高温压电材料、器件与应用

作为重要的功能材料,压电材料已经在国民经济的多个领域里有着重要应用.随着现代工业的快速发展,特别是新能源、交通和国防工业的高速发展,功能材料的应用己经从常规使用转向极端环境下的服役.本文综述了具有高居里点的压电材料,包括钙钛矿型压电陶瓷、铋层状结构氧化物压电陶瓷、钨青铜结构压电陶瓷以及非铁电压电单晶等;介绍了其晶体结构特征和高温压电性能、最新研究进展,并列举了一系列的高温压电器件和应用,包括高温压电探测器、传感器、换能器和驱动器等.另外,本文总结了高温压电材料的热点研究问题,并展望了今后的发展方向.

面向锂硫电池的高负载量碳硫复合正极材料研究进展

在近20多年的发展过程中,锂离子电池已经越来越接近于其理论能量密度的极限,并且随着化石能源消耗和电动车需求量的增加,锂离子电池已经不能满足于社会的需要,寻找可替代的绿色新能源也变得愈发重要。其中,锂硫电池是最有希望代替锂离子电池,成为下一代电化学储能系统的电池之一。由于硫的无毒性、低成本和高的能量密度等优势,使得锂硫电池吸引了研究者们的广泛关注。硫作为锂硫电池中非常重要的一部分——正极材料,对于电池的循环寿命、循环稳定性、能量密度、库伦效率等方面产生了非常重要的影响。但是锂硫电池中存在的关键问题亦限制了其实际应用,例如硫的导电性差、多硫化物中间体的"穿梭效应"、较低的硫负载量、大的体积膨胀以及复杂的内部反应机理等。为了提高锂硫电池整体的性能,设计具有高的比表面积、优越的导电性以及更多的活性位点的基底材料来负载硫变得越来越重要。为解决这些问题,研究者们设计了各种不同材料来进行硫的负载,例如碳-硫复合材料、金属氧化物-硫复合材料、聚合物-硫复合材料等。其中由于碳材料具有密度低、比表面积大、导电性好、结构多样、易于加工制备和价格低廉等优点,引起了研究者们的广泛关注,因此研究者们相继实现了用一维、二维以及三维等不同结构的碳材料来负载硫,使得锂硫电池的循环寿命、循环稳定性和库伦效率得到了有效的提高。虽然在循环寿命等方面,研究者们做出了很大的贡献,但是硫的负载量却有限,从而导致电池整体的能量密度仍然很低。从商业化的角度来看,电池能量密度的高低才是研究者们关注的重点,因此研究者们在提高其性能的同时,也在不断地提高硫的负载量,以求达到更高的能量密度。本文主要从四个方面进行了相关总结:首先,概述了锂硫电池最新发展状况;其次,概要介绍了锂硫电池中存在的反应机理和阻碍锂硫电池发展的主要问题;再次,重点总结了提高锂硫电池的性能和载硫量方面的研究进展,并简单介绍了面载量、面容量和电解液与硫的比值对电池整体性能的影响;最后,总结和展望了锂硫电池未来可能的发展方向。

一个各向异性磁稀释杂化钙钛矿系列[CH3NH3][Cox Zn1-x(HCOO)3]

作为与传统纯无机钙钛矿材料互补的体系,有机-无机或杂化钙钛矿材料结合了有机和无机成分各自的特性,在相变、临界现象和相关功能性质的研究中展现了众多新的可能性和机会。其中,金属甲酸铵钙钛矿表现优越,且其功能和性质十分依赖于金属离子和铵的特性。本工作借助固体化学中的固溶体策略,研究各向异性磁稀释杂化钙钛矿[CH3NH3][Cox Zn1-x(HCOO)3]系列的制备、结构和磁性。该系列的全程固溶体(x=0–1或摩尔百分比Co%=0–100%)都可以用溶液化学方法制备获得,并由单晶和粉末X射线衍射确定了固溶体全程同构。它们都属于正交晶系,空间群Pnma,晶胞参数范围为a=8.3015(2)–8.3207(3)?,b=11.6574(4)–11.6811(5)?,c=8.1315(3)–8.1427(4)?,V=787.89(5)–790.98(7)?3(1?=0.1 nm)。钙钛矿结构由金属-甲酸的简单立方阴离子骨架和骨架孔穴中的CH3NH3+阳离子构成,CH3NH3+阳离子和骨架之间形成N―H···O氢键。在这个系列中,固溶体晶体结构的点阵和结构参数几乎没有变化。因此,该系列提供了一个很好的在结构和分子几何参数不变的条件下研究磁稀释效应的分子磁性体系。在逐步稀释的过程中,Co2+离子的磁各向异性和逐渐消失的较大自旋倾斜的贡献,抑制或减少了在低温和低场下的磁化强度,这与各向同性[CH3NH3][Mnx Zn1-x(HCOO)3]体系在磁稀释时磁化强度增大的行为相反。实验获得的逾渗阈值为(Co%)P=27(1)%(或x P=0.27(1)),低于按逾渗理论得到的简单立方格子上的逾渗阈值31%,这也是由于[CH3NH3][Cox Zn1-x(HCOO)3]体系磁各向异性的缘故。此外,观察到纯金属Co和Zn成员在约120 K左右发生少见的非公度相变。低温下的非公度性对于磁性质也产生一定的影响。

