拓扑量子材料的合成、性质及应用

拓扑量子材料因其潜在的奇妙物性和在电子器件上的应用,已成为凝聚态物理领域研究的前沿和焦点。目前在拓扑量子材料中,拓扑超导材料和拓扑磁性材料是两类极具吸引力的体系。尽管对这些材料的研究已取得很大进展,然而对其合成、性质及应用,尤其是在合成方面,仍缺乏系统性的综述。因此,本文重点介绍了两类典型拓扑量子材料的实验制备,并简要介绍了他们潜在的物理性质及应用。最后,我们对拓扑量子材料体系的研究现状和未来发展提出了自己的思考。

用于电卡制冷的聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(55/45)/0.75BiFeO_(3)-0.25BaTiO_(3)复合材料的制备及热导率增强

以聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(55/45)(P(VDF-TrFE)(55/45))作为聚合物基体,0.75BiFeO_(3)-0.25BaTiO_(3)(BFO-BTO)纳米纤维作为填料以提高共聚物的热导率。结果表明,少量的BFO-BTO纳米纤维即可实现共聚物热导率的提高。在75℃时,纳米纤维含量为2%的复合材料的热导率为0.21 W·m^(-1)·K^(-1),几乎是P(VDF-TrFE)(55/45)共聚物膜的2倍。同时,加入纳米纤维后共聚物的电热效应(ECE)几乎没有变化。这些结果表明少量BFO-BTO纳米纤维的加入在有效提高P(VDF-TrFE)(55/45)共聚物热导率的同时能够保持共聚物较高的ECE。

聚乙二醇-四氧化三铁纳米粒子复合材料的结构、物理性质及应用(英文)

在β-环糊精作保护剂条件下,制备了高对称的十八面体四氧化三铁(Fe3O4)纳米材料.通过胶体化学方法,合成了一系列不同起始计量比的聚乙二醇(PEG)和Fe3O4纳米粒子复合物(CM-1-CM-4).这些PEG复合材料展示出重要特性:首先,它们的表面形貌依赖于Fe3O4的计量;其次,PEG的熔化过程受Fe3O4的影响,并且直接与Fe3O4的含量相关;进一步研究表明,除CM-4外,Fe3O4的引入导致PEG结晶度下降,而且Fe3O4纳米粒子量越少,降低幅度越大;更为有趣的是,PEG的降解过程受制于Fe3O4纳米粒子的影响,导致不同降解产物的出现;而且,与纯Fe3O4纳米粒子一样,复合材料中的Fe3O4也显示典型的软铁磁性行为,但饱和磁化强度相对较小;此外,X射线光电子能谱(XPS)实验揭示在这些PEG复合材料中,有从Fe到O的电子转移,Fe电子密度的降低可用来解释复合材料饱和磁化强度的减小;最后,这些PEG复合材料呈现出对有机染料的表面增强拉曼效应,并且这种效应随Fe3O4纳米粒子含量的增加而增加.这些结果将会对聚合物/无机纳米粒子复合材料的发展起到推进作用.

基于尖晶石正极材料的柔性锂离子电池的制备和测试

发展了一种新颖、简单且普适性很强的制备柔性无支撑的电极薄膜方法,并成功地组装和测试了LiMn2O4/Li4Ti5O12,LiNi0.5Mn1.5O4/Li4Ti5O12以及LiNi0.5Mn1.5O4/石墨3种全电池.以这种方法制备的锂离子电池具有能量密度高的特点,在某些特定的领域具有潜在的应用前景.此外,这种技术还有可能应用于锂离子电池的原位光谱分析.

