通过Al掺杂促进可见光驱动的LaTaON2分解水(英文)

LaTaON₂是一种极具吸引力的可见光活性光催化水分解材料.它的吸收波长能够达到650 nm,并且符合水分解反应的热力学要求,是光催化水分解的候选材料.尽管LaTaON₂具有这些优异的性质,它的光催化活性通常不够理想.这是由于LaTaON₂材料通常具有较高的缺陷浓度,严重阻碍了电荷分离.在本文中,我们通过将Al掺杂到Ta亚晶格中来对LaTaON₂材料进行改性,得到LaTa_1-xAl_xO_1+yN_2-y(0≤x≤0.20). Al掺杂不仅抑制了LaTaON₂材料中的缺陷浓度,增加了其表面亲水性,而且还保持了材料原有的可见光吸收性质.这些改进显著改善了LaTaON₂材料内的电荷分离情况,并极大增强了材料可见光下的光催化氧化水制氧性能.在最佳条件下, Al掺杂的LaTaON₂在420±20 nm处水氧化的表观量子效率达到1.17%,这个性能要优于大多数已报...     

三维双金属硫化物Co9S8/MoS2/C异质结用于增强钠离子存储(英文)

钠离子电池(SIBs)的阳极材料一直备受研究关注，但缓慢的动力学行为和较大的体积变化限制了其在实际应用中的推广。为了克服这些问题，本研究利用金属有机框架和MoS2的优异性能，设计并制备了具有稳定骨架结构的复合材料。以Co-ZIF为前驱体，添加Mo源材料，在高温硫化烧结的过程中，构建了花状的Co9S8/MoS2/C复合材料，探究其在不同温度条件下的结构和电化学性能。此外，通过密度泛函理论(DFT)分析了Co9S8(001)/MoS2异质结对扩散动力学的影响。结果表明，电子结构在异质结构的界面处发生了重塑，Co9S8/MoS2表现出典型的金属性和显著增强的电子导电性。在所有样品中，700°C合成的阳极材料Co9S8/MoS2/C具有更稳定的结构和优异的电化学性能。当电流密度从4 000恢复到40 mA g-¹时，Co9S8/MoS2/C-700的放电容量可以从368 mAh g-1完全恢复到571 mAh g-1，并稳定在543 mAh g-1。综上所述，本研究提供了一些关于异质结材料合理制备的思路，有助于设计高性能的金属钠离子电池负极复合材料。     

超级电容器电极用Ti3C2Tx基复合材料的研究进展

碳化钛(Ti₃C₂T_x)作为一种MXene材料，具有独特的结构和优良的导电性、稳定性以及优越的电化学性能，常被用作超级电容器电极材料。本文结合碳化钛(Ti₃C₂T_x)材料层状结构的特性，梳理了超级电容器电极用Ti₃C₂T_x基复合材料的研究进展，重点阐述了Ti₃C₂T_x材料的结构、性能、制备以及通过不同技术手段与多类材料复合后的电化学性能；归纳了Ti₃C₂T_x基复合材料性能提升的原因，包括增大层间距、提供更多活性位点、提高坚韧性等；最后指出Ti₃C₂T_x基复合材料的未来研究重点，如探究新的基体母相、丰富刻蚀方法、改进现有复合材料、探究更多更高效的复合材料等。     

基于Er3+的力致温度传感(英文)

近年来,力致发光(ML)材料引起了科研人员的广泛关注,因其在众多领域特别是温度传感领域具有潜在的应用价值.值得注意的是,基于ML的温度传感尚处于萌芽期,且目前没有理论支持.本文中,我们基于CaZnOS:Er³⁺力致发光材料和玻尔兹曼分布建立了ML温度传感技术的理论框架.在外部应力刺激下, CaZnOS:Er³⁺力致发光材料能够发射出明亮的绿色荧光,且遵从玻尔兹曼分布理论.基于此,我们证实了该ML温度传感理论框架的适用性,并将其应用到实际案例中,即监测水壶的温度.与此同时,我们也开发了CaZnOS:Er³⁺力致发光材料的多重功能,验证了其在动态防伪和信息加密提取方面的应用.简言之,本工作从实验和理论两方面进行研究,奠定了ML温度传感技术实用化的基础.     

