硼团簇及其材料化学研究进展(Ⅰ):硼墨烯

位于元素周期表中的第五位元素硼,其丰富的化学结构和多样的成键方式仅次于有机化学和生物科学中的核心元素——碳元素.硼的缺电子性质导致其必须通过多中心键的方式共享电子以平衡体系的电子分布,因此硼团簇多具有独特的几何结构和电子离域的成键特性.近年来,硼团簇及其材料的研究越来越受到人们的重视,并取得了一系列研究成果.通过实验和理论计算,发现小尺寸的硼团簇多具有平面结构.2014年,王来生与李隽两个研究团队合作发现了中心含六元环孔的平面B_(36)~-团簇并由此提出了硼墨烯(borophene)概念,为二维硼材料的发展提供了新的研究方向.最近中美科学家同时在金属衬底上合成了单层硼墨烯,使得二维硼材料备受关注.鉴于硼的缺电子特性,可以借助于金属掺杂等方式形成各种不同的金属硼化物结构.具有完美平面结构的CoB_(18)~-团簇以及准平面的RhB_(18)~-团簇的发现推动了金属掺杂硼墨烯(metallo-borophene)研究的发展.本文从实验和理论两个方面,对具有平面或准平面结构的纯硼团簇、金属掺杂硼团簇、二维无限延伸硼墨烯材料等进行了介绍和总结,并展望了硼团簇二维材料的研究前景和潜在应用.     

衬底调制下的硼墨烯、硅烯、锗烯等单元素二维材料的原子与电子结构

石墨烯的发现带来了一场二维材料研究的风暴。直到今天,在石墨烯之外,实验学家又成功地在金属衬底上合成出了硅烯、锗烯和硼墨烯等具有奇特物理化学性质的二维材料。然而,人们发现由于衬底与材料的相互作用,这些衬底上的二维材料不论是原子结构还是电子结构都与理论预测的悬浮状态的二维材料相距甚远。因此,我们使用第一性原理计算去探索衬底与二维材料之间的作用,并且进一步揭示了衬底调控下的二维材料的原子与电子结构。本文将介绍作者与合作者今年来用第一性原理计算方法研究金属衬底上的硅烯、锗烯和硼墨烯等新型单元素二维材料的结构和性质,并对其未来的发展做出展望。     

硼烯化学合成进展与展望

硼烯是由硼原子构成的单原子层厚的二维材料,具有丰富的化学和物理性质。本文集中介绍近年来硼烯在合成方面的理论与实验研究进展,重点分析基底、生长温度、生长前驱物等因素对硼成核选择性的影响,探讨能够促进硼烯成核的潜在方法。进一步将分析硼烯生长机制及理论研究方法,以此展望通过在基底上化学气相沉积合成硼烯的可能途径。本文旨在促进大面积、高质量硼烯样品的制备以推动硼烯的实际应用。     

β12-硼烯对NO的可控吸附:第一性原理研究

随着全球汽车保有量的逐年上升,汽车尾气使大气污染日益严重,如何高效清除汽车尾气中的一氧化氮(NO)成为当前亟待解决的课题.石墨烯材料的发现成功引领了制备类石墨烯二维材料的潮流,近几年硼烯材料被成功制备,为吸附NO气体带来了新的契机.本文使用密度泛函理论计算,研究了NO在β₁₂-硼烯表面的吸附性能.研究发现β₁₂-硼烯对NO分子的吸附作用较强,最稳定结构的吸附能可以达到-0.771 eV,吸附过程伴随着较多的电荷转移,使其可能作为检测NO气体的气敏材料.另外,本文还计算了外加电场对吸附体系的影响,以探究绿色化学框架下吸附剂的循环再利用.结果表明外加电场可以使NO在β₁₂-硼烯上的吸附由化学吸附转变为物理吸附,使得β₁₂-硼烯可以进行可逆吸附/解吸NO分子,因此β₁₂-硼烯有可能成为一种新颖的可循环利用的NO吸附材料.     

