Chem-E-Car竞赛驱动的化学综合实验设计——以“Ca3MnCoO6-MnCo2O4异质结纳米纤维的制备及锌-空气电池应用”为例

为了构筑兼备ORR/OER催化活性和稳定性的锌-空气电池电极,通过静电纺丝技术制备Ca3MnCoO6-MnCo2O4异质结纳米纤维,通过XRD、SEM、TEM等对纳米纤维进行物性表征,通过极化曲线测试其在碱性电解液中的ORR/OER性能,通过Chem-E-Car小车的实际应用判断锌-空气电池的应用潜力。研究结果表明:Ca3MnCoO6-MnCo2O4材料具有纺锤形貌,随着前驱体溶液中PVP/DMF浓度的增加,纳米纤维的直径均存在不同程度的粗化。复合催化剂对ORR和OER均表现出可观的电催化活性,在ORR过程中可以提供0.61@1600 rpm的极限电流密度 (20wt% Pt/C: 0.63@1600 rpm),在OER过程中可以提供1.65 V@10 mA cm-2的过电势 (RuO2: 1.60 V@10 mA cm-2)。本综合实验技术路线简单可行、效率高,可以有效提高学生的综合实践能力和科研创新能力。以此研究成果制造的新能源小车可以提供稳定的运行速度(0.2m/s)并持续至30m,成功在第7届全国大学生Chem-E-Car竞赛中取得性能二等奖的成绩。

白色长余辉材料CaxMgSi2O5＋x：Dy^3＋系列的发光性能

制备并研究了一系列具有白色长余辉的钙镁硅酸盐材料,CaxMgSi2O5+x∶Dy3+(x=1,2,3)。在紫外激发的发射谱中观察到来自Dy3+的4f组态内发射:对应4F9/2→6H15/2跃迁的蓝色发射(480nm)以及对应4F9/2→6H13/2跃迁的黄色发射(575nm)。低压汞灯(254nm)辐照后产生的长余辉光谱成分与发射谱相同,蓝光与黄光的混合组成白色光。对所研究的大部分样品,白色长余辉发射持续时间超过1h。研究了发射光强度对Dy3+浓度的依赖以及黄光与蓝光强度比与Dy3+掺杂浓度之间的关系,发现不同的基质有不同Dy3+浓度的依赖关系。室温以上的热释光谱表明所研究材料在室温以上具有丰富的热释光峰,因此有潜力进一步改善其长余辉性能。结合实验结果和以往研究,简要讨论了这一类材料的陷阱来源和长余辉发射机理。

La_(0.67)Ca_(0.33)Mn_(1-x)Al_xO_3体系的结构和输运特性研究

研究了Al离子的Mn位替代对巨磁阻材料La0.67Ca0.33MnO3体系的结构和输运特性的影响。结果表明,随Al3+替代量的增加,在整个替代范围内,晶胞体积表现出单调减小的规律。体系的电阻率急剧增加,绝缘体 金属转变温度TIM向低温方向移动,且与Al3+替代量存在线性关联。对少量Al3+替代量,在T>TIM的高温区域体系的输运特性满足热激活模型,在T<TIM的低温区域满足金属输运行为。这种输运行为随Al3+替代的变化特征,可从Al3+对Mn3+-O2--Mn4+双交换通道的破坏和所导致的晶格畸变方面给予解释。Al3+替代改变了电子的局域环境,进而影响到体系的输运行为。

红色荧光粉Ca_3B_2O_6:Eu^(3+)的制备及发光性能

采用高温固相法合成了Ca3B2O6:Eu3+红色荧光粉,并对其发光性质进行了研究.样品的激发光谱由位于220~350 nm的带状谱和350~500 nm的一系列窄带组成,这些窄带是由Eu3+的f-f跃迁引起的,光谱峰值分别为280,396和469 nm.它可以被近紫外光辐射二极管管芯产生的350~410 nm辐射有效激发.用396 nm激发得到样品的发射光谱,峰值位于578,590,610,618和650 nm,分别由Eu3+离子的5D4→7FJ(J=0,1,2,3)跃迁引起的.研究了Eu3+离子浓度和电荷补偿剂对发射光谱的影响.结果显示随着Eu3+浓度增加,发光强度逐渐增强,未发现浓度猝灭现象.掺入Li+,Na+,K+3种离子作为电荷补偿剂,均提高了样品的发光强度,其强度从大到小依次为I(Li+)>I(Na+)>I(K+),说明Li+是最佳的电荷补偿剂.

