电场调控表界面组装结构的STM研究进展

功能分子在表界面上的自组装是制备分子纳米器件的重要途径.通过对外场因素如电场、磁场、光照与热场等的引入,可以实现对表界面分子组装结构的有效调控.本文从电场对表界面组装结构的调控出发,结合近年来本课题组与国内外的研究工作,概述了电场对组装结构有序度、分子位向、二维乃至三维相转变以及表面反应等方面的研究进展,并展望了该领域的发展趋势.     

钴基费托合成催化剂的表界面性质调控

合成气经费托合成(Fischer-Tropsch synthesis,FTs)转化为燃料和高附加值化学品是解决煤炭等资源清洁利用问题的重要途径,是现代煤化工的重要组成部分,对于降低石油进口依赖度,保证国家能源战略安全具有重要意义。钴基催化剂因活性高、链增长活性强、CO₂选择性低、寿命长等而成为目前研究最为广泛的FTs催化剂之一。如何通过调控表界面性质来打破还原度和分散度的依赖关系,提高催化剂的反应活性以及一定碳链范围内的产物选择性依然是高效钴基FTs催化剂开发面临的重要挑战。本文分别从结构敏感性(尺寸和晶面效应)、金属-载体间相互作用和限域效应三个方面阐述钴基FTs催化剂表界面性质调控策略的最新研究进展,以期为钴基FTs催化剂微观结构设计及反应性能调控提供理论依据。     

析氧反应铁镍基预催化剂的表界面调控与进展

析氧反应（OER）是水分解中重要的半反应, 为提高其催化性能,开发高效非贵金属催化剂已成为当前的研究重点。铁镍（FeNi）基材料被认为是最好的预催化剂, 在催化过程中,它们的表面将转变成高价态金属氧化物或氢氧化物作为真正的活性物质。FeNi基预催化剂的结构和形貌在很大程度上影响了其催化性能, 因此, 优化和调整FeNi基预催化剂的结构和化学环境可以提高电催化性能。基于我们的研究工作, 我们撰写了FeNi基预催化剂的表面结构调控促进电化学析氧反应的研究进展。我们首先介绍了碱性OER的反应机理, 然后从杂原子掺杂、表面成分改性、选择性结构转变、表面化学状态调节、异质结构构建和载体效应等方面讨论了FeNi基预催化剂表面调控对析氧反应性能的影响。尽管在OER反应中FeNi都被认为转变成高价态的金属活性物质, Fe/Ni体系的表面结构、形貌和化学状态仍然能够显著影响其最终的催化性能, 即FeNi基预催化剂的性质会影响析氧反应的催化性能。通过精细设计并尽量提高Fe和Ni的协同作用将有利用提升氧析出的催化性能。我们希望本综述能够对FeNi基预催化剂的制备和表界面性质调控与电催化析氧反应性能的理解有所帮助。     

高温超导材料的表界面化学研究

超导现象早在1911年就为世人所知. 基于超导材料和超导技术广阔的应用前景, 一百多年来来自物理、化学、材料等不同领域的研究者们一直为发现新的、高超导转变温度(甚至室温)的超导材料而不断努力. 同时, 超导材料的表界面研究工作也越来越受到关注. 本文首先介绍了过去国内外研究者在铜基氧化物超导材料表面的一些分子吸附研究工作, 随后总结了最近在超导薄膜体系中界面效应对提高超导转变温度及其研究超导机制的意义, 着重揭示了表面/界面在超导研究和发展中的重要性.     

表界面化学调控二维材料电催化生物质转化的研究进展

电催化生物质转化是以间歇式能源产生的电能驱动生物质电转化为高附加值有机化学品的过程,将其与水分解耦合能够产生高纯度氢气,具有有效降低化石燃料消耗、优化能源结构及解决环境问题的潜力.然而,由于生物质具有多个官能团及其转化反应涉及多个电子参与,电催化生物质转化面临着转化效率低、选择性差和稳定性不足等挑战.通过调控表面本征结构、构筑表面空位、引入表面杂原子和构建表面协同界面等一系列表界面化学工程对二维电催化材料进行设计和改性,实现对其表面电子结构和几何结构的优化,可以有效地改善二维材料的电转化效率、选择性和稳定性.本综述详细介绍了表界面化学改性二维材料电催化生物质转化的最新研究进展,总结了该研究领域存在的问题,并展望了其研究前景.     

