AgNbO3基反铁电陶瓷储能性能研究进展

反铁电材料在场致诱发相变过程可释放与储存大量能量，在储能领域极具应用价值。无铅铌酸银(AgNbO₃)反铁电陶瓷作为环境友好型储能材料深受关注。在大量已有研究的基础上，本文从结构特性和性能调控的角度出发，重点介绍了以AgNbO₃为代表的无铅反铁电陶瓷在介电储能领域的最新进展；从组分调控和工艺优化两个角度总结了现有的储能性能调控手段，归类了储能性能增强的起源机制，并对铌酸银反铁电体陶瓷储能性能的进一步发展进行了展望。相信本文能为未来AgNbO₃基反铁电材料储能性能的提高提供新的研究思路。     

稀土掺杂对铌酸钠基陶瓷介电及储能性能的影响

随着对电子器件高度集成化、小型化的需求,电介质陶瓷逐渐成为脉冲电力电子系统中关键材料之一。其中,具有大的最大极化、小的剩余极化以及低的介电损耗的反铁电储能陶瓷逐渐成为最佳的储能陶瓷材料。采用固相反应法制备了Sm³⁺掺杂的0.9NaNbO₃-0.1BiFeO₃(NN-BF)基弛豫反铁电陶瓷,化学式为(1–x)[0.9NaNbO₃-0.1BiFeO₃]-x Sm₂O₃(x=0.01,0.02,0.03,0.04),系统地探究了Sm³⁺掺杂对NN-BF基储能陶瓷物相结构、微观形貌、介电性能及储能性能的影响。结果表明：随着Sm³⁺掺杂量的增加,储能陶瓷的晶粒尺寸和剩余极化均呈现先减小后增大的趋势,而击穿场强、最大极化、储能密度及储能效率均呈现先增大后减小的趋势。此外,由于Sm元素价态不稳定,适量掺杂Sm³⁺可以稳定Fe³⁺的价态,使NN-BF的反铁电相更加...     

YF3和PrF3共掺杂SrF2陶瓷的显微结构与光谱特性

采用化学沉淀法合成了SrF₂粉末原料,真空热压烧结制备了不同YF₃掺杂量的Pr,Y:SrF₂透明陶瓷,研究了缓冲离子(Y³⁺)对Pr:SrF₂透明陶瓷透过率、显微结构及光谱特性的影响。结果表明,陶瓷样品具有较高的光学质量,YF₃掺杂量为5.0%(质量分数)的Pr,Y:SrF₂陶瓷具有最高的透过率,其400 nm和1 200 nm波长处的透过率分别为90.1%和89.4%。高掺杂量下,Y³⁺能够显著的促进陶瓷晶粒的生长,当YF₃掺杂量为10.0%时,陶瓷的晶粒尺寸超过200μm。此外,Y³⁺缓冲离子可以有效提高透明陶瓷的吸收能力,并通过改变陶瓷基体内Pr³⁺的团簇及局域配位结构,调控Pr,Y:SrF₂透明陶瓷的光谱特性。     

通过晶界工程提升Tm掺杂反铁电陶瓷储能性质

反铁电陶瓷材料由于其相变储能特性,在脉冲电容器领域引起广泛关注。然而,低的储能密度和储能效率难以实现器件的小型化,高功率化,阻碍了基于反铁电陶瓷脉冲电容器的实际应用。本工作采用流延法制备(Pb₍(1–1.5x))Tm_x)(Zr_0.55Sn_0.44Ti_0.01)O₃(x=0.00、0.02、0.04、0.06)反铁电陶瓷,通过构建晶界阻抗策略,改善电学性能,提高击穿强度,进而达到提高其储能密度的目的。系统地研究了掺杂不同含量的Tm³⁺,对(Pb₍(1–1.5x))Tm_x)(Zr_0.55Sn_0.44Ti_0.01)O₃陶瓷的相结构,微观形貌,介电性能,储能特性,电学性能以及放电行为的影响。结果表明,随着Tm³⁺含量的增加,晶粒逐步细化,界面数量增加,致使反铁电陶瓷由晶界–晶粒阻抗作用转变为...     

