二维光催化材料电子结构和性能调控策略研究进展

二维光催化材料具有丰富的表面活性位点、独特的几何结构、可调的电子结构和良好的光催化活性,在环境净化和能源转化等领域具有潜在的应用价值。鉴于此,二维光催化材料的合成方法和性能调控策略得到了快速发展。以往的策略主要集中在形貌和几何结构特征的调节上,实际上并不能完全满足高效稳定的光催化剂的设计需求。通过表面设计构建丰富的活性位点和调整电子结构,可以提高光催化性能及其稳定性。本文从光吸收、电荷分离和活性位点三个方面综述了二维光催化材料的表面设计和电子结构调控策略的研究进展,包括元素掺杂、异质结设计、缺陷构造、单原子修饰、等离子体金属负载等方法,总结了电子结构调控对二维光催化材料净化典型空气污染物反应机理的影响机制。最后,对二维光催化材料研究中存在的问题和挑战进行了分析和展望。     

二维纳米材料热传导行为及其界面调控※

二维纳米材料具有独特的二维无限拓展超薄结构, 其声子输运受到维度限制, 从而赋予了二维纳米材料新奇的热传导性质, 是研究微纳尺度热传导的理想材料平台. 界面工程可以引发二维纳米材料中声子振动模式的改变和声子振动的耦合, 导致材料的热传导行为改变, 为实际应用中微纳器件的散热、极端环境的热防护等提供了可能的解决方案. 详细介绍了在经典二维纳米材料中热传导的不同机制及新奇特性, 阐述了界面工程对二维纳米材料热传导的影响, 并进一步展望了原子分子级别界面调控在二维材料热传导领域的研究前景.     

低维纳米材料的理性设计:从结构预测到分子设计

低维纳米材料具有不同于体相材料的物理化学特性,是未来能源、信息与生物等技术的一个重要载体.结构预测与设计作为材料研究与发展的重要内容之一,在低维纳米材料方面的研究具有重要的意义.本文综述了近年来在低维材料理性设计方面的一些研究进展,主要基于全局结构搜索与分子设计,预测具有独特结构与性能的新型低维材料.结合第一性原理电子结构计算方法,针对特定性能开展结构搜索与设计,预测了一系列新型的光催化材料与自旋电子学材料.通过从结构预测到目标设计,可以揭示低维纳米材料中"结构"与"性能"之间的关系,寻找具有特定结构、特殊功能的新型低维纳米材料.     

二维纳米材料作为润滑油添加剂的研究进展[1]

二维纳米材料因其独特的分子结构和润滑性能而在摩擦学领域得到了广泛的研究。同一层内原子间的高强度和较低的层间剪切强度使其成为一种优异的减摩抗磨添加剂。本文分别从石墨烯类二维纳米材料、过渡金属二硫化物和其它的二维纳米材料三方面综述了二维纳米材料作为润滑油添加剂的摩擦学性能,阐述了二维纳米材料的摩擦机理,并指出二维纳米材料作为高性能润滑材料仍需解决的问题及未来的研究趋势。     

二维层状离子型纳米材料在化妆品领域的应用进展

二维层状离子型纳米材料具有独特的结构和界面性能,使其在透皮吸收、防晒、活性物的靶向传递、构建稳定的纳米微胶囊等功效中显示出极大的优势,在化妆品行业中具有良好的市场前景。 该类化合物根据层板电荷不同可分为阳离子型粘土材料和阴离子型水滑石类材料。 基于近年来国内外对二者的研究报道和实验研究成果,本文综述了二维离子型纳米材料的特点、性能及其在化妆品领域的应用历史和发展现状,并进一步展望了该类材料在化妆品领域中的应用前景。     

二维纳米材料的改性及其环境污染物治理方面的应用

二维纳米材料是一类具有类似二维平面形态,且厚度在纳米级甚至数个原子层的材料,其种类繁多并且具有很多与体相材料不同的物化性质,在众多领域受到了广泛关注。二维纳米材料在催化降解、吸脱附、过滤、传感检测等领域具有可观的应用潜力,还可用于环境污染的防治。通过形貌、元素、基团、缺陷的修饰、改性和材料合成等策略可以调控二维纳米材料的性质,从而研发新的材料体系或者改善二维纳米材料的性能。本文首先归纳了二维纳米材料的种类,并重点阐述了各种改性策略的作用及研究现状,以及改性的二维纳米材料在治理水体污染、大气污染和污染物检测等方面的应用,为二维纳米材料在环境治理领域的发展现状作了系统介绍和展望。     