超拉伸水凝胶热电偶（英文）

可拉伸温度传感对实现人机触觉交互和温度调节至关重要,这些传感元件需要贴合特异性表面,且在拉伸条件下保持温度感知的精度.现有可拉伸温度传感器由于温度和形变引起电阻变化的相互干扰,在拉伸过程中存在固有的传感不稳定问题.本文提出了一种超可拉伸水凝胶热电偶,通过构建具有动态交联双网络的热电水凝胶,实现水凝胶热电偶的超拉伸性.通过设计的P型和N型热电水凝胶,构建热电偶单元.热电偶表现出1.93 mV K^-1的高塞贝克系数,即使在100%的拉伸应变下,灵敏度依然保持稳定.本文的研究结果为可拉伸温度传感器提供了一种新的策略,并有望广泛应用于智能可穿戴设备.     

溶解制造多孔金属玻璃（英文）

简单、精密、可控的制造技术在功能表面中具有广阔的应用前景.在这项工作中,我们通过使用食盐这种水溶性材料作为模板,利用金属玻璃优异的热塑成型性能,成功地实现了多孔金属玻璃的溶解制造.通过这种溶解制造方法制备的微/纳米结构具有良好的可调控性,不仅可以制备大面积多孔结构,还可以制备具有纳米级复制精度的有序规则阵列.其中,通过可溶性模板策略制备的无序多孔结构具有约140°的水滴接触角和接近于0°的油滴接触角,可用于油水分离,并且在强酸和强碱的环境中浸泡后表现出稳定的润湿性.即使在严重磨损后,带有多孔结构的表面仍可保持约130°的水滴接触角和约4°的油滴接触角.此外,该策略显示出优异的可重复使用性能.通过在同一个金属玻璃表面上重构三次多孔结构,发现每次重构的多孔结构的润湿性没有显著变化.本文的研究成果为制备多级孔结构及功能表面提供了一种简便可控的方法.     

以MoS2修饰的3D打印还原石墨烯气凝胶制备微型超级电容器电极(英文)

微型超级电容器(MSCs)具有高的功率密度和卓越的循环性能,广泛的潜在应用,因而受到诸多关注。然而,制备具有高表面电容和能量密度的MSCs电极仍然存在挑战。本研究使用还原石墨烯气凝胶(GA)和二硫化钼(MoS₂)作为材料,结合3D打印和表面修饰方法成功构建了具有超高表面电容和能量密度的MSCs电极。通过3D打印技术,获得具有稳定宏观结构和GA交联微孔结构的电极。此外,采用溶液法在3D打印电极表面加载MoS₂纳米片,进一步提高了材料的电化学性能。具体而言,电极的表面电容达3.99 F cm^-2,功率密度为194μW cm^-2,能量密度为1 997 mWh cm^-2,表现出卓越的电化学性能和循环稳定性。这项研究为制备具有高表面电容和高能量密度的微型超级电容器电极提供了一种简单高效的方法,在MSCs电极领域具有重要的参考意义。     

协同提高新型轻质Ti2VZrNb0.5Al0.5高熵合金抗氧化性能与力学性能(英文)

提高抗氧化性能是难熔高熵合金高温应用的首要要求.本研究中,我们将Al代替50%Nb添加到Ti₂VZrNb难熔高熵合金中,以提高其抗氧化性能与力学性能.结果表明,相比于Ti₂VZrNb合金, Ti₂VZrNb_0.5-Al_0.5合金的抗氧化性得到了显著提升,这是由于在合金表面形成了连续的Al₂O₃+ZrO₂氧化层保护膜.同时, Ti₂VZrNb_0.5Al_0.5合金室温屈服强度高达1273 MPa,相比于Ti₂VZrNb合金强度提升66%.结构表征说明, Ti₂VZrNb_0.5Al_0.5合金强度提升得益于其较大的固溶强化效果.较轻元素Al的添加使得该合金具有较低的密度(5.44 g cm^-3),相比于Ti₂VZrNb合金密度...     