中美科学家合作研获单原子厚度“硼烯”北大核心CSCD

一个困扰世界凝聚态物理和材料物理界多年的难题近期被攻克。南开大学和美国阿贡国家实验室、纽约州立大学石溪分校、美国西北大学的科学家合作,首次获得了只有单原子厚度的二维硼材料——＂硼烯＂。该材料因其优越的电学、力学、热学属性,被科学界寄予厚望,或将成为继石墨烯之后又一种＂神奇纳米材料＂。相关研究发表在《科学》杂志并被重点推荐。     

中美科学家合作研获单原子厚度“硼烯”

正一个困扰世界凝聚态物理和材料物理界多年的难题近期被攻克。南开大学和美国阿贡国家实验室、纽约州立大学石溪分校、美国西北大学的科学家合作,首次获得了只有单原子厚度的二维硼材料——"硼烯"。该材料因其优越的电学、力学、热学属性,被科学界寄予厚望,或将成为继石墨烯之后又一种"神奇纳米材料"。相关研究发表在《科学》杂志并被重点推荐。     

从理论模型到探究应用：二维材料锡烯的发展史

2011年,中科院物理研究所的姚裕贵教授从理论上对二维锡进行了研究,首次预测了二维锡是一种拓扑绝缘体。至2013年,二维锡的理论研究已较为成熟,美国斯坦福大学的张首晟教授基于锡的拉丁文stannum和二维烯材料2D-Xene后缀组合正式提出了锡烯(Stanene)的概念。2015年,上海交通大学的贾金锋教授等人利用分子束外延技术在Bi₂Te₃(111)衬底上首次成功地生长出了二维锡烯。随后,锡烯在不同衬底上相继生成,其制备方法取得了一定的进展。人们也在制备探究中逐渐发现,锡烯具有优异的物化性质,在众多领域内有良好的应用前景。锡烯的发展史重新诠释了二维材料的发展机制,为新型二维材料的预测、制备与应用提供了新的视角和思路。     

展望硼烯的化学合成

<正>二维材料因独特的尺度具备一系列宏观材料所未有的物理和化学性质,相关研究不仅充分展示了材料世界的魅力,而且为制造下一代电子器件提供了重要科学与技术基础。二维材料研究的热点之一是寻找新的具有更独特结构和物性的单原子层材料,以丰富整个二维材料的家族。自发现石墨烯之后,国际上已报道了数百种二维材料,它们展现的晶格结构和物性可谓多姿多彩。然而,令人惊讶的是,像石墨烯这样具有纯平面原子结构且由单一元素组成的二维材料一直未见报道。直到2016年,二维硼单层-硼烯-的出现材料改变了这     

二维材料的一维纳米带

自石墨烯被发现以来,二维材料研究成为一个新的研究热点。当二维材料制备成一维纳米带结构后,由于宽度方向上的限域效应和边缘结构的差异,导致其具有区别于二维材料的独特的电学、光学和磁学性质,因此逐步成为科学家关注的焦点。本文主要介绍了石墨烯、石墨炔、联苯烯、氮化硼、黑磷、过渡金属二硫族化合物等二维材料的一维纳米带的结构、制备方法和性能研究。首先讨论了二维材料制备成一维纳米带后的结构与性能的改变;其次,着重阐述了典型的纳米带制备方法,包括“自上而下”和“自下而上”两种策略,如二维片层刻蚀、打开纳米管、化学合成、化学气相沉积、外延生长及碳纳米管限域生长等方法,实现可控制备指定纳米宽度与具有特定边缘结构的纳米带,最终获得不同于其二维材料本体的特殊性能。最后,总结了不同方法制备纳米带的优缺点,提出了需要克服的困难和挑战,并展望了未来的研究方向,希望能引起国内外同行的广泛关注。     

硼纳米结构的理论和实验研究

硼元素,作为第三主族中唯一非金属元素,其原子具有特殊的缺电子性质,因而产生了复杂的键合机制。从硼原子之间的双中心-双电子键到平衡体系电子分布的多中心双电子键,硼因此具有多种同素异形体。低维硼纳米结构材料具有不同于体相的独特结构及特殊性质,相关理论和实验研究已成为近年来的研究热点。本文从理论和实验两个方面,系统介绍了零维硼团簇到一维硼纳米管、硼纳米线及二维硼纳米结构的相关研究,主要针对其结构、性质与潜在应用进行综述。目前,仍需系统化探索其制备及稳定等相关问题,力求揭示其固有属性,以发挥硼基纳米结构材料在未来纳米器件和能源催化方面的重要应用。     

