纳米受限水的研究进展

水是生命之源,在人类生存和社会生产中扮演了极其重要的角色,然而水的反常性质及在物理、化学、生物过程等领域中的作用和机理却仍存在很多谜团。近年来,水科学研究已逐渐成为科学研究的热点之一。地球上的水大部分是体相水,但在自然界和科学研究中,水同样会以界面/受限水的形式参与到物理、化学过程中。纳米受限水普遍存在于自然及合成的纳米环境中,受限水与体相水的差异主要体现在水的动力学及热力学性质的改变,受限水的存在对材料在生物、环境、地质和传感器等领域的应用也具有深远的影响。本文对纳米受限水的结构进行分析,并归纳了纳米受限水的动力学、热力学以及电学特性,对纳米受限水的研究手段及发展历程进行分类总结,举例介绍了纳米受限水在环境和能源等领域的潜在应用,最后对受限水研究进展及存在问题进行了总结,并对其后续发展进行展望。     

改性氧化石墨烯去除重金属离子的分子动力学模拟

通过硅烷化反应在氧化石墨烯(Graphene oxide, GO) 表面嫁接螯合官能团N-(三甲氧基硅丙烷)乙二胺三酸(EDTA-Si), 得到改性氧化石墨烯(GO-EDTA), 采用分子动力学模拟在分子水平上研究了Pb²⁺在GO-EDTA 表面的动态吸附分布、 构象及动力学性质, 比较了Pb²⁺和单价Na⁺离子在氧化石墨烯上的吸附行为, 模拟了GO-EDTA与Ca²⁺相互作用, 与Pb²⁺的吸附行为进行了对比. 模拟结果表明, Pb²⁺和Na⁺的吸附位点是GO-EDTA 体系中的羧基, 而非氧化石墨烯表面的羟基; Pb²⁺和 Na⁺ 与羧基的吸附构象不同, 前者吸附构象以摩尔比2:1为主, 即两个羧基对一个Pb²⁺离子, 而后者更多倾向于摩尔比1:1的吸附模式, 即一个羧基对一个Na⁺离子; Pb²⁺离子相对于Ca²⁺和Na⁺离子, 形成的COO^--Pb²⁺离子对构象越过的能垒最低, 但是破坏该离子对构象时能垒较高, 表明Pb²⁺离子在氧化石墨烯膜上表现出良好的吸附性.     

氧化石墨烯水热还原前后的发光光谱

分别采用改进Hummers方法和水热还原法制备了氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(RGO)。 GO和RGO经透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、红外光谱(IR)、荧光发射和激发光谱(PL、PLE)等技术手段进行了表征。 荧光发射光谱显示,氧化石墨烯(GO)在可见光的激发下可以得到波长在600~800 nm范围内的宽谱近红外荧光。 通过比较氧化石墨烯水热还原前后的光谱变化,发现氧化石墨烯近红外荧光起源于氧化石墨烯的表面含氧基团,如C=O、COOH。 近红外荧光穿透性好、对生物组织损坏小,非常适合于生物成像,预示着氧化石墨烯在生物成像方面的应用潜力。     

氧化石墨烯吸附亚甲基蓝的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了亚甲基蓝在不同氧化度的氧化石墨烯表面的吸附行为及其动力学性质, 从微观角度讨论了亚甲基蓝由体相到氧化石墨烯表面的吸附过程及主要作用机制, 并通过亚甲基蓝分子动力学性质解释了氧化石墨烯的氧化度和含氧官能团类型对吸附行为的影响. 结果表明, 吸附过程中, 亚甲基蓝主要受氧化石墨烯表面含氧官能团的静电作用, 以近似垂直氧化石墨烯表面的方向进入, 并以平行的方式吸附于氧化石墨烯表面; 亚甲基蓝不易脱离高氧化度氧化石墨烯的吸附位点; 吸附平衡过程中, 相对于低氧化度的氧化石墨烯, 高氧化度氧化石墨烯对亚甲基蓝的束缚性更强, 同时与亚甲基蓝间相互作用更强; 含氧官能团中的环氧基与亚甲基蓝间的作用势能更强, 且羟基能够与亚甲基蓝间形成氢键结构, 共同保障了亚甲基蓝吸附层的稳定性.     