碘化钾调控孔结构的石墨烯及其电化学电容器应用

较低的体积能量密度限制了当前电化学电容器的应用，而提高体积能量密度的关键在于发展具有致密化储能特性的多孔炭材料。目前，毛细致密化已成为平衡多孔炭密度和孔隙率从而提高材料体积比电容的主要方法，但仍在孔结构的精细调控方面存在不足，制约了毛细致密化多孔炭与高电压离子液体的兼容性。本文提出了碘化钾(KI)辅助的毛细致密化策略，通过在石墨烯网络中预载KI来控制毛细致密化过程，实现了对孔结构的有效调控。同时电化学性能表征结果表明KI具有增加离子到达表面积和提供赝电容的作用。基于此，所制碘化钾/石墨烯材料的密度达到0.96 g cm-3，在离子液体中的体积比电容为115Fcm^-3。由该材料所组装的电化学电容器可以提供19.6WhL^-1的体积能量密度。     

非均相掺杂诱导表面形貌重构构建高性能LiNiO2正极材料用于锂离子电池(英文)

具有高容量的LiNiO₂(LNO)是高能锂离子电池最受欢迎的正极材料之一,但是其存在结构和界面稳定性差,循环性能不理想等问题.常规Mg、Al元素掺杂可有效改善稳定性,但会导致可逆容量及倍率性能的损失.本文通过分段的共沉淀法制备了铝镁不均匀掺杂的LNO二次球形前驱体,利用不均匀掺杂减少了掺杂剂用量并诱导实现了前驱体表面形貌的重构,煅烧后形成具有疏松多孔表层形貌的二次颗粒.改性后的LNO正极具有良好的循环稳定性(全电池150次循环后容量保持率为95.1%)和大倍率放电能力(10 C时达到177.9 mA h g^-1),这是由于比表面积的增加促进了锂离子传输,以及镁、铝的掺杂缓解了LNO循环过程中的有害相变.该工作揭示了通过设计掺杂元素的分布可以有效地调节LNO的形貌、结构和性能,为合成高性能的LNO正极材料提供了新的策略.     

具有光电信号双输出的发光电化学人工突触（英文）

尽管近年来多种突触器件的研究已取得了显著进展,但寻找具有新功能的人工突触器件仍是构建人工神经网络的重要任务.片上光电互连技术的成熟使得人工神经网络中的权重更新能以光和电的形式进行,作为权重控制端的人工突触器件中光电信号的并行输出便成为一个有趣和值得拥有的功能.在大规模神经网络的设计中,光电信号双输出能够提供额外的输出自由度并降低电子引线密度.因此,本研究首次开发了基于聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔]/聚(环氧乙烷)/锂盐共混的具有光电信号双输出的发光电化学人工突触(LEEAS).LEEAS中的电化学氧化还原反应使该器件能够实现生物学中的突触可塑性,并模拟了记忆增强过程、高通滤波特性和经典的巴甫洛夫条件反射实验.此外,在连续相同的电脉冲刺激下, LEEAS的瞬态发光强度表现出类似突触可塑性的增强行为.由于结合了电致发光和突触记忆行为, LEEAS阵列展现了独特的图像显示和存储功能,可以记忆显示过的图像.本研究提出的LEEAS丰富了人工突触器件的种类,促进了下一代光电混合人工神经网络的多样化设计与发展.     

3C-SiC各向异性行为的原位纳米划痕研究（英文）

立方碳化硅(3C-SiC)是一种在极端条件下具有优异机械和物理性能的理想材料.然而,由于其生长深度有限且脆性较高,研究其材料去除和摩擦性能具有一定的挑战性.在本研究中,我们使用扫描电子显微镜对厚度约为20μm的3C-SiC单晶进行了原位纳米划痕研究,并观察了其各向异性行为.随后在(100)平面上沿[110]和[100]方向分别进行了纳米划痕实验.与[100]方向相比,[110]方向在划痕过程中表现出更高的硬度,导致材料去除率较低和摩擦系数较高.通过对划痕沟槽的原子级分辨观察,我们发现3C-SiC的塑性去除是通过位错滑移和显著的晶格畸变实现的.在塑性变形阶段,两个划痕方向的亚表面主要经历了全位错滑移.此外,强烈的应变导致了多晶化,这是3C-SiC中的一个重要变形机制.     

