Dy_(2)O_(3)掺杂抗还原纳米BaTiO_(3)基陶瓷性能研究

采用传统固相合成法制备了BaTiO_(3)-SrCO_(3)-MgCO_(3)-Mn_(3)O_(4-x)Dy_(2)O_(3)-ZrO_(2)-SiO_(2)陶瓷,其中x的取值范围为摩尔分数0~0.8%。该系列陶瓷以1320℃的温度在1%H_(2)+99%N_(2)混合还原气氛中烧结。系统研究了Dy_(2)O_(3)掺杂对纳米BaTiO_(3)基陶瓷的晶格变化、晶粒生长和介电性能的影响。结果表明,掺杂适量的Dy_(2)O_(3)有助于提升BaTiO_(3)陶瓷材料的介电常数、绝缘电阻率以及T_(c)峰值。最终,掺杂摩尔分数0.2%Dy_(2)O_(3)的BaTiO_(3)陶瓷样品表现出了高介电常数(ε_(r)=2914)、良好的绝缘电阻率(ρ_(v)=1.94×10^(11)Ω·cm)和低介质损耗(tanδ=0.7%),且其温度特性符合EIA X7R标准(-55~125℃,ΔC/C_(25℃)≤±15%),表现出作为纳米BaTiO_(3)基电容器陶瓷材料的良好应用潜力。

Cr_(2)O_(3)掺杂UO_(2)芯块晶粒生长动力学研究

本工作采用恒速升温和等温烧结实验方法研究了不同Cr_(2)O_(3)掺杂量UO_(2)芯块的晶粒生长动力学。结果表明,掺杂少量Cr_(2)O_(3)可以提高UO_(2)烧结速度,降低烧结温度。1500~1750℃下烧结,添加0.1wt%、0.5wt%Cr_(2)O_(3)均可以加速芯块致密化进程,添加Cr_(2)O_(3)后,烧结温度可以降低至1600℃,而标准UO_(2)烧结温度需在1700℃以上。掺杂Cr_(2)O_(3)可以明显促进UO_(2)晶粒生长,Cr_(2)O_(3)掺杂量越多,温度越高,UO_(2)晶粒生长速度越快。掺杂0.1wt%Cr_(2)O_(3)的UO_(2)芯块的晶粒生长动力学符合3次方模型,晶粒生长指数n=3,激活能Q=454.2 kJ/mol,掺杂0.5wt%Cr_(2)O_(3)的UO_(2)芯块的晶粒生长动力学符合2.2次方模型,晶粒生长指数n=2.2,激活能Q=371.3 kJ/mol。

β-Ga_(2)O_(3)的p型掺杂研究进展

β-Ga_(2)O_(3)具有超宽禁带宽度、高击穿场强、较高的巴利加优值等优点使其成为一种新兴半导体材料,在高功率电子器件、气体传感器、日盲紫外探测器等方面有着极大的应用潜力,但p型掺杂难的问题成为了β-Ga_(2)O_(3)发展的巨大障碍。本文首先简要概述了β-Ga_(2)O_(3)的优点,并介绍了其晶体结构和基本性质。其次,说明了β-Ga_(2)O_(3)的本征缺陷,尤其是氧空位对导电性能的影响。然后,详细讨论了β-Ga_(2)O_(3) p型掺杂的研究现状,包括p型掺杂困难的原因和N掺杂、Mg掺杂、Zn掺杂、其他受主元素掺杂、两种元素共掺杂以及其他方法。最后,总结并对β-Ga_(2)O_(3)未来的发展进行了展望。

