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.     

石墨炔纳米材料的制备及在电化学能源中的应用

石墨炔纳米材料的制备与应用是石墨炔材料研究的重要方向, 通过对其纳米结构进行设计与优化, 可以提高石墨炔材料及其杂化结构的性能, 拓展其在能源储存与转换领域的应用. 本综述介绍了不同形貌和结构的石墨炔基纳米材料, 如纳米墙、 纳米片、 纳米薄膜等结构. 阐述了不同结构特征的石墨炔基纳米材料在电化学储能器件以及电化学能源催化中的应用, 同时也探讨了石墨炔不同纳米形貌和结构在能源应用领域快速发展的机遇及所面临的挑战.     

C12A7-O-纳米材料的制备及抗菌活性

利用溶胶-凝胶法制备了C12A7-O-{[Ca24Al28O64]4+·4(O-)}纳米材料. 采用X射线衍射、电子顺磁共振及透射电子显微镜等手段对制备的材料进行了表征. 结果表明, 在最佳焙烧条件(1150 ℃, 6 h)下制备的材料平均粒径为74 nm, 并具有晶胞参数为(1.199±0.004) nm的C12A7(Ca12Al14O33)笼状结构, 材料内包含浓度高达1.2×1020 cm-3的氧负离子(O-). 初步研究结果表明, 合成的C12A7-O-纳米材料具有良好的广谱抗菌作用.     

纳米氧化锌热力学函数的微量热法及电化学法测量

采用微乳液-水热辅助法制备了形貌和尺寸均匀的纳米氧化锌分级结构,并对其进行了表征.利用微量热技术和电化学方法分别测定了纳米Zn O在298.15 K下的热力学函数(标准摩尔生成焓、标准摩尔生成Gibbs自由能及标准摩尔熵).采用微量热方法测定纳米材料热力学函数主要基于纳米反应体系与对应块体反应体系的过渡态相同;采用电化学方法测定纳米材料热力学函数主要基于纳米材料与对应块体材料组成电池后的电极电势不同.结果表明,采用微量热法及电化学法获取的产物的热力学函数在误差允许范围内近似相等.由此证明了微量热技术及电化学方法获取纳米材料热力学函数的科学性及有效性,同时也进一步说明纳米Zn O反应体系与块体Zn O反应体系所经历的过渡态相同.     

非晶纳米材料用于电解水的研究进展

电催化水分解产氢作为一种有前途的制氢技术被全世界研究者广泛关注.然而,此领域仍然缺少一种高效、无污染的催化剂,以降低能耗,提升反应动力学,进而推进电解水的实际应用.近年来研究发现,具有短程有序、长程无序特征的非晶纳米材料在电解水领域表现出极其优异的性能.有趣的是,固有的无序结构赋予了非晶纳米材料丰富的高活性位点.鉴于此,本文综述了非晶纳米材料的制备策略以及表征方法,并且对其高活性来源进行了系统地分析.此外,本文通过分析近几十年的研究成果指出了非晶纳米材料在电解水领域面临的挑战和应用前景.非晶纳米材料的合成方法主要分为两类:直接合成和间接合成.直接合成主要包括:电沉积、光化学金属-有机沉积、气溶胶-喷雾辅助法、反胶束溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法和氧化还原法.其中,气溶胶-喷雾辅助技术可以通过控制母液中金属离子的浓度精准地控制非晶纳米材料中各种金属元素的组成,从而有目的地调控并优化催化活性.间接合成主要分为原位转化和非原位转化.原位转化是指晶体材料在反应过程中表面会原位转化为非晶结构作为反应的真实活性物质.非原位转化是指当纳米材料尺度非常小时,高表面能将会破坏材料的结晶度得到非晶材料.另外,非晶材料长程无序的特点给其表征带来极大挑战.目前,对于非晶材料表征的一般流程是:首先通过X射线粉末衍射确定非晶结构,并通过透射电子显微镜以及扫描电子显微镜探索其形貌结构;再通过选区电子衍射以及高角度环形暗场扫描透射电子显微镜进一步确定非晶结构;然后,通过能谱、电感耦合等离子体发射光谱和X射线光电子能谱分析其化学组成及化学态;最后,采用拉曼光谱和同步辐射数据提供晶体结构信息.本文对非晶纳米材料高活性的起源进行了探究.在电解水领域,非晶纳米材料通常表现出优于晶体材料的性能.优异的活性与活性位点数量的增多以及活性位点活性的提升有关:(1)非晶纳米材料具有长程无序的特征,可以暴露更多活性位点,并且其表面存在的大量悬挂键也可以作为活性位点;(2)非晶纳米材料的活性位点可以拓展至催化剂体相内部,大幅提升了活性位点数量;(3)非晶纳米材料结构灵活性高,活性位点在催化反应过程中可以转变成任意形状,提升了活性位点的活性;(4)非晶纳米材料的高韧性和应变能力赋予其较高的稳定性.非晶纳米材料已广泛应用于电解水领域,但仍然存在一些问题:(1)非晶纳米材料由于原子级结构不确定,其电催化机理很难探究;(2)理论模拟作为研究电化学反应途径的有力工具很难应用于非晶纳米材料的研究;(3)随着无序程度的增加,活性位点数量和活性逐渐增加,但电导率逐渐下降.尽管如此,由于非晶纳米材料结构灵活性高和自重组能力快速,人们对其在电解水领域的研究兴趣越来越大,并且该领域显示出良好的应用前景,高效非晶纳米材料的设计合成及其催化机理的研究将成为今后研究的重点.     