二维黑磷基纳米材料在光催化中的应用

黑磷是继石墨烯之后又一种新型的单元素二维材料。具有独特的层状结构、超高的载流子迁移率和由层厚调控的禁带宽度,在光催化领域具有广阔的应用前景。然而,单一黑磷材料的禁带宽度较窄( ≤ 1.5 eV),光生载流子极易复合,导致其光催化性能较低。另外,黑磷表面的磷原子易与环境中的氧气发生反应形成P_xO_y,降低了黑磷材料的稳定性。因此,较低的催化性能和不稳定性极大地限制了黑磷材料的实际应用。针对上述问题,可以通过将黑磷材料与其他材料复合形成一系列的等离子体复合材料和多维异质结的方式,来提高光催化剂的活性和循环稳定性。本文综述了近年来二维黑磷纳米片与金属、半导体和碳材料等复合后形成的复合材料在光催化裂解水产氢、降解有机污染物、CO₂还原和固氮等方面的研究进展。最后,对未来二维黑磷基光催化材料的研究方向进行了分析和展望。     

可循环SERS基底ZnO/Ag纳米材料合成和表征（英文）

利用简易、绿色、一锅煮的水热法合成了花状氧化锌/银复合纳米材料。然后利用各种光谱和显微技术对复合物进行了表征,并讨论了其表面增强拉曼(SERS)性能和光催化性能。结果表明氢氧化钠的量对于这种复合纳米材料的形貌和性能具有重要的调节作用。和其他形貌的氧化锌/银复合纳米材料相比较,花状氧化锌/银复合纳米材料具有最佳的光催化性能。同时进一步以花状氧化锌/银复合纳米材料作为SERS基底研究其表面增强拉曼性能,结果表明这种复合材料同时具有很好的表面增强拉曼性能。光催化和表面增强拉曼结果表明这种花状氧化锌/银复合纳米材料有望在有机物检测中作为一种具有很好的可循环性的新表面增强拉曼基底材料。     

可循环SERS基底ZnO/Ag纳米材料合成和表征

利用简易、绿色、一锅煮的水热法合成了花状氧化锌/银复合纳米材料。然后利用各种光谱和显微技术对复合物进行了表征,并讨论了其表面增强拉曼(SERS)性能和光催化性能。结果表明氢氧化钠的量对于这种复合纳米材料的形貌和性能具有重要的调节作用。和其他形貌的氧化锌/银复合纳米材料相比较,花状氧化锌/银复合纳米材料具有最佳的光催化性能。同时进一步以花状氧化锌/银复合纳米材料作为SERS基底研究其表面增强拉曼性能,结果表明这种复合材料同时具有很好的表面增强拉曼性能。光催化和表面增强拉曼结果表明这种花状氧化锌/银复合纳米材料有望在有机物检测中作为一种具有很好的可循环性的新表面增强拉曼基底材料。     

超薄二维MOF纳米材料的制备和应用

超薄二维金属有机框架材料(MOF)纳米材料是MOF材料中的一类,不同于传统体相MOF材料,超薄片状结构赋予了它高比表面积、丰富的配位不饱和的金属位点等独特性质,能够有效改善MOF在催化、分离和传感等领域中的性能。本文综述了近年来国内外在超薄二维MOF纳米材料的构建及制备方法的研究进展,其中包括自上而下法、自下而上法以及独立于二者的二维氧化物模板牺牲法等。同时,本文详细讨论了超薄二维MOF纳米材料在气体吸附与气体分离、催化、能量储存和传感平台等领域的应用前景,并对未来超薄二维MOF纳米材料的研究面临的挑战和机遇做了进一步的分析。     

可循环SERS基底ZnO/Ag纳米材料合成和表征

利用简易、绿色、一锅煮的水热法合成了花状氧化锌/银复合纳米材料。然后利用各种光谱和显微技术对复合物进行了表征,并讨论了其表面增强拉曼（SERS）性能和光催化性能。结果表明氢氧化钠的量对于这种复合纳米材料的形貌和性能具有重要的调节作用。和其他形貌的氧化锌/银复合纳米材料相比较,花状氧化锌/银复合纳米材料具有最佳的光催化性能。同时进一步以花状氧化锌/银复合纳米材料作为SERS基底研究其表面增强拉曼性能,结果表明这种复合材料同时具有很好的表面增强拉曼性能。光催化和表面增强拉曼结果表明这种花状氧化锌/银复合纳米材料有望在有机物检测中作为一种具有很好的可循环性的新表面增强拉曼基底材料。     

