过渡金属掺杂氮基MXenes用于析氢反应的研究

二维过渡金属碳化物和氮化物(MXenes)因其高比表面积、优异的热稳定性和高电导率而成为有前途的析氢反应(HER)催化剂。然而,只有少数MXenes材料在HER中显示出催化活性。本研究利用密度泛函理论(DFT)计算研究了过渡金属(LM)掺杂M_(2)NO_(2)型MXenes对其氢吸附吉布斯自由能(ΔG_(H)^(*))的影响及对HER催化活性的增强作用。结果表明,Zr_(2)NO_(2)和Ta_(2)NO_(2)具有成为HER活性催化剂的潜力。与未掺杂M_(2)NO_(2)相对较弱的HER活性相比,掺杂LM原子后MXenes的HER催化活性被有效提高。通过对MXenes的电子结构及其与氢原子相互作用的研究可知,不同LM原子的掺杂是通过改变O原子的Bader电荷分布,从而影响O-H键的强度,进而改善MXenes在HER中的催化性能。

面向新工科的材料类专业校内工程实践场所构建

为了加强新工科背景下材料类专业人才的工程创新能力培养,南昌大学材料科学与工程学院对部分实验室进行了升级改造。主要改造特点为:按生产线模式重建校内工程实践场所,并增设交流讨论空间和相关设施。改造后的实践场所体现了"大工程观"和"以学生为中心"的理念。实践表明该工程实践场所可以有效提高学生的工程创新能力。

生长铜膜中孪晶形成与出现几率的分子动力学模拟

运用分子动力学和静力学方法对(111)生长铜膜中孪晶形成的原子过程与能量进行了模拟研究.所用的原子间相互作用势为Finnis-Sinclair型镶嵌原子法(EAM)势.模拟和计算分析结果表明,(111)生长铜膜表面沉积原子在不同局部可形成正常排列的fcc畴或错排的hcp畴;沉积原子处于hcp位置时体系的能量比fcc位置时要高,其增量决定了孪晶面出现几率.沉积原子错排能还受相邻{111}孪晶面的影响,其间距小于3个原子层厚时,沉积原子错排能与不形成孪晶的Al晶体表面沉积原子错排能相当,此时形成孪晶面的几率极低;随间距的增加,表面沉积原子错排能迅速降低,在间距达到约12个原子层厚以后,降到略低于完整Cu晶体{111}表面的沉积原子错排能,这表明此时出现孪晶面的几率比在完整晶体表面形成一个新的孪晶面的几率要大.

等轴应变作用下Cu,Al薄膜的取向择优生长

用分子动力学方法模拟了Cu双晶和Al双晶薄膜的<111>生长,模拟时假定在薄膜平面内保持恒定的等轴双向应变, 薄膜中两晶粒的能量计算表明:不同晶粒的能量存在差异,能量较低的晶粒在沉积中择优生长,逐渐取代能量较高的晶粒, Cu膜择优生长速率显著高于Al膜;两种薄膜择优生长的机制完全不同,Cu膜中处于不利位向的晶粒通过孪晶过渡转变为择优取向, 转变完成、晶界湮灭后薄膜中残留的缺陷为位错;而Al膜则是通过无序结构重结晶实现上述转变,转变完成、晶界湮灭后薄膜中残留的缺陷为间隙原子.文中对上述择优生长驱动力的来源、以及在纳米多晶中的重要性进行了讨论.

硅晶体生长速率与过冷度关系的分子动力学模拟研究

基于Tersoff势函数描述硅原子间的相互作用,运用分子动力学方法模拟研究了不同过冷度条件下硅晶体凝固生长速率。结果发现,在一定过冷度范围内,硅晶体的生长速率随过冷度的增大而呈先快速增大后缓慢减小的趋势,并最终趋于不生长。同时,运用Wilson-Frenkel模型从理论上对硅晶体生长速率与过冷度关系进行了预测,分子动力学模拟结果与Wilson-Frenkel模型预测结果基本吻合,表明了硅晶体沿[100]方向的生长是一种扩散型生长。