用于高性能锂硫电池隔膜的a-MEGO@g-C_3N_4复合材料（英文）

由于具有高能量密度和环境友好性,锂硫电池成为备受关注的下一代电化学储能系统,然而硫和硫化锂的低电导率和多硫化锂的穿梭效应严重影响锂硫电池的实际比容量和循环性能.本研究制备出了具有高氮含量(原子数分数20.08%)和高比表面积(1000m^2·g^(-1))的a-MEGO@g-C_3N_4复合材料,并将其用作隔膜修饰层.在0.1C(1C=1675mA·g^(-1))的充放电速度下,采用修饰隔膜的电池首次放电容量达1244mAh·g^(-1);在0.5C下循环800次,衰减率为0.062%,两项指标明显优于对比电池.实验研究发现,a-MEGO@g-C_3N_4隔膜修饰后电池性能的提高来源于两方面:(1)高比表面积的a-MEGO@g-C_3N_4通过物理吸附固定多硫化物;(2)g-C_3N_4与多硫化锂通过形成C-S键与Li-N键抑制穿梭效应,并对溶解的活性物质实现再利用.本研究为以g-C_3N_4为基础的高氮碳材料在锂硫电池中的应用提供了可能.

氢氧化钾活化制备超级电容器多孔碳电极材料

具有高比表面积、良好导电性的多孔碳材料在超级电容器中有着广泛的应用前景.大量的研究工作致力于通过物理或者化学手段合成并调控多孔材料的微观结构.在众多多孔碳材料的制备方式中,氢氧化钾作为一种高效的活化剂,常用于制备具有良好孔径分布和高比表面积多孔碳电极材料.本文主要结合作者课题组的研究工作,着重概述利用氢氧化钾活化sp2碳纳米材料制备多孔碳材料的机理过程、结构形貌的转变以及所得材料的电化学性能,以期对发展新型的高性能基多孔碳材料的超级电容器电极材料有所帮助.

掺杂对Sr_(2)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)阳极材料电化学性能影响研究进展

固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的清洁、高效的能量转化器件。传统的金属陶瓷阳极材料存在碳沉积、硫中毒和氧化还原循环稳定性差等缺点,限制了其商业化应用。为了改善金属陶瓷阳极在实际应用中遇到的问题,近年来混合电子-离子导体的钙钛矿陶瓷阳极得到了长足的发展。其中,结构组成为Sr_(2)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)的阳极材料具有较好的稳定性、较高的电导率、合适的热膨胀系数和优异的电化学性能,因而被广泛研究,特别是元素掺杂。本工作根据钙钛矿ABO_(3)可掺杂的位置,分别从A位、B位和O位掺杂进行讨论,总结了各元素掺杂和掺杂量对Sr_(2)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)的容忍因子、晶体结构、稳定性、电导率、热膨胀系数和电化学性能等的影响。这些掺杂策略为改性Sr_(2)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)钙钛矿阳极提供了新颖的思路,此思路也可用于改性其他同类钙钛矿阳极材料。最后总结了Sr_(2)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)和典型钙钛矿陶瓷阳极材料的发展方向:一方面可通过阴离子掺杂和共掺杂策略进一步提高钙钛矿陶瓷阳极材料的性能;另一方面可采用密度泛函理论进一步阐明元素掺杂的作用机制。

掺杂对BaFeO_(3-δ)基固体氧化物燃料电池阴极材料的影响

固体氧化物燃料电池是一种清洁、高效的能量转换装置,其工作效率受阴极的氧还原反应制约,发展高性能阴极材料成为提高固体氧化物燃料电池电化学性能的关键。Fe基钙钛矿氧化物BaFeO_(3−δ)具有较高的氧传输能力,由于BaFeO_(3−δ)在其工作温度内存在相变,因而对热匹配、电导率、电催化性能有不利影响。基于钙钛矿结构特点,通过元素掺杂可以将BaFeO_(3−δ)稳定在立方相结构避免相变的发生。综述了A位、B位元素掺杂对BaFeO_(3−δ)基阴极材料的容忍因子、晶体结构、电导率、氧的非化学计量δ、热膨胀系数和电化学性能等的影响。