氧掺杂调控氮化硼中电子定向传输促进分子活化

正二维光催化材料因为独特的电子结构、丰富的活性位点等优势在环境和能源催化领域有着广泛的应用~(1,2)。一般来说,光催化材料的性能与其载流子的迁移效率息息相关。而二维非金属光催化材料,例如石墨相氮化碳(g-C_3N_4),在光催化反应中常常面临着光生载流子复合过快的问题~(3,4),光催化性能往往不尽如人意。一方面,g-C_3N_4由高度π共轭的C-N杂环构成。此外,     

超越石墨烯:二维纳米材料

二维纳米材料由于其独特的物理和化学性质,现已成为当今材料科学研究的焦点之一。本文从新型二维纳米材料的分类、合成、性质和应用角度,结合TMDs、硅烯、层状氧/氢氧化物等实例,介绍了这方面研究的新进展,并简要介绍了新兴的以二维材料堆叠为基础的范德华和同层异质结构的制备、性质及应用前景。最后,对正在飞速发展的二维纳米材料在未来将引发的新一代材料科学革命中展示出的活力进行了展望。     

二维Z型光催化材料及其在环境净化和太阳能转化中的应用

光催化技术可将太阳能转化为可存储能源,还可直接利用太阳能分解污染物,是缓解能源紧张,净化环境的有效途径。Z型光催化体系可模拟光合作用过程,在可见光下具有较高的光能转化效率,成为近年来的研究热点,而碳化氮等二维纳米材料的发展进一步启发人们基于微观二维结构构建Z型光催化体系,以强化其光谱响应能力、载流子分离效率、氧化还原能力以及光蚀稳定性。本文综述了近年来二维Z型光催化材料在基础理论,合成方法方面的研究进展及其在环境和能源领域的应用情况,并对二维Z体系在光催化领域的研究前景进行了展望。     

二维过渡金属硫族化合物在生物医学中的应用

二维过渡金属硫族化合物(TMDs)是继石墨烯纳米材料发展之后一类新型的二维纳米材料. 由于其特殊的物理化学性质, TMDs二维纳米材料在能源、光电器件、催化反应等多个领域引起了人们广泛的研究兴趣. 近年来这类材料在纳米生物医学方面也得到人们广泛的关注. 这篇综述简单介绍TMDs二维层状纳米材料的制备、表面修饰、生物成像、肿瘤治疗和毒理学研究, 并对二维TMDs纳米材料未来在生物医学领域的发展做出展望.     

二氧化钛纳米材料的非均相光催化本质及表面改性

非均相光催化过程是指多相多尺度体系在光辐射作用下发生的一个复杂的催化过程,被认为最有潜力解决环境污染和能源短缺问题的绿色及可再生的技术之一。在目前已经报道的各种非均相光催化剂中, TiO2纳米材料被证实是应用最广泛、光催化效果最好的催化剂,是当前国际材料、环境和能源等领域的研究前沿和热点,高性能TiO2基光催化材料的设计及改性一直是该领域的难点,其关键问题主要为：如何增强TiO2的表面光催化量子效率、促进光生载流子分离和拓展其可见光响应范围。尽管已经有很多关于TiO2光催化的综述,但大多综述集中在高性能TiO2的制备及各种改性策略研究,而对各种改性策略与光催化分子机理之间的关系阐述较少。为此,本文深入分析了TiO2纳米材料的非均相光催化本质并总结了各种表面改性策略。首先从热力学角度阐明TiO2的热力学能带能够确保其实现各种典型光催化反应(包括光催化降解、CO2还原及光解水),证实其广泛应用的可行性。然后,对TiO2光生载流子的动力学基础进行总结,证实快速的广生载流子复合以及较慢的表面化学反应动力学是限制其光催化活性提高的关键制约性因素。于此同时,对TiO2纳米材料的表面Zeta点位、超亲水性、超强酸光催化剂制备(表面羟基取代)等重要的表面化学性质也进行了详细阐述。从而可以初步得出如下结论：表面改性是设计高性能TiO2光催化材料的重中之重,并将各种改性策略浓缩在6个方面：表面掺杂和敏化,构建表面异质结,负载纳米助催化剂,增加可利用的比表面剂,利用表面氟效应以及暴露高活性晶面等。显然,表面掺杂和敏化可以减小TiO2纳米材料的禁带宽度,从而大幅拓宽其可见光吸收范围及光催化效率。而构建紧密的表面异质结可以创建界面电场,不仅可以促进光生电荷分离效率,而且可以有效提高界面电荷转移效率,最终实现异质结的高光催化效率。负载纳米助催化剂则可以大幅加快表面化学反速率,降低光生载流子的表面复合并增加其利用率,并有可能减少不期望的表面逆反应,从而实现光催化活性提升。增加可利用的比表面剂,可以有效提升光催化剂与吸附质之间的有效接触面积,缩短了载流子的传输距离以及通过多次反射与折射提升光能的利用率,从而全方位地提升TiO2纳米材料的光催化活性。对TiO2纳米材料表面进行氟化,可以增加光生羟基自由基的速率以及浓度,并可以通过调节TiO2表面酸碱性而控制其光催化选择性,从而实现高效高选择性光催化。最后,通过暴露TiO2纳米材料的高活性晶面,也可以促进光生载流子分离、增加吸附性能或羟基自由基生成速率,从而获得高光催化效率。另外,这些表面改性策略的协同效应仍是较有前景的TiO2纳米光催化剂改性技术,值得深入研究。同时,深入的光催化分子机理探索仍然是必须的,其不仅有助于发现影响TiO2纳米材料光催化活性提高的关键性制约因素,而且也可以指导开发新型的TiO2纳米光催化剂改性技术。总而言之,通过总结TiO2纳米材料在光催化、表面化学及表面改性等方面的重要进展,可为设计高效的TiO2基及非TiO2基光催化剂并应用于太阳燃料生产、环境修复、有机合成及相关的领域(如太阳能电池、热催、分离和纯化)等提供新的思路。     

