双金属预插层钒基材料在锌离子电池中的电化学行为研究

在锌离子正极材料中,钒基化合物因其成本低、理论容量高而被广泛研究。通过简单水热法合成得到双金属预插层钒基正极。采用XRD、EDS、ICP和TGA等方法,确定了材料的化学式为Na_(0.24)Zn_(0.02)V_(2)O_(5)·1.2H_(2)O(NZVO)。使用3 mol/L Zn(CF_(3)SO_(3))_(2)为电解液,锌片为负极,组装纽扣电池(NZVO‖Zn),使用循环伏安曲线(CV)、电化学阻抗谱(EIS)恒流充放电和倍率对其电化学行为进行分析。在5 A/g电流密度下,经过2000圈循环后比容量可达到102.8 mAh/g,且容量不衰减。通过非原位XRD(Ex-situ XRD)对不同电压下的NZVO进行测试,探究NZVO的储锌机理,并深入研究了赝电容行为对NZVO‖Zn电池性能的影响。研究结果表明,NZVO‖Zn表现出了良好的电化学性能,作为一种高性能的锌离子正极具有广阔的应用前景。

非线性光学材料倍频效应测试系统研究(英文)

开展了一种红外和可见波段非线性光学性能测试研究。该研究基于二阶非线性光学原理,结合光电信号探测技术,提出了一种采用红外OPO激光以及把倍频光及其他光效应产生的光通过谱仪分光并结合CCD阵列探测器加以区分探测的新检测方案。主要解决了测试使用1 064nm光源时,材料的倍频信号532nm被样品吸收后而探测不到倍频信号的缺点,以及准确测量了倍频信号强度,排除了其他光学效应产生的噪声干扰。其特点是采用1 064和1 905nm的双波长激光替代单一波长的激光源,该方案能适用于可见和红外非线性材料光学性能的测试。研究工作包括测试系统组成,工作原理和测试方法,并给出了采用本方法测试KTP,KDP,AGS以及几种新的红外非线性材料的实验结果,并且发现了几种有前途的非线性光学晶体材料。研究结果表明本方法具有稳定可靠、判别精度高、操作简单等优点,可以有效地定性或半定量测试材料的可见-红外非线性光学性能,为研究可见、红外乃至紫外二阶非线性光学材料提供重要的测试手段。

微波烧结制备ZrO_(2)-AlN复合陶瓷的微观结构与性能研究

氧化锆(ZrO_(2))陶瓷具有出色的机械性能,但其应用受到低热导率(Thermal Conductivity,TC)的限制。本研究设计并通过微波烧结制备了高热导率氧化锆-氮化铝(AlN)复合陶瓷,优化制备条件后,抑制了两种物质之间的反应,获得了致密的复合陶瓷(相对密度>99%),详细研究了该复合陶瓷的组织演变、热学性能和力学性能。研究结果表明,随着AlN含量的增加,复合陶瓷的室温下热导率、热扩散系数和热容增加,分别达到41.3 W/(m·K)、15.2 mm^(2)/s和0.6 J/(g·K)。这种具有高热导率和抗热震性的ZrO_(2)-AlN复合复合陶瓷在能源系统的高温热交换材料领域具有广阔的应用前景。

相互连接的介孔空心碳球的制备及其在电容去离子(CDI)技术中的应用研究

以空心碳球的孔隙结构为研究对象,采用改良Stöber法成功合成了一种相互连接的介孔空心碳球(MHCSs),并将其作为电极材料系统地研究其介孔结构对电化学性能和电容去离子性能的影响。研究结果表明,相比于以微孔结构为主的相互连接空心碳球(HCSs),MHCSs具有更大的比表面积和更多的活性位点,从而提高了电极材料的比电容。大孔径提升了空心碳球的离子传输速率,而石墨化程度的提高则增加了电极材料的电导率,显著提升了材料的电容去离子性能。在100 mg·L^(-1)浓度的NaCl溶液中,HCSs和MHCSs的电吸附容量分别达到10.01和17.81 mg·g^(-1),MHCSs表现出优异的电容去离子性能。此外,在经历了30次吸附-解吸循环后,MHCSs在100 mg·L^(-1)NaCl溶液中仍能保持97.42%的初始脱盐能力,表现出良好的循环稳定性。此研究成果为介孔空心碳球材料在海水淡化、水处理领域的应用提供了有益的参考。