MOFs衍生多孔TiO_(2)/C、N掺杂Fe_(2)O_(3)复合材料的制备及其光催化性能

将TiO_(2)加入NH_(2)-MIL-101(Fe)前驱体中,采用溶剂热法制备TiO_(2)/NH_(2)-MIL-101(Fe),进一步经高温热处理得到TiO_(2)/C、N掺杂Fe_(2)O_(3)复合材料(TiO_(2)/C、N-Fe_(2)O_(3))。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光电子能谱(XPS)、紫外-可见分光漫反射(UV-Vis DRS)和荧光光谱(PL)等方法对所得样品的晶体结构、形貌特征、组成及光谱特性进行表征。在模拟太阳光照射下对罗丹明B(RhB)溶液进行降解,评价其光催化活性。结果表明,C、N均匀掺杂在Fe_(2)O_(3)中,TiO_(2)复合C、N掺杂Fe_(2)O_(3)后禁带宽度减小,模拟太阳光照射2.5 h后,在0.1 g/L TiO_(2)/C、N-Fe_(2)O_(3)复合材料的光催化作用下,10 mg/L罗丹明B的去除率达到95%,速率常速为0.0192 min^(-1),效果较TiO_(2)和C、N-Fe_(2)O_(3)有明显提高。所得复合材料稳定性好、可重复利用。MOFs衍生多孔C、N掺杂Fe_(2)O_(3)与TiO_(2)的复合缩短了带隙,强化了空穴与电子的分离从而提高可见光催化活性。

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%。

Fe、La掺杂和氧缺陷对CeO_(2)表面吸附As_(2)O_(3)的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论研究了As_(2)O_(3)(g)在Fe、La掺杂CeO_(2)(110)表面及氧缺陷LaCeO(110)表面的吸附行为,探索了LaCeO表面砷吸附能力显著高于FeCeO表面的主要原因。结果表明,As_(2)O_(3)(g)的吸附效果与吸附位点数量、吸附能、键长和电荷转移密切相关。纯CeO_(2)表面的吸附主要为化学吸附,吸附能绝对值大于−4.22 eV,电荷转移量为(−0.19)−(−0.31)e,As_(2)O_(3)得到电荷带负电,起表面受主作用,因此吸附量较小。FeCeO(110)表面新增Fe顶位和Bridge-2桥位两个吸附位,其中,Fe顶位为化学吸附,Fe掺杂改变了FeCeO表面电子分布和晶格结构,但并未改变As_(2)O_(3)与FeCeO之间的电荷转移方向,因此,As_(2)O_(3)仍呈负离子形式吸附。LaCeO(110)表面新增了三个吸附位:La顶位、Bridge-3桥位和Hollow-2空位,La掺杂改变了As_(2)O_(3)与LaCeO之间的电荷转移方向,使得As_(2)O_(3)失电子呈正离子吸附,起表面施主作用,因此,吸附能力增强。无O_(2)环境下,单一O缺陷LaCeO(110)表面吸附能力低于完整LaCeO表面;有O_(2)环境下,O缺陷有利于As_(2)O_(3)的吸附。

掺杂Al_(2)O_(3)对LiNbO_(3)压电陶瓷组织和性能的影响研究

通过真空热压烧结法在900℃、35 MPa下保温120 min制备铌酸锂(LiNbO_(3),简称LN)压电陶瓷,研究掺杂不同含量的Al_(2)O_(3)对其压电性能的影响。通过物相、密度、微观组织、压电性能和介电性能分析发现,在0.5%~3%(摩尔分数)Al_(2)O_(3)掺杂量范围内,所有LN压电陶瓷样品的主体衍射峰位置相同、峰形尖锐,均为类钙钛矿结构;随着Al_(2)O_(3)掺杂量的增加,LN压电陶瓷晶粒尺寸逐渐减小,气孔增大、增多,密度和压电常数d_(33)均呈先增大后减小的趋势,均在Al_(2)O_(3)掺杂量为1%时达到最大,分别为4.65 g/cm^(3)和11.3 pC/N,此压电常数相较于激光烧结法制备的LN压电陶瓷提高了88.3%。在1 MHz测试频率下,LN压电陶瓷的相对介电常数随着Al_(2)O_(3)掺杂量的增加而逐渐增大。

