新世纪的基石 新世纪的缤纷——新型材料与工程研究开发在中国科技大学之一斑

新材料、新技术是当今人类历史发展阶段的鲜明特征 ,也是 2 1世纪持续发展的基石。材料科学与工程学科领域的人才培养和先进材料的研究开发一直是我国重点高等学校的重要任务之一 ,本文简要回顾中国科技大学自建校以来在新型材料与工程研究开发的历程和现况 。

新能源材料为高水平科技自立自强充电

习近平总书记在中央政治局第三次集体学习时强调要“加强基础研究,从源头和底层解决关键技术问题”。当前,新一轮科技革命和产业变革突飞猛进,科学技术和经济社会发展加速渗透融合,基础研究转化周期明显缩短,国际科技竞争向基础前沿前移。我国的新能源材料领域目前在科技革命中勇立潮头,这与能源、材料、化学等领域长期、大量基础研究的积累与关键技术的突破密不可分。

La_(0.5)RE_(0.3)Sr_(0.2)FeO_(3-δ)(RE=Nd、Ce、Sm)体系双稀土阴极材料的制备与电性能

采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)合成了La0.5RE0.3Sr0.2FeO3-δ(RE=Nd、Ce、Sm)系列复合氧化物粉体.用X射线衍射(XRD)和TG-DSC分析了样品钙钛矿物相的形成过程,用Archimedes排水法测量体积密度并计算烧结样品的相对密度,用四端子技术测量电导率.结果显示,掺Nd的样品1200℃烧结2h成为单一立方钙钛矿结构,掺Ce样品有明显的CeO2立方相析出,掺Sm样品主相为钙钛矿结构伴有微弱的杂峰.1250℃烧结2h的La0.5Nd0.3Sr0.2FeO3-δ在600℃时电导率高达100S·cm-1以上,明显高于La0.5Ce0.3Sr0.2FeO3-δ及La0.5Sm0.3Sr0.2FeO3-δ样品的电导率,预示着La0.5Nd0.3Sr0.2FeO3-δ可能是一种良好的中温固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料.

La_(1-x)Sr_xFeO_(3-δ)系钙钛矿材料的表征和性能

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La1-xSrxFeO3-δ(x=0.0￣0.6)系列粉体。用FTIR、TG-DTA、XRD等对产物形成过程及结晶学特征进行了研究,考察了合成样品与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)的化学相容性;利用碘滴定法测定了该系列产物中Fe元素的平均表观化合价和氧的非化学计量值。结果表明,所合成的系列样品均形成具有ABO3型结构的钙钛矿固溶体。随A位取代Sr含量的增加,IR谱图上560cm-1附近B-O键伸缩振动的红外吸收峰蓝移,意味着钙钛矿产物中Fe-O键的共价性成分增强。实验还发现,Fe元素的平均化合价先随样品中Sr含量的增加而升高,并以La0.6Sr0.4FeO3-δ样品达最高,而后降低;样品中氧的非化学计量值则随掺Sr量的增加单调增大。四探针法电导测量结果表明,在x≤0.4时,La1-xSrxFeO3-δ系列陶瓷烧结体在中温(450￣800℃)区的电导率,随Sr掺入量的增大而增大,La0.6Sr0.4FeO3-δ样品的电导率最高,进一步增大Sr含量导电性能变差。在低温段,样品的导电行为符合小极化子导电机制。该系列材料与SDC电解质材料具有良好的化学相容性。

基于Nano-CT技术研究多孔陶瓷材料的三维结构

陶瓷材料体内的多孔结构对其性能影响很大,因此研究陶瓷的多孔结构具有重要的意义。但现有的表征技术均不能够观察这种多孔的三维结构。本文采用Nano-CT成像技术对相转化制备的陶瓷中空纤维管壁内的孔结构进行了三维无损观察,得到了壁内孔的形状、走向、孔径分布以及三维结构图,并计算了孔径的大小为0.4–1.5μm,孔隙率为38.31%。从而可以为改善其制造工艺、优化结构参数提供依据,使其更好地在化工、能源、环保等多个领域得到广泛应用。

