石墨烯量子点(GQDs)作为石墨烯材料的衍生物, 在兼顾了石墨烯优良特性的同时, 又依靠量子限域效应和边界效应而具备了光致发光(PL)等石墨烯所不具备的性质, 而且在细胞毒性、生物相容性等方面也有更好的表现。近年来, GQDs的制备方法日趋多样化, 通常将其分为Top-down和Bottom-up两种方法。随着GQDs在生物医学领域应用的不断深化, 对其形貌和尺寸控制也提出了更高的要求, 因此本文对Bottom-up法等一些有希望精确控制GQDs形貌和尺寸的方法进行了重点介绍, 并对各种方法的优缺点进行了对比。目前GQDs的生物应用主要包括生物成像、生物传感器、药物输运和抗菌剂等, 本文对其各种应用分别进行了介绍, 并结合各种应用对GQDs的要求给出了制备方法的建议。文章最后还指出了GQDs研究中存在的问题及发展方向。

借助机械球磨法, 成功地利用层状硫化物MoS₂对膨胀石墨实现了有效剥离, 得到石墨烯与MoS₂的复合材料。球磨处理后, 元素C均匀地分散在复合材料中。MoS₂ 与膨胀石墨的质量比越高, 得到的复合材料中具有石墨烯特征的石墨就越多, 但相应的石墨烯的缺陷也越多。优化后的复合材料用作锂离子电池负极材料时显示出良好的电池性能, 在小倍率0.1 Ah/g电流密度下充放电循环70次后, 电池容量仍保持在~ 570 mAh/g; 在大倍率1 A/g电流密度下充放电循环55次后, 电池容量仍能保持在~ 450 mAh/g。

结合静电纺丝和热处理技术, 在含钴碳纳米纤维上原位生长了氮掺杂石墨烯, 制备了三维互通纤维网结构。研究了钴含量对产物氧还原活性的影响。结果表明: 氮掺杂石墨烯的生成和钴的引入均显著提高了电催化活性。纺丝液中六水合硝酸钴与聚丙烯腈的质量比为1: 10时, 获得的催化剂活性最优, 起始电势为0.84 V(vs RHE), 反应为近四电子路径, 具有比铂碳更好的稳定性和耐甲醇毒化能力。三维互通结构促进了电子和质子传输, 并能提供更多的活性位点, 提高电催化活性。这种方法也可用于设计其它三维互通的纤维复合物, 在能源与环境领域具有更广泛的应用前景。

γ相碘化亚铜(γ-CuI)是一种带隙为3.1 eV的p型半导体材料, 适合应用于发光二极管和太阳能电池等光电子器件。本研究利用简单的铜膜碘化法制备了CuI薄膜, 探究了碘化时间、温度及铜/碘比等生长条件对其透明导电性能的影响。在最优碘化时间(30 min)和碘化温度(120℃)下, 制备出了高透过率(可见光范围>75%)、导电性能好(电阻率4.4×10^-2 Ω·cm)的CuI薄膜。利用CuI薄膜作为空穴传输层, 组装了CuI/CH₃NH₃PbI₃/PCBM反型平面钙钛矿电池, 获得的最高光电转换效率为8.35%, 讨论了CuI薄膜透明导电性能对钙钛矿电池光电转换效率的影响机理。

利用TFCcal设计软件构建膜系结构, 采用溶胶-凝胶工艺和提拉法在超白玻璃上制备出厚度精确可控的宽光谱、高增透型SiO₂/TiO₂/SiO₂-TiO₂减反膜, 同时结合甲基三乙氧基硅烷(MTES)改性碱催化的SiO₂溶胶, 通过提拉法一次制备出高透过率疏水型薄膜。研究表明, 高增透型三层宽光谱减反膜的理论膜层厚度依次为: 80.9 nm(内层SiO₂-TiO₂)、125.0 nm(中间层TiO₂)、95.5 nm(外层SiO₂), 其在400~700 nm可见光范围内平均透过率实际可高达97.03%以上。多层膜经过退火处理后, 膜面的水接触角高达131.5°, 同时陈化两个月以后的多层膜透过率仅下降0.143%, 表明制备的SiO₂/TiO₂/ SiO₂-TiO₂多层减反膜具有优良的疏水和耐环境性能。

