异质中空结构微纳材料的构建

异质中空结构是指壳层由不同成分组成的空心微纳结构. 通过对异质中空结构的表面性质和传质过程进行调控, 可以调控经过中空结构的物质及能量. 目前, 异质中空结构在太阳能转化、 气体传感、 电化学储能和药物运输等领域展示出了优异的性能, 对异质中空结构的设计与构建已成为新型多功能先进材料研究的前沿领域. 本文总结了异质中空结构的种类、 特征和性能优势, 重点描述了各类异质中空结构的制备方法, 并探讨了异质中空结构微纳材料面临的挑战及发展趋势.     

无机中空球的分类、合成方法及应用

中空球是壳层结构材料的一个重要分支。与实心球相比较,中空球具有更多特殊和优异的物理及化学性质,例如具有较小的密度、较大的比表面积以及较好的稳定性和表面渗透性,其中无机中空球较有机中空球还具有耐高温、抗老化等优点。因此,近些年来无机中空球备受人们的关注,广泛应用于催化、电池、医药等众多领域。本文结合本课题组在无机氧化物中空球领域的研究和前人的工作,总结了近5年来制备无机中空球的研究进展。将无机中空球的壳层材料分为五大类,包括:无机氧化物、硫化物及硒化物、金属单质、复合物和其他无机材料。将制备方法分成四大类:硬模板法、软模板法、牺牲模板法和无模板法,对每一大类又进一步细分,并且指出了各种方法的优缺点。同时归纳了无机中空球几个重要的应用领域,如药物、电池、气体传感器和光催化领域。最后在此基础上简要展望了无机中空球的研究前景。     

核-壳型分子印迹聚合物的制备与应用

分子印迹聚合物是具有与模板分子形状、大小及官能团完全匹配的特异识别位点的高分子聚合物,能选择性识别、有效富集目标分析物(模板分子)并去除干扰物,已广泛应用于样品前处理、化学/生物传感、药物输送等领域.然而,在合成过程中,仍存在模板分子洗脱困难、有效识别位点少、结合容量低、传质速率慢等问题.核-壳型分子印迹聚合物即在核层颗粒表面进行分子印迹,即表面印迹,印迹位点仅存在于壳层结构中,利于模板分子洗脱及扩散,能够增加有效识别位点并提高印迹容量.依据核层材料的不同,本文详细介绍了以磁性材料及非磁性材料为核的核-壳型分子印迹聚合物的合成与应用,探讨了中空核-壳分子印迹聚合物的制备与发展,并对核-壳印迹聚合物的发展前景进行了展望.     

中空多壳层结构在电磁波领域中的应用

中空多壳层结构(HoMSs)是一种以纳米颗粒为结构单元构筑而成的具有多界面、 多维度的微纳米级宏观组装体, 具有次序排列的多个壳层及相互连通的多个空腔, 被认为是电磁波领域极具应用前景的功能材料. 本文主要从电磁波捕获、 传输及能量转换3个角度详细阐述HoMSs在电磁波领域应用中的独特优势, 浅析了HoMSs壳层数目、 壳层厚度、 壳层间距、 壳层组成等结构参数对电磁波传输与利用的影响规律, 并预测了HoMSs在电磁波领域的发展趋势, 以期为实现电磁波的高效利用提供参考.     

铁酸镍/碳复合中空多壳层结构的制备及吸波性能

采用次序模板法合成了单、双壳层的中空铁酸镍(NiFe₂O₄)材料,通过改变前驱体溶液组成及煅烧条件等因素实现了对产物形貌的调控.在中空NiFe₂O₄颗粒表面原位包覆聚多巴胺,再经过碳化处理,制备了具有中空多壳层结构(HoMS)的NiFe₂O₄/C复合吸波材料;考察了其电磁参数,计算了其吸波性能,分析了不同复合结构对性能的影响.结果表明,中空多壳层结构能够显著降低材料的密度,而碳薄层不仅能够改善其阻抗匹配性,而且提升了材料的反射损耗性能.其中,双壳层NiFe₂O₄/C复合物的吸波性能最佳,当样品厚度为3.5 mm时,材料在8.44 GHz处反射损失最小,为-32.35 dB;当样品厚度为2.0 mm时,材料在14.01～17.69 GHz范围内反射损耗小于-10 d B,有效吸收频宽为3.68 GHz.这些优异性能主要源于独特的中空多壳层结构增加了电磁波多次反射/散射的概率,提供了更多的界面极化,实现了电磁波的快速...     

复杂中空结构材料的构筑及能源应用

随着能源问题的日益突显,开发新型多功能材料以满足能源存储与转换应用的需求变得尤为重要.在众多功能材料中,复杂中空结构材料由于其独特的结构和物理化学特性而备受关注.本文综合评述了复杂中空结构材料的普适性构筑方法(硬模板法、软模板法、自模板法、次序模板法和选择性刻蚀法)及在能源方面的应用(锂/钠/钾离子电池、锂硫电池、超级电容器、电催化、光催化及染料敏化电池等).最后,对复杂空心结构研究领域存在的问题及未来的发展方向进行了展望.     

