成的Ce2O3与碳氮化物的错配度较高,形核能力减弱,这既使形貌由全包裹向半包裹结构转变,又造成了单独析出碳氮化物析出加剧。高含量稀土添加后,Ce N会逐渐出现,Ti N的析出过程受到抑制,降低了碳氮化物的析出面积,碳氮化物逐渐转化为类球形形貌。通过对比不同Ce含量试样,当稀土添加量为0.007%,与原始铸态的碳氮化物相比,增加了异质形核的数量密度,碳氮化物的数量密度由66.7个/mm^(2)上升到74.5个/mm^(2),平均尺寸集中在1~3μm,细化晶粒效果最好。

3d金属掺杂对反钙钛矿型氮化物磁性的影响

反钙钛矿型氮化物具有丰富的物性,在自旋电子学器件中有广阔的应用前景。综述了3d金属元素掺杂反钙钛矿型氮化物磁性的理论和实验研究进展,分析了掺杂元素的晶格占位、价态和掺杂量以及薄膜的厚度和温度对反钙钛矿型氮化物磁性的影响机制和规律。研究表明,3d金属元素掺杂不仅会改变反钙钛矿型氮化物的结构,也会调控反钙钛矿型氮化物的磁性。最后,展望了3d金属元素掺杂反钙钛矿型氮化物在自旋电子学器件中的应用前景和面临的挑战,以及未来需要进一步深入的研究方向。

氮化物陶瓷基板烧结技术研究进展

功率半导体器件正朝向高电压、大电流、高功率密度方向发展,对陶瓷基板的散热能力和可靠性提出了更高要求。氮化物陶瓷因其独特的物理和化学性质,成为功率半导体器件散热基板的理想材料。然而,氮化物陶瓷的共价性强,烧结难度大,如何优化烧结工艺,提高烧结效率和质量,成为当前研究的热点。本文总结了当前应用较广的氮化物陶瓷的性能特性,总结了几种氮化物陶瓷烧结技术,并讨论了未来发展方向。

锶钽氧氮化物功能陶瓷的高效合成、致密化及介电性能研究

AB(O,N)_(3)型钙钛矿氮氧化物是一类新型功能陶瓷材料,具有独特的介电/磁/光催化等性能,在能源存储与转化领域应用前景广阔,但传统制备工艺耗时长且产物纯度较低。本研究以尿素为氮源、金属氧化物为前驱体,采用无压放电等离子烧结设备一步合成了钙钛矿氮氧化物SrTa(O,N)_(3)陶瓷粉体,并实现了快速致密化。深入研究了升温速率和合成温度对粉体组成与微观形貌的影响,并对优化后制备的陶瓷块体进行了介电性能表征。结果表明,较高的升温速率和适中的合成温度有利于氮化反应的充分进行,在100℃/min和1000℃下制得的SrTa(O,N)_(3)粉体纯度最高,氧氮化物相含量约97%,粒径分布区间为100~300 nm,Sr、Ta、O、N四种元素分布均匀。较优的致密化工艺为烧结温度1300℃、升温速率300℃/min、保温时间1 min,经烧结制得的SrTa(O,N)_(3)陶瓷试片致密度可达94%以上,且纯度很高,该材料在300 Hz时的介电常数高达8349,介电损耗为10–4量级,优于文献报道值。本研究制备的SrTa(O,N)_(3)陶瓷的高介电常数与致密度和纯度的调控密不可分,这是因为气孔和杂质会降低材料介电常数,高致密度和高纯度是SrTa(O,N)_(3)氧氮化物陶瓷获得优异介电性能的关键。

一维Ⅲ族氮化物外延材料的生长及表征综合实验设计

为开拓学生的科学眼界,针对氮化镓(GaN)材料的制备及表征,设计了一个综合性教学实验。首先,利用化学气相沉积法和分子束外延法分别制备了一维纳米线和纳米柱;其次,采用X射线衍射仪、拉曼光谱仪和扫描电子显微镜对两种GaN样品的结构和形貌进行表征,并研究了生长温度对其表面形貌的影响。通过综合实验设计,学生不仅能够将《材料现代测试方法》等理论课程所学知识与实验相结合,而且在了解相关材料应用前沿的同时提高自身的综合实践能力,激发对科研的兴趣,从而为将来从事科研工作打下基础。

氮化物涂层的可控制备、结构特点及其性能研究进展

氮化物涂层具有高硬度、高热稳定性、较高抗氧化能力、优异的抗腐蚀性能和耐磨损能力,被广泛用作刀具表面的耐磨涂层。氮化物涂层优异的综合性能取决于其化学组成和微观结构特征,因此制备技术和工艺参数的选择对氮化物涂层力学性能、抗氧化性能、耐腐蚀性能和摩擦学性能的优化尤为关键。着重介绍了高性能氮化物涂层的设计思路,并综述了氮化物涂层不同制备技术的特点以及涂层的物化性能研究进展,最后对该领域今后的发展方向进行了总结和展望。