CaBi_(4)Ti_(4)O_(15)-Bi(Fe_(0.93)Mn_(0.05)Ti_(0.02))O_(3)铁电固溶体薄膜的制备及储能特性

采用金属有机分解法结合旋涂技术,在Pt(111)/TiO_(2)/SiO_(2)/Si衬底上制备(1-x)CaBi_(4)Ti_(4)O_(15)-xBi(Fe_(0.93)Mn_(0.05)Ti_(0.02))O_(3)(CBT-xBFMT,x=0,0.05,0.10,0.15)固溶体薄膜,通过X-射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、铁电分析仪和阻抗分析仪,系统研究了CBT基薄膜的储能性能。结果表明,所制备的薄膜均呈现出多晶铋层状结构,无杂相生成。BFMT的引入增大了薄膜的最大极化强度P_(m)和抗击穿场强E_(b),并降低了漏电流密度。随着BFMT固溶量的增加,CBT-xBFMT薄膜的抗击穿场强E_(b)先增大后减小,在x=0.10处达到最大;最大极化强度P_(m)逐渐增加,在x=0.10处极化强度差最大;最大抗击穿场强和最大极化强度差的共同作用使CBT-0.10BFMT薄膜具有最佳储能特性,有效储能密度W_(rec)和储能效率η分别为82.8 J/cm^(3)和78.3%,且储能稳定性(25~150℃)良好。CBT-0.10BFMT铁电薄膜有望应用于环境友好型小型能量储存器件。

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。

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。

Ti/Ti_(4)O_(7)电极电化学氧化焦化废水中有机物

EAOP(电化学高级氧化)作为一种前景广阔的技术,广泛应用于工业水处理领域,其中阳极材料是EAOP的核心。采用等离子喷涂法制备多孔Ti/Ti_(4)O_(7)电极,对其性能进行结构表征和电化学测试。考察电流密度、通量、电解质种类对处理效果的影响,并对电化学氧化过程及污染物氧化机理进行分析。在最佳实验条件电流密度为15 mA/cm^(2)、通量为400 L/(m^(2)·h)下,选择0.1 mol/L Na_(2)SO_(4)为支持电解质,废水中COD(化学需氧量)的去除率为75.3%,去除1 kg COD的能耗为110.14 kW·h,能够有效去除水中PAHs(多环芳烃)。因此,制备的Ti/Ti_(4)O_(7)电极在电化学氧化实际废水中有机物的工程实践方面具备很强的应用前景。

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。

Ba_(4)Ti_(13)O_(30)陶瓷的制备及其介电性能表征

利用烧结过程中固相反应产生的额外烧结推动力,在1200℃、常压烧结的条件下,通过混相烧结的方法成功制备了晶粒均匀、致密的纯相Ba_(4)Ti_(13)O_(30)陶瓷,研究了Ba_(4)Ti_(13)O_(30)相的合成规律、烧结性能及其显微结构的演变规律,并表征了Ba4Ti13O30材料的介电性能。结果表明,用固相反应法合成的BaTiO_(3)粉体与TiO_(2)在1150℃下即可合成Ba_(4)Ti_(13)O_(30)相,且在1150~1250℃温度范围内均生成单相。当烧结温度为1200℃时,Ba_(4)Ti_(13)O_(30)陶瓷的相对密度达到最大值95%,此时试样的微波性能最佳,其介电常数和品质因数Q×f分别为40和66273,其品质因数Q×f值远高于文献报道的13000;但当烧结温度提高到1230℃时陶瓷试样体密度略有下降并出现晶粒异常长大的现象,微波性能也随之急剧恶化,这是由其显微结构的变化所致。

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)。

熔盐法合成Yb^(3+)、Ho^(3+)掺杂CaBi_(4)Ti_(4)O_(15)及其上转换发光温敏性研究

通过熔盐法合成了Yb^(3+)、Ho^(3+)共掺杂CaBi_(4)Ti_(4)O_(15)荧光粉,研究其结构、形貌、上转换荧光和荧光温度传感特性。X射线衍射结果显示,所有样品都为纯相的铋层氧化物结构,随着Ho^(3+)掺杂浓度的提高,晶格收缩,引起了(119)衍射峰向高角度偏移。扫描电镜照片显示合成的粉末样品呈片状结构,长宽分布从百纳米到微米量级,厚度小于200 nm。合成的荧光粉末材料在980 nm红外激光激发下,发出明亮的可见光,其上转换发光对温度变化有明显的响应。基于归一化荧光强度的温敏发光实验结果表明,基于绿光发射带的温敏特征在488 K时有最大灵敏度0.00497 K^(-1),在583 K时有最大相对灵敏度1.01%K^(-1)。研究表明,熔盐法合成的具有片状结构的Yb^(3+)、Ho^(3+)共掺杂CaBi_(4)Ti_(4)O_(15)荧光粉在上转换荧光温度传感领域有很大的应用价值。

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。

多层晶粒生长法制备织构化CaBi_4Ti_4O_(15)压电陶瓷

采用新型的丝网印刷晶粒定向技术,以Bi2O3,CaCO3和Ti O2纳米粉体为原料,无需模板晶种直接制备出高度织构化的CaBi4Ti4O15陶瓷.系统研究了烧结温度、时间、升温速度以及原料粉体颗粒度对晶粒定向的影响,在1000～1180℃范围内烧结4h后获得高达94.1%的晶粒取向度.利用XRD和SEM等手段探讨了丝网印刷工艺的晶粒定向生长机理,认为丝网印刷可获得极薄的颗粒层,层间存在间隙,各层内的颗粒由于在平行界面方向生长不受限制,使其该界面方向的晶粒尺寸大于其它方向,从而最终得到晶粒高度定向的陶瓷.

