二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的研究进展

太阳能作为自然界中丰富的可持续清洁能源,可以在解决当前能源短缺问题的同时有效减少因过度消耗化石燃料造成的环境污染问题。近年来,第三代新型薄膜太阳能电池,如染料敏化太阳能电池(DSSCs)和钙钛矿太阳能电池(PSCs)等,凭借其原料丰富、制造成本低廉和光电性能良好等优点而受到广泛关注。然而,新型薄膜太阳能电池器件的电荷传输性能和运行稳定性与正式商用的要求仍有一定差距。二维MXene材料具有比表面积高、表面官能团丰富、导电性优良、功函数可调和亲水性等优点,已成为能源转换领域的研究热点。鉴于此,本文在综述二维MXene材料的结构、光学和电学特性的基础上,阐述了近些年二维MXene材料应用于新型薄膜太阳能电池的研究进展,并重点探讨了二维MXene材料增强太阳能电池光电性能的机制。二维MXene材料可通过作为钙钛矿太阳能电池中钙钛矿层和电荷传输层的添加剂、修饰染料敏化太阳能电池的光电阳极和制备电极,来调整能带对齐、降低功函数、拓宽吸光范围和形成“柱撑效应”,有效改善器件的光吸收效率、载流子迁移率和电荷提取能力,从而提升器件的光电性能和稳定性。最后,结合目前的研究进展,对二维MXene材料在新型薄膜太阳能电池技术中的发展前景及面临的挑战提出了建议。

三元层状材料结构调控及性能研究进展

MAX/MAB相是一类非范德华三元层状材料,具有丰富的元素组成和晶体结构,兼具陶瓷和金属的物理性质,在高温、强腐蚀、辐照等极端环境中极具应用潜力。近年来,由MAX/MAB相衍生的二维(2D)材料(MXene和MBene)在材料物理与材料化学领域引起了广泛兴趣,已经成为继石墨烯和过渡金属硫族化合物之后最受关注的二维范德华材料。MAX/MAB相材料结构调控不仅对这类非范德华层状材料本征性能产生重要影响,而且对其衍生的二维范德华材料结构功能特性研究也具有重要价值。本文归纳和总结了MAX/MAB相层状材料在结构调控、理论计算和应用基础研究等方向的最新科研进展,并展望了该类层状材料未来发展方向。

碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究进展综述

碳化硅纤维增韧碳化硅(SiC_(f)/SiC)复合材料具有优异的力学性能,以及耐高温、耐氧化、耐腐蚀、抗辐照和抗蠕变等一系列优点,在核能、航空航天、深海探测、轨道交通等诸多领域有着广阔的应用前景。从结构组成来看,SiC_(f)/SiC复合材料主要由三大结构单元组成:纤维、基体、界面相。高强度、近化学计量比、低氧含量碳化硅纤维的研制,是获得耐高温、耐氧化、抗辐照的碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料的关键。裂解碳/碳化硅多层复合界面相在航空航天领域具有较好的应用前景,新型的RE_(3)Si_(2)C_(2)涂层在耐高温氧化方面具有潜在的优势,而三元层状过渡金属碳化物界面层则可能是未来制备核用SiC_(f)/SiC复合材料的候选方案之一。而SiC_(f)/SiC复合材料的制备工艺各具优劣,针对不同的应用环境,可选择不同的制备工艺,多种制备工艺联用在制备高致密高热导力学性能优异的复合材料方面具有显著优势。此外,由于SiC_(f)/SiC复合材料难以一次成型制备出复杂形状的大尺寸构件,因此,SiC_(f)/SiC复合材料的可靠连接技术也是其走向应用必须解决的关键问题之一。针对SiC_(f)/SiC复合材料的研究热点问题,概述了目前国内外关于SiC_(f)、界面相、复合材料的制备方法以及连接技术等研究进展,以期为同行研究者与工程技术人员提供参考。