Ca_3Al_2Ge_3O_(12):Cr^(3+)的光谱性质及晶场参数计算

为了解Cr3+离子在钙铝锗酸盐Ca3Al2Ge3O12石榴石中的光谱性质,合成了Ca3Al2Ge3O12:Cr3+多晶材料;测量了其X射线衍射图,漫反射光谱,激发、发射光谱等;分析了Cr3+离子在钙铝锗酸盐中的发光特性;计算了其晶场强度(Dq/B),Stokes位移(ΔEs)及黄昆-里斯因子(S)等.在450nm激发下,Ca3Al2Ge3O12:Cr3+室温发射光谱主要由三个宽带及附加其上的弱R线构成,分别对应于Cr3+离子的4T1、4T2、2T2到4A2能级跃迁.低温时R线变得强而锐.通过计算,Dq/B=2.43,ΔEs=1884cm-1,S=5.21.表明在Ca3Al2Ge3O12中Cr3+离子处于较弱的晶场强度,电子-声子耦合较强,为发展可调谐激光材料提供重要线索.

Ca_(10)(Si_2O_7)_3Cl_2:Eu_^(2+),Mn^(2+)单一基质白光荧光粉的发光性质

用高温固相法合成了颜色可调的Ca10(Si2O7)3Cl2:xEu2+,yMn2+荧光粉。研究了它的发光性质和Eu2+与Mn2+之间的能量传递。Eu2+离子在Ca10(Si2O7)3Cl2晶体中形成了峰值为426nm和523nm的5d→4f跃迁发光,Eu2+中心向Mn2+中心传递能量,敏化Mn2+离子4T1(4G)→6A1(6S)跃迁而产生585nm的黄光发射。黄绿蓝3个发射带叠加在单一基质中实现了白光发射。3个发射带的激发谱范围位于250～480nm处,Ca10(Si2O7)3Cl2:xEu2+,yMn2+在紫外-近紫外波段(350～410nm)范围内有很强的激发,是一种适合InGaN管芯激发的单一基质白光LED荧光粉。

Ca_3Y_2Si_3O_(12)∶Tm^(3+),Yb^(3+)上转换发光粉的制备与发光性能研究

采用高温固相法成功制备了Ca_3Y_2Si_3O_(12)∶Tm^(3+),Yb^(3+)上转换蓝色发光材料。在980 nm红外激光器激发下,发光粉呈现强烈的蓝光(475 nm)和近红外光(810 nm)以及较弱的红光(650 nm)发射,分别归因于Tm^(3+)离子的~1G_4→~3H_6、~3H_4→~3H_6和~1G_4→~3F_4能级跃迁。随着Yb^(3+)离子浓度的增加,发光粉上转换发射强度和发光亮度均呈现先增强后减弱的变化趋势。在最佳掺杂浓度下(Yb^(3+)摩尔分数为15%),蓝、红光强度分支比为12∶1,色坐标为(0.129 2,0.152 3)。在3.9 W/cm^2激发功率密度下,发光亮度可达6.8 cd/m^2。上述结果证实,所制备发光粉呈现优异的蓝光上转换发射特性并具有潜在的应用价值。发光强度和激发光功率关系表明,所得上转换发射为三光子和双光子吸收过程。借助Tm-Yb体系能级结构详细讨论了上转换发射的跃迁机制。

柠檬酸盐溶胶凝胶法合成Ca_3Co_2O_6陶瓷粉末

Ca3Co2O6是一种很有潜力的氧化物热电材料。研究了柠檬酸盐溶胶凝胶法制备Ca3Co2O6氧化物粉末,并应用TG/DSC、XRD和SEM等方法进行了测试研究。干凝胶在700℃煅烧就可以生成片状的Ca3Co4O9晶体,随着煅烧温度的升高,在850℃保温2 h的条件下,Ca3Co4O9可以全部转化为条状的Ca3Co2O6晶体。pH值、乙二醇的加入与煅烧温度是影响制备过程的主要因素。乙二醇的使用可以减轻团聚现象,有利于预烧阶段的自燃烧,对晶相的生成没有多大影响。

