二维原子-分子异质结的制备及其类脑器件应用

类脑计算因模仿人脑高效且低能耗的信息处理特性,成为解决冯·诺依曼计算机架构在能源效率和处理速度方面瓶颈的有力方案.然而类脑计算器件中传统异质结构存在的性能单一、制作困难、结合力差等问题限制了技术的应用.新型二维原子-分子异质结(2DAMH)通过在二维材料表面共价修饰功能性分子提供的稳定性和功能可调性为类脑器件领域带来了新的机遇.本综述总结了2DAMH在电子特性、合成策略及类脑器件应用方面的最新进展,尤其是在定制界面特性及模拟生物突触功能上的潜力.尽管共价修饰在精确性、规模化生产和理论完善度等方面仍面临挑战,但不断涌现的创新研究正在积极探索解决方案,展现出在类脑计算智能系统中实现更高效、更节能计算模式的巨大潜力.     

原子转移氮氧自由基偶合反应制备聚苯乙烯改性的石墨烯

通过原子转移氮氧自由基偶合(ATNRC)反应制备了聚苯乙烯改性的石墨烯. 先将氧化石墨烯酰氯化, 然后与2,2,6,6-四甲基-4-羟基哌啶-1-氧自由基(HTEMPO)进行酯化反应制备HTEMPO 修饰的石墨烯(Graphene-HTEMPO), 通过Graphene-HTEMPO 与原子转移自由基聚合(ATRP)方法制备的Br 封端的聚苯乙烯进行ATNRC 反应, 即可得到聚苯乙烯共价改性的石墨烯(Graphene-g-PS). 热失重分析结果表明聚苯乙烯的接枝率约为6.68 wt%, 从透射电镜照片中也可以明显地看到石墨烯表面的聚苯乙烯. 由于聚苯乙烯的共价接枝, 使得Graphene-g-PS 在氯仿、正己烷、甲苯、甲醇等有机溶剂中具有很好的分散性, 有利于石墨烯的进一步应用.     

超级电容器用石墨烯薄膜：制备、基元结构及表面调控

石墨烯薄膜是一种以石墨烯纳米片为基元结构的宏观体,通过合理的结构设计和表面修饰使其具有优异的电学、力学和热学性能,将在电化学储能、电子器件、健康和环保等领域具有潜在的应用。本文主要综述了从石墨烯基元调控到二维宏观膜组装以及石墨烯薄膜在超级电容器应用中的研究进展。主要介绍了石墨烯薄膜的简易制备方法,并详细介绍了通过对石墨烯基元的结构调控和表面修饰来优化石墨烯薄膜电化学性能的两大策略,最后对石墨烯薄膜应用所面临的挑战和未来的发展进行了总结与展望。     

石墨烯的化学气相沉积生长与过程工程学研究

石墨烯作为由sp2杂化的碳原子键合而成的二维原子晶体,其独特的能带结构和优良的电学、热学和力学性质一直吸引着人们的广泛关注,并有望在未来的半导体工业中得到实际应用.然而,高质量石墨烯的大规模可控制备仍然存在着诸多挑战性的问题,也是石墨烯工业化应用的瓶颈所在.化学气相沉积(CVD)技术在大面积生长高质量石墨烯方面拥有独特的优势,已成为石墨烯生长领域的主流技术.我们近年来一直致力于发展石墨烯的CVD生长方法,通过对表面催化生长的基元步骤的设计与控制,实现了对石墨烯的结构和层数的有效调控,并形成了CVD生长的过程工程学指导思想.本文从对石墨烯的CVD生长机理的分析入手,系统介绍了我们开展的过程工程学研究,并对该领域的未来发展趋势以及所面临的机遇和挑战进行了简要的展望.     

石墨烯表界面化学修饰及其功能调控

石墨烯属于碳纳米材料家族中的一员,是一种单层的二维原子晶体,具有高硬度、高导热性、高载流子迁移率等诸多优良特性,被认为是新一代电子学器件的重要基础材料.近年来我们课题组利用石墨烯的这些优良特性在其表界面化学修饰及其功能调控方面开展了一系列研究工作.我们对石墨烯表界面进行了共价或非共价化学修饰,在一定程度上打开了石墨烯的带隙,并发展了具有传感功能的石墨烯器件.我们还制备了基于石墨烯的纳米电极,发展了新一代分子电子器件的普适性制备方法,实现了单分子器件的功能化.展望未来,以石墨烯为代表的碳基纳米材料将继续在纳电子器件研究领域发挥重要作用.     

