基于Nb掺杂Co_(3)O_(4)的高性能对二甲苯气体传感器

p型Co_(3)O_(4)具有优异的挥发性有机化合物(VOC)催化氧化活性,但其在空气中呈现空穴累积层(HAL)构型,导致本征Co_(3)O_(4)传感器的VOC响应较弱。利用共沉淀法合成了0~5%Nb掺杂的Co_(3)O_(4)纳米材料,缺陷与形貌表征结果表明高价Nb掺杂剂可诱导p型Co_(3)O_(4)发生晶格畸变及形貌改变,为对二甲苯气敏特性的提升发挥了重要作用。气敏测试结果表明:在最佳工作温度150℃下,3%Nb-Co_(3)O_(4)传感器对体积分数为100×10^(-6)的对二甲苯的响应从1.3(纯Co_(3)O_(4))提高到14;其选择性也得到了改善,可通过线性判别分析(LDA)准确识别9种不同气体。在为期15 d的稳定性测试中,其性能未有明显衰减。3%Nb-Co_(3)O_(4)表现出优异的对二甲苯传感器特性,为高性能p型金属氧化物半导体VOC传感器的设计提供了参考。

Nb掺杂对Mo_(2)FeB_(2)弹性、硬度和电子结构影响的第一性原理计算

Mo_(2)FeB_(2)具有耐高温、耐磨、高强度,是一种良好的硼基金属陶瓷材料,在模具领域有很广阔的应用前景.本文采用第一性原理计算的方法,研究了Nb元素掺杂Mo_(2)FeB_(2)合金的结构稳定性、弹性、硬度和电子结构.结合能和生成焓的计算结果表明,Nb在Mo_(2)FeB_(2)中更容易占据Fe位置,并且在Fe位掺Nb的Mo_(2)FeB_(2)比在Mo位处掺Nb具有更好的力学性能.此外,计算结果还表明,Nb掺杂可以提高Mo_(2)FeB_(2)的剪切模量、杨氏模量、体积模量和硬度,但塑性略有下降,合适的掺杂浓度应为2.5 at.%.电子结构计算结果表明,Nb掺杂Mo_(2)FeB_(2)力学性能的提高可归因于Nb-B共价键的形成.

低成本Nb掺杂Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质的性能与应用研究

固态电池因其在能量密度、循环寿命和安全性等方面的优异性能受到关注。其核心组件为固态电解质材料。具有石榴石结构的Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)氧化物固态电解质由于具备宽电化学窗口、良好的离子传导性、稳定的化学性能及简单的制备工艺等特点而得到广泛研究。本研究采用Nb元素对LLZO进行掺杂,成功制备得到Li_(6.75)La_(3)Zr_(1.75)Nb_(0.25)O_(12)(LLZNO)氧化物固态电解质,其离子电导率达到了7.79×10^(-4)S/cm,且制备成本与未掺杂的LLZO相比无明显增加。将其涂覆在聚乙烯(PP)隔膜表面形成PP-LLZNO隔膜,表现出良好的热稳定性和离子电导率。与Al_(2)O_(3)涂覆隔膜或固态电解质Li_(6.75)La_(3)Zr_(1.75)Ta_(0.25)O_(12)(LLZTO)涂覆隔膜组装的电池相比,组装了PP-LLZNO涂覆隔膜的扣式电池和软包电池的容量保持率分别达到了84.99%(50圈)和57.40%(100圈),展现出更优异的性能。因此,高离子电导率和低成本LLZNO的制备对固态电解质的大规模生产及在固态电池中的广泛应用具有一定的参考意义。