兼具高负载量和高性能的碳/硫复合材料的低成本合成

单质硫能够与锂离子在正极发生多电子反应,使得锂硫电池具有高达2567 W·h·kg^-1的理论能量密度,因而锂硫电池也成为了目前锂离子电池的研究焦点。

γ-射线辐照法制备氧化亚锰／石墨烯复合材料及其储锂性能研究

本文利用γ-射线还原制备氧化亚锰／石墨烯复合材料．该实验方法能够在不添加表面活性剂的条件下获得在溶剂中均匀稳定分散的氧化亚锰／石墨烯复合材料其中氧化亚锰纳米粒子的生长速度可控制在0．8nm／h，因此可在避免表面活性剂的情况下实现氧化亚锰颗粒在石墨烯表面的尺寸调控和均匀分散．这些结构特征使得γ-射线还原法制备的氧化亚锰／石墨烯复合材料在用作储锂负极材料时展现出优异的倍率性能：2分钟充电可以获得高达546mA·h／g的质量比容量（相对复合材料质量）．

基于半导体-金属相变材料的宽谱、偏振选择的红外光开关(英文)

提出了一种基于半导体-金属相变材料和掩埋金属光栅结构的新型红外光开关。该结果由电磁场有限元方法计算得到。设计了在近红外波段表现出宽谱的、偏振选择的全光开关效应。掩埋金属光栅极大的提高了二氧化钒薄膜作为光开关的消光比,使得该结构在亚波长尺寸获得了高的消光比。结构的光学响应随入射角变化并不敏感。结构的透过、吸收特性可由结构参数进行调节。此设计在红外光通信、光计算以及军事探测、无损检测等领域具有潜在的应用。

钨原子掺杂的Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene材料在全光谱氮气光固定中的应用

将W原子掺杂到Ti_(3)C_(2)T_(x)MXene材料中,成功制备具有全光谱氮气光固定催化活性的W/Ti_(3)C_(2)T_(x)-U光催化剂。在室温且无任何牺牲剂条件下,该催化剂作用下NH_(3)产率高达228μmol/(g·h)。对W掺杂及超声插层处理对MXene材料催化性能的影响进行研究。采用扫描透射电子显微镜、电子自旋共振波谱、X射线光电子能谱、紫外-可见分光光度计、程序升温化学吸附分析仪及密度函数理论计算等多种方式对所得到的催化剂进行表征及研究。结果表明:Ti_(3)C_(2)T_(x)Mxene可收集紫外-可见光和近红外光以生成热电子;掺杂的W原子作为活性中心,向N_(2)分子的反键轨道贡献电子,使N≡N的键长增加,从而促进N_(2)分子的吸附和活化。

固体氧化物燃料电池无钴钙钛矿阴极材料SrFeO_(3-δ)的掺杂改性

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种清洁、高效的能量转换装置,其性能主要受制于阴极的氧还原反应速率。传统高性能阴极材料以钴基材料为主,其价格昂贵、热膨胀系数大、化学稳定性差等制约了钴基材料的应用。为此,需要大力发展无钴阴极材料,具有钙钛矿结构(ABO_(3))的SrFeO_(3-δ)基材料是一种良好的离子-电子混合导体氧化物,它有巨大的潜力替代钴基材料。通过综述SrFeO_(3-δ)基阴极材料的掺杂改性,总结了A位、B位以及A/B位共掺杂的元素和掺杂量对SrFeO_(3-δ)的晶体结构、氧的非化学计量、热膨胀系数、电导率、氧传输和电化学性能等的影响。这些掺杂方式为发展和改性新型无钴阴极材料提供了一些新颖的策略。

纳米添加物-聚合物界面效应增强PVDF基三聚物纳米复合材料的介电响应

在纳米复合材料中,随着纳米颗粒尺寸的减小,纳米颗粒与聚合物基体间的界面起着越来越大的作用.为此以P(VDF-TrFE-CFE)三元共聚物作为聚合物基体,以低介电系数的SiO_(2)和高介电系数的BaTiO_(3)纳米颗粒为填料研究了界面的增强效应.对于这两种纳米颗粒,当体积分数低于1%时,其介电系数和极化响应均出现异常的增加.这些增加与纳米颗粒本身的介电性能及三聚物的结晶度变化无关.聚合物中的结晶相由非极性结构向极性结构有轻微的转变,因此提高了界面区域的介电响应.对此提出一种界面模型,解释了界面区域的非均匀介电响应是引起该介电现象的主要原因.在某一纳米颗粒含量下,界面区域的重叠可带来纳米复合材料最大的介电响应.