石墨烯衍生物的合成及应用

石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后碳纳米材料研究领域涌现出来的又一颗崭亮新星。表面功能化处理是石墨烯强化其优异的本征性能和赋予其他新颖功能的主要技术途径。近年来,研究者相继开发了一系列石墨烯改性与功能化的技术方法,制备得到了多种结构特异、组成丰富和性能独特的石墨烯衍生物。本文基于该领域研究的最新进展,从石墨烯化学的角度出发,综述了石墨烯主要衍生物的制备方法以及应用途径,其中主要包括石墨烯的加氢与氟化、有机功能化、聚合物对石墨烯的共价与非共价修饰、石墨烯衍生物在生物医药研究领域的应用等,并对目前相关研究领域的发展趋势进行了总结和展望。     

二维高分子的制备、组装及其高效电化学应用

二维高分子是通过共价键连接的在二维平面内具有周期性排列结构的分子片,因其具备质轻、柔性、可调结构和高适应性等优点近年来受到了国内外研究学者的广泛关注.可控制备二维高分子对于研究二维高分子的结构与性能关系、合成特定功能化改性的二维高分子具有重要的意义.本文以本课题组的研究工作为出发点首先围绕一种天然二维高分子材料(石墨烯)的快速制备、组装、功能性复合及其电化学应用进行总结,然后针对新型合成二维高分子材料(二维共价有机框架(2D COF),硅烯和二维共价三嗪框架(2D CTF))的制备方法、有效的分子设计和电化学应用进行总结,用于理解二维高分子的构效关系,为实现二维高分子的可控制备和高效应用提供了思路.     

石墨烯/高分子复合薄膜的制备及应用

石墨烯是一种单原子厚度的二维碳纳米材料,具有优异的光、电、热和力学性能,以及巨大的比表面积.石墨烯与高分子之间能够通过共价或非共价作用(氢键、π-π作用、静电作用等)进行复合.这些相互作用既增加了石墨烯在高分子中的溶解性或分散性,也可以提高复合材料的性能或拓展其功能.目前常用的制备石墨烯高分子复合材料的方法有溶液混合、熔融共混和原位聚合等.该类复合材料可以通过蒸发溶剂、溶液涂覆、真空抽滤、层层自组装等途径加工成相应的复合膜.石墨烯高分子复合薄膜在制备高强度结构材料、超级电容器、光伏器件、锂离子电池负极材料以及传感器等方面具有重要的应用价值.本文综述了近年来石墨烯高分子复合薄膜的制备和应用方面的研究进展,并对该领域进行了展望.     

光化学反应在生物材料表面修饰中的应用

生物医用材料的表界面设计在组织工程、生物医疗器械、生物传感与检测、生物芯片等领域越来越重要,深入理解材料性质,尤其是表界面性质,对生物材料研发具有一定指导作用。在生物材料表界面修饰的各种方法中,光化学修饰方法简单高效,且具有时空可控性和非侵入性等优点,已成为生物材料表界面修饰中的热点研究领域之一。本综述在介绍近年来发展的生物材料表面光化学修饰方法的基础上,集中介绍其在组织再生材料(仿细胞外基质界面、硬度调控薄膜凝胶、图案化和梯度表面、光响应动态表面)、微液滴阵列表面、高通量生物芯片等领域的应用,并进一步展望了光化学表面修饰在生物医用界面研究中的关键挑战和发展方向。     

基于石墨烯修饰电极的电化学生物传感

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳纳米材料,具有大的比表面积、高的导电性和室温电子迁移率,以及优异的机械力学性能.石墨烯还具有电化学窗口宽,电化学稳定性好,电荷传递电阻小,电催化活性高和电子转移速率快等电化学特性.化学修饰石墨烯,特别是氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO),可以被宏量、廉价地制备出来.它们具有可加工性能,可以被组装、加工或复合成具有可控组成和微结构的宏观电极材料.因此,石墨烯及其化学修饰衍生物是用于电化学生物传感的独特而诱人的电极材料.例如,GO是一种化学修饰石墨烯,也是石墨烯的重要前驱体;其边缘具有大量的羧基可用于共价固定酶,从而能实现酶电极的生物检测.在GO上的不可逆蛋白吸附也可以促进蛋白质的直接电子转移以提高其电化学检测性能.但是,GO大量的含氧官能团破坏了石墨烯本征的共轭结构,降低了其电学性能并限制了其实际应用.GO可以通过化学、电化学、热还原等技术转化成rGO,从而能部分修复其共轭结构,提高其导电性与传感性能.另一方面,石墨烯是一种零带隙材料;原子掺杂可以调控其能带结构,提高其电催化性能.石墨烯材料也常常需要通过与其它功能材料的复合进一步改善其可分散与可加工性能,提高其电催化活性和电化学选择性.本文综述了本征石墨烯(包括GO,rGO和掺杂石墨烯)以及石墨烯与生物分子、高分子、离子液体、金属或金属氧化物纳米粒子等复合材料修饰电极在检测各种生物分子方面的研究进展,并对该研究领域进行了展望.     