Al_(2)O_(3)掺杂CaO吸附剂长周期CO_(2)捕集性能研究

CaO是一种高效廉价的CO_(2)吸附剂,但其在循环使用过程中易烧结,导致其捕集CO_(2)的能力大幅衰减,无法长周期循环应用。以半惰性Al_(2)O_(3)掺杂CaO制备钙铝复合吸附剂,采用热重吸/脱附的方法研究了复合吸附剂的捕集性能及循环稳定性,并采用室温空气再生方法深入研究了钙铝复合吸附剂的再生性能,建立了再生性能与循环次数的关系。结果表明,因惰性骨架物相Ca3Al2O6的建立与微观纳米结构的形成,Al_(2)O_(3)的掺杂使钙铝复合吸附剂的捕集性能、循环稳定性和再生性能均大大优于纯CaO吸附剂。经100次循环后,钙铝复合吸附剂的CO_(2)吸附容量和碳酸化转化率在n(Ca):n(Al)=10:1时分别可达0.23 g/g和34.0%,在n(Ca):n(Al)=10:2时分别保持在0.19 g/g和32.8%,但n(Ca):n(Al)不宜超过10:2。进一步通过吸附剂的失活数学模型验证发现CaO吸附剂的烧结是不可逆的,Al_(2)O_(3)的掺杂可抑制CaO吸附剂的烧结,同时保持钙铝复合吸附剂的再生活性。经两次空气再生的钙铝复合吸附剂(n(Ca):n(Al)=10:2)的碳酸化转化率基本保持不变,100次循环后仍为32.7%。

Al掺杂对β-Ga_(2)O_(3)薄膜光学性质的影响研究

近年来,半导体器件向着高散热性、高击穿场强和低能耗的方向发展,因此超宽禁带半导体材料β-Ga_(2)O_(3)具有广阔的应用前景,而有效掺杂是实现β-Ga_(2)O_(3)器件的基础。实验采用磁控溅射法制备Ga_(2)O_(3)/Al/Ga_(2)O_(3)/Al/Ga_(2)O_(3)复合结构,经高温退火使Al原子热扩散进入薄膜中,形成Al掺杂的β-Ga_(2)O_(3)薄膜。采用激光区熔法使薄膜区域熔化再结晶,进一步提升掺杂质量。对Al掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜的晶体性质、杂质含量及光学性质进行了测试表征。结果表明:Al掺杂不改变β-Ga_(2)O_(3)薄膜的晶体结构;随着Al层溅射时间延长,掺杂含量逐渐增加;当Al溅射时间为5和10 s时,薄膜紫外吸收率分别为40%和50%;随着Al溅射时间的增加,Al掺杂β-Ga_(2)O_(3)薄膜紫外区域光吸收率逐渐增强,Al溅射时间为300 s时,β-Ga_(2)O_(3)薄膜的光吸收率接近90%;低浓度的Al掺杂会导致β-Ga_(2)O_(3)薄膜的禁带宽度变窄。

基于第一性原理GGA+U方法研究Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)电子结构和光电性质

采用基于密度泛函理论的GGA+U方法,计算了本征和Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)的形成能、能带结构、态密度、差分电荷密度和光电性质.结果表明,Si取代四面体Ga(1)更容易实验合成,得到的β-Ga_(2)O_(3)带隙和Ga-3d态峰值与实验结果吻合较好,且贫氧条件下更倾向于获得有效掺杂.Si掺杂后,总能带向低能端移动,费米能级进入导带,呈现n型导电性;Si-3s轨道电子占据导带底,电子公有化程度加强,电导率明显改善.随着Si掺杂浓度的增加,介电函数ε_(2)(ω)的结果表明,激发导电电子的能力先增强后减弱,与电导率的量化分析结果一致.光学带隙增大,吸收带边上升速度减慢;吸收光谱结果显示Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)具有较强的深紫外光电探测能力.计算结果将为下一步Si掺杂β-Ga_(2)O_(3)实验研究和器件设计的创新及优化提供理论参考.

