大孔道介孔氧化硅/碳基纳米材料的设计合成与应用

由于具有较大的孔道尺寸、 丰富的化学组成以及广阔的应用前景, 大孔道介孔纳米材料近年来引起了科研工作者的广泛关注. 分别利用复合胶束和无机纳米晶作为结构基元进行可控自组装的软模板法和硬模板法是合成这类大孔道介孔纳米材料最有效的两类方法. 本文总结了一系列基于不同类型软模板或硬模板共组装形成大孔道介孔纳米材料的合成方法和策略, 并讨论了所获得的大孔道介孔纳米材料在催化、 能量转换与存储以及生物医学中的应用. 最后, 对利用新型嵌段聚合物或复杂结构纳米晶合成大孔道介孔纳米材料的前景和挑战进行了展望.     

基于刻蚀反应的纳米结构空心化（英文）

中空纳米材料的可控合成使其在催化、能量转换与储存、生物医药等领域具有广阔的应用前景.本专论旨在揭示刻蚀反应对纳米结构空心过程的关键影响.讨论了通过增强纳米粒子表面在刻蚀液中的相对稳定性来精确操纵中空化过程的策略,主要关注3种刻蚀策略,包括硬模板法、氧化还原辅助中空法和表面钝化自模板法.最后,对基于刻蚀反应的纳米结构空心化可控合成未来的发展方向进行了展望.     

有序介孔碳材料的软模板合成、结构改性与功能化

有序介孔碳材料在吸附、分离、催化以及能量存储/转化等方面具有广阔的应用前景。相较于复杂的硬模板路线,基于两亲性嵌段共聚物和聚合物前驱体间（如酚醛树脂）自组装的软模板路线是合成有序介孔碳材料更为有效的方法。本文讨论比较了溶剂挥发诱导自组装法、水相协同自组装法和无溶剂法等三种典型软模板路线的基本过程和特点,并介绍了近年来在新型碳前驱体应用、介孔碳的结构改性和功能化等方面的一些重要进展,最后总结了介孔碳的合成研究中所需解决的关键问题。     

聚合物中空微球的合成策略（英文）

在过去的20年中,聚合物中空微球由于其独特的结构和优异的性质受到了广泛的关注.它们表现出低密度、高比表面积和高负载力的特性,在催化、药物递送及能量存储等领域中展现出巨大的应用前景.本文综合评述了聚合物中空微球的合成策略,主要包括模板法、乳液聚合法、自组装与及微流控等,并详细阐述和讨论了这些合成策略的原理、典型过程以及优缺点.同时,还指出了现有合成策略面临的挑战以及聚合物中空微球存在的不足,并对聚合物中空微球的制备和应用前景进行了展望.     

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.     

基于水滴模板法的微纳复合超疏水结构制备的研究

利用粒子辅助水滴模板法的实施获得规则蜂窝状图案化多孔结构模板,并进一步利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制转移技术获得表面具有微米尺寸蜂窝状突起阵列的反向图案化结构.以这种图案化突起结构作为微米尺寸所提供的微米级粗糙度为基础,设计了2种的简单的二次纳米结构的引入过程,最终实现了微米级阵列和纳米级粗糙度的复合.第一种方法借助银镜反应来实现纳米银结构的化学沉积,最终在PDMS阵列表面获得了致密的纳米银颗粒沉积层,并成功获得了表面接触角达166度的超疏水性质.第二种方法利用了聚电解质/二氧化硅粒子层层静电自组装的方法引入纳米结构,结果在仅仅进行了2个组装循环的条件下即可获得超疏水性质的表面复合结构.通过简单的实验设计试图提供一种基于水滴模板法的微纳复合超疏水结构的普适性制备方法.     

高分子表面微纳米结构的构筑及应用

近年来,纳米科技在高分子材料上的应用给高分子科学和材料的发展注入了新的活力.高分子材料表面微纳米结构与材料的性能密切相关,其微纳米结构结合高分子材料本身丰富多彩的特性,在材料科学、微电子学以及细胞生物学等方面都有重要的科学意义和应用价值.目前关于高分子材料表面微纳米结构的构筑已有大量报道,涉及的实验方法和材料非常广泛,大体上可以分为模板法和非模版法.在运用中往往需要综合利用高分子的各种特性和多种实验方法.本文以构筑方法分类,综述了近十几年来在高分子表面构筑微纳米结构的研究进展,对其应用前景做了简要介绍.     