磷单质概念的新发展

自白磷与红磷相继被发现后，磷单质的概念初步形成。20世纪初期，黑磷的发现突破了人们对磷单质的认识。随后，紫磷、蓝磷、二磷分子以及环状磷的出现，使磷单质的概念有了新的发展。几种新的磷单质的发现，建立了磷单质概念的新范式，科学家在探索磷单质概念多元化的道路上还将继续前行。     

Enhanced Active Sites and Stability in Nano-MOFs for Electrochemical Energy Storage through Dual Regulation by Tannic Acid

The limited active sites and poor acid-alkaline solution stability of metal–organic frameworks (MOFs), significantly limit their wider application. In this study, the acid property of tannic acid (TA) was used as an etchant to etch the surface-active sites. Subsequently, the further chelation of the protonated TA with the exposed metal active site can effectively protect the metal ions. Meanwhile, the TA provided a large amount of phenolic hydroxyl groups, which can greatly improve the stability of imidazolate-coordinated MOFs. The electrochemical test results indicated that the MOFs composite materials synthesized using this scheme had high specific capacitance and stability. And the mechanism of its electrochemical reaction process was explored through in situ X-ray diffraction (XRD) and theoretical calculations. In addition, the same treatment was carried out through a series of carboxyl-coordinated MOFs, which further confirmed the principle of this scheme to obtain a higher active site and stability. This paper explains the mechanism of functionalization of nano-MOFs by polyphenolic compounds, providing new ideas for the research of nano-MOFs.     

化学工程学科发展及战略研究

化学工程学科经过百年发展,经历了"单元操作"、"三传一反"两个里程碑,进入"产品工程"、"三传一反+X"、"多(介)尺度理论与方法"等新阶段,初步形成了以化学、物理学、数学和生物学基本原理和方法为基础,以传递过程原理与化学反应工程为核心的学科知识体系.我国在化学工程学科建成了良好的学科研究平台和队伍.应用基础研究进展显著,论文发表数量及引用评价影响等方面已与美国并列站在最高水平线上.对国民经济支柱产业发展也做出了重要贡献.通过分析美国基金委员会近10年资助的化工重点领域,以及对AIChE Journal、Chemical Engineering Science、IndustrialEngineering Chemistry Research三大化工主流刊物关键词索引汇聚研究,并结合国家自然科学基金委员会"十二五"化工学科发展规划,归纳出了化学工程学科发展的三个层次:学科基础、交叉前沿领域、重大需求,共计15个重点领域方向.建议化学工程学科应优化自身理论体系、完善学科评价体系、争取"工程转化"环节的多方支持.     

The development and certification of Standard Reference Materials® (SRMs) to assess and ensure accurate measurement of Pb in the environment

The National Institute of Standards and Technology (NIST) has had a major quality-assurance role in the federal effort to reduce lead poisoning of children in the United States through its mission of ensuring the accuracy of chemical measurements. NIST certifies reference materials (standard reference materials – SRMs) that are used to benchmark measurements by secondary and field methods of analysis – to ensure that decisions of great health and economic impact are soundly based on good measurement science. Over the past 10 years, in cooperation with the US Environmental Protection Agency (EPA), US Department of Housing and Urban Development (HUD), and the United States Geological Survey (USGS), NIST has prepared and certified SRMs for lead content in soil, indoor dust, and paint. The role of these materials in meeting regulatory and abatement needs is described and their certified values are summarized.     

The development and certification of Standard Reference Materials (SRMs) to assess and ensure accurate measurement of Pb in the environment

The National Institute of Standards and Technology (NIST) has had a major quality-assurance role in the federal effort to reduce lead poisoning of children in the United States through its mission of ensuring the accuracy of chemical measurements. NIST certifies reference materials (standard reference materials--SRMs) that are used to benchmark measurements by secondary and field methods of analysis--to ensure that decisions of great health and economic impact are soundly based on good measurement science. Over the past 10 years, in cooperation with the US Environmental Protection Agency (EPA), US Department of Housing and Urban Development (HUD), and the United States Geological Survey (USGS), NIST has prepared and certified SRMs for lead content in soil, indoor dust, and paint. The role of these materials in meeting regulatory and abatement needs is described and their certified values are summarized.     