Nb掺杂改性LiNiO_(2)正极材料的制备及电化学性能研究

高镍层状氧化物LiNiO_(2)具有高理论比容量和相对低廉价格,被认为是下一代锂离子动力电池的正极材料之一。当LiNiO_(2)正极材料应用于锂离子电池时,其循环稳定性无法满足要求,需经改性后才能得以应用。采用固相法合成了Nb掺杂的层状LiNi_(1-x)Nb_(x)O_(2)(x=0.005、0.01、0.015)正极材料,利用X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱等测试手段,分析了Nb掺杂量(摩尔百分比)对其晶体结构、微观形貌及元素分布的影响,并通过恒电流间歇滴定和交流阻抗测试研究了其电化学性能。结果表明,随着Nb元素掺杂量的提高,LiNi_(1-x)Nb_(x)O_(2)材料的晶格晶面间距逐渐扩大,一次颗粒尺寸逐渐减小。在LiNiO_(2)材料中引入Nb^(5+)离子,提高了LiNi_(1-x)Nb_(x)O_(2)材料的锂离子扩散系数,并通过稳定晶体结构,抑制了Nb掺杂材料在充放电过程中的相变,有利于其电化学性能的提升。当Nb掺杂量为1%时,LiNi_(1-x)Nb_(x)O_(2)材料表现出较好的倍率性能,在10 C大电流密度下的放电比容量高达134.1 mAh·g^(-1);随着Nb掺杂量的增加,LiNi_(1-x)Nb_(x)O_(2)材料循环稳定性同步提升,当Nb掺杂量为1.5%时,LiNi_(1-x)Nb_(x)O_(2)材料经150次循环后的容量保持率为73.3%,远高于未掺杂LiNiO_(2)样品的36.2%。表明,Nb掺杂可改善LiNiO_(2)正极材料的晶体结构和电化学性能,为其在下一代锂离子动力电池的应用提供了理论依据。

Nb掺杂对Ca_(0.94)Ce_(0.06)Bi_(4)Ti_(4)O_(15)铋层状高温压电陶瓷电学性能影响研究

采用固相反应法制备了Ca_(0.94)Ce_(0.06)Bi_(4)Ti_(4-x)Nb_(x)O_(15)(CCBTN)铋层状高温压电陶瓷,研究了B位Nb掺杂对陶瓷晶体结构、微观形貌、介电、压电性能的影响规律。结果表明:制备的CCBTN陶瓷均具有单一的铋层状结构相,少量Nb掺杂有利于陶瓷压电常数及热稳定性能的提升。当Nb掺杂量x=0.06时,陶瓷具有最高的压电常数(d33=19.2pC·N^(-1)),是纯CBT陶瓷压电常数(d33=8 p C·N^(-1))的2.4倍,且退火至500℃时其压电常数仍保持室温值的90%以上,表现出较优异的热稳定性。同时,该陶瓷具有高的居里温度(Tc=769℃)、低的介电损耗(tanδ=0.65%)及高的电阻率(ρdc=2.0×10^(7)Ω·cm@500℃),是高温压电传感器制作的优异候选材料。

一步固相合成Nb掺杂LiFePO_4/C及其电化学性能

用廉价的三价铁离子化合物为铁源，以聚丙烯为还原剂和碳源，在一步固相法合成Nb掺杂LiFePO4的同时实现颗粒表面碳导电膜的原位包覆。结果表明：一步固相合成的Nb掺杂LiFePO4／C具有完整的橄榄石型LiFePO4晶体结构和近似球状的颗粒形貌，颗粒尺寸为100～500nm；聚丙烯分解后在颗粒表面和颗粒之间形成连通的网络状碳膜。电化学测试结果表明，当Nb的掺入量为1．0％（摩尔分数）时具有最好的倍率放电性能和循环性能；在2C充放电时具有130mA·h／g的放电容量，循环100次容量无衰减，在4C充放电时仍具有105mA·h／g的放电容量。

Nb掺杂LiFePO_4/C的一步固相合成及电化学性能

用固相法一步合成了Nb掺杂的LiFePO4/C复合材料,研究了Nb掺杂量对材料电化学性能的影响.结果表明,Nb掺杂后LiFePO4/C复合材料的电化学性能明显提高.在0.5C、1C和2C充放电倍率下,名义成分为Li0.96Nb0.008FePO4/C正极材料的比容量分别为161、148和132mAh·g-1,已达到实用化水平.阻抗谱和循环伏安特性测试显示,Nb掺杂有效地降低了复合材料电极的阻抗和极化,说明Nb掺杂的主要作用是提高了LiFePO4的电子电导率.