无机材料的“化学剪刀”结构编辑策略

受到生物基因工程中“基因剪刀”的启发,“化学剪刀”作为一种重要的研究工具在材料结构编辑及应用研究中发挥着重要作用。本文对“化学剪刀”在材料结构编辑及应用方面的研究进展进行了评述。首先,介绍了“化学剪刀”的概念和基本原理,即指在保持初始材料主结构不变的条件下,通过化学反应敲除、置换、修复或重构目标原子或结构单元,从而定制化编辑材料晶格中的组成元素、晶体结构以及微观形貌,最终实现特定的材料结构与功能。随后,详细回顾了“化学剪刀”在材料结构编辑中的具体应用,即如何利用化学剪切、化学修饰、化学合成和化学刻蚀与化学插层等结构编辑方法对材料结构进行精确调控和功能设计。最后,对“化学剪刀”未来在材料结构编辑及应用的研究方向进行了展望。本评述详细介绍了“化学剪刀”在材料结构编辑及应用研究方面的研究进展和巨大潜力,为探索和开发“化学剪刀”在材料领域的应用提供了有力的理论和实验支撑,并有望推动相关材料领域的发展。

臭氧改性碳纤维/聚酰亚胺复合材料的制备与性能研究

采用臭氧氧化的方法对碳纤维进行表面改性,并用作热塑性聚酰亚胺树脂的增强体。采用单丝拉伸试验、XPS研究臭氧处理时间对碳纤维单丝拉伸强度和表面官能团的影响。结果表明,臭氧处理时间越长,碳纤维力学性能的下降程度越大,而表面含氧官能团含量越多。优选单丝拉伸强度保留率较高、含氧官能团含量较丰富的碳纤维与热塑性聚酰亚胺制成复合材料,并评价其层间剪切强度(ILSS)。结果表明,臭氧处理5 min就可使碳纤维/聚酰亚胺复合材料的ILSS提升43%,说明臭氧处理可显著提升碳纤维/热塑性聚酰亚胺的界面性能。

无催化剂超声制备β-酮烯胺共价有机框架材料

β-酮烯胺共价有机框架材料(COFs)在催化、储能等领域潜力较大,而β-酮烯胺键可逆性差,制备高结晶COFs条件复杂,因此探索新的制备策略具有一定意义。本文以超声法探索制备β-酮烯胺COFs,系统研究了时间和功率对超声制备COF TpPa-1的结晶度等性质的影响,探索出一种快速、高效、具有普适性的超声法制备β-酮烯胺COFs方案。

三元层状碳氮化合物(MAX相)及其衍生二维纳米材料(MXene)研究趋势与展望

近年来,三元层状碳氮化合物(MAX相)及其衍生二维纳米材料MXene受到了科学界的广泛关注。MAX相的晶体结构由Mn+1Xn结构单元与A元素单原子面交替堆垛排列而成,兼具金属和陶瓷的诸多优点,在高温结构材料、摩擦磨损器件、核能结构材料等领域有较大的应用潜力。MAX相的A层原子被刻蚀之后获得成分为Mn+1XnTx(Tx为表面基团)的二维纳米材料,即MXene,具有丰富的成分组合以及可调谐的物理化学性质,在储能器件、电磁屏蔽、电子器件等领域表现出良好的应用前景。本文简要介绍近年来国内外MAX相和MXene材料领域在成分与结构、合成方法、性能与应用研究等方面的研究动态,据此展望未来几年该类新颖材料的发展方向。

锯齿型石墨烯纳米带用于锂硒正极材料性能的第一性原理研究

硒-石墨烯体系是一种新型的锂离子电池正极材料,引起了广泛的关注.通过第一性原理的计算,发现单个Se原子和Sen(n=2,3,4,6,8)团簇都更偏向于吸附在锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)的边缘位置.此外,研究了锂吸附在Sen@ZGNRs(n=1,2)上的理论容量.Se1@ZGNRs系统显现出比Se2@ZGNRs更好的容量.本文不仅从理论上阐述了Li、Se原子与ZGNRs之间的吸附行为,而且从Se原子数的角度出发,为提高锂硒正极材料的性能提供了新的策略.