Ca_3Co_2O_6与掺铜体系的量子化学计算

采用离散变分密度泛函方法计算了Ca3Co2O6及掺铜体系,讨论了电子结构、化学键等与热电性能之间的关系。结果表明,一维Co-O链对材料的电学性能起着主导作用,Ca-O之间的弱结合导致材料具有较低的热导率。价带和导带主要由Co3d、Cu3d和O2p原子轨道贡献,价带和导带之间的能隙宽度表现半导体电子结构特征,且掺铜体系的能隙变窄,离子键和共价键减弱。由此推断,掺铜后体系的热电性能将有所改善。

Ca_3Co_2O_6块体的放电等离子烧结及热电性能研究

采用短时固相反应和放电等离子烧结（SR-SPS）方法，制备了单相多晶Ca3Co2O6陶瓷块，系统研究了制备条件及烧结工艺对Ca3Co2O6陶瓷块显微结构及热电性能的影响。研究表明，950℃下固相反应2h即能得到单相树枝状，尺寸约1～3μm的Ca3Co2O6粉末，延长焙烧时间虽然对物相影响不大，但会引起粉末颗粒长大，不利于SPS烧结；SPS烧结温度强烈影响着Ca3Co2O6陶瓷块的制备，本实验范围内，Ca3Co2O6陶瓷块体的最佳制备条件为950℃固相反应2h，SPS900℃保温5min，此时Ca3Co2O6陶瓷块具有P型半导体特性，电阻率ρ随温度的升高急剧下降，然后趋于平缓（高于600℃）；Seebeck系数S随温度（100℃以上）升高稍有下降，热导率Ⅳ表现为先下降后增加，在500℃时仅为1．73W·m^-1·K^-1综合电性能与热性能结果，其无量纲因子ZT随 温度升高呈上升趋势，在本实验范围内，于700℃下达到最高值0．02。

Ca_3Co_2O_6热电材料的柠檬酸溶胶-凝胶法制备与表征

较系统地研究了柠檬酸盐溶胶-凝胶法制备Ca3Co2O6的过程,分析了煅烧温度与配比浓度对Ca3Co2O6微观结构的影响,并利用TG-DSC,XRD,SEM及EDX等手段对Ca3Co2O6进行了表征。实验结果表明,配比浓度为0.64的干凝胶在850℃下烧成是制备纯相Ca3Co2O6的适宜工艺条件。

Ca_3Co_2O_6氧化物热电材料的研究现状与进展

介绍了Ca3Co2O6基氧化物热电材料的国内外研究现状、结构特征及应用前景,详细综述了提高Ca3Co2O6基氧化物热电性能的主要途径,包括制备工艺的改进、掺杂改性的研究等,着重从Ca位掺杂和Co位掺杂两方面介绍了Ca3Co2O6在掺杂改性方面的研究进展,并提出了该材料当前存在的问题和今后的发展方向。

烧结Caβ~〃-Al_2O_3固体电解质性质的研究

采用直接烧结法制备了Caβ^(?)-Al_2O_3固体电解质。为了与用离子交换法从Naβ^(?)-Al_2O_3得到的Caβ^(?)-Al_2O_3比较,采用交流阻抗谱图法测定了576—1028K的离子电导率及电导活化能;用Wagner非对称极化技术测定了834—920K的电子电导及电导活化能。最后由所测数据计算了离子迁移数。 实验结果表明,直接合成的多晶Caβ^(?)-Al_2O_3,同用离子交换法制成的多晶Caβ^(?)-Al_2O_3一样,具有优良的性能。本测量结果为多晶Caβ^(?)-Al_2O_3的应用提供了必要的数据。

层状钙钛矿结构锰氧化物Ca_3Mn_2O_7的压致结构相变

采用金刚石压砧高压装置 (DAC) ,对层状钙钛矿结构锰氧化物Ca3Mn2 O7的粉末样品进行了高压能散X射线衍射实验。实验结果表明 ,在 0～ 35GPa压力范围内 ,Ca3Mn2 O7晶体结构发生了两次相变。在 1 3GPa左右 ,由原来的四方相转变为正交相 ;在 9 5GPa左右 ,又由正交相向新的四方相转变。