Chengying Guo a,Yanmei Shi a,Siyu Lu c,Yifu Yu a,*, Bin Zhang a,b,#

电催化水分解产氢作为一种有前途的制氢技术被全世界研究者广泛关注.然而,此领域仍然缺少一种高效、无污染的催化剂,以降低能耗,提升反应动力学,进而推进电解水的实际应用.近年来研究发现,具有短程有序、长程无序特征的非晶纳米材料在电解水领域表现出极其优异的性能.有趣的是,固有的无序结构赋予了非晶纳米材料丰富的高活性位点.鉴于此,本文综述了非晶纳米材料的制备策略以及表征方法,并且对其高活性来源进行了系统地分析.此外,本文通过分析近几十年的研究成果指出了非晶纳米材料在电解水领域面临的挑战和应用前景.非晶纳米材料的合成方法主要分为两类:直接合成和间接合成.直接合成主要包括:电沉积、光化学金属-有机沉积、气溶胶-喷雾辅助法、反胶束溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法和氧化还原法.其中,气溶胶-喷雾辅助技术可以通过控制母液中金属离子的浓度精准地控制非晶纳米材料中各种金属元素的组成,从而有目的地调控并优化催化活性.间接合成主要分为原位转化和非原位转化.原位转化是指晶体材料在反应过程中表面会原位转化为非晶结构作为反应的真实活性物质.非原位转化是指当纳米材料尺度非常小时,高表面能将会破坏材料的结晶度得到非晶材料.另外,非晶材料长程无序的特点给其表征带来极大挑战.目前,对于非晶材料表征的一般流程是:首先通过X射线粉末衍射确定非晶结构,并通过透射电子显微镜以及扫描电子显微镜探索其形貌结构;再通过选区电子衍射以及高角度环形暗场扫描透射电子显微镜进一步确定非晶结构;然后,通过能谱、电感耦合等离子体发射光谱和X射线光电子能谱分析其化学组成及化学态;最后,采用拉曼光谱和同步辐射数据提供晶体结构信息.本文对非晶纳米材料高活性的起源进行了探究.在电解水领域,非晶纳米材料通常表现出优于晶体材料的性能.优异的活性与活性位点数量的增多以及活性位点活性的提升有关:(1)非晶纳米材料具有长程无序的特征,可以暴露更多活性位点,并且其表面存在的大量悬挂键也可以作为活性位点;(2)非晶纳米材料的活性位点可以拓展至催化剂体相内部,大幅提升了活性位点数量;(3)非晶纳米材料结构灵活性高,活性位点在催化反应过程中可以转变成任意形状,提升了活性位点的活性;(4)非晶纳米材料的高韧性和应变能力赋予其较高的稳定性.非晶纳米材料已广泛应用于电解水领域,但仍然存在一些问题:(1)非晶纳米材料由于原子级结构不确定,其电催化机理很难探究;(2)理论模拟作为研究电化学反应途径的有力工具很难应用于非晶纳米材料的研究;(3)随着无序程度的增加,活性位点数量和活性逐渐增加,但电导率逐渐下降.尽管如此,由于非晶纳米材料结构灵活性高和自重组能力快速,人们对其在电解水领域的研究兴趣越来越大,并且该领域显示出良好的应用前景,高效非晶纳米材料的设计合成及其催化机理的研究将成为今后研究的重点.     