基底温度对c-Si(100)面生长a-Si∶H薄膜结构特性影响的分子动力学模拟研究

运用分子动力学方法模拟了不同基底温度下在硅(100)表面沉积生长氢化非晶硅薄膜的过程。Si-H体系的原子间相互作用采用Murty-Tersoff势计算。结果得到:随着基底温度的升高,a-Si∶H薄膜表面粗糙度降低,内部致密度提高,H原子、Si-H键和悬挂键密度均减少。进一步分析发现,粗糙度和致密度随基底温度变化的原因是基底温度升高增大了表面原子的扩散能力;而H原子和Si-H键等含量随基底温度升高而下降是因为高温下Si-H弱键更易断键导致。悬挂键密度随基底温度升高而降低则主要是由于内部原子的晶化率增大引起。

失配性质对面心立方外延晶体失配位错结构及其形核机制的影响

运用三维分子动力学方法模拟了外延铝薄膜晶体中失配位错的形成过程。结果显示：失配度为fx=4％时，位错是通过薄膜表层原子的相对滑移来形核，形成一个伯格斯矢量为1／2[101]的刃型位错，该位错形成后会迅速向界面滑移，并稳定在离界面1～2个原子层上不动，同时在薄膜表面留下一个台阶。而失配度为fx=4％时，位错形核是通过挤出一个四面体构型的原子团开始，形成一个伯格斯矢量为1／2[110]的刃型位错，该位错只能平行于界面滑移，位错稳定后离界面的距离比正失配度时的距离和热力学临界厚度都要大。

二酰异羟肟酸萃取法从粉煤灰中提取锗

利用二酰异羟肟酸 (DHYA)的磺化煤油溶液从低酸度粉煤灰浸取液中提取锗。采用相比 1 3～ 1 4 ,水相pH值为1 0 0～ 1 2 5,在室温下进行三级逆流萃取 ,使用NH4 F溶液反萃取 ,最后锗收率可达 99% ,产品纯度在 99 8%以上。

内应力对金属薄膜生长织构的影响

基于FS型原子镶嵌势（EAM势）用分子动力学模拟了金属多晶薄膜的原子沉积生长过程,通过预设恒定应变在薄膜生长过程中引入了单轴压应力,模拟研究了应力对呈丝织构的多晶薄膜中晶粒沿丝轴旋转取向择优的影响.模拟结果表明,在固定压应变条件下,最密排方向偏离压应力轴的晶粒较为优先生长发展;在生长过程中,取向择优的晶粒从沉积表面开始逐渐扩张吞并相邻晶粒.模拟结果还显示,这种生长织构的发展随沉积膜厚增加有显著的临界特征;在织构发展过程中被吞并的晶粒局部出现孪晶,继而转换为择优生长晶粒的结构;在被吞并的晶粒最终消失处将会留下失配位错.

温度对金属纳米线势能分布的影响

采用三维分子动力学模拟方法,以面心立方金属银为研究对象,基于Finnis-Sinclair型嵌入原子法(EAM)多体势,模拟研究了纳米线势能分布特征在常温下及其在不同温度直到熔化过程中的变化,给出了常温及不同温度银纳米线势能分布比例和势能分布函数.结果表明:常温下,纳米线高势能原子比例随纳米线横截面尺寸的减小而增大,势能分布函数曲线各峰位几乎与纳米线横截面尺寸无关;纳米线熔化前的势能分布函数曲线具有多个波峰,随着温度增加,峰数减少且峰位右移;熔化后,多峰特征消失,只有一个宽化的峰.

FCC晶体外延薄膜中失配位错形成的动力学条件

运用分子动力学方法对面心立方(FCC)晶体铝外延膜的高温弛豫过程进行了三维计算机模拟。铝原子间的相互作用势采用嵌入原子法(EAM)多体势来计算。模拟结果表现了失配位错的形成现象与动力学条件的关系。分析表明,模拟中所给的动力学条件对薄膜性能有很大的影响。在失配度大小为0.06时,负失配下的铝膜比正失配下的更易于形成失配位错;失配度大小分别为0.05和0.04时,温度低于铝的熔点时不会形成失配位错;温度高于铝的熔点时负失配的铝膜比正失配的更难熔化。研究发现失配位错的形成不仅与失配度的大小和生长的温度有关,而且还与失配度符号有密切关系。