氧化石墨烯-石墨烯纳米复合物传感器检测 对乙酰氨基酚和对氨基苯酚

本文通过简单超声法制备了氧化石墨烯-石墨烯(GO-Gr)碳复合材料,通过扫描电镜和电化学方法进行表征。将其修饰在玻碳电极表面,成功构建了用于对乙酰氨基苯酚(APAP)和对氨基苯酚(PAP)检测的电化学传感器。采用差分脉冲伏安法(DPV)测定APAP和PAP,线性检测范围为0.1～70μmol/L和0.3～60μmol/L,检出限为0.02 和0.1μmol/ L。同时,构建的传感器还表现出良好的稳定性和抗干扰能力,可用于实际样品的检测。     

石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性

石墨烯和氧化石墨烯由于特殊的电子、光学、力学性能已成为当今科学研究的热点.重点综述了近年来石墨烯和氧化石墨烯的表面功能化改性研究进展.首先介绍了石墨烯、氧化石墨烯的基本结构与性质.然后将表面功能化分为非共价键结合改性、共价键结合改性和元素掺杂改性.非共价键结合的功能化改性分为四类：π-π键相互作用、氢键作用、离子键作用以及静电作用.共价键结合的功能化改性分为四类：碳骨架功能化、羟基功能化、羧基功能化和环氧基功能化.元素掺杂改性分为N、B、P等不同元素的掺杂功能化.总结了石墨烯、氧化石墨烯基体与改性分子的相互作用和反应类型,以及改性产物的性能与应用.最后对石墨烯和氧化石墨烯在表面功能化改性方面的发展前景作了展望和预测.     

氧化石墨烯的制备及低温还原研究

用化学氧化法制备氧化石墨烯,并用一种新型的低温化学还原方法将其还原。用红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜、原子力显微镜等多种手段表征氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的结构与形貌。结果表明,即使在低温条件下,壳聚糖依然可以还原氧化石墨烯,从而预示,在低温条件下,能够在同一环境下实现氧化石墨烯的还原和石墨烯的应用。     

氧化石墨烯的绿色还原研究进展

从还原剂和还原方法这两个方面综述了近些年来绿色还原氧化石墨烯的若干方法,对一些天然的还原剂的应用及结果进行了描述,分析了这些方法的优缺点并给出了部分反应可能的机理,还对一些新型的环境友好型的还原方法也进行了评价。同时,对于还原氧化石墨烯的研究提供了新的思路和展望。     

氧化石墨烯和石墨烯在催化领域中的应用研究进展

石墨烯具有独特的二维平面结构,其导电性能好,比表面积大,耐酸碱,耐高温.基于石墨烯的优异特性,本文作者从材料的合成和结构等方面对石墨烯基催化剂的研制及其催化性能进行了评述.介绍了石墨烯催化体系的类型和机理,对石墨烯催化中存在的问题进行了简单分析,并对石墨烯在催化领域的应用前景进行了展望.     

水溶液体系中氧化石墨烯的γ射线辐射还原

石墨烯是一种碳原子以二维蜂窝状晶格结构构成的单片层材料,由于其具有优异的电传导性、力学性能和热传导性近年来受到广泛关注.本文采用γ射线辐射技术分别处理水溶液和对苯二胺(PPD)水溶液中的氧化石墨烯(GO),得到辐照还原氧化石墨烯(RGO)和胺基化修饰的还原氧化石墨烯(RGON).通过傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼(Raman)光谱、X射线衍射(XRD)和热失重分析(TGA)等表征分析产物的化学结构和元素组成;通过四探针测试仪和接触角测量仪研究产物的导电性能和亲水性.实验结果表明,在水溶液及PPD水溶液中γ射线辐射均可高效还原GO,还原后得到的RGO和RGON电导率均显著增大.PPD的胺基在辐射还原过程中还可以修饰到石墨烯的表面,因此RGON的亲水性比RGO好,但胺基的存在会干扰石墨烯表面π电子的传导,导致其电导率下降.     

Comparison of Adsorption of Proteins at Di erent Sizes on Pristine Graphene and Graphene Oxide

Using all-atom molecular dynamics (MD) simulations, we have investigated the adsorption stability and conformation change of different proteins on the surface of pristine graphene (PG) and graphene oxide (GO). We find that: (ⅰ) with the cooperation of the electrostatic interactions between proteins and oxygen-containing groups, GO shows better adsorption stability than PG; (ⅱ) the peptide loses its secondary structure on both PG and GO surface, and the α-helix structure of the protein fragment is partially broken on PG surface, but is well preserved on GO surface, while the secondary structure of globular protein has no distinct change on both PG and GO surface. In general, GO presents better biocompatibility than PG. Our results are of significant importance to understand the interactions between proteins and PG/GO and the applications of PG/GO in biotechnology and biomedicine.     