Ba0.4Sr0.6Co1-xFexO3-δ系阴极材料的制备和表征

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba_0.4Sr_0.6Co_(1-x)Fe_xO_(3-δ)(x=0.0～0.8)系列粉体。利用XRD和SEM对材料的结构和微观形貌进行分析,用直流四端子法测量了烧结陶瓷体在中温(450～800℃)范围内的电导率。结果表明,制备的样品为单一钙钛矿相,随着Fe含量增加,XRD衍射峰值向高角度方向稍有偏移。电导率随着温度及Fe含量的变化出现极大值,在x<0.2时,Ba_0.4Sr_0.6Co_(1-x)Fe_xO_(3-δ)系列烧结体在中温(450～800℃)区的电导率,随Fe掺入量的增大而增大,x=0.2样品的电导率最高,800℃时达244.7S·cm^-1,远超过文献报道值,进一步增大Fe含量导电性能变差。

碱金属掺杂的铁系陶瓷湿敏材料特性研究

本文报导了碱金属掺杂对以 Fe_2O_3为基的陶瓷材料湿敏特性影响的研究结果。碱金属掺杂对改善材料敏感性与微组织结构有显著作用。研究发现,K^+,La^(3+)等离子的掺杂能明显降低材料固有阻值,提高低湿区敏感特性,改善阻—湿特性的线性关系。文中对水法处理与多元掺杂对减小材料湿滞,提高感湿灵敏度的作用机制给予了讨论。

宽带隙半导体材料SiC研究进展及其应用

SiC是第 3代宽带隙半导体的核心材料之一 ,具有极为优良的物理化学性能 ,应用前景十分广阔 .本文综合介绍SiC的基本特性 ,材料的生长技术 (包括体单晶生长和薄膜外延生长技术 ) ,SiC基器件的研发现状 ,应用领域及发展前景 .同时还介绍了作者用脉冲激光淀积法在Si衬底上制备出单晶 4H

La_(0.2)Ba_(0.8)(Co_(0.2)Fe_(0.8))_(1-x)Zr_xO_(3-δ)透氧膜材料的微结构与氧分离性能研究

采用固相法制备了La0.2Ba0.8(Co0.2Fe0.8)1-xZrxO3-δ(x=0、0.05、0.1、0.15)片状陶瓷膜,用稳态法测试了不同成分制备样品的透氧性能,并利用XRD和SEM手段分析研究了样品的相结构和晶粒形貌及它们对材料性能的影响.研究表明:固相法较难合成x=0的纯钙钛矿相,可用改进的Pechini法合成,另B位Zr的替代有利于去除材料中非钙钛矿杂相;x=0.1的样品中有少量BaZrO3析出,并导致晶粒细化(1-2μm),而这种微结构状态稳定且不受高温长时间退火和氧分压梯度的影响.晶粒细化样品的力学性能和氧渗透性能均有较大提高,x=0.1的样品较x=0样品的氧渗透性能提高了一个数量级,在1010℃,样品厚1.2mm时体系的透氧率达到4.6×10-7mol·cm-2·s-1.

YFe_(1-y)Co_yO_3半导体气敏材料的制备和性能研究

用化学共沉淀法制备了ＹＦｅ１－ｙＣｏｙＯ３(０．０≤ｙ≤０．５０)固溶纳米晶微粉,并对其制备条件、物相组成、微结构、电导和气敏效应作了系统研究．结果表明:钴Ｂ位掺杂铁酸钇材料呈典型的Ｐ型半导体导电行为,同温下固溶体电导不仅大于纯相ＹＦｅＯ３的电导而且随湿度增加其电阻迅速下降;２４３℃下ＹＦｅ０．９Ｃｏ０．１Ｏ３传感器元件对乙醇有较高的灵敏度和良好的选择性．有望开发为一类新型Ｃ２Ｈ５ＯＨ信息敏感材料．

Sb_xSn_(1-x)O_2固溶体系电学性能与导电机制研究

本文报道以均匀共沉淀法制得 Sbx Sn1 -x O2 体系半导体气敏材料 ,研究了固溶体组成与电导的变化规律 ,并对导电机制进行了讨论。结果表明 :x<0 .30时均可生成固溶体。微量 Sb(x=0 .0 4 )的掺入即能提高 Sn O2 电导一个数量级 ,在 x≤ 0 .0 4区间电导都呈上升趋势 ,其后一直到固溶范围内随着 X增加 ,电导反而缓慢下降。根据体系中存在的 Sb°Sn和 Sb′Sn两种缺陷 ,讨论了其电导变化和导电机制。认为平衡 Sb°Sn+2 e′=Sb′Sn对上述导电机制起决定作用。XPS分析对 Sb5+、Sb3 +的含量进行了确认 ,交流阻抗谱的测试结果从另一角度对电导行为加以证实。