具有共价键特征的金属-有机基团促进高性能钾离子电池（英文）

钾离子电池(PIBs)面临的一个关键问题是设计具有先进结构的负极材料,以实现快速电荷传输以提高钾的存储性能.采用碳二亚胺铁(FeNCN)作为阳极,由于其含有一定数量的共价键且在分子水平上具有稳定的结构,使得储钾系统能够实现优异的电化学性能.FeNCN阳极具有高导电性,带隙接近0 eV,并且由于其共价键结构具有良好的结构稳定性.此外,无定形反应产物也为离子扩散提供了多种途径.因此,FeNCN阳极表现出高可逆比容量(在50 mA g^-1电流密度下具有600 mA h g^-1比容量),显著的倍率性能和长寿命循环(电流密度为500 mA g^-1时拥有400 mA h g^-1比容量且超过300次循环).通过理论模拟、X射线原位衍射分析和X射线光电子能谱分析揭示了Fe²⁺和K⁺之间的转化反应机理.此外,将FeNCN负极与苝-3,4,9,10-四羧酸二酐正极材料匹配,组装成的全电池在198.6 Wkg^-1的功率密度下实现了184.7 W h kg<...     

全氧化镓薄膜同质p-n结（英文）

制备p-n结以及探索其物理机制在发展各种功能器件和推进其实际应用中起到关键作用.超宽禁带半导体在制备高压高频器件上有着巨大的潜力,但是氧化镓p型掺杂困难限制了氧化镓同质p-n结的制备,进而阻碍了全氧化镓基双极型器件的发展.本文通过一种先进的相转变生长技术结合溅射镀膜的方法,成功制备了n型锡掺杂β相氧化镓/p型氮掺杂β相氧化镓薄膜.本工作成功制作了全氧化镓单边突变同质p-n结二极管,并且详细分析了器件机理.该二极管实现了4×10⁴的整流比、在40 V下9.18 mΩcm²的低导通电阻、4.41 V的内建电势和1.78的理想因子,并在交流电压下表现出没有过冲的整流特性以及长期稳定性.本工作为氧化镓同质p-n结初窥门径,为氧化镓同质双极型器件奠定了基础,为高压高功率器件的应用开创了道路.     

3D打印调控铜线/聚乳酸复合材料的导热通路长度和数量（英文）

导热通路对理解导热高分子复合材料的导热行为至关重要,但目前有关导热通路属性(长度、数量)对高分子复合材料导热系数的影响机制缺乏深入研究.本文采用3D打印技术制备了铜线(Cw)导热通路长度和数量可控的一维铜线/聚乳酸(1D-Cw/PLA)导热复合材料,建立了针对一维导热通路的高分子复合材料的导热模型,明晰了其导热通路属性与其导热性能的定量关系.相同Cw用量下,1D-Cw/PLA导热复合材料的面内导热系数与导热通路的数量和长度呈正相关.采用本文构建的导热模型和经验方程对1D-Cw/PLA复合材料的导热系数进行预测,95%的置信度表明预测值与实测值无显著差异.     

具有优越电催化析氢性能的超小碳负载FeRu合金（英文）

电化学水分解是将可再生能源产生的间歇性电能转化为高纯度氢气的一种极具前景的绿色能源技术.目前,高效制氢催化剂主要由贵金属及其化合物组成,而贵金属的高成本及稀缺性,限制了其在大规模工业化制氢中的应用.因此,探索低成本,高电化学活性、高稳定性的电解水制氢催化剂至关重要.合金化材料以短程或长程有序结构存在,具有增强的电化学性能.因此,本文采用两步法制备超小碳负载FeRu合金纳米电催化剂并将其应用于电催化析氢反应.Fe_0.05Ru_0.05/XC-72双功能电催化剂粒径为2.1 nm,在碱性淡水和海水电解质中表现出优异的活性和耐久性.10 mA cm^-2时,在1 mol L^-1 KOH、1 mol L^-1 KOH+0.5 mol L^-1 NaCl和1 mol L^-1 KOH+海水中分别表现出13、15和18 mV的过电位.在1 mol L^-1 KOH介质和-0.07 V(相比于可逆氢电极)条件下,Fe_0.05     