利用电荷分离调控S型异质结光催化氧化产物选择性

半导体光催化技术为太阳能的高效利用提供了巨大的潜力.尽管众多单一半导体材料,如TiO_(2),CdS,g-C_(3)N_(4)等,已被广泛制备并用于光催化反应,但在单一光催化剂中,光生电子和空穴常因强库仑引力作用而迅速复合,导致光催化效率较低,难以实现大规模产业化应用.针对这一问题,开发S型异质结光催化剂成为提高催化效率的有效途径之一.该异质结不仅能实现氧化还原位点在空间上的有效分离,同时保持了较强的氧化还原能力.然而,目前关于空间分离对光催化氧化产物选择性的影响研究较少.因此,深入探究S型异质结光催化剂中空间分离对产物选择性的作用机制,对于优化光催化过程、提高产物选择性具有重要意义.本文构建了具有良好暴露活性位点的2D/2D层状BiOBr/ZnIn_(2)S_(4)S型异质结(BOB/ZIS).实验发现,在纯ZnIn_(2)S_(4)体系中,由于无法实现空间上的有效电荷分离,氧还原反应(ORR)生成的H_(2)O_(2)在光生空穴的作用下进一步转化为•OH(羟基自由基),其氧化能力超过了体系中的光生空穴,导致2,5-呋喃二甲醛被过度氧化为经济性不高的产物呋喃二甲酸.在BOB/ZIS异质结中,我们实现了光生电子-空穴的有效转移和丰富的活性中心利用.ZnIn_(2)S_(4)价带上的电子通过ORR持续生成H_(2)O_(2)(1.15 mmol∙L^(-1),5 h),而BiOBr导带上的空穴则将5-羟甲基糠醛(HMF)氧化为具有高经济价值的2,5-呋喃二甲醛(有机合成中有价值的中间体).这一结果证实了S型异质结中光生电子-空穴的有效空间分离能够同时促进H_(2)O_(2)的产生和HMF的选择性氧化为2,5-呋喃二甲醛.这一发现不仅揭示了S型异质结在光催化反应中的优势,还证实了其相对于传统牺牲剂的经济可行性.原位光照X射线光电子能谱、飞秒超快瞬态吸收光谱和密度泛函理论计算均证实,在BOB/ZIS界面之间构建了S型电荷转移机制,加速了光生电子-空穴对的转移动力学.此外,通过原位傅里叶变换红外光谱研究了催化剂表面HMF氧化过程中官能团的变化,不仅加深了对纯ZnIn_(2)S_(4)体系中HMF过度氧化现象的认识,还揭示了S型异质结在选择性氧化HMF和原位生成H_(2)O_(2)中的独特光催化机制.综上所述,本文构建了2D/2D层状BiOBr/ZnIn_(2)S_(4)S型异质结,不仅实现了光生电子-空穴的有效空间分离,还提高了产物选择性和光催化效率.本文通过深入研究S型异质结在光催化反应中的作用机制,为调控光催化产物提供了新的见解,并为有机合成相关反应中S型异质结的设计提供了借鉴.