末端含三甲基硅基树枝状低聚苯的合成与表征

树枝状聚合物是一类结构有序、有特定分子量、末端可带活性官能团的多功能聚合物,其应用研究涉及信息贮存材料、高级催化剂、非线性光学材料、液晶材料、纳米材料、缓释药物载体、传感器材料、污水处理剂、分离膜及流变学改性剂等领域.以含多功能团的低聚苯为中心核,通过过渡金属催化的芳基偶联反应或Diels-Alder环加成反应,经“收敛法”或“发散法”可以制得结构准确、尺寸可控的树枝状聚苯纳米材料;另一方面,由于核心分子结构的多样性,可以设计、合成拓扑形态各异的树枝状聚苯应用于有机发光材料、有机磁性体、碟状液晶、管束状分子通道、分子识别、储氢材料及锂电池等领域,从而丰富其结构与性能关系的研究内容.因此,树枝状聚苯中心核的设计与合成在这类材料的应用研究中显得尤为重要.本工作设计与合成了一类树枝状聚苯的中心核12和13,其分子末端的生长点被三甲基硅基（TMS-）所保护;采用凝胶渗透色谱（GPC）和粉末X射线衍射等分析手段,以及与其母体结构,即末端不含三甲基硅基的模型化合物1,3,5-三（3＇,5＇-二苯基苯基）苯11进行比较,探讨了分子末端的三甲基硅基及其取代位置对树枝状低聚苯的凝胶渗透色谱行为和结晶性的影响.     

贵金属杂化纳米材料的合成及性能研究进展

近年来,杂化纳米材料的出现极大地拓展了纳米材料的应用范围,其特殊的结构、性能、尺寸和形貌使其不仅保持了各组分材料的特性及功能,更涌现了不同于各组分材料所不具备的新颖的、多样化的特殊性能和应用潜能,因此其制备方法和性能应用已经成为了研究热点.运用纳米技术将贵金属纳米粒子与其他性能优异的物质结合形成的贵金属杂化纳米材料被广泛运用到电化学、光催化、免疫传感、生物催化和医药化学等领域.本文综述了贵金属杂化纳米材料的制备方法、结构组成、性能特点、应用前景以及最新的发展趋势,重点介绍了贵金属杂化纳米材料的合成及应用.     

三维介孔钴酸锌立方体的制备及其优异的储锂性能

采用简易、温和、实际耐用的水热方法制备了新型三维介孔立方体结构的钴酸锌纳米材料。每个钴酸锌立方体的边长大约在3-4μm之间,并由大量的纳米粒子和密集的孔隙所构成。通过氮吸附/脱附手段测试发现所制备的钴酸锌纳米材料具有较大的比表面积(41.4 m2?g~(-1))和介孔(6.32 nm)特性。使用钴酸锌纳米材料作为锂离子电池负极,金属锂作为正极组装锂电池并测试了材料的储锂性能。研究发现该电极材料在较高的电流密度下循环100周后,仍能呈现较高的可逆容量和超强的循环稳定性。这种优异的储锂性能主要归因于钴酸锌纳米材料的新型结构,这种介孔立方体结构能够加速锂离子的扩散,增加电极与电解液的接触面积并缓解锂离子嵌入/嵌出期间产生的体积膨胀。     

水滑石基催化剂催化合成碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料是一类推动能源存储、 多相催化、 高性能复合和生物医药等领域发展的重要材料, 可控合成碳纳米材料对相关领域的发展具有重要意义. 水滑石(LDHs)材料具有层板金属种类及含量可调等特点, 经焙烧、 还原后可制备出金属种类、 密度和粒径分布各异的高分散、 高稳定金属纳米催化剂, 可实现高效催化生长各种类型的碳纳米材料. 此外, 通过调控反应条件和反应器等, 可以影响LDHs基金属纳米催化剂催化生长的碳纳米材料的结构和性能. 本文总结了LDHs基金属纳米催化剂的可控制备、 碳纳米材料结构调控以及利用LDHs基催化剂制备的碳纳米材料的应用等方面的研究工作, 并阐明了催化剂的可控制备是控制合成碳纳米材料的核心手段, 这为利用LDHs基催化剂进一步合成更高性能碳纳米材料的研究指明了方向. 此外, 本文还结合近些年在光、 电及光热催化方面的研究进展, 展望了基于新型LDHs纳米结构生长碳纳米材料的研究前景.     