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。

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_(4)O_(7)泡沫电极去除水中氧氟沙星的效能分析

针对电化学氧化水处理技术中存在的电极材料活性低及反应过程传质速率慢的问题,采用高活性Ti_(4)O_(7)泡沫电极为阳极构建Flow-through模式下的电化学氧化反应器,用于去除典型氟喹诺酮类抗生素——氧氟沙星(OFL).探究不同流通模式、膜通量、电流密度和初始pH值对OFL降解效果的影响,并探明其降解机制.结果表明:在Flow-through模式下膜通量为3.17 mL/(cm^(2)·min),电流密度为7.5 mA/cm^(2);初始pH为3时,反应120 min后OFL去除率最高达97.66%,处理后OFL剩余抗菌活性消失,体系中参与反应的主要活性物为·OH和SO_(4)^(-)·.

A位Ce掺杂对CaBi_(4)Ti_(4)O_(15)铋层状高温压电陶瓷电性能的影响研究

采用固相反应法制备了Ce_(x)Ca_(1−x)Bi_(4)Ti_(4)O_(15)(CCBT,x=0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10)铋层状高温压电陶瓷,研究了A位Ce掺杂对陶瓷晶体结构、微观结构、介电、压电性能的影响规律。结果表明:所有样品的主晶相均具有m=4的铋层状结构,当x≥0.08时,出现Bi_(2)Ti_(2)O_(7)焦绿石杂相。当Ce掺杂量x=0.06时,样品具有最高的压电常数(d_(33)=17 pC·N^(−1)),是纯CBT陶瓷(d_(33)=8 pC·N^(−1))的两倍以上。同时,该陶瓷还具有居里温度高(T_(c)=773℃)、室温下介电损耗低(tanδ=0.7%)、电阻率高(ρ=6.4×10^(7)Ω·cm@500℃)的特点,且在550℃退火后,其d_(33)仍保持14.2 pC·N^(−1),超过室温值的80%,是制作高温压电传感器的理想陶瓷材料。

钛基体Ti_(4)O_(7)阳极在高盐体系下的电催化降解性能

针对高盐废水成分复杂、可生化性差等处理难题,采用等离子喷涂技术制备一种新型钛基体亚氧化钛电极——Ti_(4)O_(7)电极,对该电极性能进行全面评价,解释电极的失效机理,并将其应用于高盐体系下的有机物电催化降解过程,考察不同因素对降解效果的影响。结果表明:Ti_(4)O_(7)电极具备丰富的孔洞结构、较高的析氧过电位、优异的导电性能和良好的稳定性。高盐体系下,电流密度的提高会促进酸性红G染料降解,但单位能耗会显著增加;含盐量和pH值对降解效果的影响甚微,这也得益于亚氧化钛材料电极的稳定性能;在电流密度为15 mA/cm^(2)、含盐量为1%、初始pH值为8.5时,降解效果最佳,120 min内脱色率为99.91%,化学需氧量(COD)去除率为71.88%。Ti_(4)O_(7)电极在高盐废水的电化学处理领域有良好的应用前景。

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。

Li_(1-x)Bi_(4+x)Ti_(4)O_(15)薄膜制备与表征

在LiNO_3/SiO_2/Si基板上制备了Li_(1-x)Bi_(4+x)Ti_4O_(15)系列薄膜(x=0.3、0.4、0.5、0.6),并系统分析了这些薄膜的微观结构以及铁电、介电及漏电等电学特性。研究结果表明,在氮气气氛中以600℃持温30 min制备的单一相薄膜中Li0.5Bi4.5Ti4O15薄膜的结晶效果最好,且在其表面可成长出独立晶粒分布状态;x为0.5时薄膜的剩余极化强度2Pr=53.5μC/cm2、矫顽场2Ec=144.2 k V/cm,此时薄膜的铁电性能相对最佳;该系列薄膜的介电常数介于37~100,介电损失相对偏高,介于0.7~1.0;所有薄膜的漏电流均随外加电压的增加而逐渐增大,其中Li0.5Bi4.5Ti4O15薄膜漏电流最小,外加电压为10 V时其值约为3.88×10-6A。

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%。

钒掺杂SrBi_4Ti_4O_(15)拉曼光谱和X射线光电子能谱研究

适量的钒掺杂,大大增加了SrBi4Ti4O15(SBTi)铁电材料的剩余极化2Pr,并改善了材料的耐压性能.SBTi拉曼模的位置,基本不受V掺杂的影响,但对应Ti O6氧八面体的拉曼模在掺杂明显宽化,这与V5+取代进入Ti O6中的Ti4+后,材料局部无序性增大,应力增加有关.X射线光电子能谱表明,不同掺杂量样品的Bi4f和Ti2p的结合能未有明显变化,这与B位高价掺杂减少氧空位的特殊机制有关.材料的2Pr增加,是高价阳离子掺杂导致材料中氧空位浓度的减少,局部无序性的增加共同作用的结果.