科研方向----高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室

　　组合方法及新材料课题组科研方向

　　1、基于材料基因组思想的高通量材料合成与快速发现和优化

　　近年产生世界影响的“材料基因组计划（2011年美国政府重大计划）”旨在通过运用当今数据库、计算技术及快速实验方法的强大功能，加速新材料发现及现有材料性能提升，力推高端制造业发展。而快速实验的核心是高通量合成/制备/表征的技术集成，可突破传统材料研究“试错法”的模式，显著提高材料研发效率，降低研发成本。

材料基因组框架的核心思想

　　高通量材料合成与快速发现和优化策略：将样品阵列式地集成为样品库/反应库（或材料芯片，简称 IM Chips）, 实现组成的连续或准连续变化及组分选择的多样性，快速、高效、并行制备/处理/检测（快速扫描、并行测试等）大量样品，以比传统方法快百倍、千倍乃至更高的速度获得样品库上的优化结果，建立材料组成－结构－性能的关联数据库，加速发现和优化新材料的进程，为材料选型及针对性应用研究提供重要科学基础。

　　本课题组于2000年初，在中科院的支持下，在国内率先建立了“高通量材料合成/制备/表征技术平台“，形成了国内为数不多的专业研究团队和基地，奠定了研发基础，开展了核医学影像用闪烁发光材料（硅酸盐、铝酸盐基）、工业窑炉红外热辐射节能涂层材料（堇青石基）、汽车板耐腐蚀合金镀层材料（Zn-Al-M）、新一代相变存储材料（金属间化合物）、LED白光荧光粉（氮氧化物、含氧酸盐）等材料体系的快速筛选研究，近几年研究重点聚焦在新能源和环境材料的加速研发（多形态碳基多级结构材料），为解决高端制造业发展对新材料的需求提供基础数据库。

　　2、新材料合成与应用研究

　　在组合高通量筛选的基础上，发展多种无机材料制备方法，开展材料应用基础研究。

　　发展了一种基于组合化学法利用Wurtz反应制备一系列N/S/P/B异质原子掺杂石墨烯方法（如图所示），实现了对石墨烯的一元或者二元的批量化掺杂，如N掺杂和N, X（X = B, S, P）二元掺杂，并研究了它们对于氧还原反应的电催化性能。

　　基于组合化学法利用Wurtz反应制备一系列N/S/P/B异质原子掺杂石墨烯的示意图

　　以廉价原料为前驱体，采用固相法成功合成了具有优异电催化产氢性能的超薄碳石墨层（1-3层）包覆的Mo₂C超细纳米颗粒（Mo₂C@C）（如图所示）。超细Mo₂C颗粒（均小于3 nm）的高比表面积有利于增加活性材料表面的反应位点，同时石墨层的高导电性大大促进了电子的传输，明显降低析氢反应的过电势。这种新型产氢催化剂与商用催化剂Pt(20wt%)/C的性能十分接近，过电势仅仅与Pt/C相差32 mV （10 mA/cm²），Tafel斜率仅为41 mV/dec，交换电流密度高达0.179 mA/cm²。该催化剂具有高稳定性、制备简单、原料成本低等特点。该种方法可拓展至W₂C@C，V₈C₇@C，TiC@C等其他体系的材料。

　　采用三嵌段共聚物F127辅助含硫前驱体2-噻吩甲醛与间苯二酚发生溶胶凝胶过程，通过冷冻干燥及热裂解制备了含硫多孔碳。在EDLC (Electrical double layer)储能机制的基础上，硫的加入能为TEATFB/PC-DMC (Tetraethylammonium Tetrafluoroborate / propylenecarbonate - dimethylcarbonate)有机体系的多孔碳材料引入新的储能机制——赝电容。通过后续空气活化处理，制备得到不同活化时间(0 h, 1.5 h, 3.0 h)的含硫多孔碳；研究发现：活化1.5 h的含硫多孔碳具有最高的比电容值(120.4 F/g)及优良的倍率特性，将是一种具有可实用化价值的超级电容器电极材料（如图所示）。此外，提出了空气气氛下硫诱导石墨化的概念，并用实验证实了SO_x气体逸出含量对多孔碳石墨化程度的决定性作用。