金属-Bi2OS2界面肖特基势垒以及电荷转移机制研究(英文)

由于金属与二维半导体接触界面复杂的电荷转移,界面处经常会产生强烈的费米钉扎效应.本文以Bi₂OS₂(拥有目前二维半导体材料中已知的最高电子迁移率)作为二维沟道层,采用密度泛函理论系统地计算了其与金属电极接触界面的肖特基势垒以及界面电荷转移机制.当Bi₂OS₂与三维金属电极接触时,界面强的电荷转移主要由化学键的形成以及泡利电荷排斥作用引起,导致界面具有强的费米钉扎,并且由这两个原因引起的电荷转移方向相反.此外,当金属的功函数大于半导体的电离能或小于半导体的电子亲合能时,界面会产生一个额外的电荷转移.当Bi₂OS₂与二维金属电极接触时,界面的费米钉扎完全被抑制,界面遵循肖特基-莫特定律,这是因为本文所选用的二维金属电极能够有效地屏蔽泡利电荷排斥作用.因此,通过选择不同功函数的二维金属电极,能够宽范围、线性地调节界面的肖特基势垒高度,并且能够实现界面从n型欧姆接触到p型欧姆接触的转变.这项研究不仅为Bi₂OS₂基器件的...     

MXene负载的锇单原子催化剂Os1/Ti2CS2催化低温CO氧化反应的理论研究(英文)

本文报道了一种对CO氧化反应具有低温催化活性的新型硫功能化MXene-Ti₂C (Ti₂CS₂)负载的锇金属单原子催化剂Os₁/Ti₂CS₂.通过密度泛函理论计算,从一系列过渡金属(M=Fe, Co, Ni, Cu; Ru, Rh, Pd,Ag; Os, Ir, Pt, Au)中筛选出最稳定的锇金属单原子催化剂.计算结果表明, Os1/Ti₂CS₂有利于O2和CO的共吸附,且O₂分子的吸附能略高于CO分子.此外,由于O2+2CO能稳定地共吸附在Os₁单原子上, CO氧化反应可能通过三分子反应机理进行.因此,我们研究了CO在Os₁/Ti₂CS₂单原子催化剂上发生氧化反应的四种不同的催化机理:Langmuir-Hinshelwood (L–H)、Eley Rideal (E–R)、termolecular L...     

聚合物电介质表面电荷积聚的根本原因（英文）

聚合物电介质在使用过程中表面会积聚大量的电荷,导致局部电场畸变、闪络、爆炸和设备损坏等问题.由于造成电荷积聚的聚合物载流子深陷阱的主要构成目前仍不清楚,这一瓶颈问题目前仍未得到有效解决.本文基于开尔文探针力显微镜(KPFM)和磁力显微镜(MFM)观测了纳米微区聚合物自由基的电荷行为,发现自由基表现出深陷阱的特性.第一性原理计算发现出现自由基后的体系中存在深能级缺陷态.微观和宏观的电荷测量表明,清除自由基后的聚合物表面电荷量显著减少,这为聚合物电介质在诸多领域中的安全使用提供了有效的材料改性方案.本文首次揭示了电介质中的自由基是深陷阱,为后续关于聚合物电介质的电荷特性方面的研究提供了重要的理论指导.     

低温条件下反常的铁电保持（英文）

理解铁电材料畴结构在低温条件下的翻转行为,对于铁电物理以及其在宽温域的应用都非常重要;然而,目前在低温条件下直接观测介观尺度下的畴翻转仍然面临着巨大的挑战.本论文利用铁酸铋(BiFeO₃)作为模型来研究3.6–260 K温度范围内的铁电畴翻转行为.菱形相的BiFeO₃在温度为130 K时观测到了明显的铁电保持失效现象;这是因为BiFeO₃在130 K附近有较大的热释电系数,从而使其升温到该温度附近时释放了大量的热释电电荷,进而产生较强的退极化场,导致铁电极化翻转.另外,本论文还发现通过纳米尺度设计相界可以有效地抑制铁电保持失效.本研究为变温条件下,尤其是低温温域,研究铁电翻转提供了实验范式.