编者按 渐入佳境的MXene研究

“乱花渐欲迷人眼,浅草才能没马蹄”,MXene材料自2011年被报道之后,逐步受到材料科学家的青睐,近年来在储能、催化、环境、吸波、生物治疗和高性能复合材料等领域都涌现出一系列重要突破,令人目不暇接。为了及时跟踪该新兴二维无机材料的研究进展,《无机材料学报》编辑部组织了本期特邀专题评述。虽然已有一些有关MXene的优秀综述文章,但针对性更强的专题评述类文章还比较少。为此,我们特意邀请了活跃在MXene研究前沿并取得重要进展的专家,请他们讲述MXene研究的心得体会,并指出存在的问题和挑战。

含氰基聚碳硅烷的合成及影响因素研究

聚碳硅烷(PCS)是碳化硅(SiC)纤维和陶瓷的重要先驱体之一。以PCS作为先驱体制备SiC纤维和陶瓷时,通常存在陶瓷产率低的问题,进而影响最终产品质量。利用含铑催化剂以及偶氮二异丁腈,使通常不易进行硅氢化反应的丙烯腈和PCS发生反应,将氰基引入PCS分子中,合成出新型含氰基聚碳硅烷(PCSCN)先驱体。与PCS相比,以含铑催化剂合成的PCSCN的陶瓷产率可大幅提高至80%以上。用红外、核磁分析了PCSCN的分子结构,结果表明两种催化剂引发的硅氢化反应均是以α加成方式为主。此外,以含铑催化剂催化硅氢化反应时,反应程度初期随着反应时间延长、反应温度升高而加深,但反应5 h后或60℃以上基本不变;增加丙烯腈的量有利于增加反应程度,从而引入较多的氰基,但增加幅度不明显。

方兴未艾的三元层状材料及其二维衍生物

MAX相材料是由三种元素组成的天然层状碳氮化物无机非金属类材料,其具有金属的导电和导热性质,也具备结构陶瓷的高强度、耐高温、耐腐蚀等苛刻环境服役能力。MAX相材料在高温润滑、耐氧化涂层、事故容错核材料、自修复复合材料和能源材料等领域获得了广泛的关注,国内外材料学家都在积极开展大量的探索研究。MXene材料是通过“自上而下”的合成手段将MAX相材料中A位元素腐蚀抽离而形成的,从MXene的命名可以看出其兼具MAX相的晶体结构单元和石墨烯(Graphene)的二维原子层的形貌特征。MXene材料的合成引起了纳米领域的极大兴趣,尤其是在储能研究方面不断地涌现出高水平的工作。我国在MAX相结构材料和MXene能源材料领域均取得了显著的成绩,随着合成技术的发展和多学科交叉的深入探索,目前已经有越来越多的国内材料研究小组投身此类新颖材料的研究。

Mn掺杂锶铁氧体SrFe12O19电子结构及磁性的第一性原理研究

为了揭示掺杂离子对具有磁铅石构型的锶铁氧体材料磁性能的影响,本研究探讨了锶铁氧体及其锰掺杂体系的稳定构型及其磁结构。研究结果表明,锶铁氧体为亚铁磁性,与前期的研究结果相吻合。通过比较GGA和GGA+U计算方法,发现U值的选取对体系的电子结构和原子磁矩有显著影响。当U值为3.7eV时,体系由金属性转变为自旋向上带隙为1.71 eV的半导体。原胞总磁矩为40μB。对于Mn替换掺杂的Sr Fe12–xMnxO19体系,通过不同占据位能量比较,当单个Mn原子替换(x=0.5)时, Mn离子优先占据Fe(12k)位置;而当两个Mn原子替换Fe原子(x=1.0)时,两个Mn分别占据Fe(12k)和Fe(2a)位置。Mn掺杂对锶铁氧体的结构影响较小,但对于体系的总磁矩和电子结构有较明显的影响。在Mn含量x=0.5和x=1.0时,自旋向上带隙值分别降低到0.85和0.59 eV,原胞的总磁矩为39和38μB。本研究可为实验研究提供理论指导。