Te_2HPO_7晶体的非线性光学特性研究

采用水热法合成了一种具有非中心对称结构的已知化合物Te_2HPO_7,并用波长为1064 nm的激光测试了其粉末倍频效应,发现相同颗粒尺寸下其倍频效应近似为KH_2PO_4的0.27倍,并且满足相位匹配条件。偶极矩计算表明,该化合物倍频效应主要源于含有孤立电子的TeO_4多面体非对称单元。另外,本文用高温差示扫描量热法研究了晶体的热稳定性,在紫外-可见-近红外分光光度计上测量了它的透过光谱。

稀土晶体材料与应用

稀土是我国重要的战略资源,在永磁体、合金、催化剂、石油精炼、精细抛光、发光材料、玻璃陶瓷等高新技术领域具有重要的应用。稀土晶体是一类重要的高端光学材料,是指稀土元素可以完整占据结晶学结构中某一格点的晶体,作为核心工作物质在激光技术与电离辐射探测技术中得到了广泛应用。以稀土激光晶体、稀土闪烁晶体、稀土倍频晶体、稀土单晶光纤为代表,综述了近年来面向不同应用领域的高端稀土晶体材料在组成设计与性能优化方面的研究进展。在生长技术方面,结晶生长的化学键合理论能够为多尺度稀土晶体生长提供精细化的关键因素控制技术,有利于获得高品质稀土晶体材料。

稀土光学晶体研究新进展

稀土光学晶体是一类重要的高端光学材料,是指稀土元素可以完整占据结晶学结构中某一格点的光学晶体,在军事国防、国民经济和科学技术领域等方面具有重要的应用。稀土光学晶体的研究以稀土离子特性和相图分析为基础,结合结晶生长的化学键合理论,确定材料组分、晶体生长方法和工艺参数等,获得大尺寸单晶体。对稀土离子发光原理、典型稀土光学晶体的组成设计以及若干稀土光学晶体类型的发展情况进行简介,并综述了近几年面向不同应用领域的稀土光学晶体材料的研究新进展。稀土光学晶体材料的研发是实现稀土资源高质量发展的重要途径,需要多学科交叉领域的协同发展。

水系锌离子电池电解液添加剂的研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)因具有安全性高、成本低、环境友好以及能量密度高等特点,在大型储能领域具有广阔的应用前景。近年来,AZIBs已经取得了一系列研究进展,但还未实现产业化。锌阳极不可避免地存在枝晶生长、析氢反应以及腐蚀反应等问题,以及阴极活性物质的溶解都是制约高性能AZIBs的关键因素。综述了当前常用的AZIBs电解液及其添加剂的研究进展,重点对离子添加剂、有机添加剂以及无机添加剂进行讨论分析,并提出了AZIBs改进策略和未来研究方向。

Tm^(3+)掺杂和Tm^(3+)/Ho^(3+)共掺2.0μm波段激光晶体研究

2.0μm波段激光在医疗、环保和军事等领域具有十分重要的用途。采用半导体激光泵浦Tm3+掺杂及Tm3+/Ho3+共掺的晶体是实现2.0μm波段激光的主要途径。本文概述了几类用于2.0μm波段激光增益材料的典型晶体,重点介绍了本课题组近年来在探索新型2.0μm波段激光晶体方面的一些研究成果。