二氧化钛纳米材料的非均相光催化本质及表面改性（英文）

非均相光催化过程是指多相多尺度体系在光辐射作用下发生的一个复杂的催化过程,被认为最有潜力解决环境污染和能源短缺问题的绿色及可再生的技术之一.在目前已经报道的各种非均相光催化剂中,TiO2纳米材料被证实是应用最广泛、光催化效果最好的催化剂,是当前国际材料、环境和能源等领域的研究前沿和热点,高性能TiO2基光催化材料的设计及改性一直是该领域的难点,其关键问题主要为:如何增强TiO2的表面光催化量子效率、促进光生载流子分离和拓展其可见光响应范围.尽管已经有很多关于TiO2光催化的综述,但大多综述集中在高性能TiO2的制备及各种改性策略研究,而对各种改性策略与光催化分子机理之间的关系阐述较少.为此,本文深入分析了TiO2纳米材料的非均相光催化本质并总结了各种表面改性策略.首先从热力学角度阐明TiO2的热力学能带能够确保其实现各种典型光催化反应(包括光催化降解、CO2还原及光解水),证实其广泛应用的可行性.然后,对TiO2光生载流子的动力学基础进行总结,证实快速的广生载流子复合以及较慢的表面化学反应动力学是限制其光催化活性提高的关键制约性因素.于此同时,对TiO2纳米材料的表面Zeta点位、超亲水性、超强酸光催化剂制备(表面羟基取代)等重要的表面化学性质也进行了详细阐述.从而可以初步得出如下结论:表面改性是设计高性能TiO2光催化材料的重中之重,并将各种改性策略浓缩在6个方面:表面掺杂和敏化,构建表面异质结,负载纳米助催化剂,增加可利用的比表面剂,利用表面氟效应以及暴露高活性晶面等.显然,表面掺杂和敏化可以减小TiO2纳米材料的禁带宽度,从而大幅拓宽其可见光吸收范围及光催化效率.而构建紧密的表面异质结可以创建界面电场,不仅可以促进光生电荷分离效率,而且可以有效提高界面电荷转移效率,最终实现异质结的高光催化效率.负载纳米助催化剂则可以大幅加快表面化学反速率,降低光生载流子的表面复合并增加其利用率,并有可能减少不期望的表面逆反应,从而实现光催化活性提升.增加可利用的比表面剂,可以有效提升光催化剂与吸附质之间的有效接触面积,缩短了载流子的传输距离以及通过多次反射与折射提升光能的利用率,从而全方位地提升TiO2纳米材料的光催化活性.对TiO2纳米材料表面进行氟化,可以增加光生羟基自由基的速率以及浓度,并可以通过调节TiO2表面酸碱性而控制其光催化选择性,从而实现高效高选择性光催化.最后,通过暴露TiO2纳米材料的高活性晶面,也可以促进光生载流子分离、增加吸附性能或羟基自由基生成速率,从而获得高光催化效率.另外,这些表面改性策略的协同效应仍是较有前景的TiO2纳米光催化剂改性技术,值得深入研究.同时,深入的光催化分子机理探索仍然是必须的,其不仅有助于发现影响TiO2纳米材料光催化活性提高的关键性制约因素,而且也可以指导开发新型的TiO2纳米光催化剂改性技术.总而言之,通过总结TiO2纳米材料在光催化、表面化学及表面改性等方面的重要进展,可为设计高效的TiO2基及非TiO2基光催化剂并应用于太阳燃料生产、环境修复、有机合成及相关的领域(如太阳能电池、热催、分离和纯化)等提供新的思路.     

