氧化锌/金刚石薄膜异质结紫外光探测器

采用射频磁控溅射法在p型自支撑金刚石衬底上制备了高度c轴取向的n型氧化锌薄膜。研究了不同的溅射功率对氧化锌薄膜质量的影响。通过半导体特性分析系统测试了氧化锌/金刚石异质结的电流-电压特性,结果显示该异质结二极管具有良好的整流特性,开启电压约为1.6 V。在此基础上制备了结型紫外光探测器,并对其光电性能进行了研究。结果表明,在施加反向偏压的条件下,该探测器对紫外光具有明显的光响应。

Fe稳固的FeOOH@NiOOH电催化剂的大电流极化设计与析氧研究

电解水技术是制取高纯度氢气的有效途径,为传统的氢气生产提供了一种可持续的替代方案.其中,开发性能优异的电催化材料是降低电解水制氢成本的关键.析氧反应(OER)由于涉及多个电子转移而导致的动力学缓慢,是克服高过电位的主要挑战.镍铁羟基/氢氧化物(NiFe(oxy)hydroxides)是近期研究的热点,其在碱性条件下具有极低的OER过电位,部分材料性能甚至超过了贵金属基催化剂,如IrO_(2)和RuO_(2).然而,NiFe(oxy)hydroxides的长期催化稳定性,尤其是在大电流下的长期催化稳定性,成为限制其实际应用的主要问题,这主要是由于铁元素的严重流失导致的.因此,如何有效控制和利用电化学溶解/沉积动力学成为稳定铁位点的关键.为克服该挑战,本文提出了一种大电流极化重构方法来固定活性铁位点.通过在大电流(1.5 A cm^(-2))下对材料进行表面快速极化重构,成功制备了FeOOH@NiOOH(eFNO_(L))电催化剂.eFNO_(L)不仅具有稳定的铁位点,还暴露出高指数晶面,因此eFNO_(L)同时展现出较好的OER催化活性和稳定性.同时,密度泛函理论计算结果表明,与具有低指数晶面的FeNiOOH相比,大电流极化工程制备的分相eFNO_(L)对铁位点表现出更高的结合能,可以有效抑制OER过程中的铁流失,且高指数晶面在改变速率决定步骤和减少吸附能垒上具有更大的优势.电化学测试结果表明,经过优化后的eFNO_(L)催化剂在产生100和500 mA cm^(-2)大电流密度仅需234和27 mV的过电位,并且具有较小的Tafel斜率(35.2 mV dec^(-1)).由于铁位点结合能的提高,eFNO_(L)催化剂在500 mA cm^(-2)的电流密度下能够稳定催化超过100 h,且仅有1.5%的性能衰减,优于近期报道的大多数镍铁基OER催化剂.综上,本文为开发高活性和高稳定性能的催化剂提供了一种有效的大电流电化学重构策略,在电解水制氢领域实现其工业化的大规模应用方面显示出巨大潜力,有望降低可持续电解水制氢成本.

基于产物形貌的超声波辅助置换除铜的机理研究

本文开展了超声波辅助硫酸锌溶液净化除铜实验,分析了超声波对于锌置换净化溶液除铜强化机理。研究采用金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、ImageJ等技术对置换产物层微观形貌和分布进行表征,并用等离子体发射光谱仪对不同净化阶段的溶液进行铜离子浓度分析。结果表明,超声波对于置换法溶液净化除铜的强化作用受其强度的影响。低强度超声波(500W)对界面产物的影响较小;而高强度超声波(2000W)能够显著影响固体产物层微观形貌和分布,强化固体产物层中的扩散过程,产生的热效应还有利于提高置换反应效率。高功率超声波导致类球形小颗粒在锌表面不连续分布,增大了两相接触面积;同时在固体产物层中形成贯通孔,减少溶液在固体产物层中扩散的结构阻力。

钢渣生态水工砖制备及其性能

用钢渣作骨料制备生态水工砖,既解决了钢渣大量堆积产生的污染问题,同时又降低了对砂石骨料的过分依赖。本文用热闷处理后的钢渣代替砂石骨料制备生态水工砖,研究钢渣掺入量、钢渣粒径、骨胶比等对生态水工砖透水率、抗压和抗折强度的影响规律,分析生态水工砖透水率与抗压、抗折强度之间的相互关系。结果表明:钢渣粒径为4~5.5 mm时性能较好,生态水工砖透水率、抗压和抗折强度分别为5.6×10^(-2)cm/s、45.45 MPa和6.59 MPa。显气孔率直接影响透水性,高显气孔率表示材料含有较多的孔,有利于水流的通过,但也会导致抗压和抗折强度下降。生态水工砖透水率与抗压强度存在负线性相关性,而与抗折强度相关性不大。剖析生态水工砖高透水性形成机制,为制备兼备高透水率和高抗压强度生态水工砖提供新思路。