理想拉伸/剪切应变对U_(3)Si_(2)化学键键长及电荷密度分布影响的第一性原理研究

2011年福岛核事故之后,U_(3)Si_(2)作为可代替UO_(2)的核燃料被预测为重要的耐事故燃料.近年来的研究结果表明,U_(3)Si_(2)作为耐事故燃料的候选材料,其在微观尺度上进行的模拟还不够深入.在宏观尺度上不足以建立燃料数据库和模型来有效预测U_(3)Si_(2)的一些性能.因此,采用第一性原理计算U_(3)Si_(2)核燃料的一些物理化学数据受到了广泛关注.在之前的工作中,我们采用第一性原理计算拉伸/剪切实验(FPCTT/FPCST)的方法预测了U_(3)Si_(2)在几个低指数晶面/晶向上的理想强度.然而,并未对U_(3)Si_(2)的断裂行为进行过多的解释.因此,本论文通过论述理想拉伸/剪切应变对U_(3)Si_(2)化学键键长及电荷密度分布影响,分析了U_(3)Si_(2)在这几个低指数晶面/晶向上的断裂行为.结果表明:U_(3)Si_(2)在理想拉伸应变的作用下,晶体的破坏主要受化学键变化的影响,而在剪切应变的作用下应变能或应力的突然下降,可能与U_(3)Si_(2)的应变诱导结构相变有关.

亚稳相图研究及其在特种陶瓷涂层中的应用进展

相图,又称相平衡图,是“材料设计的索骥图”,而涂层的制备过程中(如物理气相沉积,Physical Vapor Deposition,简称PVD),系统一般远离平衡态,获得的相为亚稳相,相图计算CALPHAD(CALculation of PHAse Diagrams)方法的应用遇到了挑战。本文概述了模拟涂层材料亚稳相图的研究历程,重点介绍了近期建立的临界表面扩散亚稳相图模型,即通过耦合CALPHAD、第一性原理计算和高通量磁控溅射镀膜实验的方法对涂层材料的亚稳相进行表面扩散模拟,相关计算仅需要一个高通量镀膜实验作为基础数据,获得的亚稳相图也得到了实验验证。由此,可以建立相关材料体系的稳定和亚稳相图数据库,通过组分–制备工艺–组织结构和性能的关系,指导陶瓷涂层材料的设计,助推研发时间和成本“双减半”目标的实现。

新型MAX相的相图热力学研究

本研究通过使用相图计算(Calculation of Phase Diagrams,简称CALPHAD)耦合第一性原理计算的方法,以相图作为判断依据,探究Ti3AuC2、Ti3IrC2、Ti3ZnC2和Ti2ZnC新型MAX相在不同温度下的热力学稳定性。使用相图计算(CALPHAD)方法建立起研究体系的热力学数据库,耦合第一性原理得到的新型MAX相生成焓数据,最终得到包含新型MAX相的三元相图。研究结果表明Ti3AuC2、Ti3IrC2、Ti3ZnC2和Ti2ZnC的MAX相具有很好的热力学稳定性,与实验结果吻合。本研究为确定新型MAX相的热力学稳定性提供了系统的研究方法,可应用于指导合成更多未知的MAX相材料。

M位与A位双固溶MAX相的磁学性能研究

三元层状化合物MAX相兼具金属与陶瓷优良的力学性质,通常被认为是一类高安全结构材料。有研究显示,通过熔盐法可以将副族元素插入到MAX相A位层间,获得具有铁磁性能的V_(2)(Sn,A)C(A=Fe、Co、Ni和Mn)材料。因而,如何构建新的MAX相结构并实现其磁性调控备受关注。本研究通过MAX相M位和A位双固溶的方式设计了四种新型MAX相(V,Nb)_(2)(Sn,A)C(A=Fe、Co、Ni和Mn)。XRD、SEM、EDS结合TEM分析证实了上述新相的合成。超导量子磁强计(Superconducting quantum interference device magnetometer,SQUID)测试磁学性能发现,M位固溶后的MAX相的居里温度与其四方率(c/a)、元素组成有关。(V,Nb)_(2)(Sn,Fe)C、(V,Nb)_(2)(Sn,Ni)C、(V,Nb)_(2)(Sn,Mn)C相较于M位固溶Nb元素之前的V_(2)(Sn,A)C相,其矫顽力Hc和剩余磁化强度M_(r)减小,饱和磁化强度M_(s)增大。而V_(2)(Sn,Co)C在M位固溶Nb元素之后磁性变化均与前述MAX相相反。通过以上结果,揭示了M/A位双固溶对MAX相磁性的影响规律,为调控MAX相磁性提供了新的思路。