Er3+掺杂无铅铁电陶瓷的电学和光致发光性能

无铅多功能铁电陶瓷在各类信息的检测、转换、存储及处理中具有广泛的应用,且稀土元素由于其特殊的电子结构和稳定的发光特性,有望赋予铁电陶瓷新的发光性能并改善其电学性能,为设计新型光电器件提供了可能。采用传统的高温固相反应法制备稀土Er³⁺掺杂Ba_0.85Ca_0.15Ti_0.90Zr_0.10O₃(BCTZ)无铅多功能铁电陶瓷,系统研究Er³⁺掺杂浓度对BCTZ铁电陶瓷微观结构、电学性能及光致发光的影响及内在联系。研究表明,陶瓷平均晶粒尺寸随Er³⁺掺杂浓度的增加单调减小,由7.59μm减小至3.82μm,减小约49.67%;陶瓷可释放的能量密度(W_rec)和储能效率(η)可分别提高约29.81%和122.79%。Er³⁺掺杂BCTZ陶瓷表现出强烈的绿光发射(548 nm)且发光强度相对可调性可达173.09%。Er³⁺掺杂BCTZ陶瓷优异、特殊的电光性能...     

矿样粒级对稀土离子反吸附影响研究

在离子型稀土矿原地浸矿过程中，交换出的稀土离子会再次被矿石颗粒吸附。为研究矿样粒级对稀土离子反吸附的影响，以4种粒级(-0.5、0.5～1、1～2、2～3 mm)稀土矿样为研究对象，以质量浓度分别为0.6 g/L的Y³⁺(钇离子)和5 g/L的(NH₄)₂SO₄混合溶液为试验溶液，开展了液固比为1∶1的柱浸试验，分析了溶液在不同粒级矿柱内渗流过程中Y³⁺的反吸附行为规律，结果表明，粒级越小，溶液渗流越均匀，穿透时间越长，浸出液中Y³⁺质量浓度变化越小，Y³⁺峰值质量浓度越小，峰宽越窄，Y³⁺反吸附质量越大；通过对比不同粒级矿柱上、中、下位置矿样中Y³⁺反吸附质量发现，沿溶液渗流方向Y³⁺反吸附质量逐渐减小，且粒级越小，变化幅度越大。     

La2Mo2O9掺杂钛酸铋钠铁电陶瓷的微观结构与光电性能

铁电陶瓷的极化内建电场可分离光生载流子并有效降低载流子间的复合率,但是其高带隙限制了对光的吸收。本文以具有良好铁电性能的Bi_0.5Na_0.5TiO₃(BNT)陶瓷为基体,通过掺杂La₂Mo₂O₉降低光学带隙,提高光电流密度。样品使用传统固相法制备,随后分析了此陶瓷的XRD、拉曼、光吸收、光电流、铁电和介电性质。结果表明,La₂Mo₂O₉掺杂能显著提高光吸收强度,随其含量增加,光学带隙值先明显下降,然后缓慢增加。在掺杂含量为0.7%(摩尔分数)时,陶瓷的带隙值最低为1.57 eV,远低于纯BNT陶瓷的2.9 eV,对应的最大光电流密度和开路电压为71.06 nA/cm²和4.40 V,得到的最大输出功率为312.7 nW/cm²,并且随时间增加变化不大,同时保持很好的铁电性能。研究结果表明,La₂Mo₂O₉改性BNT铁电陶瓷是一种非常有前景的铁电光伏材料。     

Ni2+掺杂对MgCr2O4材料红外辐射性能的影响

开发高发射率红外辐射材料是高温窑炉节能的重要方向。本工作采用高温固相反应工艺制备Ni²⁺掺杂MgCr₂O₄材料,研究了Ni²⁺掺杂量摩尔分数对MgCr₂O₄材料红外辐射性能的影响,探讨了影响MgCr₂O₄材料红外发射率的机理。结果表明,Ni²⁺能掺杂进入MgCr₂O₄材料晶格,所制备的Mg_1–x Ni_xCr₂O₄(0.1≤x≤0.5)材料产生了晶格畸变,少量Ni²⁺价态发生转变;同时,随着Ni²⁺掺杂量增加,氧空位浓度的增大,禁带宽度减小,所制备材料在近中红外波段的发射率均有提高。x=0.5的材料(Mg_0.5Ni_0.5Cr₂O₄)在...     