中空金属有机框架材料的研究进展

中空金属有机框架材料的快速发展为中空结构材料开辟了新的应用领域.本综合评述介绍了中空金属有机框架材料的制备方法,重点论述了中空金属有机框架材料及其复合材料在催化、光催化和电催化、吸附、气体分离、传感、超级电容器以及生物医学等领域的应用;同时也对具体的中空金属有机框架材料及其复合材料的制备和应用情况进行详细阐述.最后,对中空金属有机框架材料目前所面临的机遇和挑战进行了展望.     

有序金属纳米壳材料

有序金属纳米壳结构特别是有序中空纳米壳及大孔结构兼具了光子晶体和金属纳米壳结构的光学特性,引起了国内外学者的广泛关注。本文详细介绍了有序金属纳米壳材料的制备方法与步骤,主要包括胶体晶模板的组装、所需金属壳层的制备以及胶体晶模板的去除三步,并对各步的制备方法及特点进行了描述。此外,本文还对金属纳米壳有序材料的各种应用进行了综述,简要分析了目前存在的问题并展望了今后该材料的研究方向。     

大孔及中空二氧化钛结构材料研究进展

大孔及中空二氧化钛材料,由于具有独特的性能如高比表面积、高阻尼容量、低热导率和低介电常数等,使其在很多领域如轻质结构材料、催化剂载体、隔热隔音材料以及光电材料等方面有着潜在的应用,成为一个很有吸引力的研究领域.本文结合自己的研究工作和已报道的最新研究成果,对具有特殊微观结构(大孔、中空)二氧化钛材料的制备研究进行了综述,着重介绍了模板法在制备反蛋白石结构二氧化钛晶体、以及大孔和介孔二氧化钛材料方面的应用;同时结合相关报道,对二氧化钛中空微胶囊和纳米管的制备也进行了介绍.     

可控核/壳结构聚合物电纺纤维的制备与应用

核/壳结构纳米纤维是一种兼具核层与壳层优异性能的功能化复合纤维, 通常具有优于核层和壳层自身的性能, 如可控的机械强度和较好的热传导系数等。其特殊的结构极大地提高了纤维的使用价值, 拓宽了纤维的应用领域, 因此, 核/壳结构纳米纤维成为纤维领域的研究热点之一。静电纺丝技术因其简单有效的特点, 近些年来在众多纳米纤维制备技术中一直备受关注, 制备结构和形貌可控的核/壳结构纤维的方法对于指导其在实际中的应用尤为重要。本文系统介绍了以静电纺丝技术制备核/壳结构纳米纤维的方法, 主要包括单喷头相分离法、同轴静电纺丝法、乳液静电纺丝法以及模板法, 重点讨论了影响核/壳结构的主要因素以及核/壳结构对纤维性能的影响。综述了近几年来国内外关于可控核/壳结构电纺纤维制备的研究新进展及其在药物缓释体系、组织工程支架、多功能敷料、污水处理材料、疏水性材料等领域的潜在应用价值。     

基于金属有机框架中空材料的研究进展

金属有机框架(MOFs)中空材料因其大的比表面积、低密度、较高的负载能力和良好的离子渗透性,如氢氧化物、磷化物、硫化物等纳米材料,在能源储存与转换领域有良好的发展前景。 本文主要总结了基于不同形貌MOFs中空材料的制备途径和形成机理,着重介绍了其在超级电容器、锂离子电池和电催化等方面的应用,最后论述了基于MOFs中空材料的未来发展前景和挑战。     

多壳层中空镍钴双金属磷化物纳米球用于高效电催化析氧北大核心CSCD

析氧反应是金属-空气电池和电解水制氢等电化学系统中关键的反应,研究其高效稳定非贵金属电催化剂至关重要。本文以金属有机骨架化合物(MOF)作为前驱体,通过高温煅烧制备了具有多壳层中空结构的镍钴双金属磷化物(NiCo-P)。这种独特的结构有利于电解液的渗透,能够提供丰富的暴露活性位点和快速传质路径,同时,镍钴双金属具有协同作用促进电化学性能。结果表明,n(Ni)∶n(Co)=1∶10制备的NiCo-P-0.1催化剂在1.0 mol/L KOH电解液中表现出良好的催化活性和稳定性,在10 mA/cm^(2)电流密度的过电势为329 mV,具有良好的应用前景。本工作为高活性和高稳定性的电催化析氧催化剂的制备提供了一种全新途径。     

Template synthesis of hydrogel composite hollow spheres against polymeric hollow latex

Hierarchically structured hydrogel hollow spheres with functional hydrogels located at desired sites are expected to have new properties. We have developed a facile swelling polymerization route using a polymer hollow sphere as template to synthesize hierarchically structured hydrogel hollow spheres. It is significant to pre-swell the template shell with good solvents, such as chloroform containing oil-soluble initiators to control interaction, thus, polymerization locus of different water-soluble functional monomers. Some representative hydrogel composite hollow spheres such as poly(N-isopropylarylamide) and poly(acrylic acid) with different morphologies have been synthesized. Hydrogels with functional groups can favorably complex with desired materials; hierarchically structured inorganic or polymer composite hollow spheres are synthesized by a sol–gel process of the inorganic precursor by using different hydrogel composite hollow spheres as templates.     