Nb掺杂对Ti-Al合金化层抗高温氧化性能的影响

为提高钛合金TC4的抗高温氧化性能,采用激光表面合金化技术在钛合金表面制备不同Nb掺杂量的Ti-Al合金化层。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、箱式电阻炉等对合金化层的组织结构和高温氧化行为进行分析测试。结果表明,合金化层主要组成物相为TiAl以及少量的Ti_3Al相。Nb主要以置换溶质原子的形式固溶于合金化层中。合金化层组织均匀,与基体呈典型的冶金结合,在不含Nb的Ti-Al合金化层中发现大量的表层裂纹及少量的贯穿性裂纹,而在Nb掺杂的合金化层中未发现明显的宏观裂纹。合金化层在800℃保温1000h的氧化增重显著低于基体,表现出优异的抗高温氧化性能。相比而言,随着Al含量和Nb掺杂量的提高,合金化层的抗高温氧化能力也随之提高。Nb掺杂提高Ti-Al合金化层抗高温氧化性能的作用机理包括减少TiO_2中的空位缺陷、细化氧化物颗粒及促进Al_2O_3的形成。

原位热压合成Nb掺杂Al_2O_3/TiAl复合材料

利用Al-Ti-TiO2-Nb2O5体系的放热反应,原位热压合成了Nb掺杂Al2O3/TiAl复合材料。借助DTA结合XRD探讨了Al-Ti-TiO2-Nb2O5体系的反应过程,并采用XRD、OM和SEM研究了复合材料的物相组成及显微结构。结果表明:Al熔化的同时,体系发生了Al和Nb2O5的铝热反应,生成了NbO2和Nb等中间产物,并放出了较多热量,这些热量促使Ti和Al较早化合生成TiAl3,随即引发Al和TiO2较早的还原反应,进而促使材料在较低温度下致密烧结;产物由-γTiAl、α2-Ti3Al、Al2O3和NbAl3相构成,Al2O3颗粒分布于基体交界处,存在一定的团聚;Nb2O5的引入,对基体-γTiAl相和α2-Ti3Al相的的分布有一定的影响,使得基体晶粒细化,较好地改善了材料的力学性能。

基于反应气体和生长温度的Nb掺杂TiO_2薄膜相图研究

应用射频磁控溅射设备在超白玻璃和石英玻璃等非晶基体上生长Nb掺杂TiO2薄膜。在固定的电源功率、频率、靶基距和溅射时间的条件下,通过改变基体温度、反应气体及其含量,可以得到相对准确的晶相分布图。在还原气体环境随着基体温度的增加得到了金红石相的Nb掺杂TiO2薄膜;在氧化气体环境中,不同的基体温度和不同的氧化气体含量能够生长出较为纯净的锐钛矿相及锐钛矿相和金红石相的混相。通过此相图的研究能够为制备良好的透明导电薄膜奠定实验基础。

磁控溅射Nb掺杂TiO_2薄膜的研究

用射频/直流溅射法研制了铌掺杂TiO_2透明导电薄膜。实验结果表明:Nb以正五价态掺入TiO_2晶格中,随着Nb掺杂量的逐渐增加,薄膜的电阻率出现先降后升的变化,在掺杂溅射功率为40 W时,薄膜电阻率降至7.3×10-4Ω·cm,可见光透过率高达86%以上。并且,Nb掺杂使TiO_2薄膜的吸收限产生了蓝移,随着Nb掺杂量的增加,薄膜蓝移程度逐渐增大,说明该TiO_2薄膜为n型掺杂。研究认为,控制Nb掺杂量达最佳时,使晶格中产生较多的载流子,以及良好晶体结构产生较大的载流子迁移率,能使Nb掺杂TiO_2透明导电薄膜的性能参数得到有效改善。