New-phase retention in colloidal core/shell nanocrystals via pressure-modulated phase engineering

Core/shell nanocrystals (NCs) integrate collaborative functionalization that would trigger advanced properties, such as high energy conversion efficiency, nonblinking emission, and spin–orbit coupling. Such prospects are highly correlated with the crystal structure of individual constituents. However, it is challenging to achieve novel phases in core/shell NCs, generally non-existing in bulk counterparts. Here, we present a fast and clean high-pressure approach to fabricate heterostructured core/shell MnSe/MnS NCs with a new phase that does not occur in their bulk counterparts. We determine the new phase as an orthorhombic MnP structure (B31 phase), with close-packed zigzagged arrangements within unit cells. Encapsulation of the solid MnSe nanorod with an MnS shell allows us to identify two separate phase transitions with recognizable diffraction patterns under high pressure, where the heterointerface effect regulates the wurtzite → rocksalt → B31 phase transitions of the core. First-principles calculations indicate that the B31 phase is thermodynamically stable under high pressure and can survive under ambient conditions owing to the synergistic effect of subtle enthalpy differences and large surface energy in nanomaterials. The ability to retain the new phase may open up the opportunity for future manipulation of electronic and magnetic properties in heterostructured nanostructures.

Core/shell MnSe/MnS nanocrystals with the B31 phase are thermodynamically stable under high pressure and can survive under ambient conditions owing to the synergistic effect of subtle enthalpy differences and high surface energy in nanomaterials.     

交流电沉积法制备金属氧化物纳米材料及形貌控制

以不同种类的金属丝为电极,采用交流电沉积的方法在液相水溶液中制备了多种金属氧化物纳米材料,并对其形貌进行了控制.由XRD和TEM分析结果表明,在相同的NaCl电解质水溶液中,不同的金属电极对应的不同金属氧化物纳米产物具有明显不同的形貌.     

Phase stabilization in nitrogen-implanted nanocrystalline cubic zirconia

The phase stability of nanocrystallites with metastable crystal structures under ambient conditions is usually attributed to their small grain size. It remains a challenging problem to maintain such phase integrity of these nanomaterials when their crystallite sizes become larger. Here we report an experimental-modelling approach to study the roles of nitrogen dopants in the formation and stabilization of cubic ZrO(2) nanocrystalline films. Mixed nitrogen and argon ion beam assisted deposition (IBAD) was applied to produce nitrogen-implanted cubic ZrO(2) nanocrystallites with grain sizes of 8-13 nm. Upon thermal annealing, the atomic structure of these ZrO(2) films was observed to evolve from a cubic phase, to a tetragonal phase and then a monoclinic phase. Our X-ray absorption near edge structure study on the annealed samples together with first-principle modelling revealed the significance of the interstitial nitrogen in the phase stabilization of nitrogen implanted cubic ZrO(2) crystallites via the soft mode hardening mechanism.     

Micro-extraction of Xenobiotics and Biomolecules from Different Matrices on Nanostructures

Sample preparation is the backbone of any analytical procedure; it involves extraction and pre-concentration of the desired analytes; often at trace levels. The present article describes the applications of nanomaterials (carbon-based inorganic and polymeric materials) in miniaturized extraction such as solid phase micro-extraction, stir-bar sorptive extraction, liquid phase micro-extraction, and dispersive liquid phase micro-extraction in the analyses of aqueous samples. The nanoparticles used for micro-extractions are discussed on the basis of their chemical natures. The synthetic route and the preparation of nanomaterials are described along with the optimization strategies for micro-extraction. A comparison between the conventional materials and nanomaterials for micro-extraction is proposed. The key roles of the nanomaterials for the micro-extraction of different analytes such as drugs, pesticides, polycyclic aromatic hydrocarbons, proteins and peptides from aqueous samples are reported. The use of nanomaterials, combined with miniaturized micro-extraction techniques, proved to be highly promising for sample preparation of various matrices with analytes at trace levels.     

Structure and properties of composite nanomaterials: Products of the thermal treatment of molybdenum- and iron-containing powders

Samples of composite nanomaterials obtained by the thermal treatment of mixtures of MoO₃ nano-dispersed powder and ultrafine powder of Mo with precipitate from removing iron from groundwater are studied by means of X-ray diffraction and infrared spectroscopy. The structure of these samples (phase composition, average crystallite size, microdistortions (microstresses) of their crystal lattices, and certain texture parameters) are determined. It is suggested that under certain conditions, shells from the nanoparticles of Mo and/or MoO₃ are formed on the surface of sediment particles, preventing the identification of iron-containing phases. Estimates are made of the sorption activity of some materials with respect to carbon monoxide (CO).     