稀土离子掺杂0.6BaTiO3-0.4Bi(Mg1/2Ti1/2)O3陶瓷的储能性能研究

弛豫铁电陶瓷由于优异的介电和储能性能，在陶瓷储能电容器中具有较大的应用潜力。本文采用固相烧结法制备了0.05 mol Nd³⁺、Sm³⁺和Gd³⁺稀土离子掺杂的0.6BaTiO₃-0.4Bi(Mg_1/2Ti_1/2)O₃陶瓷。结果表明，所有陶瓷均表现为典型的弛豫铁电体，其中Nd³⁺掺杂的陶瓷样品具有最小的介电损耗，获得了最大的击穿场强(350 kV/cm)和储能效率(94.38%);Gd³⁺掺杂的陶瓷样品具有最大的介电常数，获得了最高的可恢复储能密度(4.33 J/cm³)。     

离子对(Nb5+-Cr3+)掺杂对0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07BaTiO3陶瓷微观结构和电学性能的影响

采用固相烧结法制备(Bi_0.5Na_0.5)_0.93Ba_0.07Ti_1-x(Nb_0.5Cr_0.5)_xO₃(摩尔分数x=0%、0.5%、1%、2%、2.5%、5%)(简称BNBT-xNC)无铅压电陶瓷,研究离子对(Nb⁵⁺-Cr³⁺)对0.93Bi_0.5Na_0.5TiO₃-0.07BaTiO₃(简称BNT-7BT)陶瓷微观结构、介电、铁电和应变性能的影响。结果表明,所有组分为伪立方相。随着离子对(Nb⁵⁺-Cr³⁺)含量增加,BNBT-xNC陶瓷的铁电弛豫特性明显改变,在较低掺杂浓度下(0%≤x≤1%)为非遍历弛豫态,随含量增加(1%≤x≤2%),出现非遍历-遍历弛豫态共存,最后转变为遍历弛豫态(2.5%≤x≤5%);陶瓷从铁电态向弛豫态转变,应变性能先增加后降低,最大应变S_max和逆压电常数d^*₃₃在x=2%时达到最大,分别为0.22%和431 pm/V。     

Mo掺杂调控钛酸铋钠铁电陶瓷带隙的实验与第一性原理研究

为改善钛酸铋钠基无铅陶瓷的铁电光伏特性,通过传统固相法制备了B位Mo掺杂的Na_0.5Bi_0.5(Ti_1-xMo_x)O₃(BNT-Mo_x,x=0~0.02)无铅铁电陶瓷。通过XRD、拉曼光谱、吸收光谱等测试方法,结合基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mo掺杂对BNT陶瓷体系带隙的影响规律及机理。结果表明:随着Mo掺杂量的增加,光学带隙值先减小后增大,当x=1.0%时带隙达到最小值2.33 eV,并且光吸收强度达到最大值69%;通过对能带和态密度计算结果进行分析,发现Mo掺杂BNT体系能带结构由间接带隙转变为直接带隙,出现由Mo的4d轨道所贡献的杂质能级,导致带隙减小。Mo掺杂导致的杂质能级与莫斯-布尔斯坦效应之间存在带隙调控相互竞争关系,可有效调控BNT体系能带结构。     

不同掺杂量EuxLu1.4–xGd0.6O3透明陶瓷的制备与性能

为了满足高能射线成像对闪烁陶瓷的应用要求,并探究Eu³⁺掺杂量对陶瓷微观结构和光学性能的影响,采用液相共沉淀法合成了不同Eu³⁺掺杂量的Eu_xLu_1.4–xGd_0.6O₃(x=0、0.02、0.06、0.10、0.14、0.18)粉体并通过真空预烧结合热等静压烧结,制备出Eu_xLu_1.4–xGd_0.6O₃透明陶瓷。随着Eu³⁺掺杂量的增加,陶瓷直线透过率先升高后降低,在x=0.10时达到最高(71.4%@611 nm)。Eu_xLu_1.4–xGd_0.6O₃陶瓷的光致激发光谱和光致发光光谱证明了Eu³⁺掺杂量的增加能够提升陶瓷的吸收峰和发射峰强度。陶瓷在X射线激发下的发光强度随着Eu³⁺掺杂量的升高呈现先升高后降低的趋势,...     

