无机非金属材料基础课教学的探索与实践

本文从我校最近几年开设的无机非金属材料基础课出发,探索了包括教学内容、教学方法、成绩考核方法等几方面的改革,四年的教学实践表明,我们所采取的教学方案对激发学生的学习兴趣、培养学生的专业能力和创新能力具有良好的教学效果。     

高热稳定性α-氧化铁的宏量制备及其电化学性能研究

氧化铁(Fe2O3)是一种重要的n型半导体材料,被广泛应用于染料、废水处理、光催化和锂离子电池等领域。采用水热法合成了不同直径大小的片状结构的α-氧化铁,其中大尺寸的片状α-氧化铁在1000℃仍能保持原有的表观颜色和形态,证明了其具有高热稳定性,在油漆、染料等领域具有较大的应用潜力。研究了氢氧化钠与三氯化铁溶液浓度及其混合顺序对α-氧化铁材料性能的影响,并且分析了片状α-氧化铁的带隙、锂离子电池性能及粉体表观颜色与颗粒尺寸的依赖关系。结果表明,通过调整氢氧化钠溶液的浓度和氢氧化钠与三氯化铁的滴加顺序可以得到不同尺寸的片状α-氧化铁,α-氧化铁的颜色随着其颗粒尺寸的增大而加深,带隙随着颗粒尺寸的减小呈现上升趋势,并且纳米级颗粒相对于微米级颗粒会提高锂离子电池的实际容量。该研究有助于研发α-氧化铁的宏量制备工艺及发掘其在电化学、陶瓷釉料、颜料等方面的应用,对降低传统能源活动的碳排放、推动中国早日实现“双碳”的国家目标具有重要的意义。     

稀土改性锂基氧化物固态电解质研究现状与展望

全固态锂电池具有能量密度高和安全性好等优点，成为新能源领域的研究热点。固态电解质作为全固态锂电池的核心部分，决定了电池的能量密度、循环稳定性以及安全性等。其中，氧化物固态电解质因离子电导率高、电化学窗口宽、力学性能优异而备受青睐，所涉及的研究体系主要包括石榴石型、NASICON型以及钙钛矿型固态电解质。然而，烧结温度高、室温离子电导率低、结构不稳定使其难以满足实际应用。本文概述了石榴石型、NASICON型以及钙钛矿型氧化物固态电解质近年的研究现状和存在的问题；总结了具有大离子半径、高价态、低电负性、可变配位数和4f5d电子结构的稀土离子在改性氧化物固态电解质时起到的增加致密度、提高离子电导率以及稳定高离子导电晶相的作用；分析了当前稀土改性氧化物固态电解质面临的主要科学问题和技术瓶颈；最后，对未来稀土改性氧化物固态电解质发展方向进行了展望。     

电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论及在量子调控发光中的应用

发光过程中存在微观粒子之间的相互作用，可将其归结为量子行为。而稀土晶态材料作为发光的载体，包含了晶格、电荷、自旋以及轨道在内的多种自由度。稀土离子在晶体中可以看作一种无机晶格活性掺杂剂。由于稀土离子半径较大，其掺杂到晶体中容易引起晶格畸变，形成空位缺陷，并进一步导致晶体的电子结构和晶格环境发生改变，形成缺陷、晶格、电子结构等多尺度结构。由稀土离子掺杂引起的缺陷可以归结为局域对称性破缺，影响晶格自由度。此外，稀土离子f电子的复杂性导致了体系中的电荷、自旋、轨道等自由度的不稳定性。因此，通过多自由度耦合方法可以明确稀土晶态材料中发光来源的本质。通过电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论，可以将稀土晶态材料中离子尺度的晶格自由度，以及电子尺度的电荷、自旋以及轨道自由度整合起来，实现稀土晶态材料发光的量子调控。本文主要论述电负性评估稀土离子电荷转移跃迁理论及其在量子调控发光中的应用。     

铌酸锂晶体缺陷研究中的介尺度团簇演变

铌酸锂晶体中存在着丰富的缺陷结构，主要包括V_Li、Nb_Li⁴⁺、V_Nb以及V_O等点缺陷。缺陷的存在会在很大程度上影响铌酸锂晶体的性质，如压电、电光、铁电、光折变、非线性光学性质以及激光损伤阈值，进而影响声表面波、电光调制器、声光调制器、温度/压力/加速度传感器等器件性能。铌酸锂晶体中缺陷形成的主要过程可以归结为以O^2–为中心的介尺度团簇演变。明确铌酸锂晶体缺陷形成过程中的介尺度团簇演变机制对于缺陷的控制具有十分重要的意义。本文将从缺陷类型、形成能以及介尺度团簇模型研究铌酸锂晶体中缺陷的动态演变过程以及形成机制。最后分析铌酸锂晶体结构中缺陷导致的杂化、再杂化过程，同时考虑多种自由度的耦合，为铌酸锂晶体的缺陷控制、快速生长以及性能调控贡献力量。最后举例介绍分析铌酸锂晶体缺陷与性质、功能的关联关系。