氧八面体扭转及其对CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)介电性能影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势平面波方法,通过调整氧原子的位置使TiO_(6)八面体扭转,对比了氧八面体扭转前后CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)(CCTO)的成键状况、能带结构、原子态密度及光频介电函数等性能参数的变化,发现Ti-O-Ti键扭转方向的变化对各原子的电荷、键长和布居几乎没有影响,但扭转角度的改变发挥了关键性作用。随着Ti-O-Ti键夹角的增大,Cu的电荷量增加,Cu—O键键长增大,布居数减小,同时介电常数显著增大,表明Cu—O键刚性约束被打破后有助于CCTO光频介电常数的增加。研究揭示了TiO_(6)八面体的扭转对CCTO宏观介电性能的影响,为基于微结构调控优化CCTO的介电性能提供了新思路。

Ni_(2)O_(3)和ZrO_(2)共掺杂CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷的介电性能研究

CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)(CCTO)介电陶瓷因具有极高的介电常数(ε′)而受到了广泛的关注与研究,并在电容器材料领域展现出巨大潜力。然而,较高的介电损耗(tanδ)和较差的温度稳定性限制了其发展。为了降低CCTO陶瓷的tanδ并提高温度稳定性,通过溶胶-凝胶法制备了Ni_(2)O_(3)和ZrO_(2)共掺杂的CCTO陶瓷。研究发现:通过掺杂Ni_(2)O_(3)和ZrO_(2),样品在维持高ε′的同时,显著地提高了温度稳定性并降低了tanδ。特别是质量分数1%Ni_(2)O_(3)和1%ZrO_(2)共掺杂的样品,其ε′高达4710,在-125~200℃温度范围内变化小于±20%,符合X9S电容器的标准(在-55~200℃范围内,Δε′<±20%)。并且该样品在室温下的tanδ低至0.012,优于纯CCTO的0.025。这些优异的性能与较大的晶界活化能和较高的晶界电阻有着密不可分的关系。

TiO_(2)/Bi_(4)Ti_(3)O_(12)复合光阳极的制备及光电化学性能研究

合成了钛酸铋/二氧化钛(TiO_(2)/BTO)复合纳米棒阵列,并研究了其光电催化性能。通过水热法制备了TiO_(2)纳米棒阵列,采用凝胶-溶胶法在TiO_(2)纳米棒阵列表面复合Bi_(4)Ti_(3)O_(12)(BTO)薄膜获得TiO_(2)/BTO复合纳米棒阵列。结果表明,TiO_(2)/BTO复合纳米棒阵列形貌均一、结晶良好。光电催化测试表明,由于BTO对可见光吸收的增加以及与TiO_(2)间形成的半导体异质结,TiO_(2)/BTO复合纳米棒阵列的光电化学性能均高于纯的TiO_(2)纳米棒阵列,最优TiO_(2)/BTO复合光阳极的光电流密度达0.6 mA·cm^(-2)。

快速冷却对Y^(3+)掺杂的CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷介电性能的影响

采用固相反应法制备了Ca Cu_(3)Ti_(4)O_(12)(CCTO)及Y^(3+)掺杂的Ca_(0.97)Y_(0.03)Cu_(3)Ti_(4)O_(12) (CYCTO)陶瓷,研究了陶瓷烧成过程中采用随炉冷却和在空气中快速冷却的工艺对陶瓷样品物相结构、微观形貌和介电性能的影响。结果表明,当采用随炉冷却工艺时,Y^(3+)掺杂的CYCTO陶瓷的介电常数(ε′)相对于未掺杂的CCTO陶瓷有所提高,同时介电损耗(tanδ)也得到同步降低。而当采用在空气中快速冷却的工艺时,CYCTO陶瓷的ε′和tanδ得到进一步优化。阻抗分析表明,在空气中快速冷却的CYCTO陶瓷的晶粒导电性和晶界的绝缘性得到同步提高,从而增强了CYCTO陶瓷的介电响应而提高了ε′;而晶界绝缘性地提高导致了tanδ的进一步降低。快速冷却的CYCTO陶瓷在1 k Hz时,其ε′高达4.06×10~4,tanδ降低到0.036,其介电性能比随炉冷却的CCTO陶瓷(ε′=1.68×10~4,tanδ=0.16)得到显著提升。