High-yield synthesis of pure ZnO nanoparticles by one-step solid-state reaction approach for enhanced photocatalytic activity

Zinc oxide (ZnO) nanostructures were synthesized via a one-step solid-state reaction approach in ammonia (NH₃) gas environment with different temperature ramp rates. The so-formed nanostructures were characterized using X-ray diffraction (XRD) for phase identification, where the typical wurtzite hexagonal structure was observed. Scanning electron microscopy (SEM) confirmed the particle size to be in the range 45–50 nm, the same as calculated by the XRD pattern for the ramp rate of 10 °C/min. Energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed the chemical purity of the samples. The photoluminescence (PL) spectrum indicated multiple near-band-edge emissions and energy-band emissions. Then, these ZnO nanomaterials were used for the degradation of crystal violet (CV) dye under UV light irradiation. The CV solution was completely degraded in 2 hr. The initial photocatalyst and dye amounts of 0.2 g/100 ml and 0.5 mg/L, respectively, were found to be the optimum values for maximum degradation efficiency. The ZnO-based photocatalyst was stable up to three cycles of reuse. These results indicate that the high surface area and porosity of the nanomaterials are responsible for the high efficiency, which was confirmed by specific surface area analysis.     

离子交换法合成钴酸锌纳米空心材料及磁性

采用所合成的四氧化三钴纳米立方颗粒作为前驱体,在相对低温的水热条件下,通过反应体系中自身存在的扩散作用和离子交换作用,可控制备了钴酸锌纳米空心材料。利用SEM、TEM、EDS和XRD等测试方法对样品进行了形貌、结构、组成和物相的表征。结果表明,所得钴酸锌纳米盒粒径均匀,分散度好;钴酸锌纳米盒颗粒大小约为20nm,整个纳米盒为单晶。研究了钴酸锌纳米盒的生长机理。对所制备的材料进行了磁学性质测试,结果显示,尖晶石型结构钴酸盐纳米材料的磁性大小可以通过改变实验条件而加以调变。     

环氧树脂/碳钢电极在硫酸溶液中的半导体导电行为

采用电位-电容测试和Mott-Schottky分析技术研究了环氧树脂/碳钢电极在0.5 mol·L-1硫酸中腐蚀失效过程中的半导体导电行为. 环氧树脂在刚刚浸入溶液时(10 min)为绝缘体, 随着浸泡时间延长, 由于离子的腐蚀,环氧树脂外层逐渐转变为n 型半导体. 半导体层中的载流子密度随着浸泡时间的延长而增大,载流子由浸泡7 h约1010 cm-3增大到48 h的约1012 cm-3数量级, 浸泡48 h 以内涂层没有完全转变为半导体, 碳钢表面包括环氧树脂层在浸泡7-48 h 期间为MIS(metal-insulator-semiconductor)结构. 此MIS 结构空间电荷层在-0.5 - 0.5 V内处于反型状态, 反型层内的载流子为空穴. 在较低频率下测得空间电荷层电容为反型层电容和耗尽层电容的串联电容, 随电位升高而减小;较高频率下测得空间电荷层电容仅为耗尽层电容, 不随极化电位变化. 该MIS结构的电位-电容特性曲线与理想MIS结构相比发生了阳极漂移.     

掺杂聚合物对溶致液晶结构的影响

利用聚合物大分子作构建组分,将其掺杂到不同类型表面活性剂构成的溶致液晶中,考察对液晶相结构的影响．利用小角X射线散射及偏光显微镜对聚合物掺杂前后液晶的结构进行表征,并讨论了聚合物与液晶模板间的相互作用．对阴离子型表面活性剂琥珀酸二异辛酯磺酸钠(AOT)／水液晶体系,聚合物的嵌入使层间距d增大;而对非离子表面活性剂十二烷基聚氧乙烯醚(C12EO4)／水体系,除小分子量的聚乙二醇PEG400外,其它聚合物嵌入使d减小,表明聚合物分子类型、大小及浓度对溶致液晶的结构参数甚至组装方式有不同的影响机制．     

Controllable Blinking‐to‐Nonblinking Behavior of Aqueous CdTeS Alloyed Quantum Dots

Semiconductor quantum dots (QDs) are very important optical nanomaterials with a wide range of potential applications. However, the blinking of single QDs is an intrinsic drawback for some biological and photoelectric applications based on single‐dot emission. In this work, we systematically investigated the effects of certain synthetic conditions on the blinking behavior of aqueous CdTeS alloyed QDs, and observed that blinking behaviors of QDs were able to be controlled by the structure and concentration of the thiol compounds that were used as surface ligands. In optimal conditions, completely nonblinking QDs were prepared using certain thiol ligands as stabilizers in aqueous phase. The suppressed blinking mechanism was mainly attributed to elimination of QDs surface traps by coordination of thiol ligands with vacant Cd atoms, formation of appropriate CdS coating on QDs, and controlling the growth dynamics of QDs. Nonblinking QDs show high quantum yield, small size, and good solubility, and will be applied to some fields that were previously limited by blinking of traditional QDs.