摩擦起电的界面调控与应用研究

摩擦起电是一种常见的物理现象,两个不同的物体只要有摩擦或接触分离,就会产生摩擦起电.在固体与固体之间、固体与液体之间、甚至固体与气体之间,都存在着摩擦起电.由摩擦起电引起的静电效应一方面在机械、轻工等领域有着广泛的应用,如选矿、除尘、植绒、喷涂等;另一方面也给石油输运、工业生产等带来安全隐患,对人们的生活及安全造成不利影响.因此,实现摩擦起电的界面调控对其实际应用具有重要的研究意义.本文综述了材料表面摩擦起电的影响因素、调控方法及利用方面的新进展,并对摩擦起电的界面调控发展趋势和应用前景进行了展望.     

三维胶体光子晶体对光的调控与应用研究

21世纪在光子技术领域中操控光子已成为核心的研究内容.胶体光子晶体因其特殊的周期结构而具有光子禁带的特性,从而可以对特定频率的光进行调控,其应用涵盖了光、电、催化、传感、显示、检测等众多领域,为光功能材料的结构设计和性能优化提供了参考依据.本文主要从两个方面阐述近年来胶体光子晶体对光的调控作用与应用,一方面,光子晶体的...     

电解液调控CO2电催化还原性能微观机制的研究进展

二氧化碳(CO₂)排放导致了严重的温室效应, 但作为重要的碳资源, CO₂电催化还原合成化学品因反应条件温和、 反应产物可调及可有效利用分布式电能等优势而备受关注. 在该反应体系中, 电解液作为反应介质, 可提供质子和反应微环境, 影响分子/离子传输. 因此, 构建新型电解液体系对于提高CO₂电催化还原产物的选择性和电流密度起到重要作用. 本文综合评述了CO₂电催化还原过程中电解液的作用和研究现状, 重点总结了水系电解液中阴阳离子(碱金属阳离子、 卤素离子等)和离子液体电解液对CO₂溶解度、 界面双电层结构(pH值、 电场效应)和中间体稳定性等的影响机制, 揭示了其调控对反应产物的选择性、 电流密度等的影响规律. 最后, 对电解液调控CO₂电催化还原性能的研究进行了展望.     

面向电化学储能与转化的表界面工程

<正>随着不可再生化石燃料的枯竭和人类能源需求的快速增长,能源利用正从传统化石能源主体逐渐转向低碳可再生能源。2020年9月,习近平总书记在第75届联合国大会上提出：“中国将在未来几十年里,采取一系列方法、政策和措施,CO₂排放力争于2030年前达到峰值,争取在2060年前实现碳中和。”当前,“碳达峰、碳中和”显然已成为社会各界热议的焦点,高效的能源转换和储存已被视为最重要的全球挑战之一。     

表界面分子吸附、组装与反应的电化学STM研究

电化学扫描隧道显微镜（electrochemical scanning tunneling microscopy：ECSTM）是用于化学以及表界面科学研究的重要新技术之一。它将电化学与STM技术相结合,能够工作于溶液和大气环境中,可以得到固体表面及表面吸附物质的原子／分子级分辨率的图像。本文简要介绍了电化学STM技术及其在表界面分子吸附、组装和反应研究中的应用。     

以催化功能优化为导向的无机复合结构表界面和电子态调控

本文概述了具有特定表/界面的无机复合结构纳米晶体的可控合成方法,阐述了合成过程中的关键控制参数。以笔者课题组近年来的进展为例,重点讨论了复合结构的设计对纳米催化剂表/界面状态和电子态的调控。纳米结构的表/界面状态和电子态调控赋予了催化剂在反应分子吸附与活化中的独特行为,从而获得了不同于单一组分催化剂的优异催化性能。     

SIMS研究人造金刚石与金属膜的界面结合强度

文中利用SIMS研究了人造金刚石与金属膜的界面结合强度。结果表明;金刚石与钛膜的结合强度高于与镍膜的结合强度,热处理的结合强度高于未处理的强度。     

金属晶体间微观静摩擦特性的分子动力学模拟研究

以光滑干摩擦接触平面为对象,利用金属晶体间的强体积效应特征,建立了简化计算静摩擦力的界面势能模型.根据第一性原理的方法模拟得出界面分子势能的变化,通过界面分子势能计算出静摩擦力大小,并将数据结果通过通用黏附能量函数计算出的静摩擦力大小进行验证,也将计算结果与超高真空原子力显微镜试验结果进行对比.最后拟合出最大静摩擦力与法向载荷的线性函数关系,得出摩擦力的数值为真实接触面积的函数,并与法向载荷成正比的结论.从微观上对同种金属材料间库伦摩擦定律进行验证与研究.     