乙二醇氧化在不同电位区间下的电极负载量的优化

由于近年来在电化学能源转化、存储及高附加值化学品电合成上的兴趣,设计与制备电催化剂受到越来越多的关注。活性是电催化剂关键参数之一,但观测到的活性会受到催化剂负载量的影响。本工作中,我们采用Co_(3)O_(4)/石墨纸(Co_(3)O_(4)/GPE)电极作为电极模型,通过循环伏安法和计时电位法展示Co_(3)O_(4)的负载量是如何影响乙二醇在碱性溶液(KOH)中氧化的。基于对氧化还原峰和双电层电容的分析可以得出增加催化剂负载量可以增加电化学活性位点数,也可以在低的氧化电位下促进乙二醇氧化,但在高的电位下并没有明显的促进作用。这个结果提供了对有机小分子电催化剂负载量优化的一些思考。

稀土永磁材料及其耦合磁体的化学合成与性能优化

稀土永磁材料是当今人类社会不可缺少的组成部分,自20世纪60年代问世以来一直在生产和生活中扮演着重要的角色。随着科技的进步和生活水平的提升,人们对工业产品及功能器件等提出了更高的期望,因此对稀土永磁材料的性能也有了更高的要求,包括能量密度、高温性能等。近年来,化学法成为合成稀土永磁材料常见的方法,通过"自下而上"的过程实现对产物形貌、尺寸等方面的精确调控,为制备高性能磁体提供了新的思路。化学合成对产物尺寸的控制在交换耦合磁体方面也有着独特的优势,可以通过精确控制双相耦合磁体中软磁相的尺寸以充分实现交换耦合效应,在提升磁体能量密度方面有着广阔的前景。从化学合成出发,介绍了近年来不同稀土永磁材料制备方面的工作,同时也总结了稀土永磁基耦合磁体在化学制备方面的进展和挑战,对未来化学合成稀土永磁材料的发展做出了分析和展望。

二维磁性纳米材料的可控合成及磁性调控

自旋电子学的研究重点在于同时利用电子的电荷和自旋两个自由度对信息进行处理和存储,其具有运行速度快、存储密度高和能耗低等优势。毫无疑问,发展二维磁性纳米材料的可控合成方法及磁性调控策略,对于新型自旋电子学器件的构筑具有重要的科学意义和应用价值。然而,目前得到的二维磁性纳米材料的种类十分有限,而且合成方法及磁性调控手段相对单一,极大地限制了该领域的发展。本文首先根据磁性的来源,对二维磁性纳米材料进行了分类,介绍了诱导产生的磁性和具有本征磁性的二维纳米材料,然后详细地归纳了二维磁性纳米材料常见的合成方法,如机械剥离法、电化学剥离法、化学气相沉积法以及液相合成方法等。此外,着重总结了二维材料磁性的主要调控手段,最后展望了该领域遇到的瓶颈、未来的研究重点及应用前景。

金属甲酸铵材料:结构、相变、性质和功能

金属甲酸铵是金属-有机骨架材料中独特的一类.它们可在温度、压力等维度上发生结构相变和电、磁相变,并表现出与之相关的性质和功能,如介电/铁电/反铁电性、磁性、多铁性、负热膨胀、负压缩、键重排、机械性质等, 10余年以来引起国内外许多研究者的极大关注.本文介绍本课题组在八面体金属离子构成的金属甲酸铵材料方面的研究进展,以及部分其他研究者的相关重要研究成果,并展望了该领域未来的发展.

类钙钛矿[NH_(2)CHNH_(2)][Ln(HCOO)_(4)](Ln=Gd~Lu和Y)系列:合成、结构、各向异性热膨胀和磁性

在常温常压甲醇-水溶液体系中合成了[NH_(2)CHNH_(2)][Ln(HCOO)_(4)](Ln=Gd-Lu和Y)类钙钛矿系列。该系列化合物异质同晶,属于正交手性空间群C2221。180 K时,晶胞参数为a=0.67091(2)~0.66191(2),b=1.86482(6)~1.82135(7) nm,c=0.85212(3)~0.83779(3) nm,V=1.06611(6)~1.01001(6) nm^(3),表现了镧系收缩导致的晶胞从Gd到Lu的缩小。八配位四方反棱柱构型的Ln^(3+)通过anti-anti甲酸根连接,构成简单立方的稀土甲酸骨架,其畸变立方孔穴中容纳了NH_(2)CHNH_(2)+,形成类钙钛矿结构。NH_(2)CHNH_(2)+与稀土甲酸骨架之间N/C-H…O强氢键作用,使该系列化合物具有较高的热稳定性;而强氢键作用、稀土甲酸骨架的低对称性、每式量中更多的甲酸根等因素,使该系列化合物难以发生结构相变。骨架孔穴中的NH_(2)CHNH_(2)+受N/C-H…O氢键的束缚,其热振动主要沿ac的两个对角线方向,造成在升温过程中沿a,c方向的正热膨胀,而沿b方向的负热膨胀。这些化合物均表现为顺磁性,在低温下以Stark能级的退占据为主导;Tb和Tm成员中,Ln^(3+)之间可能存在很弱的铁磁相互作用。