Zr和(或)Nb掺杂γ-TiAl合金的延性与结构稳定性

采用密度泛函理论结合物理化学分析,计算了Zr和(或)Nb替位掺杂γ-Ti Al形成的8个合金体系的几何结构、能量性质、弹性性质、电子性质和化学键特性。结果表明:各个掺杂体系的总能量和原子平均形成能均为负值,表明其具有较好的稳定性。掺杂体系Ti12Al11Zr、Ti12Al11Nb、Ti11Nb Al11Zr和Ti11Zr Al11Nb的轴比都有所改善,更接近于1。对单掺杂体系和双掺杂体系,晶胞体积的变化与杂质原子半径的变化趋势一致,且Zr和Nb总是都倾向于替代Ti原子;掺杂体系均具有较好的延性,为改善γ-Ti Al基合金的延性提供了理论依据;Zr和Nb掺杂使体系的共价键强度降低、金属键强度增强,体系的能量稳定性有所降低,因而提高了面间的可动性,有利于改善合金的延性。

双层Nb掺杂TiO_2薄膜的导电性研究

采用射频磁控溅射的方法通过改变氧分压和基体温度在非晶超白玻璃上沉积了一系列Nb掺杂Ti O_2薄膜,富氧状态下的薄膜为锐钛矿相且绝缘,少氧状态下的薄膜为金红石相但电阻率太大。采用双层膜的结构,首先将在非晶基体上沉积一系列在富氧状态下得到的的锐钛矿相Nb掺杂Ti O_2薄膜为种子层,然后在种子层上外延一层少氧状态下的Nb掺杂Ti O2薄膜为表层,得到的薄膜具有良好的导电性。

Nb掺杂对双钙钛矿型化合物Sr_2FeMoO_6磁性的影响

研究了双钙钛矿结构的氧化物Sr2FeMo1-xNbxO6中Mo位的Nb替代效应,发现Nb替代Mo强烈地抑制了Sr2FeMoO6的铁磁性,居里温度TC也随Nb含量的增加而逐渐降低,直至最终消失;并且存在着团簇玻璃态向自旋玻璃态的转变。指出随着Nb的掺入而引起晶体结构从四方相到正交相的转变是产生上述结果的主要原因。

Nb掺杂量对SrBiFeO基陶瓷NTC特性的影响

采用传统固相法,按化学式Sr0.65Bi1-xFe0.35NbxO3（x=0.01,0.02,0.05,0.10和0.20）制备了具有NTC特性的Nb掺杂SrBiFeO基陶瓷试样。研究了Nb掺杂量对其NTC特性的影响。结果表明：试样的ρ25和B25/85值随着Nb含量的增加都呈现增加趋势;在25~200℃的测试温区内,其电阻率–温度特性呈现近似的线性关系;当x为0.05时,线性关系较好,其中ρ25的值约为6700？·cm,B25/85值约为3540K。

原位反应合成Nb掺杂Al_2O_3/TiAl复合材料的显微结构分析

利用A l-Ti-TiO2体系原位反应合成了Nb掺杂A l2O3/TiA l复合材料。借助XRD和SEM研究了Nb掺杂A l2O3/TiA l的显微结构以及Nb引入量对复合材料显微结构的影响。结果表明,复合材料由TiA l、Ti3A l、A l2O3、Nb和NbA l3相构成,细小A l2O3颗粒分布于基体晶粒交界处,存在一定的团聚;Nb元素引入量的高低,可调节产物中TiA l和Ti3A l的相对含量,随Nb含量的增大,TiA l含量逐渐减少,Ti3A l则逐渐增大;同时,基体晶粒和A l2O3颗粒均有所细化,且分布逐渐均匀,材料的均匀性得到改善。