锂离子电池正极材料中的极化子现象理论计算研究进展

In addition to their extensive commercial application in electronic devices such as cell phones and laptops, lithium-ion batteries (LIBs) are most suitable to fulfill the energy storage requirements of electric vehicles because of their recognized safety, portability, and high energy density. Cathodes are the most important part of LIBs, and various cathode materials have been widely investigated over the past decades. Polaron formation has been attracting increasing attention in the research of cathode materials, as it limits electron conduction. In particular, polarons are responsible for low electronic conductivity in cathode materials like olivine phosphate. Polaron is a typical crystal defect caused by the integrated motion of lattice distortion and its trapping electrons. Research on the mechanism of polaron formation will provide theoretical guidance for the design of high-electronic-conductivity cathode materials and improvement of the electrochemical performance of LIBs. Theoretical calculation is a direct and important method to study polaron formation in a specific crystal material, because the presence of polarons and their formation mechanisms can be effectively verified through this method. In this article, we first introduce the basic physical concept of polarons and their dynamical model according to the Marcus and Emin-Holstein-Austin-Mott theories. A comparison of the general properties of large and small polarons, summarized in this chapter, reveals that small polaron formation more likely occurs in cathode materials. Moreover, the theoretical characterization, electrical impact, control and challenges of polarons are reviewed. Although a universal necessary and suitable condition for the theoretical characterization of polarons has not yet been found, we still propose three criteria that are proven to be feasible and practical for the theoretical identification of polarons when applied in combination. Experimental characterizations are also introduced briefly for reference, because the comparison with the experiment is suggested to be necessary and mandatory. The electrical impact caused by polarons results in low electronic conductivity, which has been broadly reported in layered, olivine, and spinel cathode materials. Doping can weaken the influence of polarons and, thus, significantly enhance the electronic conductivity, thereby becoming the most prevalent strategy for tuning polarons. Although theoretical calculations have been widely and effectively conducted in the study of polarons, some challenges may still be faced because of the intrinsic shortcomings of the traditional density functional theory, which need to be addressed. Finally, further research on polarons from the perspective of basic theory and practical applications is prospected.     

一种基于分子链统计理论的橡胶超弹性混合本构模型

橡胶材料因其独特的超弹性在实际中广泛应用,通过解析应力-应变关系可以为橡胶力学性能的工程应用提供理论指导。为了更准确地描述橡胶材料力学性能,提出一种适用于橡胶材料的超弹性混合本构模型。新模型基于Gaussian模型与八链模型,引入有关拉伸比的权重函数将二者耦合,在拉伸比较小的情况下,新模型退化成Gaussian形式,在拉伸比较大的情况下,新模型可以依靠权重函数改善八链模型在小变形区域的不足。针对取向硬化的应力-应变曲线、无取向硬化的应力-应变曲线、不同拉伸比应力-应变曲线三种力学特征曲线,从单轴拉伸、等双轴拉伸和纯剪切三类实验数据进行预测验证。结果表明,新模型同时保留了Gaussian模型在小变形范围和八链模型在大变形范围内的预测优势,且对拉伸比和应力应变曲线形式没有依赖性,均能给出高精度的预测结果,突破了Gaussian模型和八链模型的使用限制,为橡胶超弹性力学性能的预测提供了新的思路。     

金属-碳基储氢材料计算与实验研究

氢能以其资源丰富和环境友好性成为未来最具发展潜力的能源。储氢技术是氢能应用中的关键问题。随着计算材料学的发展,利用密度泛函和量子机制第一性原理研究已知材料储氢性能和寻找潜在的新型优良储氢载体已成为当前研究储氢材料的有效方法。本文综述了近年来金属-碳基储氢材料中的金属修饰碳纳米管、C₆₀材料和过渡金属-乙烯复合物的理论计算与实验研究进展,并对该领域未来的研究工作进行了展望。     

从零维到三维的碳范式:碳单质概念的新发展

自18世纪石墨与金刚石的组成被确定为碳元素后,碳单质概念初步形成。然而,20世纪末期,包括C₆₀在内的富勒烯一族的发现突破了人们对碳单质的认识。随后,碳纳米管、石墨烯以及人工合成的T-碳的出现,重新诠释了碳单质的概念。碳单质的新发现,建立了从零维到三维的碳范式,掀开了对“碳单质”研究和应用的新篇章。