Al掺杂LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_(2)材料结构改性及电化学性能研究

三元正极材料LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_(2)(NCM523)由于其适中的价格和高能量密度而广受关注,但低循环稳定性使其商业化应用受限。本研究以Al为掺杂元素,采用共沉淀结合高温固相的方法制备不同数量的Al原子取代Mn位的三元NCM523微米颗粒型正极材料。结果表明,适量的Al掺杂可以增强过渡金属层的稳定性,显著改善NCM523材料循环稳定性差的问题。Al掺杂量满足Al/Li物质的量比为7%时获得了最佳的电化学性能,在2.7~4.5 V、0.1C倍率下首次放电比容量为165.7 mAh·g^(-1),经50次循环后衰减为134.3 mAh·g^(-1),容量保持率为81.05%。高温(55℃)环境下,Al/Li物质的量比为7%的样品依然保持最佳的电化学性能。

原子层沉积Al_(2)O_(3)对尖晶石LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料的影响机理

为提升尖晶石相LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料在深度荷电状态下的界面稳定性,采用原子层沉积法在单晶LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料表面可控沉积了纳米级Al_(2)O_(3)层。改性后的LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料表现出优异的长循环耐腐蚀性能(1C电流密度下循环500次的容量保持率高达94.7%)。进一步的表界面解析结果表明:原子层沉积技术构建的纳米级Al_(2)O_(3)包覆层能够明显抑制材料本体与电解液的腐蚀反应,降低过渡金属离子的不可逆溶解与析出;另外,基于HF表面刻蚀产生的AlF_(3)具有增强的耐刻蚀性能,可显著提升LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_(4)正极材料在长循环及高电压下的服役性能。

固溶和挤压对Mg-2.0Zn-1.0Y-0.5Zr合金组织与性能的影响

通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)、拉伸实验和浸泡测试等研究了固溶和挤压对Mg-2.0Zn-1.0Y-0.5Zr(mass%)合金组织和性能的影响。结果表明:固溶处理可以明显降低合金中的第二相数量,提高合金的屈服强度、极限抗拉强度、伸长率和耐蚀性;热挤压可明显细化合金晶粒,大幅提高合金的屈服强度和极限抗拉强度,但却降低其伸长率和耐蚀性。440℃固溶10 h的合金有较低的腐蚀速率,为(0.304±0.021)mm/y;进一步460℃挤压后合金的力学性能最好,其屈服强度、极限抗拉强度和伸长率分别为(293.9±4.8)MPa、(317.1±5.5)MPa和(16.7±1.5)%。

1.25Cr0.5Mo合金钢在高温下的拉伸性能研究

为了探究1.25Cr0.5Mo合金钢在高温下的拉伸性能,通过控制温度开展了1.25Cr0.5Mo合金钢在常温和高温下的拉伸对比实验。测试了1.25Cr0.5Mo合金钢在不同温度条件下的屈服强度、抗拉强度、断面收缩率和延伸率等力学性能,并利用扫描电子显微镜对拉伸断口形貌特征进行了观察和分析,获得了温度变化对1.25Cr0.5Mo合金钢拉伸性能的影响规律。结果表明:1.25Cr0.5Mo合金钢在不同温度下的断裂模式都属于微孔聚集型韧性断裂,在给定的温度范围内拉伸强度和塑性均随着拉伸温度的升高而呈现下降的趋势。

Mo-Zn_(0.5)Cd_(0.5)S@NiCo_(2)S_(4)掺杂-异质结体系的制备及其双功能光催化性能研究

采用溶剂热与水热法制备了Mo-Zn_(0.5)Cd_(0.5)S@NiCo_(2)S_(4)掺杂-异质结光催化剂,系统表征了光催化剂的晶体结构、元素组成、微观形貌和光电性能,通过差分电荷密度的计算并阐释了电子转移方向。结果表明,Mo的掺杂改变了Zn_(0.5)Cd_(0.5)S的晶格和能带结构,异质结的构筑增加了光催化活性位点,加快了电子转移速率。在可见光照射下,通过降解四环素(TC)溶液同时产氢来考察双功能光催化剂的活性。60 min内,TC的降解率可达75%,氢气产量达1146.72μmol/g/h。

Bi掺杂O3型NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)钠离子电池层状正极材料的制备与储钠性能

O3型NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)拥有高理论比容量且易于制备,是商业钠离子(Na+)电池的首选正极材料之一,但其循环稳定性仍面临挑战。利用Bi对NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)进行改性。研究发现,Bi的引入可以在晶粒生长过程中通过调节表面能实现晶粒细化,并且Bi的掺杂增加了层状正极材料的晶胞参数,为Na+提供了宽的扩散通道,提高了Na+的扩散能力,优化了Na^(+)在脱嵌过程中的可逆性。改性后的NaNi_(0.495)Mn_(0.5)Bi_(0.005)O_(2)实现了在2.0~4.0 V的电势区间内0.2 C倍率下的可逆容量为138.1 mAh/g,在5 C倍率下循环100圈后容量保持率可以达到97%。