Nb掺杂锐钛矿TiO_2室温铁磁性的载流子调控

在LaAlO3(100)基片上,利用激光脉冲沉积(PLD)制备了不同Nb掺杂浓度的高质量锐钛矿TiO2(Ti1-xNbxO2)薄膜,考察了不同掺杂浓度(不同载流子浓度)对薄膜磁学性质的影响。结果表明所有掺杂的薄膜都具有室温铁磁性,且在低掺杂区(x<1%),薄膜的磁性随掺杂浓度的增大而增大,当进入高掺杂区(1%<x<6%),薄膜的载流子浓度大于3.6×1020 cm-3后,薄膜的磁性基本不随载流子浓度的变化而变化。通过调控Ti1-xNbxO2薄膜的载流子浓度可以有效调控薄膜的室温铁磁性。

Nb掺杂SnO2电子特性与光学性能第一性原理研究

使用第一性原理杂化泛函HSE06的方法对Nb掺杂SnO2(NTO)的电子特性和光学性能进行了研究。计算得出NTO具有较小的结构畸变。本征SnO2的直接带隙为3.80 eV,Nb掺杂使SnO2的直接带隙减小,但大于3.33 eV。受Nb 4d轨道的影响,导带底的电子有效质量先减小后增加,并且导带向价带方向移动增加了电子亲和力。对其光学性能进行研究得出Nb掺杂扩宽了SnO2的光学带隙,使红外光区的反射率增加。

Nb掺杂Mo1–xWxSeTe固溶体的热–电输运性能优化

固溶结合掺杂是优化材料热电性能的有效途径。本研究采用固相反应结合等离子体活化烧结成功合成了一系列单相的Mo1-xWxSeTe(0≤x≤0.5)固溶体及其Nb掺杂产物。热电输运研究表明,W固溶结合Nb掺杂显著提高了Nb2yMo0.5-yW0.5-ySeTe固溶体的载流子浓度、载流子迁移率、电导率和功率因子,适当降低了样品的晶格热导率,进而显著提高了材料的热电优值ZT。随着Nb掺杂量的增加,掺杂引入的离散能级转变为连续的杂质能带,同步提升了载流子浓度和载流子迁移率。取向性研究发现,由于在平行方向晶格热导率较低,Nb2yMo0.5-yW0.5-ySeTe固溶体在平行烧结压力方向的ZT略优。最优组分Nb0.03Mo0.485W0.485SeTe在垂直于烧结压力和平行于烧结压力方向获得了最高ZT,分别达到0.31和0.36(@823 K),是目前MoSe2基热电材料获得的最好结果之一。后续通过优化掺杂元素来改善Seebeck系数和功率因子,将有望进一步提升MoSe2基化合物的ZT。

Nb掺杂对BaTi_(0.98)Fe_(0.02)O_3陶瓷介电性能的影响

以Ba Ti_(0.98)Fe_(0.02)O_3陶瓷为基体,采用传统固相反应法制备Ba Ti_(0.98-x)Fe_(0.02)Nb_xO_3(0≤x≤0.08)陶瓷样品。通过XRD、SEM、LCR分析仪以及GULP软件对陶瓷样品的结构、介电性能以及缺陷构型和能量进行了分析。结果表明:Nb掺杂使陶瓷样品由四方相和六方相钛酸钡并存向四方相钛酸钡转变,出现第二相Ba_6Ti_(17)O_(40),Nb掺杂量未超过0.02时,陶瓷样品四方率增大;Nb掺杂一定程度上有细化晶粒的作用;介电峰峰值温度(T_m)随着Nb掺杂量的增大向低温方向移动,介电常数先增大后减小,当Nb掺杂量超过0.04时出现弛豫现象;通过分子动力学缺陷模拟表明陶瓷样品中主要存在的缺陷是钡空位、氧空位以及异价离子占位等形成的复合缺陷,随Nb掺杂量的增大,陶瓷样品中缺陷偶极子浓度逐渐增大,极性纳米微区(PNRs)逐渐增多,弛豫程度增大。