Metal-organic frameworks-derived hierarchical ZnO structures as efficient sensing materials for formaldehyde detection

Semiconducting metal oxides have been considered as effective approach for designing high-performance chemical sensing materials. In this paper, a kind of metal-organic frameworks ZIF-8 was used as sacrificed template to prepare porous ZnO hollow nanocubes for the application in gas sensing. It is found that changing calcination temperature and solvent can greatly influence the morphology of the material, which finally affects the gas sensing performance. Acetylene-sensing properties of the sensors were investigated in detail. It can be clearly seen that the material used methanol as reaction solvent with the decomposition at 350 °C for 2 h (ZnO-350-M) showed the optimal formaldehyde-sensing behaviors compared with other materials prepared in this experiment. The dynamic transients of the ZnO-350-M-based sensors demonstrated a high response value (about 10), fast response and recovery rate (4 s and 4 s, respectively) and good selectivity towards 100 ppm (part per million) formaldehyde as well as a low detectable limit (1 ppm). As exemplified for the sensing investigation towards formaldehyde, the porous ZnO hollow nanocubes showed a significantly improved chemical sensitivity due to the highly synergistic effects from the well exposed surfaces, defect states and the robust ZnO.     

General and Facile Syntheses of Metal Silicate Porous Hollow Nanostructures

Porous hollow nanostructures have attracted intensive interest owing to their unique structure and promising applications in various fields. A facile hydrothermal synthesis has been developed to prepare porous hollow nanostructures of silicate materials through a sacrificial‐templating process. The key factors, such as the concentration of the free metal cation and the alkalinity of the solution, are discussed. Porous hollow nanostructures of magnesium silicate, nickel silicate, and iron silicate have been successfully prepared by using SiO₂ spheres as the template, as well as a silicon source. Several yolk–shell structures have also been fabricated by a similar process that uses silica‐coated composite particles as a template. As‐prepared mesoporous magnesium silicate hollow spheres showed an excellent ability to remove Pb²⁺ ions in water treatment owing to their large specific surface and unique structures.     

金属氧化物@金属有机骨架复合材料研究进展

金属有机骨架(Metal-Organic Framework,MOF)复合材料是一种新型功能性材料,其中金属氧化物@MOF复合材料因结合了金属氧化物和MOFs的许多特性而受到人们的广泛关注,成为近年来MOFs材料研究的一个重要方向。本文综述了金属氧化物@MOF复合材料制备方法的研究进展,主要包括外延生长法、气相沉积法、模板法等,并分析了它们各自的优缺点;概述了金属氧化物@MOF复合材料在催化、传感、生物医药、吸附与分离方面的具体应用性能,以及在电化学研究领域的潜在应用;并提出今后金属氧化物@MOF复合材料研究的主要方向是开发简单高效的制备方法、选取新功能性金属氧化物以及探索复合材料的其它新型结构,以拓展其在工业上的应用。     

智能中空药物载体的门控设计

由于具有独特新颖的结构和广泛的应用领域,中空材料已成为合成化学和材料化学研究的热点;特别是其高的表面体积比、低密度及大空腔等特点,成为药物递送载体的最佳选择.通过对中空结构的精确选择和精准修饰,可赋予中空材料独特的刺激响应行为,从而实现该类药物载体的智能设计和药物的可控释放.目前,构建中空智能载体主有以下两条思路:(1)利用自身可对环境中的物理化学刺激做出响应的中空材料作为载体;(2)在中空载体表面修饰功能性分子,以实现在特定的刺激下精确控制孔道的“开-关”转换.其核心在于分子组成和构型的精准调控.基于此,本文综合评述了中空智能载体的可控释放机制.首先介绍中空药物载体的发展历史,随后阐述药物分子在中空结构中的扩散规律,并总结了中空结构载体的智能响应行为、不同的门控机制、控制释放原理以及应用前景,最后对未来的发展做了展望.     

若干典型中空结构材料的模板合成与应用进展（英文）

中空结构材料作为一类新兴功能材料,具有可调空腔、高比例活性表面及强化的物质传递等特性;当多组分及功能被整合与分区时,可实现中空结构材料的非对称结构(Janus)的拓扑演化.本文重点介绍若干典型中空结构材料,包括Janus中空材料的模板合成方法进展及中空结构材料在催化、储能、油/水分离与药物递送等领域的潜在应用,并展望了中空结构材料的未来发展趋势.