源于功函数差异的界面内建电场调控载流子定向分离的作用机制研究

近年来,由有机污染物和重金属引起的水污染对人类健康、生态系统和社会可持续发展构成了严重威胁.而光催化技术以其高效、低成本、节能、无二次污染等优点成为解决日益严重的环境污染问题的一个极具吸引力的策略.众所周知,宽光谱吸收、高效载流子分离和快速的表面反应动力学是高性能光催化剂所必备的基本条件.而多孔TiO2空心球具有以下结构优势:(1)成本低、无毒、氧化还原电位适中、物理化学性质稳定;(2)中空结构有利于入射光多重散射,而且大表面积可以暴露更多的活性位点;(3)多孔结构有利于传质过程.但是,窄光谱吸收和低的光生载流子分离效率严重阻碍了空心结构TiO2的实际应用.因此,通过耦合窄带隙半导体构建异质结光催化剂可以有效提高光吸收和促进光生电荷的分离.窄带隙(Eg=2.18–2.44 eV)半导体材料SnS2具有无毒、化学性质稳定、低成本和宽谱响应等诸多优点.若将超薄SnS2纳米片锚定生长在多孔TiO2空心球表面,将对异质结的光催化性能产生显著的影响.一方面,分级结构的空心球具有高可见光捕获率;另一方面,超薄SnS2纳米片具有更短的载流子扩散距离,从而有效地抑制光生载流子在催化剂体相内部复合.然而,由于其能带结构的限制,二元TiO2/SnS2复合材料很容易形成嵌入式I型异质结,在很大程度上降低了光催化氧化还原能力.此外,在光催化剂表面聚集的光生电子和空穴容易发生随机性复合.因此,迫切需要通过引入界面驱动力来调节表面载流子的分离和转移.众多研究表明,通过化学功能化可以实现对还原氧化石墨烯(rGO)的能带结构、功函数、电导率、亲水性和光学性质的调控.功能化的rGO可以作为优良的空穴提取材料,在rGO两侧分别耦合不同能级结构的半导体光催化材料,通过异质界面能级和功函数差异带来的界面内建电场,精确调控光生载流子在界面间的空间分离和定向迁移.基于上述分析,本文通过改进的"硅保护煅烧"方法合成了分级多孔SnS2/rGO/TiO2空心球异质结光催化剂.分级多孔空心球的结构优势不仅增强其光捕获能力,而且为光氧化还原反应提供了丰富的活性位点.特别是,在TiO2和SnS2纳米薄片之间嵌入的rGO中间层可以作为空穴注入层.由不同功函数导致的界面内建电场可以精确地调控光生空穴从SnS2纳米薄片的价带向rGO空穴注入层定向迁移,显著延长了光生载流子的寿命.在可见光照射下,负载2 wt％rGO的分级多孔SnS2/rGO/TiO2空心球异质结光催化剂对罗丹明B染料的降解率可达97.3％,对Cr(VI)的还原效率可达97.09％.此外,经过六个周期的循环实验,该异质结催化降解罗丹明B和还原Cr(VI)的效率没有明显降低,表现出较好的光催化稳定性.     

源于功函数差异的界面内建电场调控载流子定向分离的作用机制研究

近年来,由有机污染物和重金属引起的水污染对人类健康、生态系统和社会可持续发展构成了严重威胁.而光催化技术以其高效、低成本、节能、无二次污染等优点成为解决日益严重的环境污染问题的一个极具吸引力的策略.众所周知,宽光谱吸收、高效载流子分离和快速的表面反应动力学是高性能光催化剂所必备的基本条件.而多孔TiO2空心球具有以下结构优势:(1)成本低、无毒、氧化还原电位适中、物理化学性质稳定;(2)中空结构有利于入射光多重散射,而且大表面积可以暴露更多的活性位点;(3)多孔结构有利于传质过程.但是,窄光谱吸收和低的光生载流子分离效率严重阻碍了空心结构TiO2的实际应用.因此,通过耦合窄带隙半导体构建异质结光催化剂可以有效提高光吸收和促进光生电荷的分离.窄带隙(Eg=2.18–2.44 eV)半导体材料SnS2具有无毒、化学性质稳定、低成本和宽谱响应等诸多优点.若将超薄SnS2纳米片锚定生长在多孔TiO2空心球表面,将对异质结的光催化性能产生显著的影响.一方面,分级结构的空心球具有高可见光捕获率;另一方面,超薄SnS2纳米片具有更短的载流子扩散距离,从而有效地抑制光生载流子在催化剂体相内部复合.然而,由于其能带结构的限制,二元TiO2/SnS2复合材料很容易形成嵌入式I型异质结,在很大程度上降低了光催化氧化还原能力.此外,在光催化剂表面聚集的光生电子和空穴容易发生随机性复合.因此,迫切需要通过引入界面驱动力来调节表面载流子的分离和转移.众多研究表明,通过化学功能化可以实现对还原氧化石墨烯(rGO)的能带结构、功函数、电导率、亲水性和光学性质的调控.功能化的rGO可以作为优良的空穴提取材料,在rGO两侧分别耦合不同能级结构的半导体光催化材料,通过异质界面能级和功函数差异带来的界面内建电场,精确调控光生载流子在界面间的空间分离和定向迁移.基于上述分析,本文通过改进的"硅保护煅烧"方法合成了分级多孔SnS2/rGO/TiO2空心球异质结光催化剂.分级多孔空心球的结构优势不仅增强其光捕获能力,而且为光氧化还原反应提供了丰富的活性位点.特别是,在TiO2和SnS2纳米薄片之间嵌入的rGO中间层可以作为空穴注入层.由不同功函数导致的界面内建电场可以精确地调控光生空穴从SnS2纳米薄片的价带向rGO空穴注入层定向迁移,显著延长了光生载流子的寿命.在可见光照射下,负载2 wt％rGO的分级多孔SnS2/rGO/TiO2空心球异质结光催化剂对罗丹明B染料的降解率可达97.3％,对Cr(VI)的还原效率可达97.09％.此外,经过六个周期的循环实验,该异质结催化降解罗丹明B和还原Cr(VI)的效率没有明显降低,表现出较好的光催化稳定性.     