Ti_(3)C_(2)T_(x)/Fe_(3)O_(4)纳米复合材料的吸波和电磁屏蔽性能与机制

在电磁屏蔽领域,铁氧体是常用的涂覆型吸波剂,但以Fe_(3)O_(4)为首的铁氧体存在一些不足。本研究采用冷冻干燥的方法成功制备了花苞状Ti_(3)C_(2)T_(x)/Fe_(3)O_(4)复合材料,Ti_(3)C_(2)T_(x)/Fe_(3)O_(4)复合材料的花苞状结构对电磁波的多重反射、界面极化和电磁耦合作用等使复合材料具有更好的微波吸收性能。当频率为6.74 GHz时,最小反射损耗达到-51.41 dB,对应的匹配厚度为2.8 mm,这意味着它可以吸收99.99928%的电磁波。本研究中特殊的花苞状Ti_(3)C_(2)T_(x)/Fe_(3)O_(4)复合材料表现出优异的吸波性能,在电磁屏蔽领域具有良好的应用前景。

ZnO掺杂对CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷介电性能的改善及其机理研究

现代科技的发展对于电子器件的小型化有着越来越高的要求,CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)(CCTO)是一种被认为具有开发潜力的介电材料,然而其介电损耗过高阻碍其投入应用,因此采用溶胶凝胶法制备了不同ZnO掺杂含量的CCTO陶瓷。使用了XRD、SEM、宽频介电谱仪和高阻计对所有样品的相组成、微观形貌和介电性能进行了表征,探讨了不同ZnO掺杂量对CCTO陶瓷介电性能的影响。结果表明,ZnO掺杂的CCTO陶瓷保持了单一的CCTO相结构和良好的晶粒分布,击穿特性有所增强。其中,ZnO掺杂浓度为摩尔分数6%的CCTO陶瓷,其相对介电常数为7471(1 kHz),tanδ最小值为0.018,并且在较宽的频率范围内(101~105 Hz)都具有较低的tanδ值(<0.05),击穿场强为2.95 kV/cm。分析表明,tanδ的改善主要是由于晶界电阻的增强和晶界弛豫极化损耗的降低所引起。ZnO掺杂的CCTO陶瓷具有良好的介电性能,对加快CCTO的广泛应用具有重要意义。

CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷负温度系数电阻特性研究

采用溶胶-凝胶法制备了CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)粉体,压制成型工艺和传统烧结工艺制备了CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷样品,研究了CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷的相结构与烧结工艺的关系,表征并讨论了CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷的负温度系数(NTC,Negative Temperature Coefficient)电阻特性,如电阻率(ρ)、热敏常数(B)、线性度和迟滞。实验结果证明:所制备的陶瓷坯体经950℃、1000℃、1050℃和1100℃烧结后可得到纯钙钛矿相的CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷;同时具有良好的NTC特性,室温电阻率(ρ25)为1.5×107Ω·cm,热敏常数为6223~6874 K;线性度和迟滞分别为1.50%和1.00%。

Ti_(3)C_(2)/In_(4)SnS_(8)肖特基异质结用于高效光催化生成H_(2)O_(2)和Cr(Ⅵ)还原

人工光合成是一种先进的技术,主要利用太阳能作为唯一驱动能源,将水和氧气转化成双氧水(H_(2)O_(2))。然而,目前常用的光催化系统的性能受制于其光吸收能力有限,载流子分离效率低以及表面反应能力弱等问题。在本文研究中,通过采用原位水热法,成功地在少层Ti_(3)C_(2)纳米片表面生长厚度为5-10 nm的立方相In_(4)SnS_(8)纳米片(Eg=2.16 eV),形成了一种具有三明治结构的Ti_(3)C_(2)/In4SnS8纳米复合材料。深入的表征结果显示此2D/2D异质结构具有紧密的界面相互作用并且形成肖特基异质结,有助于载流子快速从In_(4)SnS_(8)转移至Ti_(3)C_(2)表面。其中,7 wt%Ti_(3)C_(2)/In_(4)SnS_(8)复合材料表现出最佳的可见光催化性能,H_(2)O_(2)生成速率为1.998µmol·L^(-1)·min·1,Cr(Ⅵ)的还原速率为19.8×10^(-3)min^(-1)。通过捕获实验、气氛实验和电子顺磁共振分析,证明了H_(2)O_(2)生成的途径包括两种:一种是两步单电子还原路径,另一种是一步两电子水氧化路径。本研究为设计高效、多功能的催化体系提供了一种新的思路。