基于粒子辅助水滴模板法制备仿生复眼结构的研究

将微粒“皮克林乳化效应”(Pickering emulsions)和水滴模板法(breath figure method)有机结合,探索通过建立粒子辅助的水滴模板法,实现纳米粒子在蜂窝状多孔膜内壁的自组装复合,构建微纳复合的多级仿生结构.并进一步利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)复制转移技术,获得类似于复眼结构的多级微纳复合界面仿生结构.     

双模板法合成介孔/大孔二级孔道碳材料

以酚醛树脂低聚物为前驱物, 利用双模板法制备了具有介孔/大孔双孔结构的碳材料. 其中以二氧化硅蛋白石为大孔模板, 以嵌段共聚物自组装结构为介孔模板. 对样品进行了扫描电子显微镜(SEM), 透射电子显微镜(TEM), X射线衍射(XRD)和氮气吸附-脱附实验表征. 结果表明所制备的双孔碳材料大孔直径约为230 nm, 介孔直径10 nm.     

单分散中空介孔结构的盐模板合成及形貌调控

中空介孔结构因具有丰富的内部空间以及多孔渗透性外壳等优势,在催化、能源储存与转化及生物医药等领域得到了广泛应用.然而,目前仍然缺少高效、简便且绿色的合成中空介孔结构的方法.本文以柠檬酸钠胶体颗粒作为模板,通过十六烷基三甲基溴化氨(Cetyltrimethylammonium bromide, CTAB)胶束与正硅酸四乙酯(Tetraethyl orthosilicate, TEOS)的水解低聚物在胶体颗粒表面进行界面共组装,直接生长介孔二氧化硅壳层;然后通过简便的醇洗和水洗分别除去CTAB胶束和柠檬酸钠胶体颗粒后,得到中空介孔结构.进一步研究表明,负电荷的柠檬酸钠胶体颗粒与CTAB胶束之间的静电相互作用是诱导氧化硅低聚物在颗粒表面进行交联组装的关键.基于此,通过控制生长时间实现了对中空介孔结构形貌和壳层厚度的精确调控.所得中空介孔二氧化硅纳米球可以显著增强物质的扩散传输,是理想的催化剂载体,负载金纳米颗粒后可以高效催化4-硝基苯酚的还原反应.研究结果为中空介孔材料的绿色简便合成提供了思路.     

Hollow Micro-/Nanostructure Reviving Lithium-sulfur Batteries

High-energy-density lithium-sulfur(Li-S) batteries are drawing dramatic research interests to fulfill the ever-increasing demands of electrical vehicles. However, challenges with the insulating property of sulfur and its lithiation products and its large volume expansion, and the shuttle effect of lithium polysulfides, hinder the commercial application of Li-S batteries. Lots of material design concepts have been developed to address the failure modes. Among them, hollow micro-/nanostructures with abundant compositional and geometrical feasibility have been proved fruitful in addressing the current obstacles of Li-S batteries. Here, typical examples of designing hollow micro-/nanostructures to address the problems of Li-S batteries and simultaneously improve the practical capacity and lifespan are highlighted. In particular, the great effect of structural engineering on minimizing volume change, inhibiting the shuttle effect and catalyzing polysulfide conversion are discussed systematically. Finally, future directions of hollow nanostructure design to enhance the progress of Li-S batteries are also provided.     

无机中空球壳材料的制备方法

中空球壳材料具有低密度、高比表面积、高的稳定性和表面渗透性的特点,使其在化学、生物技术、材料科学领域具有极其广泛的应用前景,如用作微胶囊的缓释。还可用于药物疏运、轻质填料、形状选择吸收剂和催化剂等。本文就近几年来无机中空球壳材料的制备方法进行了综述。     

Nanosized aluminum nitride hollow spheres formed through a self-templating solid-gas interface reaction

Nanosized aluminum nitride hollow spheres were synthesized by simply heating aluminum nanoparticles in ammonia at 1000 °C. The as-synthesized sphere shells are polycrystalline with cavity diameters ranging from 15 to 100 nm and shell thickness from 5 to 15 nm. The formation mechanism can be explained by the nanoscale Kirkendall effect, which results from the difference in diffusion rates between aluminum and nitrogen. The Al nanoparticles served as both reactant and templates for the hollow sphere formation. The effects of precursor particle size and temperature were also investigated in terms of product morphology. Room temperature cathode luminescence spectrum of the nanosized hollow spheres showed a broad emission band centered at 415 nm, which is originated from oxygen related luminescence centers. The hollow structure survived a 4-h heat treatment at 1200 °C, exhibiting excellent thermal stability.     