N掺杂FeNi催化剂提升Fe_(2)O_(3)光阳极析氧活性

光电催化分解水技术可将太阳能直接转化为清洁、可储存的氢能源,然而目前光阳极普遍存在析氧动力学缓慢、光生载流子复合快等问题导致太阳能分解水转换效率较低.我们在Fe_(2)O_(3)纳米棒光阳极表面修饰N掺杂FeNi催化剂(Fe_(2)O_(3)-FNNO),在1.23 V时光电流密度达到2.5 mA·cm^(-2)(AM 1.5G,100 mW·cm^(-2)),相比未修饰Fe_(2)O_(3)光阳极性能提升2.5倍(1.0 mA·cm^(-2)).进一步研究表明,FeNi催化剂与Fe_(2)O_(3)之间的N-O界面键合能够有效促进光生电子-空穴高效分离与转移,光生空穴快速转移至FeNi催化剂表面活性位,从而大幅度提高析氧催化活性与稳定性.该研究工作为构筑高效稳定的Fe_(2)O_(3)光阳极提供了新的研究思路.

V、Nb和Mn掺杂α-Bi_(2)O_(3)的光电性质研究

氧化铋(Bi_(2)O_(3))作为光催化剂,在废水处理方面拥有良好的发展前景。基于密度泛函理论的第一性原理计算,分析了钒(V)、铌(Nb)以及锰(Mn)掺杂Bi_(2)O_(3)的电子结构和光学性质。根据计算结果,半导体在离子掺杂后其禁带宽度明显缩小,此外在费米能级附近产生新的杂质能级,电子跃迁所需能量减少,导电性增加;光学性质表明掺杂体系吸收边发生红移,增强了可见光的吸收范围,为Bi_(2)O_(3)在光催化领域的应用提供了理论基础。

Fe_(3)O_(4)掺杂改性电极电化学去除Pb^(2+)的效能研究

为了实现水体中Pb^(2+)的高效电化学去除,采用涂覆法将Fe_(3)O_(4)、粉末活性炭、乙炔黑和聚乙烯醇混合后负载于石墨纸上,制备得到了Fe_(3)O_(4)掺杂改性电极。采用差分柱批式反应器模式进行电化学去除Pb^(2+)实验,考察了电压、温度、运行时间、Pb^(2+)质量浓度对去除Pb^(2+)的影响并评估了电极的重复利用性和稳定性。结果表明,所制备的电极表面孔隙丰富,孔径均匀。电压为1.4 V时,运行150 min后电化学体系对Pb^(2+)的去除率达到了98.73%,延长运行时间可以显著强化Pb^(2+)的去除率。在10~35℃的温度范围内,温度升高有利于Pb^(2+)的电化学去除,电化学体系在不同的Pb^(2+)浓度下均有较好的适用性和适应性,随着Pb^(2+)初始浓度的升高,处理单位体积含Pb^(2+)废水的能耗逐渐增加,但去除单位质量Pb^(2+)的能耗反而降低,拟合结果表明Pb^(2+)的去除过程符合准一级动力学。经过8次循环后,电化学体系仍保持原有的Pb^(2+)去除效果。

低成本Nb掺杂Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)固态电解质的性能与应用研究

固态电池因其在能量密度、循环寿命和安全性等方面的优异性能受到关注。其核心组件为固态电解质材料。具有石榴石结构的Li_(7)La_(3)Zr_(2)O_(12)(LLZO)氧化物固态电解质由于具备宽电化学窗口、良好的离子传导性、稳定的化学性能及简单的制备工艺等特点而得到广泛研究。本研究采用Nb元素对LLZO进行掺杂,成功制备得到Li_(6.75)La_(3)Zr_(1.75)Nb_(0.25)O_(12)(LLZNO)氧化物固态电解质,其离子电导率达到了7.79×10^(-4)S/cm,且制备成本与未掺杂的LLZO相比无明显增加。将其涂覆在聚乙烯(PP)隔膜表面形成PP-LLZNO隔膜,表现出良好的热稳定性和离子电导率。与Al_(2)O_(3)涂覆隔膜或固态电解质Li_(6.75)La_(3)Zr_(1.75)Ta_(0.25)O_(12)(LLZTO)涂覆隔膜组装的电池相比,组装了PP-LLZNO涂覆隔膜的扣式电池和软包电池的容量保持率分别达到了84.99%(50圈)和57.40%(100圈),展现出更优异的性能。因此,高离子电导率和低成本LLZNO的制备对固态电解质的大规模生产及在固态电池中的广泛应用具有一定的参考意义。