时效处理对激光熔覆Mo_(0.5)NbTiVCr_(0.25)高熵合金涂层显微组织和耐磨性能的影响

通过激光熔覆技术在TC4基体上制备难熔Mo_(0.5)NbTiVCr_(0.25)高熵合金涂层。涂层在600、800和1000℃下时效热处理24 h,然后水冷。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、透射电子显微镜(TEM)等技术、以及维氏硬度和万能摩擦磨损测试手段对高熵合金涂层的相组成、显微组织和力学性能进行研究。结果表明,高熵合金涂层经不同时效热处理后仍保持体心立方结构。经800℃时效热处理后,涂层含有富Ti沉淀相,通过TEM术证实其为Ti(O,N)面心立方结构。最佳时效温度为600℃,涂层硬度为HV_(0.2)410。该涂层的磨损机制为黏着磨损和磨料磨损。

0D/1D Cd_(0.5)Zn_(0.5)S/VO_(2)S型异质结的构建及其可见光催化析氢性能研究

采用共沉淀法制备了零维/一维(0D/1D)Cd_(0.5)Zn_(0.5)S/VO_(2)(CZS/VO)S型异质结光催化剂。采用X射线粉末衍射仪、X射线光电子能谱仪、扫描和透射电子显微镜等,表征了样品的物相结构、元素组成及微观形貌等,测试了材料的可见光催化析氢性能。研究结果表明CZS/VO复合材料具有优异的可见光催化析氢活性。其中,当VO的质量分数为10%时,CZS/VO催化剂的析氢速率最高可达7.2 mmol·h^(-1)·g^(-1),是单相CZS的4.2倍,并且在四次循环试验中表现出良好的循环稳定性。这主要归因于其独特的0D/1D形貌和S型异质结的协同作用显著加速了光生载流子的界面迁移和分离,同时使载流子具有更高的氧化还原能力。

模板法制备多孔Bi_(0.5)La_(0.5)VO_(4)固溶体光催化还原CO_(2)

光催化还原CO_(2)为有价值的化学品为缓解温室效应提供了理想的途径。本工作中,采用纳米球形SiO_(2)模板剂抑制光催化剂颗粒的生长从而合成高比表面积的多孔Bi_(0.5)La_(0.5)VO_(4)(BLV)固溶体光催化材料。得益于纳米SiO_(2)的限域效应,硬模板法制备的固溶体的粒径明显小于固相法制备的体相固溶体。N_(2)吸脱附测试结果显示950℃焙烧下制备的多孔BLV的比表面积为固相法的11.9倍。光催化CO_(2)还原活性评价表明多孔BLV-950固溶体的CO析出速率达0.58μmol·g^(-1)·h^(-1),是体相BLV的3.9倍。这归因于多孔BLV较体相具有更高的载流子分离效率和更低的CO_(2)还原界面阻力。

废旧LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_(2)材料球磨-喷雾法再生研究

为了改善再生锂离子电池材料的电化学性能,提出了一种球磨-喷雾法对废旧LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_(2)(NCM523)进行回收再生。该方法是通过对预处理后的废旧正极材料进行球磨细化,经过喷雾干燥迅速制备再生材料的前驱体,并结合高温煅烧制备再生NCM523材料。采用SEM、EDS、XRD、HRTEM、FT-IR、XPS、TG-DSC等对再生过程中材料的形貌、成分、物相及化学变化等进行了分析,且对再生NCM523组装的电池进行了电化学性能分析。结果表明,再生材料具有多孔结构,锂镍混排程度降低,电化学性能得到改善。在实验条件下得到的再生NCM523材料在0.11 C下的首圈放电比容量为159.053 mA·h/g,循环100圈后放电比容量为145.615 mA·h/g,容量保持率为91.55%,具有良好的容量保持率;电流密度为5 C的首圈放电比容量为126.974 mA·h/g。相较于传统的直接再生方法,球磨-喷雾再生法制备的NCM523的电化学性能得到明显改善。