利用表面修饰调制GaAs纳米线的电子结构

采用第一性原理的密度泛函方法,研究了利用表面修饰来调制GaAs纳米线的电子结构.在计算中考虑了几种不同的表面钝化材料(H、F、Cl、Br和I)对GaAs纳米线电子结构的影响.计算结果表明,不同的原子修饰GaAs纳米线时对其能带结构的调制主要取决于它们对纳米线表面态的饱和能力.表面修饰不仅可以调节GaAs纳米线的能隙大小,而且也可以调制其能隙类型.GaAs纳米线的电子结构由表面效应和量子限制效应共同来决定.使用不同材料修饰表面的GaAs纳米线的能隙随直径的变化幅度并不相同.表面修饰为实现同种直径和同种结构的GaAs纳米线的能带工程提供了一种新的途径.     

水分散性碳纳米管的制备研究进展

采用化学修饰的方法制备水分散性碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是扩大CNTs在生物传感器、医药、功能材料和电子电器元件等领域应用的重要手段。化学修饰法主要包括非共价修饰和共价修饰两种,非共价修饰是采用表面活性剂、有共轭平面结构的分子以及聚合物或生物大分子对CNTs进行表面包覆;共价修饰包括"grafting to"和"grafting from"两种类型。本文从反应原理和实施方法上综述了化学修饰法制备水分散性CNTs的研究进展,并对水分散性CNTs的研究和应用前景进行了展望。     

利用表面修饰调制GaAs纳米线的电子结构

采用第一性原理的密度泛函方法,研究了利用表面修饰来调制GaAs纳米线的电子结构. 在计算中考虑了几种不同的表面钝化材料（H、F、Cl、Br 和I）对GaAs纳米线电子结构的影响. 计算结果表明,不同的原子修饰GaAs 纳米线时对其能带结构的调制主要取决于它们对纳米线表面态的饱和能力. 表面修饰不仅可以调节GaAs纳米线的能隙大小,而且也可以调制其能隙类型. GaAs纳米线的电子结构由表面效应和量子限制效应共同来决定. 使用不同材料修饰表面的GaAs纳米线的能隙随直径的变化幅度并不相同. 表面修饰为实现同种直径和同种结构的GaAs纳米线的能带工程提供了一种新的途径.     

单晶硅作为新型的基因芯片基底的探索

成功地将单晶Si(111)表面光化学引入官能团的技术与水溶性碳二亚胺催化多肽合成技术结合起来,制备并表征了ss-DNA 共价修饰的Si(111)表面.进一步证明了该表面具有特异性杂交的活性和反复使用的稳定性.为制备出可靠的、可反复使用的基因芯片提供了一种新的方法.     

二维材料及其量子点在分离科学领域的研究进展

二维材料是一种新型的分离材料,具有原子尺寸、机械强度优异、比表面积大、表面化学丰富以及 物理、化学稳定性良好等特性,引起了分离科学领域研究人员的广泛关注,其中以石墨烯为典型代表。随着 对石墨烯材料的广泛研究,相继发展了二维过渡金属硫化物（TMDs）、层状双氢氧化物（LDHs）、金属有机框 架（MOFs）、共价有机骨架（COFs）、二维过渡金属碳化物或碳氮化物（MXene）、六方氮化硼（h-BN）等多种新 兴二维材料。该文介绍并讨论了二维材料及其量子点的特点及应用,重点介绍了二维材料及其量子点在膜分 离、固相萃取/固相微萃取、液相色谱、气相色谱、毛细管电色谱等分离科学领域中的应用。此外,还探讨了 二维材料在分离科学领域中面临的挑战及应用前景。     

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。     

二维材料用于电催化析氢的研究进展

电催化水分解因其丰富的原料来源和环境友好被认为是一种有前途的制氢技术. 开发用于电催化析氢反应的高效电催化剂是迫切需要的. 随着石墨烯的兴起, 二维(2D)材料因其独特的物理、 化学和电子特性, 已逐渐成为水电解的潜在候选材料. 本文介绍了二维材料用于电化学水分解产生氢气的最新进展, 概括了二维材料的合成方法, 总结了改善二维材料电化学析氢性能的策略, 讨论了该领域面临的挑战和未来的发展机遇.     

点击化学法修饰氧化石墨烯及其在高分子中的应用研究

点击化学是一种操作简单方便、灵活高效的化学合成方法,对石墨烯的改性具有高效和活性位点可控等特点,是一种新型高效修饰石墨烯的改性法。本文结合点击化学改性石墨烯的特点及在高分子中的应用,将点击化学功能化修饰石墨烯分为共价键点击功能化和非共价键点击功能化,其中共价键结合又可细分为边缘点击功能化改性和表面点击功能化改性。本文介绍了叠氮功能改性剂的制备方法及其修饰石墨烯的点击反应原理,总结了点击功能化石墨烯及氧化石墨烯高分子复合材料的功能特性和应用前景。     

石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一. 本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述, 重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展, 并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望.     

石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用

石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料, 它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质. 有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一. 本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述, 重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展, 并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望.