非金属P掺杂对In_(2)O_(3)电催化CO_(2)还原性能的影响机制

利用可再生的电能将CO_(2)还原为高附加值的化学品和燃料,对于缓解温室效应并实现碳中和具有重要的意义。开发了一种简单有效的方法制备非金属P元素掺杂的In_(2)O_(3)纳米颗粒,并将其用于电催化CO_(2)还原制甲酸盐。在H型电解池中,在-1.45 V vs.RHE电位下,P掺杂的In_(2)O_(3)纳米催化剂的产甲酸法拉第效率达到88.2%,同时具有优异的稳定性。进一步的实验分析和理论研究表明,掺杂在In_(2)O_(3)晶格中的P元素显著促进了CO_(2)分子的吸附和活化,降低了形成*HCOO中间体的吉布斯自由能,同时加强了对*HCOO的吸附作用,最终促进了甲酸盐的合成。阐明了非金属元素P掺杂对提升CO_(2)还原反应性能的分子机制,同时也为其他金属氧化物基的高性能电催化剂的设计提供了一种可行的策略。

Al_(2)O_(3)掺杂对烧结钕铁硼磁体电阻率和磁性能的影响

采用晶间掺杂法在钕铁硼合金粉体中掺入Al_(2)O_(3),制备了Al_(2)O_(3)掺杂的烧结钕铁硼磁体,研究了Al_(2)O_(3)掺杂对钕铁硼磁体的电阻率、磁性能和微观结构的影响。结果表明:磁体电阻率随着Al_(2)O_(3)掺杂量的增加逐步提高,由未掺杂时的125.2μΩ·cm提高到Al_(2)O_(3)掺杂量为0.5 mass%时的144.4μΩ·cm,提高了15.3%;磁体矫顽力随着Al_(2)O_(3)掺杂量的增加呈先增大后减小的趋势,未掺杂磁体的矫顽力为13.28 kOe,当Al_(2)O_(3)掺杂量为0.3 mass%时,矫顽力达到最大值14.97 kOe,继续增加Al_(2)O_(3)掺杂量,磁体矫顽力开始下降;剩磁随着Al_(2)O_(3)掺杂量的增加逐步降低,由未掺杂时的13.97 kGs下降到Al_(2)O_(3)掺杂量为0.5 mass%时的12.69 kGs。掺杂适量的Al_(2)O_(3)有利于抑制磁体在烧结过程中的晶粒长大,从而起到细化晶粒的作用,提高磁体矫顽力,同时对温度稳定性也起到一定改善作用。

植物补光用In^(3+)掺杂Zn_(3)Ga_(2)Ge_(2)O_(10)∶Cr^(3+)远红光发光材料的性能研究

采用高温固相法制备了Cr^(3+)掺杂的远红光荧光粉,并通过引入In^(3+)对Zn_(3)Ga_(2)Ge_(2)O_(10)∶Cr^(3+)发光特性进行了调控。通过XRD对Zn_(3)(Ga_(1-x)In_(x))_(2)Ge_(2)O_(10)∶2%Cr^(3+)(摩尔分数)的晶体结构进行了分析。利用室温荧光光谱和热释光光谱分析了Zn_(3)(Ga_(1-x)In_(x))_(2)Ge_(2)O_(10)∶2%Cr^(3+)的发光特性,其发射光谱由^(4)T_(2)(^(4)F)→^(4)A_(2)和^(2)E→^(4)A_(2)跃迁的705、721 nm两发光峰叠加而成。随着Zn_(3)(Ga_(1-x)In_(x))_(2)Ge_(2)O_(10)∶2%Cr^(3+)中In^(3+)掺杂浓度增加,材料发射光谱呈现展宽的现象,这是Cr^(3+)所处晶体场环境的改变导致了晶体场劈裂程度的变化。光谱展宽后荧光材料的发光特性与植物中光敏色素吸收谱更加匹配,因此其有望应用于植物照明领域。此外,随着In^(3+)掺杂浓度增加,荧光材料表现出红色长余辉现象,并且余辉时间与In^(3+)掺杂浓度有关。