固体氧化物燃料电池Ni/SDC阳极材料的制备与表征

采用一种改进的均相共沉淀法—缓冲溶液法合成出NiO Ce0.8Sm0.2O1.9复合粉体,对其相组成和粒度进行了表征。以NiO Ce0.8 Sm0.2O1.9复合粉体为原料制备出固体氧化物燃料电池Ni/SDC阳极材料,对其微结构和相关性能进行了测试分析,并与由机械混合NiO SDC粉体所制备的Ni/SDC材料进行了比较。结果表明,通过缓冲溶液法合成的NiO SDC粉体具有纳米级粒度,以其制备的Ni/SDC阳极材料比由机械混合粉体所制备Ni/SDC材料的晶粒度和孔隙更为均匀和细小,电导率也更高,且以此为阳极的SOFC单电池表现出更优异的电池性能。

Pr_(0.6-x)Nd_xSr_(0.4)FeO_(3-δ)电极材料的光谱及性能研究

以柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了ABO3型钙钛矿结构的Pr0.6-xNdxSr0.4FeO3-δ(x=0.0～0.6)系列稀土复合氧化物粉体。利用傅立叶变换红外光谱(FTIR)和激光共焦拉曼光谱(LRS)对产物的晶体结构进行了表征。分别采用热膨胀仪测定烧结陶瓷体的热膨胀系数(TEC);TG-DTA记录材料的热稳定性;XRD研究阴极材料与中温电解质Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)及La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)的化学相容性;SEM观察阴极/电解质复合材料的断口形貌。结果表明,该系列样品在高、低温热循环过程中化学稳定、晶型稳定;在室温至1100℃范围内的平均热膨胀系数为1.16×10-5K-1,与SDC及LSGM的热膨胀系数十分接近。阴极/电解质混合粉体1200℃煅烧10h,XRD未检测到新物质;SEM显示复合层断面界面清晰,没有相互扩散现象。该体系有望成为以SDC或LSGM为电解质的中温固体氧化物燃料电池合适的阴极材料。

一种新型丙酮气敏材料CdIn_2O_4的制备与表征

用化学共沉淀法制备出纳米CdIn2O4超微粉，研究了制备条件对材料相结构的影响．对其电导研究表明，纳米CdIn2O4的导电性受气氛影响很大，在空气中受表面吸附氧的数量和状态的影响，呈n型半导体的特性，有和SnO2一样的典型电导一温度曲线，而在氩气中则更多呈现出金属导电性．对CdIn2O4气敏性能研究表明，由CdIn2O4纳米粉制成的旁热式厚膜气敏元件在350℃对两酮有较高的灵敏度和选择性．

中温固体氧化物燃料电池Pr_(1.2)Sr_(0.8)NiO_4阴极材料的制备、结构和性能(英文)

以相应的氧化物粉末和盐为原料,通过甘氨酸-硝酸盐法合成出了中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)Pr1.2Sr0.8NiO4(PSNO)阴极原料粉体,并制备出了烧结体试样.采用X射线衍射(XRD)分析对所合成粉体的相组成进行了分析,分别采用热膨胀仪和四端子法对PSNO烧结体试样的热膨胀系数和电导率进行了测定,同时对该阴极材料与Sm0.2Ce0.8O1.9(SCO)电解质材料的电化学阻抗谱(EIS)进行了测试分析.以SCO作电解质,分别以NiO/SCO和PSNO作阳极和阴极材料,制备出固体氧化物燃料单电池,并对其性能进行测试.实验结果表明,通过甘氨酸-硝酸盐法,在1050℃以上煅烧前驱体,可以获得具有K2NiF4结构的PSNO粉体.所制备的PS-NO烧结体试样在200-800℃间的热膨胀系数约为12×10-6K-1,在450℃下的电导率约为155S·cm-1,在400-800℃,平均电导活化能为0.034eV.电化学阻抗谱分析结果表明,在700℃下PSNO阴极和SCO电解质间的比表面阻抗(ASR)为0.37Ω·cm2,而Ni-SCO/SCO/PSNO单电池的比表面阻抗为0.61Ω·cm2;所制备的SOFC单电池在800℃下的输出功率为288mW·cm-2,开路电压为0.75V.本研究的初步结果表明PSNO材料是一种综合性能较为优良的新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料.