不同合成方法制备NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2)及其电化学性能研究

分别采用固相法、共沉淀法和溶胶-凝胶法合成了钠离子电池正极材料NaNi_(0.5)Mn_(0.5)O_(2),探究了合成方法对正极材料晶体结构、微观形貌以及电化学性能的影响。结果表明:3种方法合成的材料均表现为O3型结构;不同方法制备的材料形貌各不相同,其中固相法合成的材料颗粒呈现出特殊的层状结构,有利于钠离子的脱嵌;固相法、共沉淀法和溶胶凝胶法合成的材料在0.1C下的首次放电比容量分别为96.1 mAh/g、92.8 mAh/g和92.3 mAh/g,0.5C下循环100次后的容量保持率分别为64.3%、46.5%和36.5%。固相法是适宜的制备方法。

电流辅助压弯成形对Mg-2.5Nd-0.5Zn-0.5Zr合金微观组织和力学性能的影响

采用金相和透射电镜等技术系统研究了电流密度和保压时间对Mg-2.5Nd-0.5Zn-0.5Zr合金压弯成形“几”字型零件微观组织演变和成形性能的影响。结果表明,随着电流密度的增加(33.5~51.5 A·mm^(-2)),压弯“几”字型零件成形性能逐渐提高,回弹逐渐减小。随着保压时间的延长(0~20 s),回弹逐渐减小。当电流密度为51.5 A·mm^(-2),保压时间为20 s时,压弯成形的“几”字型零件表面质量良好、尺寸精度较高、基本无回弹,表现出良好的力学性能,硬度为63.8~71.3 HV。脉冲电流可以促进Mg-2.5Nd-0.5Zn-0.5Zr合金压弯成形过程中位错的滑移和攀移,减小位错塞积和缠结,同时释放残余应力,减小零件的回弹,进而提高Mg-2.5Nd-0.5Zn-0.5Zr合金的塑性变形能力和成形零件的精度。

Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金连续降温压缩扭转组织演变

采用Gleeble-3500热力拟试验机对Mg-9Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金棒材进行了热压缩扭转实验,变形过程中采用连续降温,温度范围为420~480℃,降温速率为10℃·s^(-1)。分析了变形后试样微观组织的演化规律。结果表明,形成了梯度组织;随棒状试样半径的增加,晶粒尺寸、LPSO相尺寸及ED//<0001>织构强度均减小。晶内LPSO相发生了机械破碎和扭折;块状LPSO相发生溶解,形成条纹状结构,部分条纹状结构在外力条件下发生扭折。变形过程中主要发生了连续动态再结晶及LPSO相激发的再结晶。连续降温有利于再结晶形核,产生大量细小的动态再结晶晶粒,抑制了再结晶晶粒长大和ED//<0001>织构强度增加。

第二相体积分数对Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金力学性能的影响

采用万能拉伸试验机、SEM、EDS及XRD对固溶处理后的Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金力学性能、第二相形态、化学成分进行了分析,并利用Image-Pro-Plus软件对第二相体积分数进行了统计。结果表明:固溶处理后,合金中仍有大量不同形态、成分的第二相,主要是灰色块状LPSO相、灰色棒状LPSO相和白色点状富稀土相。随着固溶时间的增加,Mg-13Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金的抗拉强度与伸长率表现出先降低后升高的变化规律。在510℃固溶16 h,合金的抗拉强度与伸长率达到最小值,分别为196.77 MPa、3.8%。510℃固溶10~16 h,LPSO相体积分数不变,富稀土相体积分数增加,富稀土相质地较脆,受力时容易破碎,成为裂纹萌发和扩展的源头,使合金抗拉强度、伸长率均降低。510℃固溶16~19 h,富稀土相体积分数减少,合金的力学性能增加。

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Sr_(2)Fe_(1.5)Mo_(0.5-x) Ga_(x) O_(6-δ)的结构和性能研究

采用柠檬酸-甘氨酸燃烧法合成了B位Ga元素掺杂的Sr_(2)Fe_(1.5)Mo_(0.5-x) Ga_(x)O_(6-δ)(SFMG x,x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)阴极材料,研究了Ga掺杂对材料晶体结构、电导率和电化学性能的影响。实验结果表明,Ga掺杂导致SFM晶格收缩,有效提高了电导率,掺杂后,氧空位浓度显著增加,导致氧还原反应催化活性增强。所有样品中SFMG0.3的极化阻抗值最小,在600℃时为0.624Ωcm^(2),比SFM减小了80.57%,表现出最佳电化学性能。以上结果表明,在SFM中掺杂Ga可以显著提高其电化学性能。

Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)-(Ce,Sm)PO_(4)复相陶瓷核废物固化体的制备及化学稳定性