LaNbO_(4)掺杂对Na-β"-Al_(2)O_(3)固态电解质性能的改善

离子导体陶瓷材料的高断裂强度和优异热稳定性对于解决目前困扰碱金属电池发展的热失控问题具有重要意义,但其在室温下表现出的较高离子传输阻力限制了全固态电池的实际性能。以Na-β"-Al_(2)O_(3)(SBA)这一具备独特层状二维Na^(+)传导结构的离子导体陶瓷为研究对象,通过合成具备“微弹性”特点的LaNbO_(4)陶瓷作为第二相来对SBA的晶粒间隙进行填充修饰,以改善SBA在室温下的离子传导性能。结果表明,0.50 wt.%的LaNbO_(4)掺入量对SBA的提升效果最佳,修饰后的SBA室温离子电导率达到了2.061 mS·cm^(-1)。对应的活化能也从纯相SBA的0.1714 eV降低到了0.1545 eV。陶瓷横截面的SEM图像表明,合适比例的LaNbO_(4)掺入不仅提高了SBA的烧结致密度,也改善了SBA的晶体生长趋势,因此修饰后的SBA的阻抗值发生了降低。在室温全固态对称钠电池的恒流循环实验中,使用掺杂SBA组装的对称电池能够以更低的电压运行也从实验层面上印证了上述观点。

Dy_(2)O_(3)掺杂对MnZn铁氧体的结构及高频电磁特性的影响

采用固相反应法制备了Dy_(2)O_(3)掺杂MnZn铁氧体,分别采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)、LCR表以及B-H仪等对样品的结构和电磁性能进行表征。结果表明,在Dy_(2)O_(3)掺杂量为0~0.1 wt%,样品均为单相立方尖晶石结构;当Dy_(2)O_(3)掺杂量为0.05 wt%,样品呈现出较大的晶粒尺寸和密度,此时,具有最大的饱和磁化强度95.8 A·m^(2)/kg和最小的矫顽力55.9 A/m;起始磁导率提高至845,相对于未掺杂样品增幅为32%,在1 MHz、50 mT、25℃的测试条件下,损耗降低幅度为20%;此外,利用等效电路模型对不同Dy_(2)O_(3)掺杂量样品进行了晶粒电阻和晶界电阻分离,并初步分析了Dy元素影响MnZn铁氧体涡流损耗的机制。

Zn_(3)(VO_(4))_(2):xDy^(3+)黄色荧光粉的制备与性能

以氧化锌和五氧化二钒为原料,氧化镝为掺杂离子,利用高温固相法合成了一系列的掺杂稀土镝的钒酸锌黄色荧光粉。对其光学性能进行了研究,结果表明,所制备的粉体都保持了矾酸锌的结构,并且荧光粉的发射光是VO_(4)^(3+)基团和Dy所致。当激发波长为350 nm时,其发射峰是位于510~595 nm的宽带状光谱,主峰位于563 nm处。研究了合成温度和Dy掺杂浓度对发光性能的影响,结果表明,当合成温度为800℃和Dy掺杂摩尔分数为6%时,Dy^(3+)能很好地进入到矾酸锌的晶格中,减小了荧光材料光学带隙,增强了光的吸收性能。暗室环境下封装后的荧光粉LED芯片具有良好的黄色发光性能。