高介电常数石墨烯/聚酰亚胺复合材料的制备与性能

在原位聚合制备氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料的过程中,加入季铵盐表面活性剂,抑制氧化石墨烯在高温亚胺化时的聚集,同时将氧化石墨烯原位还原,获得高介电常数的石墨烯/聚酰亚胺复合材料.结果表明,采用四丁基溴化铵和四丁基碘化铵作为还原剂,利用原位化学还原方法所制备的石墨烯/聚酰亚胺复合材料的介电常数超过聚酰亚胺薄膜40倍以上,复合材料的热稳定性和机械性能也优于聚酰亚胺薄膜.热重分析结果表明,在复合材料高温亚胺化过程中,季铵盐发生热分解,未残留在复合材料中.     

石墨烯狭缝受限孔道中水分子的分子动力学模拟

石墨烯是一种具有广泛应用前景的纳米材料,特别是由石墨烯片层自组装形成的二维纳米通道能够应用于物质的过滤分离.本文采用分子动力学模拟方法研究了原态石墨烯/羟基改性石墨烯狭缝孔道中水分子的微观行为,模拟计算了水的界面结构性质和扩散动力学性质,所研究的石墨烯孔宽为0.6-1.5 nm.模拟结果表明,在石墨烯狭缝孔道中,水分子受限结构呈现层状分布,在超微石墨烯孔道(0.6-0.8 nm)中水分子可形成特殊的环状有序结构,石墨烯表面可诱导产生特殊的水分子界面取向.在石墨烯孔道中,水分子的扩散运动低于主体相水分子的扩散运动,羟基化石墨烯孔道可以促使水分子的扩散能力降低.对于改性石墨烯狭缝孔道,由于羟基的作用,水分子可以自发渗入0.6 nm的石墨烯孔道内.模拟所得到的受限水分子的动力学性质与水分子在石墨烯孔道内的有序结构有关.本文研究结果将有助于分析理解水分子通过石墨烯纳米通道的渗透机理,为设计基于石墨烯的纳米膜提供理论指导.     

基于多层结构设计的高储能密度氧化石墨烯/聚酰亚胺复合材料

采用逐层涂布、 分层控制固化程度的方法, 利用聚酰胺酸(PAA, 聚酰亚胺前体)溶液和含有氧化石墨烯（GO）的PAA溶液制备了一系列由高绝缘性PI层与GO@PI介电层交替组合而成的界面清晰且紧密衔接的多层复合薄膜. 通过调控介电层中GO含量及分层结构, 使多层复合薄膜兼具高介电常数和高击穿强度特征. 结果表明, 三层复合薄膜PI/1.0GO@PI/PI的击穿强度为261.5 kV/mm, 储能密度达到1.27 J/cm³, 与相同介电层厚度的单层薄膜相比, 击穿强度和储能密度分别提高了97%和144%, 同时, 其介电损耗也保持在较低水平(tanδ=0.0079). 绝缘层和高介电常数层的协同作用提升了氧化石墨烯/聚酰亚胺复合薄膜的储能密度. 这种简单的多层结构设计有利于氧化石墨烯/聚合物复合材料在介质储能领域的应用.     

水溶液中氢键寿命的定义和弛豫机理

氢键弛豫过程决定水溶液中分子的动力学行为,氢键寿命作为理论和实验结果中一个重要的参数通常用以描述溶液中的氢键动力学性质.本文采用SPC/E-P2和SPC/E-OPLS两种力场方法对二甲基亚砜(DMSO)水溶液体系进行分子动力学模拟,计算了四种不同定义下的氢键寿命,并进行了对比阐述,连续性氢键寿命Tc和基于动力学平衡方法下的氢键寿命TR较短,它们忽略了不成功的氢键交换过程,稳定态模型下的氢键寿命TPR能够真实体现氧键转换过程,可作为标度衡量其它量值.间歇性氢键寿命T相对最长,重复统计了氢键成功交换后的恢复概率.随着二甲基亚砜浓度增大,TC、TI、TR和TPR不断增大,分子平动扩散系数在中等浓度达到极小,说明氢键寿命与分子活动性无决定性关联,同类型氢键在不同浓度下的寿命差异表明氢键寿命具有分子环境依赖性;水分子和二甲基亚砜分子氢键个数降低,氢键受激角度扭曲和拉伸概率下降,TC和TR不断接近,氢键交换受体密度降低使氢键交换速率下降,TPR不断增大,氢键寿命与其周围氢键密度密切相关.TI与TPR的比值体现了氢键交换的局域性,其变化趋势与分子平动活动性趋势相同.两种力场下氢键寿命的差异也说明氢键的寿命具有明显的理论模型依赖性.     