Cr^(3+)掺杂Ca_(4)HfGe_(3)O_(12)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Ca_(4)HfGe_(3)O_(12):xCr^(3+)(0≤x≤0.09)荧光粉。X射线衍射和能谱分析的结果表明Cr^(3+)离子成功进入Ca_(4)HfGe_(3)O_(12)晶格。在469 nm蓝光激发下,Ca_(4)HfGe_(3)O_(12):xCr^(3+)荧光粉发射出690~1200 nm的宽带近红外光,峰值波长为825 nm(4T2-4A2),半高宽达到141 nm,Cr^(3+)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Cr^(3+)仅占据基质中一种阳离子格位。Ca_(4)HfGe_(3)O_(12):0.03Cr^(3+)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。

B位Mn/W共掺杂对Bi_(4)Ti_(3)O_(12)铋层状压电陶瓷的电学性能影响

采用直接反应烧结法制备Mn/W共掺杂的Bi_(4)Ti_(3-x)(Mn_(1/3)W_(2/3))_(x)O_(12)(BITMW-100x,0.01<x<0.07)铋层状高温压电陶瓷,研究Mn/W掺杂含量对BITMW-100x陶瓷的结构和电学性能的影响。XRD图谱结果显示,所有样品均表现出单一相。随着Mn/W掺杂含量的增加,SEM图谱中观察到陶瓷晶粒的尺寸呈现先变大后变小的趋势。介温图谱中发现Mn/W的掺杂能有效抑制Bi_(4)Ti_(3)O_(12)陶瓷样品的介电损耗,同时居里温度也呈现小幅度下降。Mn/W在取代Ti离子后能减少Bi_(4)Ti_(3)O_(12)陶瓷的氧空位缺陷浓度,减少氧空位对电畴的钉扎效应,提升压电系数。当Mn/W掺杂含量x=0.05时,陶瓷样品具有最佳的综合性能:介电损耗(tanδ)为0.7%,居里温度为674℃,压电常数(d_(33))为18.1pC·N^(-1),同时压电常数具有良好的热稳定性。

共沉淀法制备CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷

为了降低CaCu_3Ti_4O_（12）陶瓷的介电损耗,保持高介电常数,采用共沉淀法制备CaCu_3Ti_4O_（12）陶瓷.研究了前驱粉料的热分解过程、煅烧后粉料的物相结构、陶瓷的显微结构和介电性能,并考察了Ca、Cu混合溶液pH值对CaCu_3Ti_4O_（12）陶瓷性能的影响.结果表明：当Ca、Cu混合溶液pH值为5.1时,制备的CaCu_3Ti_4O_（12）陶瓷介电损耗最低,而且能保持高介电常数.在室温下,频率为1kHz时,介电常数为1.4×10~4,介电损耗为0.037.通过对陶瓷性能对比,发现共沉淀反应中各元素的沉淀比例,陶瓷的微观结构和介电性能均受该pH值的影响.因此,Ca、Cu混合溶液的pH值对降低CaCu_3Ti_4O_（12）陶瓷介电损耗、保持高介电常数影响很大.

CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)前驱体煅烧温度对其介电性能的影响

采用溶胶-凝胶法制备CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)(CCTO)陶瓷粉体,研究煅烧后CCTO前驱体晶相对烧结成型后的陶瓷介电性能的影响。通过控制煅烧温度(450℃,500℃,550℃,600℃)来控制粉体物相,最后用1050℃进行烧结.结果表明,在低温下煅烧的粉体经过高温烧结也可以得到纯CCTO晶相.在未形成CCTO晶相下烧结的样品,晶粒更加粗大,拥有更高的介电常数和介电损耗.其中500℃样品介电性能表现最好,在1 kHz时达到4.7×10^(4),而介电损耗也在1 kHz时降到0.11,介电弛豫更加明显.形成CCTO晶相下烧结得到的样品,在介电性能方面表现出更加出色的温度稳定性和频率稳定性.