CaCl_(2)-CaF_(2)-CaO三元体系的相图计算

基于Calphad方法,首先对CaCl_(2)-CaO、CaCl_(2)-CaF_(2)和CaO-CaF_(2)体系进行了系统的热力学评估和优化。采用置换溶液模型来描述液相和固溶体相的吉布斯自由能,所有中间相因其固溶区域十分有限而近似处理成准化学计量比化合物,且其自由能依据Neumann-Kopp规则定义。其次,利用Muggianu溶液几何模型将优化获得的所有子二元系的模型参数扩展至CaCl_(2)-CaO-CaF_(2)三元体系。最后,对共晶点进行配样和差示扫描量热法(DSC)测试,通过引入三元交互参数使计算结果与试验数据一致,从而获得了一套自洽的CaCl_(2)-CaO-CaF_(2)三元体系热力学数据库。

低冰镍衍生的具有高结构稳定性和快速扩散动力学的钠离子掺杂层状LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极

通过共沉淀法合成钠离子(Na^(+))掺杂的高稳定性Li_(1−x)NaxNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)(NCM-Na)正极材料。首先论证采用低冰镍提取镍作为合成材料镍源的可行性。其次,在化学试剂合成的NCM(Ni,Co,Mn)材料中预先引入最优含量的Na^(+),占据部分Li^(+)位点,实现具有更低Li^(+)/Ni^(2+)阳离子混排的稳定结构,从而提高其电化学性能。结果表明,当Na+掺杂量为1%(质量分数)(x=0.01)时,获得的NCM-Na正极材料在1C电流密度下,循环100次后容量保持率从76.84%提高至89.21%。特别是在5C大电流密度下,循环200次后,可逆放电比容量依然维持在110 mA·h·g^(-1)。这为杂原子掺杂耦合材料化冶金开发低成本、高性能锂离子电池三元LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/3)O_(2)正极材料提供具有前景的策略。

渣金间外加电场无污染脱氧方法的研究

通过在铜液与Na3AlF6-Al2O3渣系间施加稳定的直流电场,进行了铜液的无污染脱氧研究.实验结果表明,外加直流电场法可快速、有效地将铜液中的溶解氧脱除到10×10-6。左右.描述电场作用下氧离子在渣金间传递的模型计算与实验结果十分吻合.根据实验结果,对外加电场脱氧的反应机理进行了讨论和分析.该方法避免了氧化物夹杂对金属液的污染以及固体电解质脱氧方法的高成本和二次氧化等问题.

Wagner极化法对熔渣电子电导的研究

利用Ｗａｇｎｅｒ极化法对ＣａＯ－ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＦｅＯｘ熔渣体系的电子电导进行了测定．研究表明，熔渣的电子电导包含自由电子电导和电子空穴电导两部分，它们分别由渣相中的Ｆｅ３＋及Ｆｅ２＋浓度所确定．随着渣相的温度升高， Ｆｅ３＋转变为Ｆｅ２＋，自由电子电导逐渐减小，而电子空穴电导逐渐增大，实验还发现，在特定的温度下，不同渣系的电子电导在某一Ｆｅ３＋浓度含量存在一个最大值．在本实验条件下，电子电导率的大小处于１０－４－１０－２ Ｓ·ｃｍ－１之间．

带电粒子流控制技术在冶金过程中的应用及前景

介绍了利用固体电解质进行金属熔体无污染脱氧的技术。分析表明,其实质是氧离子在异相间的可控流动。根据炉渣的电化学特性,探讨了渣 金属间外加电场脱氧的可行性及特点。此外,提出了用固体氧离子膜技术从氧化物、熔渣中回收有价金属的可能性,并讨论了在MgCl2 NdCl3 MgO熔盐电解过程中,以MgO作为主要原料用固体氧离子渗透膜生产金属镁的环保新技术。确认冶金过程的带电粒子控制将是十分有前途的研究领域。

交流阻抗谱在炉渣电导率测定中的应用

利用电化学交流阻抗谱法对CaO SiO2 Al2 O3 FeOx 渣系的电导进行了研究。结果表明 ,随着渣相中氧化亚铁浓度的增大 ,温度系数逐渐减小 ;三价铁离子对电导率的影响随渣相中铁氧化物浓度的增大而显著 ,但当铁氧化物浓度小于 2 0 % (摩尔分数 )时 ,三价铁离子对电导率的影响较小 ;CaO SiO2 Al2 O3 Fe2 O3 渣系中存在电子导电 ,电子电导率约为 10 -3 ～ 10 -2 S·cm-1。

氢冶金的发展历程与关键问题

在“双碳”(碳达峰碳中和)战略背景下,以氢代碳的氢冶金成为钢铁企业优化能源结构和工艺流程、实现绿色低碳可持续发展的有效途径之一。以《联合国气候变化框架公约》和《京都议定书》的通过为时间节点,梳理和追溯了氢冶金的发展历程。从“以煤代焦、以气代焦”到“以氢代碳、以氢减碳”,铁矿石冶炼工艺由以减少焦炭和焦煤依赖为初衷,转变为以降低碳排放为重心,再到以净零碳排放为最终目标,逐渐形成高炉富氢冶炼和全氢直接还原工艺两大技术路线。从目前中国钢铁生产结构以及降碳目标来看,长流程产钢量占90%,高炉炼铁碳排放占比大、基数大。高炉低碳冶炼是规模化实现中国钢铁工业低碳的重要路径,而高炉富氢冶炼对“双碳”过渡时期的炼铁工业应用具有重要意义。从未来钢铁行业发展及能源结构转变来看,全氢直接还原工艺是实现钢铁行业净零碳排放的重要路线。发展氢冶金的关键问题包括如何解决绿色经济化制氢和安全规模化用氢。