金属离子掺杂改性纳米TiO2的能带结构及其光催化性能

为了研究纳米TiO2金属离子掺杂的改性机理,使用Materials Studio软件的Dmol3模块分别对Fe3+、Ag+、Pt4+、La3+4种金属离子掺杂纳米TiO2的能带结构进行分析。分子模拟表明,金属离子掺杂使TiO2的禁带宽度、Fermi能级和禁带偏移发生变化,影响了TiO2的光催化性能。光催化反应表明,Ag+掺杂后TiO2的禁带宽度为1.09eV、Fermi能级为-0.294eV、禁带向下偏移0.28eV,纳米TiO2光催化剂对聚乙二醇模拟废水的处理效果最好。     

铁酸镧B位掺Mn/Co/Cr试样的红外辐射性能与机理

采用高温固相烧结法制备了粉体材料LaFeO₃、LaFe_0.75Co_0.25O₃、LaFe_0.75Cr_0.25O₃和LaFe_0.75Mn_0.25O₃,通过XRD、FTIR、SEM、XPS等检测手段对材料进行表征,同时运用CASTEP模块模拟计算了材料的电子能带结构和光学性质。实验结果表明：掺入Mn/Cr/Co离子后晶格发生畸变,晶格对称性降低。Mn/Cr/Co掺杂后的粉体材料在近中红外波段发射率排序为：掺Mn>掺Co>掺Cr>纯LaFeO₃,其中掺Mn在0.2～2.5μm波段为0.8722,2.5～5μm波段为0.6755,远大于纯LaFeO₃的发射率（近中红外波段发射率均为0.5左右）。发射率提升的机理在于：Mn掺杂后,引入了Mn³⁺杂质能级,产生了激活能小的Mn³⁺?Mn⁴⁺跳跃小极化子,电子-氧空位载流子吸收亦增强,同时体系的晶格畸变导致振动吸收加剧。第一性原理计算结果表明掺杂Mn/Cr/Co材料的禁带宽度分别0.793eV、2.406eV、1.722eV均小于纯LaFeO₃的3.817eV,结合态密度计算结果分析其原因,主要Mn3d、Cr3d、Co3d轨道与O2p轨道杂化形成杂质能级,同时Mn3d、Cr3d、Co3d在导带也存在态密度峰,且峰的位置都比LaFeO₃峰更靠近费米能级,作为新的导带底相当于缩短了价带顶到导带底之间的间隙宽度。LaFe_0.75Mn_0.25O₃材料在近中红外波段的优异辐射性能表现,可作为耐高温抗氧化高发射率材料在高温热工炉窑具有潜在应用前景。     

稀土Eu3+掺杂对SnO2薄膜光学和电学性质的影响

基于旋涂法制备了Eu³⁺掺杂的SnO₂薄膜，并通过紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、电流-电压测试和原子力显微镜(AFM)等对样品的光学性质、电学性质和表面形貌进行了表征。研究发现，在200nm～380nm的波长范围内，掺杂15at%Eu³⁺的SnO₂薄膜光吸收率最高；在380nm～700nm的可见光范围内，掺杂15at%Eu³⁺的SnO₂薄膜光透射率较强，掺杂20at%Eu³⁺的SnO₂薄膜光吸收率最强。随着Eu³⁺掺杂浓度的增加，SnO₂薄膜的电阻增加，表面的平均粗糙度显著降低。     

Er2O3掺杂ZnO压敏陶瓷的制备及其电学性能

研究了Er₂O₃掺杂对ZnO–Bi₂O₃–Sb₂O₃–Co₂O₃–MnO₂–Cr₂O₃–SiO₂压敏陶瓷微观结构和电学性能的影响。Er₂O₃掺杂后，部分Er固溶于富Bi相中，对ZnO压敏陶瓷的晶界特性和电学性能产生了较大影响。随着Er₂O₃掺杂量从0.09%(质量分数)增大到0.35%，样品晶界电阻率不断减小，漏电流密度不断增大，双Schottky晶界势垒高度和非线性系数先增大后减小，击穿场强不断增大；当Er₂O₃掺杂量为0.27%时，所得ZnO压敏陶瓷非线性系数达到54.4±1.5，击穿场强为(470.1±2.8) V·mm^–1，漏电流密度为(1.9±0.1)μA·cm     