非线性光学材料Ca_9Y_(0.5)La_(0.5)(VO_4)_7的固相合成、液相合成与晶体生长

采用固相合成和液相合成两种方法成功制备了Ca9Y0.5La0.5(VO4)7晶体的多晶原料,并采用提拉法生长了尺寸分别为30 mm×33 mm(固相合成多晶原料)和20 mm×27 mm(液相合成多晶原料)的Ca9Y0.5La0.5(VO4)7晶体。测试了该晶体在紫外、可见和近红外区域的透过率,采用Kurtz法测试了晶体的粉末倍频效应。结果表明,采用液相合成原料生长的晶体透过率大于采用固相合成原料生长的晶体约10%。前者粉末倍频效应约为KDP的1.8倍,后者约为KDP的2.5倍。晶体化学腐蚀实验表明采用液相合成原料生长的晶体具有更少的缺陷。采用液相合成方法制备多晶原料有利于提高晶体的光学质量。

水热法合成纳米片状钛酸锂及其性能研究

采用水热法制备纳米片状钛酸锂前驱体,再经煅烧制备纳米片状钛酸锂。分别研究了在不同的水热时间(0,1,3,7和14 h)下制备钛酸锂前驱体,再将前驱体在不同温度(350,500和700℃)下煅烧对产物钛酸锂性能的影响。通过SEM、TEM、XRD等表征了产物的结构和形貌,最终产物为含有微量TiO2的尖晶石型纳米片状钛酸锂Li4 Ti5 O12(LTO),很好地继承了前驱体的形貌。将钛酸锂组装成锂离子半电池测试其电池性能,结果表明当水热时间7 h制备的前驱体再经500℃煅烧2 h后,所得到的钛酸锂在0.5C(1C=175 mA/g)下首次放电比容量高达174.6 mAh/g;在20C下的放电比容量为144.1 mAh/g,仍保持为0.5C条件下的82.5%,在20C下进行循环测试,500次后容量保持率为94.6%,说明制备的纳米片状钛酸锂具有良好的倍率性能和循环寿命。

具有中心对称结构的3m点群晶体中紫外三次谐波的产生

研究了中心对称晶体中的三阶非线性频率转换,并在这类晶体中实现了紫外激光的有效输出.确定了负单轴晶体的相位匹配角公式及相应的相位匹配角.选择带有离域共轭π键的冰洲石晶体和α-BBO晶体进行实验.以飞秒激光作为基频光,在Ⅱ类相位匹配方式下,利用α-BBO晶体获得了最高单脉冲能量为37.6μJ的266nm紫外三次谐波,最高转换效率为2.5%;利用冰洲石晶体获得了最高单脉冲能量为19.3μJ的266nm紫外三次谐波,最高转换效率为1.25%.该研究验证了利用中心对称晶体的三阶非线性效应直接获得紫外激光的可行性和获得深紫外激光的可能性,为紫外非线性晶体的探索和深紫外激光的研究提供参考.

双波长粉末倍频检测系统研究

为了测定粉末材料的倍频特性,根据Kurtz-Perry粉末倍频效应理论,采用光参量振荡技术,获取了130m J@1064nm和20m J@1570nm的双波长调Q激光输出,并进行了理论分析和实验验证。实现了粉末样品的1064nm和1570nm双波长倍频测试,解决了单一波长测试时晶体粉末材料对倍频信号波长的吸收而导致难以测得倍频信号的问题,有效非线性系数测试灵敏度达到0.46pm/V。结果表明,KTP粉末样品倍频信号变化趋势与理论相吻合,该系统对晶体的非线性检测运行稳定可靠,测试简单方便快捷。

BiVO_4晶体的坩埚下降法生长与性能研究

采用坩埚下降法成功生长出厘米尺寸的单斜相BiVO4晶体并利用X射线衍射仪、偏振光显微镜、接触角测量仪和静电计对其结晶形态、表面畴结构、接触角随光照时间的变化以及电阻率随温度的变化行为进行了研究。发现BiVO4晶体接触角随光照时间呈现先减小后增大的变化规律,同时电阻率随温度升高呈现先增大后减小的正温度系数效应。