Gd_(1-x)Al_yO_z:Eu_x梯度组合芯片的组织结构和发光性能

将组合材料芯片技术用于Gd1-xAlyOz:Eux荧光材料的研究。通过离子束溅射沉积和两步热处理技术制备Gd1-xAlyOz:Eux梯度组合材料芯片。通过X射线衍射和扫描电镜二次电子像分析发现:根据钆铝配比的不同在组合材料芯片上形成了相应的钆铝酸盐晶相;Gd4Al2O9(GAM)和GdAlO3(GAP)作为Gd2O3-Al2O3中的稳定晶体相,其单相多晶薄膜较容易形成。紫外激发发光照相记录表明Gd1-xAlyOz:Eux可以发射明亮的红色荧光(Eu3+的5D0–7F2发射,主峰值615nm),且对于Eu3+掺杂,GAP是最好的钆铝酸盐基体相。材料芯片的照相筛选结果和发射光谱、吸收光谱的分析结果一致。

A206/1%Al_2O_3铝基纳米复合材料的热裂行为

A206铝合金在金属型浇铸过程中具有高热裂倾向,难以用来制造重要铸件。采用超声分散法制备A206/1%Al2O3(质量分数,下同)纳米复合材料,在钢模中浇铸受限杆铸件来评价其热裂敏感性,利用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对微观组织进行分析。结果表明:加入的Al2O3纳米粒子在凝固过程中成为有效的异质形核核心,不仅使α-Al初晶从粗大枝晶转变为细小等轴晶,平均晶粒尺寸从164μm降至26μm,而且在剩余液相中诱发形成大量富Fe,Mn的薄片状中间相,消除了粗大CuAl2相,从而显著降低了A206铝合金的热裂敏感性。

第一性原理铽掺杂钙钛矿型钆铝酸盐的电子结构计算

基于局域密度近似(LSDA,Local spin-density approximation)和有效库仑相关能(U approach),采用第一性原理计算软件VASP,计算了钙钛矿型钆铝酸盐(GdAlO3,GAP)电子结构,并研究了铽离子(Tb3+)掺杂后(GdAlO3∶Tb,GAP∶Tb)对能带带隙(Eg,Energy of gap)的影响。计算结果表明:GAP为直接带隙半导体,带隙宽度主要由价带(VB,Valence band)顶部的O-2p和导带(CB,conduction band)底部Al-3(s+p)、Gd-(s+d)(p)决定,Eg值为4.8eV;随着Tb3+的掺入,当掺入量为1/4原子比时(GAP∶Tb0.25)出现杂质能级,为3eV、2.3eV,分别对应Tb3+的5 D3-7FJ(J=3,4,5,6)电子跃迁和5 D4-7FJ(J=3,4,5,6)电子跃迁。当掺入量为1/16时(GAP∶Tb0.0625),仅杂质能级2.3eV较为明显,这一计算结果与GAP∶Tb0.7荧光粉在紫外激发下绿色荧光发射明显这一实验现象相符合(荧光发射主峰对应5 D4→7F5(544nm))。

纳米晶柱热稳定性研究

以纳米晶柱作为表面量子点的模型,以不同截面尺寸的Al纳米晶柱为例,对其在不同温度下的弛豫过程进行了一系列分子动力学模拟,采用了Ercolessi等建立的原子镶嵌势计算原子间的相互作用力.结果表明:对于沿相互垂直的{110}和{211}面切割形成的近正方形截面晶柱,其截面厚度存在一热稳定性转变临界值.小于该值时纳米晶柱迅速失稳,发生熔融-重结晶的过程;大于该值时只发生缓慢的表面原子迁移重组.两种情况下形成的稳定结构均为由{111}和{100}面组成的正多面体纳米岛,只是两种面的相对面积比有所不同;该临界尺寸随温度升高而呈近线性增大.模拟结果还显示,纳米晶柱的高度对其稳定性没有明显影响.