　　含S碳气凝胶作为有机系超级电容器电极的性能结果。

　　发展了一步缩聚与活化相结合的合成方法，制备了孔径分布窄的多孔碳材料，该材料具有高比表面积和高孔体积。在25^oC和0^oC测试条件下，对CO₂气体的吸附值分别达2.86 mmol/g和4.92 mmol/g，而样品的初始CO₂/N₂选择性吸附比更高达81和119，远高于目前报道的其它类型碳吸附剂的性能。所合成的多孔碳材料还显示出优异的循环使用特性，具有后续应用扩展研究价值。

　　不同温度条件制备的多孔碳孔形貌特征，650^oC(a,b)，750^oC(c,d)

发展了原位聚合接枝方法制备CMK-3/PMMA复合材料，在介孔碳表面接枝PMMA（methyl methacrylate）分子，显著提高了复合材料的电导率（增幅2个数量级）；表面修饰增强了介孔碳的电子弛豫、电偶极子极化及界面极化等极化弛豫效果；CMK-3/PMMA复合材料表现出优异的微波吸收性能；改变吸波体厚度可有效调节电磁波最大吸收频率，满足吸波材料在不同频率的应用要求。所提出的材料设计思想及所发展的材料合成方法为吸波材料的研发开辟了一条新途径。

不同厚度原位聚合CMK-3/PMMA复合材料在X波段的吸波性能

　　发展了静电纺丝技术结合溶胶凝胶和碳热还原氮化法分别制备了系列稀土铈掺杂硅酸镥（LSO:Ce, LPS:Ce）闪烁陶瓷纤维，以及高温Si₃N₄和SiAlON:Eu陶瓷纤维。LSO:Ce和LPS:Ce闪烁陶瓷纤维可制备成内扣环状和外翻环状的三维纤维束结构。而Si₃N₄和SiAlON:Eu陶瓷纤维的合成温度低于1500^oC，比传统合成方法的制备温度大幅度下降。

b-SiAlON:Eu²⁺陶瓷纤维，具有紫外激发蓝光发射特性

　　将金属催化化学刻蚀与浸渍涂膜工艺相结合，发展了柱状发光薄膜的制备技术。通过化学刻蚀，在硅片上制备Si纳米线阵列，以Si纳米线阵列为模板，结合浸渍涂膜制备出Lu₂Si₂O₇:Ce³⁺（LPS:Ce³⁺）柱状发光薄膜。Si纳米线阵列不仅提供了薄膜生长的Si源，而且其阵列结构起到反应通道和模板作用，诱导LPS:Ce³⁺晶粒沿垂直衬底方向进行柱状生长，使薄膜呈现柱状排布结构。该技术可大面积制备形貌均匀、成分均匀、发光均匀的LPS:Ce³⁺柱状发光陶瓷薄膜。

沿垂直衬底方向生长的柱状排列的LPS:Ce³⁺发光薄膜

　　发展了介孔SiO₂硬模板辅助合成形貌可控SiAlON陶瓷粉体的制备方法。使用棒状和球状介孔二氧化硅为原始模板，结合碳热还原氮化方法可制备多种棒状和球状的Si₂N₂O、Si₃N₄和SiAlON粉体。介孔SiO₂硬模板不仅作为Si源参与反应，而且作为模板剂起形貌导向生长的作用。采用此合成方法，陶瓷粉体的合成温度大幅下降，降幅达70^oC以上。

　　合成的棒状和球状Si₂N₂O粉体，左-模板，右-粉体

　　发展高温和高致密度RE-SiAlON红外波段透明陶瓷和薄膜材料的制备技术。通过复合添加LiF和稀土氧化物，成功将SiAlON陶瓷的热压烧结温度从1700～1800℃降低到1500℃。经1600℃热压烧结的样品具有优良光学透明特性。硬质RE-SiAlON陶瓷薄膜对ZnS红外窗口材料具有优良的增透及硬化作用，是高温红外窗口等材料的候选防护膜。

　　热压烧结LiF-Dy-SiAlON透明陶瓷，中红外波段（左）可见光（右）均透明

　　SiAlON镀层对ZnS的力学保护作用，硬度大幅提高