Synthesis of micron-sized hollow silica spheres with a novel mesoporous shell of MCF

Micron-sized hollow silica spheres whose shells are made up of mesocellular silica foams(MCFs) have been synthesized by one-pot sol-gel method in benzene/water/P123 emulsion.The material is characterized with SEM,TEM,BET and ~(29)Si MAS NMR. The results show that the MCFs of the unique shell of hollow silica spheres were connected by large windows with a narrow distribution of～10 nm in diameter,the inner space of the hollow sphere is accessible.And the formation mechanism of the hollow silica spheres is ...     

Aerosol assisted synthesis of silica/phenolic resin composite mesoporous hollow spheres

Hollow spheres of phenolic resin/silica composite are synthesized by macroscopic phase separation of a sorbitan monooleate surfactant Span 80 during aerosol-assisted spraying. The cavity can be evolved from multiple compartments to single hollow cavity with the increase of Span 80 content. The composite shell becomes mesoporous due to the release of small molecules after thermal treatment above 350 °C. After further thermal treatment at a higher temperature for example 900 °C in nitrogen or 1,450 °C in argon, the carbon/silica composite hollow spheres or crystalline silicon carbide hollow spheres are derived, respectively. Compared to the pure phenolic resin-based carbon spheres, thermal stability of the carbon-based composite spheres in air is essentially improved by the introduction of inorganic component silica. The carbon-based composite hollow spheres combine both performances of easy mass transportation through macropores and high specific surface area of mesopores, which will be promising to support catalysts for fuel cells. Electronic supplementary material  The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.     

简易合成纳米多层级镍中空亚微球及其催化苯酚加氢的研究

采用简易一锅法, 在十二烷基硫酸钠-聚乙烯吡咯烷酮水溶液中, 利用水合肼在65 ℃下还原Ni²⁺制备镍纳米材料, 并对其表面形貌和内部结构进行了表征. 结果表明, 该镍纳米材料是壳层中具有大量介孔的中空亚微球, 且表面呈现出松针状叠合的特殊形貌, 因此是纳米多层级结构, 较厚的壳层使其整体类似于封闭的鸟巢状. 以此镍中空亚微球催化苯酚选择性加氢反应, 150 ℃催化反应4 h苯酚的转化率接近100%, 主产物环己醇的选择性高达90%以上. 该镍中空亚微球循环使用20次催化活性基本没有下降, 而且循环使用20次之后的催化剂曝露于空气中表面未被氧化, 基本不会影响其催化活性, 表明该镍中空亚微球具有高的催化活性和优良的循环稳定性能, 有望作为良好的床层催化剂使用.     

Deformable double-shelled hollow mesoporous organosilica nanocapsules:A multi-interfacial etching strategy

Multishelled hollow structures have drawn increasing interest because of their peculiar compartmentation environments and physicochemical properties.In this work,deformable double-shelled hollow mesoporous o rganosilica nanocapsules(DDHMONs) were succes s fully synthesized by a multi-interfacial etching strategy.The obtained DDHMONs have a double-shelled structure with aninorganic-organic hybrid framework,a uniform outer layer(～320 nm) and inner layer(～180 nm),ordered mesochannels(～2.21 nm),and a large specific surface area(～1233 m~2/g).In vitro toxicity tests show that the DDHMONs have excellent biocompatibility when coincubated with human breast cancer cells.In addition,the anti cancer substance doxorubicin(DOX) can be highly loaded in DDHMONs(～335 μg/mg).The results from flow cytometry together with confocal laser scanning microscopy show that DOX can be efficiently delivered into MCF-7 cells by DDHMONs,thus improving chemotherapeutic efficiency and demonstrating that DDHMONs have potential nanomedicine applications as anticancer agents.     

Ag/mSiO2空心微球的制备及SERS标记性能

以聚苯乙烯微球为模板, 经过原位还原和种子生长过程在聚苯乙烯微球表面包覆银(Ag)纳米粒子; 以正硅酸乙酯为硅源, 在十六烷基三甲基溴化铵的导向下实现介孔二氧化硅(mSiO₂)可控包覆, 去除模板得到Ag/mSiO₂空心微球. 透射电子显微镜(TEM)和氮气吸附-脱附分析结果表明, SiO₂壳层厚度约为20 nm, 介孔孔径为2.1 nm, 孔道分布均匀. 进一步利用虹吸作用使对巯基苯胺(4-ATP)分子进入微球内与Ag粒子结合, 构建表面增强拉曼散射(SERS)标记材料. SERS测试结果表明, 该标记材料检测限达到10^-7 mol/L, SERS增强因子达到3.7×10⁵.