《新型二维纳米材料》专辑序言——新型二维纳米材料:掀起未来技术革命

二维纳米材料是一种具有片状结构,厚度为纳米量级,而水平尺寸可以无限延展的材料。2004年,曼彻斯特大学Andre Geim小组通过机械剥离法成功从石墨中分离出单原子层石墨烯,由此拉开新型二维纳米材料的帷幕。石墨烯高载流子迁移率、超强的机械性能、良好的热力学稳定性、高热导率和大比表面积,引起科学家对新型类石墨烯二维纳米材料的兴趣。新型二维纳米材料其纳米尺寸的厚度赋予它们非凡的物理、化学、电子和光学特性。例如,由于电子被限定在二维平面,使二维纳米材料在凝聚态物理学和电子/光电设备上成为理想材料;大的平面尺寸使其具有极大的比表面积,有利于暴露表面原子提供更多活性位点。二维纳米材料的这些独特性能,使其在能源存储与转化、电子器件、催化反应、传感器、生物医药等领域均有重要的潜在应用价值。现今,新型二维纳米材料已被研制出将近20多种,诸如石墨烯、石墨相碳化氮(g-C3N4)、过渡金属二硫化物(TMDs)、过渡金属碳化物或氮化物(MXenes)、层状双金属氢氧化物(LDHs)、过渡金属氧化物(TMOs)、Ⅲ~Ⅵ族层状半导体(MX4)和无机钙钛矿型化合物(AMX3)等。本专辑围绕新型二维纳米材料专题,收录了在相关领域具有丰富研究经验的团队所撰写的12篇相关研究的综述文章、研究论文和简报。代表性地呈现新型二维纳米材料在超级电容器、电化学催化、传感、电池、荧光、水处理、阻燃等方面的研究进展,希望借助该专辑的出版,能使广大读者更深入地了解新型二维纳米材料的研究现状和发展趋势,进而推动新型二维纳米材料研究的发展!在此,对本专辑的所有作者、审稿人及编辑部工作人员的卓越工作和辛勤付出表示衷心的感谢!     

纳米有机半导体光催化剂

近年来,有机半导体因其独特可调的化学结构及光电性质越来越多地被应用于高效可见光催化领域。但是,有机材料本身化学键弱、载流子迁移率低,导致其催化效率低、稳定性差。因此,将有机半导体进行纳米组装及其构建异质结构,得到零维、一维、二维或多元复合纳米有机光催化剂,成为近几年的研究热点。零维粒子尺寸小、比表面积大;一维结构长程有序排列、表面缺陷密度降低;二维结构在增大表面活性位点的同时能最大限度地缩短电荷在材料内部的迁移距离而表现出更高的光生电荷利用率;纳米复合结构的异质界面可以有效促进光生电子-空穴对的分离,因此在提高光催化活性及稳定性方面具有重要意义。同时,纳米有机光催化剂种类丰富,催化机理各不相同,因此被广泛应用于分解水或空气中污染物的光催化领域。本综述中归纳了各类纳米有机光催化剂的制备方法、结构特性以及光催化应用,同时对多种光催化机制进行了介绍,并对其应用前景进行了展望。     

纳米TiO2表面光生电荷解析

表面与界面电荷性质是纳米材料制备及其应用中应该考虑的重要问题. 详细了解纳米材料的尺寸与表面电荷性质之间的关系是纳米科学研究中的重要课题. TiO2作为一种宽带隙的半导体材料, 因其具有显著的光电响应、良好的化学稳定性和绿色环保性, 在太阳能转换、光催化杀菌及污染处理等方面有着广泛的用途[1～5].