铌酸钠基无铅陶瓷的弛豫反铁电相构筑与储能特性优化

开发具有优异综合储能特性的无铅陶瓷电容器是脉冲功率技术领域的迫切需求。相较于其他无铅储能陶瓷体系,Na Nb O₃(NN)陶瓷具有结构相变丰富、理论密度低、电学可调性强、轻量化发展潜力大等显著优点,因而备受关注,成为当前的研究热点。基于降低容忍因子稳定反铁电相和增强陶瓷弛豫性的策略,开展了NN基弛豫反铁电陶瓷的制备与储能特性研究。通过引入BiFeO₃和Sr(Ti_0.85Zr_0.15)O₃成功制备了0.9[0.9NaNbO₃-0.1BiFeO₃]-0.1Sr(Ti_0.85Zr_0.15)O₃陶瓷,相较于纯NN陶瓷(0.14 J/cm³、6.39%)和0.9NaNbO₃-0.1BiFeO₃陶瓷(3.55 J/cm³和70.61%),其储能特性显著提升,储能密度(W_rec     

g-C3N4的改性策略以及g-C3N4/Ti3C2异质结研究进展

石墨相氮化碳（g-C₃N₄）禁带宽度约为2.7 eV,具有可见光响应能力。由于其良好的热和化学稳定性,且形貌和化学结构可调,在光催化领域应用广泛。但由于其带隙宽,对可见光响应范围窄,且光生载流子的复合率高,导致其光催化效率低,可通过改性来改善。本文综述了对g-C₃N₄形貌调控、掺杂和构建异质结等改性策略,以及g-C₃N₄/Ti₃C₂异质结的作用机理、制备方法和在光催化析氢、有机物降解及合成等领域的应用。     

化学链过程中Cu低浓度掺杂改性Fe-基载氧体反应性能：实验与理论模拟

基于热重实验（TGA）和密度泛函理论（DFT）计算,对Cu低浓度掺杂Fe₂O₃载氧体（Cu-Fe₂O₃）与H₂在化学链燃烧过程中反应活性和微观分子反应机理进行研究。TGA结果显示,Cu低浓度掺杂降低Fe₂O₃载氧体与H₂反应表观活化能E_a （从83.9 kJ/mol降低至72.3 kJ/mol）,因此,低浓度Cu掺杂由于原子尺度Cu掺杂缺陷的引入的确提高了Fe₂O₃载氧体转化率和晶格氧释放速率。DFT计算从分子水平证实Cu低浓度掺杂改变了Fe₂O₃载氧体与H₂反应路径,路径分析表明,Cu掺杂使Fe₂O₃载氧体与H₂反应能垒从2.30 eV分别降低至1.81 eV（Fe原子top位反应）和1.68 eV（Cu原子top位反应）,Cu掺杂的Fe-基载氧体的氢还原反应优先发生在掺杂的Cu原子位,其次为Fe原子位。此外,计算结果表明,因Cu-O和Cu-Fe键的引入,低浓度Cu掺杂改变了Fe₂O₃载氧体微观结构,这对于载氧体的晶格氧快速释放是有利的。     

Ta、Ba共掺杂石榴石型Li7La3Zr2O12电解质的制备及性能研究

传统锂离子电池采用有机电解液体系,能量密度难以进一步提升,同时存在一定的安全隐患。采用无机固体电解质构建全固态锂电池,在提高电池能量密度同时可兼顾安全性问题。在众多无机固体电解质中,Li₇La₃Zr₂O₁₂(LLZO)石榴石电解质具有离子电导率高、与金属锂接触稳定等优势,成为受人关注的材料。为了进一步提高该材料的导电性,采用固相法合成Ta、Ba共掺杂LLZO(Li_7-x+yLa_3-yBa_yZr_2-xTa_xO₁₂)电解质,采用X射线衍射、扫描电子显微镜和电化学阻抗法分析样品的物相结构、微观形貌及离子电导率。结果表明,Ta⁵⁺掺杂能够稳定立方相结构,Ba²⁺作为掺杂剂和烧结剂,促进晶粒生长和陶瓷致密化,从而降低总电阻。其中,Li_6.45La_2.95Ba_0.05Zr_1.4Ta_0.6O₁₂样品在室温下的总电导率为1.07×10^-3 S·cm^-1,活化能为0.378 eV。Ta⁵⁺/Ba²⁺共掺杂有利于制备高致密度和高电导率的石榴石型电解质材料。