缓冲溶液法制备钴酸锶钐阴极材料及其性能

以硝酸盐为前驱体，NH3·H2O-NH4HCO3为沉淀剂，用缓冲溶液法制得了Sm1-xSrCoO3复合沉淀物，将其在800～1000℃不同温度煅烧5h。用x射线衍射、透射电镜对煅烧产物的相组成和微观形貌进行了测定。所制备的（Sm1-xSr2CoO3）粉体模压成形后，在1000～1200℃进行烧结。用Archimedes排水法测定了烧结体的密度和孔隙率。用扫描电镜对烧结体的微观结构进行了观测。用直流四端子法测定了烧结样品的电导率。实验结果表明：缓冲溶液法所获得的沉淀物在800℃煅烧形成了具有钙钛矿结构的Sm1-xSrxCoO3粉体，其粒度均匀细小，形状规则。在一定的烧结温度，Sm1-xSrxCoO3烧结体具有多孔结构。随着烧结温度的增加，烧结体密度增大，孔隙率和孔径减小。Sr的掺入，使Sm1-xSrxCoO3烧结体的电导率明显高于未掺杂的SmCoO3。在500～800℃，Sm1-xSrxCoO3材料的电导率随温度的增高而降低。在500℃，样品Sm0．6Sro4CoO3的电导率可达2700S·cm^-1。

微波固相反应合成La_(1-x)Sr_xCoO_3阴极材料的研究

以碳酸盐或氧化物为原料,采用微波固相反应合成技术成功地合成了纯钙钛矿结构的La1-xSrCoO3(LSC,x=0.10～0.50)粉体。研究表明:La2O3和SICO3是2.45 GHz微波透明材料,而Co3O4则具有很强的微波偶合吸收能力;La2O3,SrCO3,Co3O4混合料中SrCO3含量对混合物的微波吸收行为以及LSC的合成条件有很大影响。与传统的固相反应合成法相比,微波固相反应合成法的反应合成时间大大缩短,在输出功率700～800 W条件下,反应时间≤25 min,这归因于反应物与微波的直接偶合和反应物对微波能量的高效率吸收。

固体氧化物燃料电池致密电解质薄膜制备技术

鉴于固体氧化物燃料电池(SOFC)在高温运行时存在的种种问题,电解质薄膜的厚度,降低其运行温度,是解决这些问题的重要途径.本文分别综述了目前常用的SOFC致密电解质薄膜的制备工艺,如化学法、物理法、陶瓷粉末法等,评述了它们的优缺点,并介绍了采用上述方法制备电解质薄膜的性能和用于电池研究的实验结果.

纳米Hg_2Cl_2/Al_2O_3有序阵列体系的制备和表征

We have prepared ordered porous alumina membrane. Metal Zn was deposited within the pores of alumina membrane by direct current. The alumina membrane with Zn in the pores was immersed in HgCl 2 solution and Hg 2Cl 2/Al 2O 3 ordered array was synthesized by utilizing Zn reduced HgCl 2. The XRD and TEM measuring demonstrated Hg 2Cl 2 located in the pores of alumina membrane and the diameters range from 30 to 80 nm.

固体氧化物燃料电池阳极材料的制备和性能研究新进展

作为固体氧化物燃料电池 (SOFC)关键材料之一 ,阳极材料的性能对整个SOFC的性能有着十分重要的影响。概述了SOFC阳极材料的最新研究动态 ,重点对以钇稳定氧化锆 (YSZ)、掺杂氧化铈 (DCO)、以及镓酸镧 (La GaO3 )作电解质时SOFC阳极材料的选择 ,不同结构类型SOFC中阳极的制备方法 ,以及阳极的热学、电学及电化学性能的研究现状进行总结。