CCl4的光解微观机制研究

利用激光光解瞬态吸收光谱技术,研究有氧和无氧条件下CCl4的激光光解.结果表明,在248 nm激光作用下, CCl4发生了单光子吸收,反应生成{CCl4－Cl}σ电荷转移复合物、(CCl3＋…Cl－)离子对、CCl3O2过氧自由基等瞬态物种,它们的衰减过程是表观一级反应. {CCl4－Cl}σ电荷转移复合物在有氧/无氧条件下的拟合衰减速率常数分别是3.38×106 s－1和3.65×106 s－1,它的形成不受氧气含量影响. (CCl3＋…Cl－)离子对在有氧/无氧条件下的拟合衰减速率分别为3.73×107 s－1和3.02×107 s－1,它的形成也不受氧气含量影响, CCl3O2过氧自由基需在有氧条件下形成,拟合衰减速率是2.32×104 s－1.     

富铬酵母中铬的化学种态及结合形态研究

对富铬酵母中铬的化学种态进行了分析和初步探讨。在铬的化学种态测定中铬的使用离子交换和火焰原子吸收法测定了富铬酵母中的Ｃｒ（Ⅲ）,方法快速简便、定量回收,结果表明,总铬呈为１５８２μｇ／ｇ的富铬酵母中,无机态铬占１６％,其中Ｃｒ（Ⅲ）为２３２μｇ／ｇ,Ｃｒ（Ⅵ）为２４．５μｇ／ｇ。酵各过程中的８４％以上的无机铬化合物转化成有机铬。说明铬参与了酵母细胞的生物合成,促进生物转化,对提高富铬酵母的生物疚极     

Y_2O_3/Ag复合材料界面微观结构与性能研究

采用透射电子显微镜对粉末冶金法制备的Y_2O_3/Ag复合材料的界面微观结构进行了深入研究。结果表明:复合材料界面结合紧密且无任何反应物。Ag基体的(111)面与Y_2O_3颗粒的(440)晶面保持半共格关系:Y_2O_3(222)//Ag(111),Y_2O_3(440)//Ag(111),界面处基体中可以看到由于晶格错配而产生的刃位错,说明基体与增强颗粒晶面间距接近时,基体可以依靠增强颗粒表面结晶并长大,即增强颗粒作为基体异质形核的质点,并从晶体学角度对界面的形成原因进行了解释。由力学和电学性能测试得到复合材料的强度和电阻率随Y_2O_3含量的增加而升高。     

生物材料表界面与蛋白质及细胞的相互作用的研究进展

材料接触生物环境首先是通过其界面,这种材料界面与生物环境中的生物分子及细胞之间的相互作用决定着材料生物功能的实现。因此,调控材料与生物体的界面相互作用几乎是所有生物材料的研究及应用首先和必然面对的关键共性问题。本文综述了近年来我们课题组在生物表界面领域的研究及其最新进展。从分子层面上设计生物功能表面入手,建立了一系列普适、高效、简单易行的表面功能化新方法用于改变材料表面的物理化学性质,进而调控材料表面与蛋白质或细胞/细菌之间的相互作用。