稀土晶体材料研发现状与未来展望

介绍了稀土晶体的科学内涵,包括稀土晶体的概念、学科特色和分类。阐述了稀土晶体材料的研发现状,包括稀土磁学材料、光学材料、电学材料、催化材料、能源材料、合金材料以及稀土原料。指出中国已建成从稀土矿产勘探开采、选矿、萃取、分离、冶炼等稀土原材料生产技术到下游稀土结构与功能材料研发和工业生产体系,形成了全球门类最齐全、规模第一的稀土新材料产业体系,但是仍未系统掌握稀土高技术材料和器件领域的核心技术。针对创新引领能力不足、稀土资源高端利用能力不强等系列问题,中国还需要在基础科学研究、应用基础研究、产业发展、资源回收等方面进一步加强战略规划。     

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1 000 ℃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。     

双碳目标下的多尺度稀土新材料研究

“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”是中国对国际社会的庄重承诺。材料是实现碳减排技术的重要物质基础。通过介绍多尺度稀土新材料在能源存储、废气/尾气催化、电催化、永磁电机等领域应用的最新研究进展,分析了多尺度稀土新材料在攻坚双碳目标中发挥的作用。稀土是重要的“工业维生素”,着重介绍了稀土在原子离子、纳米微米、体块等尺度上对功能材料展现的独特作用。在量子材料方面,分析了稀土强关联固态电解质、稀土超导材料及稀土阻挫材料的最新研究进展。希望新型稀土功能材料的开发在减少碳排放方面起到促进作用。     

稀土离子掺杂钙钛矿纳米材料的光学性质及光电应用研究

金属卤化物钙钛矿材料具备可调的可见光谱区带隙、良好的载流子传输性能、长的电荷扩散长度、弱激子结合能、高吸收系数、高光电转化效率、高缺陷容忍度、良好的催化性能和简单的制备工艺等一系列独特的理化性质,使其在多种新兴光电技术领域备受关注。稀土离子具有丰富的4f能级跃迁效应,有望促使钙钛矿纳米材料的吸收、激发和发射,从而表现出范围宽且内涵丰富的量子行为和光电特性。面向实际光电应用的需求,稀土离子掺杂的钙钛矿纳米材料能够显著提升钙钛矿纳米材料的光电性质,解决钙钛矿纳米材料难以直接在近红外光区的应用,改善环境稳定性和含铅毒性的不足。总结了稀土离子掺杂钙钛矿纳米材料的结构性质、制备工艺、光学性质、稳定性及在光电领域应用的研究进展,并对其在新型光电技术领域的发展前景进行了展望。     

多尺度晶体材料的原位表征技术与计算模拟研究进展

大尺寸晶体材料是半导体、激光、通讯等领域的基础原料,大尺寸、高品质晶体材料的制备已成为制约相关行业发展的瓶颈。我国面临的“卡脖子”技术中大多与关键基础材料相关。大尺寸晶体材料制备理论与技术是我国新材料产业高质量发展的一个重要方面,也是提升相应高技术产业的基础,突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术是获得高品质大尺寸晶体材料的关键。探究并准确理解大尺寸晶体生长机理需要借助原位表征技术和多尺度计算模拟方法。单一的原位表征和模拟技术只能探究特定时间和空间范围内的结晶信息,为了准确反映结晶过程需要综合应用多种方法。本文综述了最新的多尺度晶体生长研究的原位表征方法、多尺度计算模拟技术以及机器学习方法,为发展结晶理论和控制晶体品质提供重要的实验和理论依据,并将为提升大尺寸晶体生长工艺的开发而服务。     

大尺寸氧化物功能晶体的熔体结构研究进展

大尺寸功能晶体氧化物广泛应用于军事、高端制造、医疗等领域。熔体的结构和性质对于生长大尺寸高质量的功能晶体而言十分关键。本文综述了氧化铝、钇铝石榴石、铌酸锂等典型氧化物晶体的熔体结构特征。研究表明这几种熔体中都存在几种由金属阳离子与氧离子配位形成的不同多面体结构基元,这些结构基元的配位数、键长、空间结构以及各种基元数量的相对占比与晶体中的存在显著差异,并且结构基元的种类和占比与温度具有一定关联关系。在熔体中,这些结构基元相互连接形成网状结构,阴阳离子都可以作为节点在熔体中连接结构基元多面体。相变和熔体结构动态转变反映了晶体生长的热力学和动力学过程,揭示结构相变和熔体的结构演变动力学过程将有助于从深层次理解大尺寸晶体的实际生长机理。在生长界面处诱导形成特定熔体结构基元,构筑长程、均一的介尺度化学键合结构,有助于实现高品质大尺寸晶体生长。     

稀土倍半氧化物晶体材料研究进展

稀土倍半氧化物晶体是一类非常适合用于超快激光增益介质、磁光介质的材料，人们对其研究始于20世纪20年代，其由于具有高热导率、宽荧光光谱、低声子能量等优点，至今仍然是先进材料领域的研究热点。“如何突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术”位列2021年中国科协发布的十大前沿科学问题之首，这也明确了提高大尺寸晶体材料的制备技术是晶体商业应用的关键。材料的结晶本征属性及其晶体质量是多尺度水平上体系不同自由度相互耦合的结果，因此，开发高品质的稀土倍半氧化物材料需要从多尺度水平上研究体系中稀土离子键合、熔体结构演化、晶体生长等多层次多因素问题。本文聚焦在微观尺度上稀土离子电负性的强弱对熔体中阳离子配位数的影响、熔体结构的实验与模拟计算研究以及晶体生长等方面的最新进展。稀土倍半氧化物熔点高(≥2 400℃),限制了铱坩埚以及大多数熔体法生长技术的使用，导致英寸级稀土倍半氧化物晶体开发缓慢。采用助溶剂法、热交换法以及设计低熔点组分是制备大尺寸高质量稀土倍半氧化物晶体的研发重点。为了推动稀土倍半氧化物的商业化应用，揭示稀土离子配位结构、熔体结构演化、生长过程中的缺陷形成机制，开发大尺寸晶体生长技术是目前需要...     

介尺度设计功能新材料研究进展

随着材料多尺度问题的认识与提高，新材料设计的构效关系已经远远超越了结构-性能关联，而是往更加本质的体系自由度及其耦合机制方向深入拓展。新材料设计需要从材料的量子本质明确其性质来源。介尺度结构的动态演变过程表现出了丰富的量子效应，同时材料中的电荷、自旋、轨道、晶格、缺陷、掺杂等自由度及其耦合是材料丰富功能的本质起源。基于介尺度动态结构演变的思想，建立从“分立结构”到“动态结构”到“多尺度多层次结构”的新材料设计思路，基于多自由度耦合范式建立多自由度耦合、解耦的模型，定性、定量、定位地表达各种相互作用对功能材料性质的贡献，是实现功能新材料量子设计的有效途径。重点论述了介尺度设计功能新材料的最新研究进展，特别集中于团簇、量子点、量子材料、稀土基材料等介尺度调控及其特殊性能。     

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。