纳米Bi的制备及其在锂离子电池中的应用研究

铋(Bi)作为负极材料表现出比石墨更高的理论容量,引起了广泛的关注。然而,在锂化过程中,较大的体积变化和较差的循环稳定性阻碍了Bi负极的发展。为了克服上述缺点,通过电化学原位还原将钒酸铋负极转化为具有三维蜂窝结构的纳米Bi负极,并进一步研究Bi负极充放电机理及形貌变化。结果表明:纳米Bi因具有大的比表面积为锂离子嵌入提供了更多的活性位点,带来了高的比容量;同时,其三维蜂窝结构为Bi纳米颗粒在充放电过程中的体积变化提供了机械应变空间,缓解了Bi的体积膨胀,提高了电极的稳定性。研究表明,纳米Bi负极在100 mA·g^(-1)下的稳定放电比容量为497.5 mAh·g^(-1)。本研究为高能量锂离子电池负极提供了一种新的途径,使得纳米Bi有望成为锂离子电池高能负极的潜在候选者。

Rb_(3)Hg_(2)(SO_(4))_(3)Cl新型紫外非线性光学晶体材料

作为实现全固态激光器频率转换功能的关键材料,紫外非线性光学晶体发挥着不可替代的作用。设计兼具大的非线性光学系数、合适的双折射和宽带隙的紫外非线性光学晶体仍然是该领域亟待攻克的一个难题。由于具有宽的带隙,硫酸盐已成为紫外非线性光学晶体领域的一个重要研究方向。SO_(4)四面体基团具有接近非极性的Td对称性,使其极化率各向异性和二阶极化率较小,因而对晶体的非线性系数和双折射贡献很小。通常引入畸变程度高的阳离子多面体可以增加晶体的非线性效应和双折射。本工作将易于形成畸变多面体的Hg2+离子引入到硫酸盐体系中,采用高温熔体法合成出新型非线性光学晶体材料Rb_(3)Hg_(2)(SO_(4))_(3)Cl。该晶体属于单斜晶系,空间群为P21,晶胞参数为a=0.78653(2)nm,b=0.97901(2)nm,c=1.00104(3)nm,β=110.95(3),Z=2。其晶体结构由[SO_(4)]四面体、[HgO_(5)]和[HgO_(4)Cl]多面体以角共享的方式连接形成空间网状结构,而Rb+填充在孔洞中。Rb_(3)Hg_(2)(SO_(4))_(3)Cl晶体的粉末倍频效应为1.5倍KDP,且能够在可见光区实现相位匹配。紫外漫反射光谱测试表明,紫外截止边为251 nm,对应光学带隙为4.94 eV。利用偏光显微镜确定该晶体在546.1 nm处的双折射为0.04。此外,第一性原理计算表明,晶体的非线性系数主要来源于扭曲的[HgO_(5)]、[HgO_(4)Cl]和[SO_(4)]多面体。上述结果表明,Rb_(3)Hg_(2)(SO_(4))_(3)Cl是具有潜在应用前景的紫外非线性光学晶体材料。

优化的B位离子氧化物共烧法制备钙钛矿结构的PYN-PZN-PT三元铁电陶瓷

通过优化B位离子氧化物共烧方法，成功制备出具有纯钙钛矿结构的Pb（Yb1/2Nb1／2）O3-Pb（Zn1／3Nb2／3）O3—PbTiO3（PYN-PZN-PT）三元铁电固溶体陶瓷，有效地抑制PZN基陶瓷制备过程中烧绿石相的形成．选取（0．48-x）PYN-0．52PZN-xPT（x=0．24～0．28），对三元体系的相结构、铁电、压电和介电性能进行了研究．结果表明：烧结得到的陶瓷致密均匀无杂相，晶粒尺寸2～4μm；随着PT含量的增加，物相经历了从三方相到三方和四方相共存的准同型相界（MPB）、再到四方相的结构演变；MPB附近的组分具有优异的性能，性能最好的组分是0．21PYN-0．52PZN-0．27PT，其压电系数d33—550pC／N，室温介电常数ε′=2070，矫顽场Ec=19．9kV／cm，居里温度Tc=260℃；陶瓷样品的介电温谱表现出介电弥散以及介电峰的展宽等类弛豫体的特点．