为同时固化高放废物中的模拟放射性核素Sr、Ce和Sm,采用一步微波烧结工艺成功制备了Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)-(Ce,Sm)PO_(4)复相磷酸盐陶瓷固化体,采用XRD、Raman、SEM-EDS和密度表征研究了其物相组成、微观结构以及致密性,并利用PCT法评估了化学稳定性。结果表明:Sr_(0.5)Zr_(2)(PO_(4))_(3)相和(Ce,Sm)PO_(4)独居石相兼容性好,两相间不发生相互反应;所制备的复相陶瓷固化体晶粒尺寸小,相对密度高于96%,改变Sm/Ce比对固化体的微观结构和致密性无明显影响;PCT测试结果表明Sr、Ce和Sm的元素归一化元素浸出率都较低,与单相磷酸盐陶瓷固化体相比,复相磷酸盐陶瓷固化体具有较为优异的化学稳定性。

Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金材料喷丸强化工艺及摩擦磨损性能研究

目的提高Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金的耐磨性能。方法通过喷丸强化工艺对Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金表面进行处理,在合金表面制备出纳米强化层,随后进行干滑动摩擦磨损试验,探究其喷丸强化后耐磨性能的改变。利用OM、SEM研究合金表层至内部晶粒尺寸及组织特征的变化。利用电子天平秤测量摩擦磨损试验前后质量的损失量。利用维氏显微硬度计测量合金强化层深度方向的硬度分布。利用SEM研究了合金摩擦磨损后的形貌特征,探究其磨损机制。结果对Mg-9Gd-3.5Y-2Zn-0.5Zr合金进行表面喷丸处理后,表面分别出现了200~370μm厚的晶粒细化层,其中喷丸气压为0.4 MPa、时间为40 s的试样的细晶强化层厚约为250μm,硬度约为155HV,较原始试样提高了50%左右。结论经喷丸强化后,镁合金表面发生塑性变形,获得纳米晶。晶粒尺寸从表层到内部逐渐变大,呈现梯度变化,喷丸处理后试样磨损质量普遍降低,耐磨性能得到提高,其中气压为0.4MPa、喷丸时间为40s的试样的耐磨性最好。铸态试样的摩擦磨损中,磨粒磨损和黏着磨损发挥主要作用,喷丸强化工艺后,磨损机制发生改变,喷丸时间为60 s时,氧化磨损起主导作用。另外,随着喷丸气压的增大,疲劳磨损由辅助作用逐渐变为主导作用。

深冷处理对Mg-2Zn-0.5Y合金组织与拉伸性能的影响

对挤压态Mg-2Zn-0.5Y合金进行不同时间的深冷处理,采用OM、SEM、XRD、拉伸试验研究了不同时间深冷对Mg-2Zn-0.5Y组织与拉伸性能的影响。结果表明:挤压态Mg-2Zn-0.5Y合金组织主要为α-Mg与少量W相。随着深冷时间的增加,合金中晶粒尺寸没有发生明显变化,W相析出量逐渐增多;深冷12 h后,Mg-2Zn-0.5Y合金中W析出相体积分数为5.33vol%。深冷处理对Mg-2Zn-0.5Y合金的抗拉强度无明显影响,但可以显著提高合金的塑性。深冷1 h的Mg-2Zn-0.5Y合金的伸长率达到17.4%,比挤压态合金的伸长率提高142%。

时效温度对Mg-2.0Zn-1.0Y-0.5Zr合金组织与性能的影响

采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、拉伸试验、浸泡试验和电化学试验等研究了固溶态Mg-2.0Zn-1.0Y-0.5Zr合金在180~220℃时效12 h后的微观组织、耐蚀性能和力学性能。结果表明:随着时效温度从180℃升高到220℃,合金中析出的颗粒状第二相数量增多,第二相体积分数由0.03%(固溶态)升至0.36%(220℃时效12 h),力学性能明显提高,但耐蚀性能下降。当时效温度为200℃时,合金的综合性能较优,其抗拉强度、屈服强度、伸长率和腐蚀速率分别为(268.1±11.3) MPa、(170.4±8.5) MPa、(15.8±0.6)%和(0.575±0.039) mm/y。

球磨及复合镍对Mg_(23.5)Y_(0.5)Ni_(10)Cu_(2)储氢合金结构与性能的影响

通过球磨及复合镍的方法将铸态Mg_(23.5)Y_(0.5)Ni_(10)Cu_(2)合金制备成球磨态储氢材料,并研究了球磨时间及复合镍对合金组织结构及性能的影响。结果表明:随着球磨时间的延长,合金逐渐成为纳米晶,复合镍加剧了合金的非晶纳米晶化。电化学性能测试表明:球磨提高了合金的放电比容量,球磨30 h的放电比容量是球磨10 h的1.29倍。复合镍能够显著提高合金的放电比容量及循环稳定性。球磨30 h时,复合镍的放电比容量达到767.20 mAh/g,为未复合镍的4.63倍,复合镍还能够显著改善合金的电化学动力学性能。