氧化石墨烯对水中内分泌干扰物双酚A的吸附性能

以氧化石墨烯(GO)为吸附剂, 内分泌干扰物双酚A (BPA)为目标污染物, 考察了GO对水中BPA的吸附性能. 结果表明: GO对BPA的最大吸附量(q_m)约为87.80 mg·g^-1 (25℃), 30 min左右即可达到吸附平衡, 远快于活性碳; 吸附动力学和等温线数据分别符合准二级动力学模型和Langmuir 吸附模型; 在溶液接近中性和低温的条件下有利于吸附的进行, 在溶液中存在电解质的条件下不利于吸附的进行. GO具有优异的循环吸附性能, 经过多次循环使用后依然可以保持良好的吸附能力. GO对BPA的吸附机理主要是由于GO本身的片状结构以及表面的含氧极性基团, 会与BPA之间产生π-π色散作用和氢键作用. 虽然GO对BPA的吸附能力不如石墨烯, 但是相比于石墨烯, GO表面含有大量极性基团, 具有良好的亲水性, 且GO合成方法相对简单, 可批量生产用于工业污水处理. 因此, 在水处理领域, GO有能力成为新型高效的吸附剂.     

Preparation and Electrochemiluminescence of a Graphene Oxide/Selenium Nanocomposite

A novel amplification system for electrochemiluminescence (ECL) was developed by combining graphene oxide (GO) and Se nanoparticles, in which the chitosan (CHIT) was used as improver. Based on a series of experiments, the influencing factors and mechanism for ECL emission were determined. Under optimal conditions, the GO/Se nanocomposite produced an intense ECL emission and maintained long-term ECL stability. Significantly, the electrode modified with GO/Se nanocomposite was used to detect the biomolecule dopamine (DA), and showed a linear range from 0.1 to 100 µM, with a detection limit of 0.025 µM.     

功能化氧化石墨烯的细胞相容性

采用改进的Hummers方法制备了纳米尺度的氧化石墨烯.对氧化石墨烯的表面进行羧基化,并连接上聚乙二醇(PEG)使其在细胞培养液中可溶并能稳定保存.采用透射电镜(TEM)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱和zeta电位测量等对修饰后的氧化石墨烯的结构和功能进行了表征.体外细胞实验表明PEG修饰的氧化石墨烯在水中具有良好的可溶性,对A549细胞没有明显的毒性,在生物医药领域具有潜在的应用价值.     

羧基化氧化石墨烯的血液相容性

氧化石墨烯的官能团修饰可促进氧化石墨烯与生物体液、聚合物基体等不同环境的融合. 通过超声法制备了氧化石墨烯, 并利用化学改性的方法, 将氧化石墨烯表面的羟基和环氧基转变为羧基. 红外图谱上羧基化氧化石墨烯(GeneO-COOH)的羧基振动明显, 峰强增大. GeneO-COOH的主要失重表现为羧基官能团缩合以一个水分子的形态释放失去结构水[OH2]. 复钙动力学曲线随着GeneO-COOH的浓度增加, 曲线上升趋势由陡峭趋于平缓, 当浓度为1.25 μg/mL时复钙时间延长了11 min, 平台期OD值降低了8.14 %; 在0.5~100 μg/mL浓度范围内溶血率均<5 %. GeneO-COOH比GeneO在同等低浓度下的抗凝血性能有一定程度的改善, 主要是因为带负电的羧基可直接络合凝血因子. 因此, 羧基修饰氧化石墨烯是提高血液相容性的有效手段, 羧基化氧化石墨烯可作为潜在的生物医用材料的填料.     

石墨烯薄膜的光化学还原制备与表征

采用光化学还原方法制备了图案化的石墨烯薄膜.研究了光还原氧化石墨烯薄膜(PRGO)的热稳定性和发光性质.热重分析(TGA)结果表明,光化学还原主要引起氧化石墨烯(GO)氧化基团的减少,而对GO内水含量影响较小;发光(PL)测试结果表明,不同激发条件下,PRGO的发光与GO相比表现出了不同的变化规律:在波长514 nm的光激发下,PRGO的发光强度比GO明显降低,同时伴随着发光峰峰位红移;而在波长830 nm的光激发下,PRGO的发光强度比GO略有增强,并且发光峰峰位无明显变化,此结果表明不同尺寸的碳团簇局域态(sp2C团簇)的光还原反应活性不同,这与GO特殊的能带结构密切相关.