聚合物热解法制备的Ca_(1-x)TbxCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷的介电性能

CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)(CCTO)介电陶瓷具有巨介电常数和高温度稳定性等优点,在陶瓷电容器领域具有广阔的应用前景。然而,较高的介电损耗(tanδ)和较低的击穿场强(Eb)阻碍了其实际应用进程。为了降低tanδ并提高Eb,采用聚合物热解法制备了Ca_(1-x)TbxCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷,并系统研究了不同浓度的Tb取代对陶瓷相结构、微观形貌和介电性能的影响。结果表明,Tb取代会抑制晶粒生长,并且在显著降低陶瓷tanδ的同时能大幅提高Eb。特别是Ca_(0.90)Tb_(0.10)Cu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷的tanδ和Eb分别为0.020和40.0 kV/cm,较CCTO(0.071,8.3 kV/cm)有了明显的改善。经分析,tanδ和Eb得到改善的主要原因是Tb提高了陶瓷的晶界激活能和晶界电阻,抑制了载流子的产生与传输。此外,所有样品均符合X7R的电容器标准。该成果有助于促进CCTO陶瓷的商业化进程。

锂离子电池电极材料Li_(4)Ti_(5)O_(12)@TiO_(2)的制备及性能

用水热法制备Li_(4)Ti_(5)O_(12)@TiO_(2)复合材料与同样方法制备的尖晶石型Li_(4)Ti_(5)O_(12)进行对比.对2种材料采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、光电子能谱仪(XPS)进行表征;N_(2)吸附-脱附曲线进行比表面积分析;恒电流充放电测试和电化学交流阻抗(EIS)技术进行电化学性能分析.结果表明,Li_(4)Ti_(5)O_(12),和Li_(4)Ti_(5)O_(12)均呈颗粒状,粒径分别约为50和70nm.XPS分析显示Li_(4)Ti_(5)O_(12)@TiO_(2)中的Ti为+4价态.电化学测试结果显示Li_(4)Ti_(5)O_(12),复合了锐钛型TiO_(2)后其充放电比容量较纯Li_(4)Ti_(5)O_(12)高,主要原因是嵌入到尖晶石型Li_(4)Ti_(5)O_(12)晶格中的Li_(4)Ti_(5)O_(12)分析显示Li_(4)Ti_(5)O_(12)复合TiO_(2)后降低了欧姆接触电阻和电化学反应中的电荷转移电阻,提高了电极表面与电解液间的固-液界面双电层电容,有利于Li的嵌入和脱出,增大其可逆比容量.两种材料中Li的扩散系数分别为3.36×10^(-10)和2.03×10^(-12 )cm^(2)/s.比表面积分析显示复合TiO_(2)后的Li_(4)Ti_(5)O_(12)具有较大的比表面积(73.65m/g),纯Li_(4)Ti_(5)O_(12)的比表面积为56.23m/g.Li_(4)Ti_(5)O_(12),复合TiO_(2)后作为锂电池的阳极材料更有利于Li扩散,为Li的脱嵌提供较好的通道,其比容量也得到提高。

CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)表面修饰对低填充浓度的PVDF基复合材料介电与漏电特性的影响

通过溶胶凝胶-燃烧法制备微米钛酸铜钙(CCTO)颗粒,并对其表面化学镀镍修饰合成CCTO@Ni复合颗粒,分别以此为填充相,以聚偏二氟乙烯(PVDF)为基体材料,结合溶液涂覆法与淬火工艺,制备低填充浓度的PVDF/CCTO和PVDF/CCTO@Ni复合材料。利用X射线衍射仪分析PVDF复合材料的物相组成,用宽频阻抗分析仪和静电计-高压放大电源系统测试其介电特性和漏电流特性,研究低填充浓度下,表面镀镍修饰前后的CCTO和CCTO@Ni填充相及其填充浓度对PVDF基复合材料物相组成、介电特性与漏电流密度的影响。结果表明:PVDF基复合材料体系由无机钙钛矿陶瓷相和PVDF相混合而成。3%低体积分数CCTO提高PVDF复合材料介电常数15.53,比纯PVDF材料提高30.84%。CCTO颗粒表面镀镍修饰有利于低填充量下PVDF基复合材料介电损耗和漏电流密度的降低,源于纳米镍颗粒的库伦阻碍效应。尤其是,0.5%低体积分数的CCTO@Ni填充的PVDF/CCTO@Ni复合材料具有比纯PVDF材料低的介电损耗0.025和比纯PVDF材料低8.7%的漏电流密度1.0510-7A/cm^(2)。

LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)/Li_(4)Ti_(5)O_(12)全电池的制备及电化学性能测试