金纳米线热稳定性的分子动力学模拟研究

采用三维分子动力学模拟方法,以面心立方金属金为研究对象,基于Finnis-Sinclair型嵌入原子法(EAM)多体势,模拟研究了金纳米线的热稳定性。研究表明,金纳米线的熔化温度随着线径的减小而降低,熔化过程从表面开始,并逐渐向中心趋近,最后缩聚成球形团簇。纳米线在熔化过程中,温度也在逐渐升高,这不同于块体材料。Au纳米线的熔点比块体材料低很多,并且与纳米线的线径倒数成线性关系。

过渡金属原子对掺杂g-CN单层作为高效氮电催化剂性能

由于氨是药物、肥料和树脂等领域的基础,氨合成一直广受关注.工业中主要通过Haber-Bosch反应制备氨,反应需要在高温高压下进行.因此,探索其它氨合成技术对减轻能源消耗和缓解温室效应具有重大意义.在溶液条件下,采用水作为氢质子源,电化学还原氮合成氨方法受到了极大关注.然而,大多数电催化剂难以活化氮气分子且电催化氮气还原过程中存在副反应竞争,因此,研发高效的电催化材料仍然是一个重要研究领域.研究人员探索了多种电催化材料,其中,双原子对催化剂成为电催化领域的研究热点.与单原子催化剂相比,双原子对催化剂不仅具有低配位的金属原子,而且可以通过调节额外分散的金属原子来改善多数电催化反应性能.作为一种新型碳氮材料,二维g-CN具有高表面积、多孔结构以及出色的光学活性和热力学稳定性,可以与金属原子对良好地适配,是一种有潜力的基底材料.然而,目前有关金属双原子对负载在g-CN单层上作为电催化剂催化N_(2)分子还原性能尚不清楚.本文采用密度泛函理论计算研究了N_(2)分子在过渡金属原子对(TM=Sc~Zn)掺杂g-CN单层上的吸附和活化,根据吉布斯自由能详细地研究了电催化合成氨的电化学机理.计算发现,在Fe_(2)@CN和Co_(2)@CN催化剂上,其决速步骤的自由能变化分别为0.47和0.78 eV.对于Fe_(2)@CN,N_(2)电还原反应机制遵循末端路径,而在Co_(2)@CN上,其还原过程为末端或混合路径.由于Co_(2)@CN对析氢反应的抑制效果较好,因此该电催化材料体系极具竞争力.相比于Co_(2)@CN,Fe_(2)@CN具有较好的氮气活化性能,但选择性较差.另外,N_(2)分子与Fe_(2)@CN和Co_(2)@CN之间存在电荷的接受-给予过程,这在活化惰性N_(2)分子中氮原子间的三键上起到了关键作用.第一性原理分子动力学模拟结果表明,Fe_(2)@CN和Co_(2)@CN表现出较高的结构稳定性.因此,本文深入探讨了过渡金属原子对掺杂g-CN单层催化剂上的氮气还原效率及机制,为合理设计该系列的高效、低成本电催化剂提供理论依据.

失配性质对二维失配铝膜结构及位错形成的影响

采用三维分子动力学模拟方法,使用Ercolessi和Adams建立的嵌入原子法(EAM)多体势函数,模拟了二维失配铝膜晶体中失配位错的形成过程,研究了失配性质对二维失配铝膜结构及其形核机制的影响.结果显示:同等条件下,负失配度的临界厚度小于正失配度情况;负失配度较易出现失配位错;负失配度下位错的形成始于表层一个倒三角锥形的间隙原子团;正失配度下位错的形成始于表层原子的畸变区;结构稳定后,负失配度体系在表层挤出局部原子层;正失配度体系会出现塌陷.

银纳米杆中原子能量分布特征的分子动力学研究

采用分子动力学方法和嵌入原子法(EAM)多体势函数,模拟研究了银纳米杆能量分布特征在不同温度直到熔化过程中的变化。结果显示:纳米杆中原子的势能分布曲线呈现多个分立的峰;随着温度的变化,分布曲线各个峰的位置保持不变,但峰高和峰宽明显变化;纳米杆熔化后这种能量分布特征完全消失,只有一个宽化的峰。模拟结果分析表明:纳米杆中原子势能分布曲线中每个峰对应于一定的最近邻原子数,纳米杆中每个原子的势能所处峰位由其最近邻原子数决定,偏离峰值程度则由其次近邻原子数决定。

材料类专业“工程制图实验”项目式教学改革探索与实践

根据材料类专业的特点,对该学院"工程制图实验"课程进行了课程内容改革。以能力培养为主线,以教学模块形式构建系统性的实践教学体系,改革教学模式,采用项目教学法。实践证明改革可以激发学生兴趣,充分调动学生学习的自主性和积极性,更好地培养学生创造性思维的能力,提高学生的综合素质。