采用第一性原理计算U3Si2核燃料的进展综述

U_(3)Si_(2)核燃料因其具有较高的热导率以及良好的综合性能,已被预测为核反应堆先进燃料,是事故容错核燃料的候选材料。近年的研究结果表明,U_(3)Si_(2)较U3Si表现出更好的非晶化行为,具有更高研究价值。然而,有关U_(3)Si_(2)在第一性原理计算方面工作的系统性综述较少。因此,本文通过总结近几年U-Si核燃料的理论计算工作,重点综述了U_(3)Si_(2)的晶体结构、电子结构、力学性质、抗氧化性质以及裂变产物行为在第一性原理计算方面的研究进展。可以发现,与其他核燃料相比,采用第一性原理计算U_(3)Si_(2)核燃料相对滞后且相关的物理化学数据短缺。本文可为进一步开发耐事故U_(3)Si_(2)核燃料提供重要参考。

电流辅助下CoFeCrNiCuTi_(2)高熵合金钎焊SiC陶瓷接头组织与性能

采用电流辅助连接技术,以CoFeCrNiCuTi_(2)高熵合金为连接层材料,在1125℃的温度下,实现了SiC陶瓷的快速钎焊,提高了连接效率的同时保证了元素的充分扩散,系统研究了钎焊温度对连接接头界面微观结构和力学性能的影响。结果表明:所获得的钎焊接头无明显缺陷,焊缝组织主要由高熵FCC相、TiC相、Cr_(23)C_(6)相组成。界面致密的TiC反应层的形成在一定程度上抑制了高熵合金的分解和金属间化合物的生成,并缓解了SiC基体界面与高熵合金钎料之间的热应力。同时,由于高熵合金钎料的迟滞扩散效应,焊缝中心主体钎料仍保持高熵合金的FCC结构。力学性能测试表明:钎焊接头强度随钎焊温度升高呈先降低后增大的变化趋势。当连接温度为1125℃时,碳化硅接头获得最大弯曲强度,达到37 MPa,高于普通镍基钎料约21.3 MPa。

拉伸回弹法测定碳纤维的压缩强度

通过搭建电弧辅助单丝测试装置,采用拉伸回弹法,测定了日本东丽公司的T300,T800H碳纤维以及美国赫氏公司的IM7碳纤维,采用极限均值法(方法一)和区间择优法(方法二)对所测数据进行统计,并对其结果与文献报道的直接法测得的结果进行比较。结果表明:采用方法一和方法二统计的拉伸回弹法测得的T300碳纤维的单丝压缩强度分别为1.97,1.98GPa,T800H碳纤维单丝压缩强度分别为2.17,2.15GPa,两种方法统计的压缩强度结果基本相同,与直接法测定的结果接近,方法一比较直观,方法二则可以通过设置合理的区间获得更小的测试误差;采用拉伸回弹法对IM7碳纤维的单丝压缩强度进行两次平行测试,所得的单丝压缩强度分别为2.56~2.66,2.65GPa,误差为0.1GPa;拉伸回弹法具有较好的可重复性,拉伸回弹法可用于高强中模型碳纤维本征压缩强度的表征。

轰击离子能量对V2AlC MAX相涂层结构及力学性能的影响

采用物理气相沉积(PVD)磁控溅射沉积方法,通过改变轰击离子能量制备高密度的V2AlC涂层,并探究不同轰击离子能量对涂层结构和性能的影响。利用能谱仪测试、X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、原子力显微镜对涂层的化学组成、相结构、表面与截面形貌进行分析,同时利用纳米压痕测试评价V2AlC涂层力学性能。结果表明,提高轰击离子能量从15 eV到35 eV可以有效使得V2AlC涂层致密化,且降低涂层表面粗糙度~50%(从~20.2 nm到~11.9 nm),同时提高涂层的硬度~50%(从~14 GPa到~21 GPa),与杨氏模量~20%(从~309 GPa到~363 GPa)。但当轰击离子能量升高到50 eV时,Al元素含量急剧下降,涂层由V2AlC相转变为V2C与VC多相混合。轰击离子能量的提高有效改善V2AlC涂层的结构,提高V2AlC涂层的硬度,杨氏模量,但需控制轰击离子能量改变范围才可实现结构与性能最优化。