打磨引起的残余应力对BaTiO_(3)陶瓷挠曲电响应的影响

铁电陶瓷中测量得到的大的挠曲电响应可以用来源于应力弛豫的自发极化表面层机理来解释。然而,产生极化表面层的应力来源尚未完全清楚。本工作系统地研究了表面应力对不同粒度砂纸打磨的BaTiO_(3)陶瓷的微观结构、介电性能和挠曲电响应的影响。与原始样品相比,打磨后的BaTiO_(3)陶瓷的挠曲电系数由~600μC/m降至200μC/m以下。但经过200℃热处理并且缓慢冷却后,所有样品的挠曲电系数都恢复到~500μC/m。结果表明,打磨在铁电陶瓷的表面层上引入了应力,在一定程度上影响了其挠曲电响应,但打磨引入的应力不是极化表面层形成的主要原因。

NiFeCoAlOOH纳米颗粒修饰钛掺杂纳米多孔赤铁矿光阳极用于高效光电化学水分解

本文利用一种简单的化学配体控制氧化方法,将NiFeCoAlOOH纳米颗粒负载在钛掺杂的纳米多孔赤铁矿光阳极上(Ti-PH),并将其用于光电催化水分解、由于NiFeCoAlOOH能够帮助提升Ti-PH光阳极的析氧反应动力学并且降低表面电荷转移电阻,修饰后的光阳极相对于1.23 V us.RHE时具有2.46 mA/cm^(2)的光电流密度,并且与Ti-PH或空白赤铁矿光阳极相比具有更好的稳定性.此外,对比钛掺杂的纳米多孔赤铁矿光阳极,NiFeCoAlOOH修饰后的光电流的起始电位负移了~60 mV.这项工作为设计高性能、稳定、廉价的光电化学电池提供了一种具有潜力的催化剂修饰方法.

泛素连接酶APC/C参与的泛素化与细胞周期调节

后期促进复合物/细胞周期体(anaphase-promoting complex/cyclosome,APC/C)是一个多功能的泛素连接酶,参与细胞周期、代谢、DNA损伤修复、细胞自噬、凋亡、衰老及肿瘤发生等多种生物学过程。泛素化作为一种重要的翻译后修饰,可通过泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system,UPS)调控蛋白质的降解。APC/C的分子量巨大,由多个亚基组成,在细胞周期调控中具有重要地位,可以通过介导细胞周期相关蛋白质的泛素化降解从而精确调控细胞周期的转换,并受共激活分子CDC20或CDH1的调控。了解APC/C的结构和功能,对于研究细胞周期及蛋白质翻译后修饰等生物学事件至关重要。近年,对APC/C分子结构和组成的解析工作取得了极大的进展,其在肿瘤中的作用及潜在的治疗应用也受到了关注。本文将着重对APC/C的组成和结构、参与泛素化的具体过程、在细胞周期中的调控和被调控机制以及参与肿瘤生成的最新研究进展进行综述。

双相中空纤维膜的氧渗透模拟计算研究

采用相转化/烧结技术制备了致密的Bi1.5Y0.3Sm0.2O3-La0.8Sr0.2MnO3–δ双相复合陶瓷中空纤维膜.所得的中空纤维膜具有非对称结构,靠近膜管内表面部分是指状孔结构,而靠近膜管外表面则是非常致密的结构.中空纤维膜的内部尾端的氧气含量与膜管内外的氧分压、纤维膜的长度等有很大的关系.由于随着氧气的渗透,膜管内的氧分压沿轴向是增大的,可以将膜管均分为n段,采用活塞式流动模型结合Wagner氧渗透理论对双相复合中空纤维膜的氧渗透过程进行了模拟,模拟结果和实测的相符合,对于估算膜组件的氧气生产能力具有很好的指导意义.

Fle掺杂SrC003-δ钙钛矿的结构、电及氧输运性能

采用XRD、DTA、电导和氧渗透测量等手段研究了Fe掺杂SrC003-δ钙钛矿的结构一性能关系．结果表明，随着Fe含量由0增加到0．2，材料的相组成逐渐发生六方相→brownmillerite主相＋六方相→立方相主相＋六方相→纯立方相的变化．随着温度变化，六方相及brownmillerite相与立方相之间发生转变；与此相应，材料的电导率和氧渗透率发生了显著变化．