Ca_(10)(Si_2O_7)_3Cl_2∶Eu^(3+)荧光粉的发光特性研究

采用溶胶-凝胶法合成了Ca10(Si2O7)3Cl2∶Eu3+荧光粉,并研究了该荧光粉的微观结构及发光性能。结果显示:Eu3+掺杂Ca10(Si2O7)3Cl2荧光粉属于单斜晶系,颗粒呈现近球体和长方体形状,粒径介于400～500 nm。在395 nm近紫外光激发下,该荧光粉呈红色发射,并有5个分别位于582,594,615,654和705 nm的主发射峰,分别对应于Eu3+的5D0→7F0、7F1、7F2、7F3和7F4特征跃迁。该荧光粉的激发光谱覆盖了320～480 nm这段波长范围,主激发峰位于395 nm。另外,该荧光粉的发光强度随Eu3+掺杂量的提高而增强。

柠檬酸溶胶凝胶法制备Ca_3Co_2O_6粉体及表征

以柠檬酸为络合剂,采用溶胶凝胶法制备出Ca3Co2O6粉体,利用TG DTA,XRD,FT IR,SEM等手段对Ca3Co2O6进行了表征.实验结果表明,干凝胶的煅烧温度在950℃之间,时间2 h,可制备纯相Ca3Co2O6粉体.该粉体的形貌为蠕虫状,直径0.6μm,长约3μm.

废弃鸡蛋壳中碳酸钙制取丙酸钙的工艺条件

本文利用二次反应法制取优质防霉剂丙酸钙((C3H5O2)2Ca),在单因素试验的基础上,再采用二次回归正交旋转组合试验设计得出了丙酸与蛋壳粉反应的回归方程,经方差分析检验显示此模型是极显著的.确定了鸡蛋壳制备(C3H5O2)2Ca的最佳工艺条件为:反应温度77.7℃,料液比为1∶17.4,一次反应时间为1.8h,二次反应时间为55.8min,丙酸用量为理论用量的159.7%,在此条件下,蛋壳制取(C3H5O2)2Ca的得率为98.26%,纯度为96.52%,其它指标均符合HG2921-1999丙酸钙行业标准.

四水硝酸钙熔盐的结构研究

用θ～θ液体衍射仪精确测量了Ca（NO3）2·4H2O熔体的X射线衍射数据，通过数据处理给出了熔盐的结构函数和实验径向分布函数曲线，并由r=0．618λ／sinθ对结构函数曲线进行了定性描述；通过理论模型计算获得了熔体配住结构参数。研究结果表明，熔体中至少存在一种带单氧桥键或双氧桥键的双核配合物；并用计算给出的局域结构模型，讨论了熔体结构对晶体生长过程的影响。

Ca3CO2O6的柠檬酸盐溶胶-凝胶合成、表征及电学性能

具有一维Co-O链的Ca3CO2O6是一类新型高温热电材料。通过柠檬酸盐溶胶-凝胶法合成粉体，采用常压烧结方式制备陶瓷体。结果表明，在700℃煅烧干凝胶就可以生成片状的Ca3CO4O9晶体，随着煅烧温度的升高，在850℃保温2h的条件下，Ca3CO4O9基本转化为短棒状的Ca3CO2O6晶体。Ca3CO2O6为P型半导体，电阻率随着温度的升高而降低，Sccbcck系数随着温度的升高而增加，功率因子也呈现单调增加。

Ca_3NbGa_3Si_2O_(14)晶体光学和热学特性的研究

用提拉法成功地生长了一种具有La3Ga5SiO14(LGS)结构的Ca3NbGa3Si2O14(CNGS)单晶;用X-射线粉末衍射证明了其具有单一相且同LGS同构的单晶结构;DSC实验表明CNGS单晶的熔点为1349.9°C。在293.15～403.15K间测得垂直于z方向的热膨胀系数为1.7×10-6/K,而在283.15和433.15K的温度范围内z方向的热膨胀几乎不变。在300.42K测得晶体的比热为0.763J/mol·K;并在190～3200nm间测其透过谱。