Er^(3+)/Yb^(3+)/Pr^(3+):SrLaGaO_(4)晶体的光谱分析及中红外发射增强

采用非化学计量配比的提拉法成功生长出Er^(3+)/Yb^(3+)/Pr^(3+):SrLaGaO_(4)晶体、Er^(3+)/Yb^(3+):SrLaGaO_(4)和Er^(3+):SrLaGaO_(4)晶体并进行了详细的光谱分析,同时对纯的SrLaGaO_(4)晶体进行了热学性能分析。与Er^(3+):SrLaGaO_(4)晶体相比,Er^(3+)/Yb^(3+)/Pr^(3+):SrLaGaO_(4)晶体不仅展示了更好的吸收特性,而且还表现出较弱的近红外发射,以及优异的中红外发射;Er^(3+)/Yb^(3+)/Pr^(3+):SrLaGaO_(4)晶体中2.7μm铒激光下能级4I13/2的荧光寿命显著减少,而上能级4I11/2的寿命略微下降,成功抑制了自终止效应。此外,本工作还研究了Er^(3+)/Yb^(3+)/Pr^(3+):SrLaGaO_(4)晶体中Yb^(3+)的敏化作用和Pr^(3+)离子的去激活作用以及能量传递机制。总之,引入Yb^(3+)和Pr^(3+)有利于在Er^(3+)/Yb^(3+)/Pr^(3+):SrLaGaO_(4)晶体中实现增强的2.7μm发射,这使其成为中红外激光有前途的候选材料。

准连续c切Er,Yb:YAl_(3)(BO_(3))_(4)激光器的偏振操控

通过构建谐振腔模型,分析了各向同性固体激光器中两个本征模式相干叠加后的光斑奇异特征。并且实验验证了在不使用任何特定的腔内光学偏振选择元件的情况下,在二极管泵浦的准连续c切Er,Yb:YAl_(3)(BO_(3))_(4)激光器中可以有效操控1.6μm输出激光的偏振态。实现了从部分偏振态转化成稳定的线偏振态,其线偏振方向为可切换的正交特殊情况,均具有21 dB的偏振消光比。同时通过光斑对比,验证了激光器的线偏振输出来源于两个正交本征模式的相干叠加。文中为c切Er,Yb:YAl_(3)(BO_(3))_(4)激光器线偏振光的直接输出与偏振态的调控提供了可靠的方案。

1.74μm大应变InGaAs/InGaAsP半导体锁模激光器

针对光频梳、医学光声成像及痕量气体探测等应用需要,研制了一种InP基碰撞锁模半导体激光器,可在1.74μm波段实现重复频率为19.3GHz的高效锁模,其射频(RF)谱半高全宽(FWHM)约14kHz。在可饱和吸收区未加偏压时,激光器的阈值电流为83mA,最大出光功率可达到25.83mW。固定吸收区偏置电压在-1.6V,增益区驱动电流高于130mA时,锁模激光器开始输出微波射频信号,并且RF谱的FWHM随着电流增加可下降至十几kHz。固定驱动电流为520mA,在吸收区偏置电压从-1.4V降至-2V过程中,激光发射光谱逐渐展宽,在-2V偏压下,光谱的FWHM为9.88nm,包含40多个间隔为0.2nm的纵模。对比分析了不同驱动电流和偏置电压下的射频频谱和发射光谱的变化趋势,证明了该锁模器件具有高效、稳定的锁模机制。