炉渣中氧离子迁移的电化学模型

对渣相中氧离子迁移的电化学进行了研究，提出具有电化学特征的渣相氧离子流动力学模型此模型能较为全面地解释各种反应现象．实验数据与模型计算的对比，证明了所提出的反应机制的正确性．

熔盐电解制备难熔金属及合金的回顾与展望

难熔金属及合金的制备一直以来是一个耗能、复杂且困难的冶金及材料制备过程。如何从复杂高熔点金属氧化物矿物中直接提取获得高价值金属及合金,是新时代冶金及金属材料制备领域的研究重点和难点之一。近年发展起来的新熔盐电脱氧技术,可望对这一困境带来解决途径。笔者对"传统"熔盐电解法制备难熔金属进行了回顾,分析其面临的难题;对Fray-Farthing-Chen(FFC)剑桥法为代表的新熔盐电脱氧方法进行介绍,并重点介绍和展望了本课题组改进的固体透氧膜(SOM)法在该领域的发展和前景。

Fe-C熔体与熔渣反应的电化学机理

研究了含碳金属熔体与CSO—SiO2—Al2O3—FeOx熔渣体系反应的电化学机理．实验表明，在敞开体系中，无论金属熔体与熔渣之间是否存在电子导体，随着气相氧分压的降低，金属熔体的最终碳含量均逐渐增大，反应速率逐渐减小．但有电子导体贯穿反应体系时，熔体的最终碳含量远低于无电子导体的情况，其反应速率是后者的2～3倍．可以推断：氧离子在渣中的传递受控于电子的传递，电子导体的存在为电子的传递提供了一条捷径，因而加快了氧离子的传递．

外加电势与电极对钢渣反应的影响

研究了密闭系统中钢渣反应的电化学本质．在本实验条件下，当钢渣界面存在电子导体以及在金属熔体与熔渣间施加有利于电子传导的外加电势时，反应速率及反应程度均得以提高．电子导体与熔体的接触面越大，反应速率越快．

铁碳金属颗粒与熔渣的反应

对ＣａＯ－ＳｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＦｅＯ熔渣体系与铁碳金属颗粒反应的脱碳反应速率及脱碳反应限度进行了研究。在实验条件下，脱碳反应速率随金属颗粒初始碳含量及熔渣中氧化亚铁含量的增加而增大。金属颗粒终点碳含量随熔渣中氧化亚铁含量的增加而降低，但反应最终远未达到平衡状态。当反应坩埚内壁衬有金属钼片时，金属颗粒的终点碳含量可以降到极低的水平。因而推断：在低碳含量范围内。

ZrO_2高温固态电极交换电流密度的研究

利用对称电池M，MxOy|ZrO2（MgO）|M，MxOy在高温下对固态参比电极的极化特征进行了研究．实验研究表明，在本实验的条件下，极化电流与超电势之间为线性关系．Mo／MoO2参比电极的交换电流密度远大于Cr／Cr2O3、Ni／NiO、Co／CoO参比电极的交换电流密度．电极交换电流密度随参比电极中金属含量的增加及温度的升高而增大．根据实验测试得到了电极反应的活化能．

钛合金在飞机上的应用

钛合金以其比强度高、耐腐蚀性好等特点在航空航天领域得到了广泛的应用。本文综述了钛合金在世界航空业应用的发展过程及现状,介绍了几种典型的钛合金(α型合金、β型合金和α+β型合金),评述了钛合金在机身和发动机上的应用情况,并对钛合金未来的发展作了展望。

钢液的固体电解质无污染脱氧

将固体电解质、高温电子导电材料及脱氧剂集为一体,构成脱氧单元,用于钢液的无夹杂污染脱氧研究.实验表明,脱氧体在钢液中的无污染脱氧过程是一个高速、高效的过程,而且脱氧产物和脱氧剂对钢液均不造成污染.

BaZrO_3耐火材料与TiAl合金熔体的界面反应

以自合成的BaZrO3粉体为材料制备成坩埚,在真空条件下熔炼了TiAl合金,并对熔炼后合金的显微组织及合金与BaZrO3耐火材料的界面反应情况进行研究。结果表明:熔炼后合金的显微组织由大量不同取向的片层状α2+γ和少量条块状的γ相组成;合金熔体对BaZrO3耐火材料的润湿性较差,熔炼后未观察到界面反应层的存在;BaZrO3对合金熔体具有良好的化学惰性,是极具潜力的TiAl合金熔炼用耐火材料。