为了提高LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)/Li_(4)Ti_(5)O_(12)全电池的电化学性能,本文通过对比实验,研究了在不同的N/P比以及充放电电压区间下的全电池性能表现。经对比数据发现,当正极材料LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)(NCM111)和负极材料Li_(4)Ti_(5)O_(12)(LTO)的N/P比为1.0:1.0,充放电电压区间为0.5~3.2V时,电池具备较好的比容量、库伦效率和循环稳定性。本文为后续LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)/Li_(4)Ti_(5)O_(12)全电池的工业化制造提供了帮助。

Li_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)/Li_(4)Ti_(5)O_(12)锂离子全电池的电化学性质

研究了Li_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)/Li_(4)Ti_(5)O_(12)全电池在不同电压区间的电化学性能.电流密度为17 mA/g,Li_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)/Li_(4)Ti_(5)O_(12)在1.5~2.9 V下的首次放电比容量为125.1 mA h/g,30次循环后放电比容量为102.9 mAh/g,容量衰减22.2 mAh/g,容量保持率82.2%.相同电流密度下,Li_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)/Li_(4)Ti_(5)O_(12)在1.5~3.3 V电压内的首次放电比容量为145.6 mAh/g,30次循环后放电比容量为110.8 mAh/g,容量衰减34.8 mAh/g,容量保持率76.1%.说明全电池在1.5~2.9 V电压区间内的电化学性能比在1.5~3.3V电压区间内好.研究对今后Li_(3)V_(2)(PO_(4))_(3)与其他负极材料的研究都具有一定的指导作用.

聚合物热解法制备高击穿场强CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)陶瓷的微观结构及介电性能

由于CaCu_(3)Ti_(4)O_(12)(CCTO)陶瓷表现出非欧姆特性,这些陶瓷有望用于储能电容器和过压保护装置等应用,然而一般制备的CCTO陶瓷样品击穿场强(E_(b))极低。为了提高CCTO陶瓷样品的E_(b),本文以硝酸铜、硝酸钙、二钛酸二异丙酯为原料,丙烯酸水溶液作为聚合单体,过硫酸铵水溶液作为引发剂,采用聚合物热解法制备了CCTO前驱体粉末,然后分别在1040、1060、1080℃烧结得到CCTO陶瓷样品,研究了不同烧结温度陶瓷样品的相结构、微观结构和介电性能。结果表明:在不同烧结温度下采用聚合物热解法制备的陶瓷样品在保持高介电常数的同时大幅提高了E_(b),在1060℃下烧结的陶瓷样品介质损耗降低,其E_(b)为11.45 kV/cm,介电常数和介质损耗因数分别为9110和0.03。在1060℃下烧结有利于样品晶粒正常生长,完善晶界及形成势垒。此外,晶粒的正常生长对陶瓷样品的介电常数有显著影响,晶界阻抗的增大有利于E_(b)的提高和低频介质损耗的降低。

Gd掺杂对CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷材料压敏性能的影响

采用固相法制备了Ca_（1-x）Gdx_Cu_3Ti_4O_（12）（x=0～0.09）陶瓷系列样品,利用X射线衍射、Raman光谱和正电子湮没等技术手段,对系列样品的微观结构、缺陷浓度进行测试和表征。结果表明,在整个掺杂范围内体系未发生结构相变,掺杂引起体系晶格膨胀、分子极化率增加;随Gd掺杂量x的增加,空位型缺陷增加。电性能测试结果表明,适量Gd掺杂（x=0.01）有利于改善体系的压敏性能,而过量Gd掺杂（x=0.07～0.09）会阻碍晶界势垒的形成,因而抑制体系的压敏性能。讨论了体系微观结构、空位型缺陷浓度及晶界势垒高度等因素对体系压敏性能的影响特征。

高介电材料CaCu_3Ti_4O_(12)薄膜光学性能的研究

作者用脉冲激光沉积方法制备了CaCu_3Ti_4O_(12)薄膜,并用光学透射谱和Z扫描测量技术表征了CCTO薄膜的线性和非线性系数.结果发现,薄膜在600nm以上区域都具有很好的透光性,粗略估算出的光学带隙在3eV左右.在开孔Z扫描实验曲线中,透过样品的能量不随样品的位置而改变,说明该材料在弱光强下没有非线性吸收.而闭孔Z扫描曲线具有明显的先谷后峰形状,表明样品是自聚焦材料,非线性折射系数为正值.此外,由闭孔Z扫描曲线可得归一化曲线的峰谷差值ΔTyv=0.14,从而非线性折射系数为γ=5.0×10-13m2/W.