LuTaO₄是一种新型的辐射探测材料, 但是制备高质量的透明薄膜面临着巨大挑战。为了在保证薄膜不开裂与高透明度的前提下提高薄膜的厚度, 通过大量摸索选用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为胶黏剂并优化溶胶中固含量及PVP含量成功制备出单层厚度达到100 nm的LuTaO₄:Ln³⁺(Ln=Eu,Tb)薄膜, 保证了薄膜的透明度同时大大提高了发光性能。该方法为高质量LuTaO₄:Ln³⁺(Ln=Eu,Tb)厚膜的制备和应用奠定了基础。

实验利用Langmuir-Blodgett(LB)技术大面积有序组装分子筛晶粒, 进而制备连续致密且高度b-轴取向MFI型分子筛膜。首先, 采用LB技术在表面性质不同的不锈钢载体和铂电极载体上实现了b-轴取向MFI分子筛晶粒的高度有序组装; 其次, 采用合成液预处理法对LB法制备的高度b-轴取向的MFI晶种层进行二次合成。XRD和SEM表征结果显示: 采用合成液预处理法可以有效抑制分子筛晶粒在二次生长过程中生成孪晶, 进而获得高度b-轴取向MFI分子筛膜; 最后, 电化学测试结果证实采用LB技术制备的b-轴取向MFI分子筛膜致密, 无缺陷。

采用电化学蚀刻方法在碳化硅颗粒增强复合材料(SiC/Al)表面构筑了微纳结构, 重点分析了蚀刻电流密度和蚀刻时间等关键操作参数对所得表面微观形貌及润湿特性的影响。研究发现, 较高电流密度(6 A/dm²)下刻蚀的SiC/Al复合材料表面可形成由微米级“粒状”结构和纳米级结构(颗粒状和波鳞状)复合而成的微-纳双层结构, 且这种特殊结构不因后续刻蚀时间延长而改变; 优化条件形成的SiC/Al复合材料刻蚀表面呈现出静态接触角高达160.7°、滚动角低至4°的超疏水特性。本研究结果说明SiC/Al复合材料可用于制备自清洁表面。

采用溶胶-凝胶法在多孔氧化铝模板的纳米孔洞中成功地合成了xNiFe₂O₄-(1-x) BiFeO₃ (NFO-BFO)复合纳米管阵列。扫描电镜照片显示纳米管的外径约为70 nm, 内径约为50 nm, 长度约为80 μm。X射线衍射图谱显示, 通过自组装形成了钙钛矿结构的铁电相BFO和尖晶石结构的铁磁相NFO。磁性和铁电性的测试结果表明, 复合纳米管具有明显的室温铁磁性和电极化性能, 且易磁化方向沿着纳米管的长轴方向。随着NFO复合比例的增加, 纳米管阵列的磁性和电极化性能逐渐增强。NFO对复合纳米管阵列铁磁贡献的计算结果表明, NFO-BFO纳米管阵列中存在着磁电耦合效应。

采用不同Al含量的聚铝碳硅烷(PACS)为先驱体, 通过不同的PACS纤维不熔化方法调节O引入量, 制备了具有不同Al和O含量的连续SiAlCO纤维。研究了SiAlCO纤维经高温处理转变为Si(Al)C纤维过程中, Al、O含量对SiC_xO_y相分解、β-SiC结晶生长和微观形貌的影响。结果表明: 纤维中SiC_xO_y相的分解温度区间为1300~1700℃, 与Al、O含量基本无关; 提高Al含量可减少纤维在高温下表面形成粗大SiC结晶颗粒和相互连通的气孔, 并且对1700℃以上β-SiC结晶生长的抑制作用增强, 有利于烧结致密化; 利用纤维中O元素, 以放出CO或CO₂方式脱除富余C, 但O含量过高导致气体逸出时产生较大孔洞, 不利于烧结致密化。当Al和O含量分别约为0.6wt%和9wt%时, SiAlCO纤维经高温处理后能得到具有较大β-SiC晶粒尺寸的致密化Si(Al)C纤维。

钢化玻璃应用广泛, 但其自爆问题是一个被称为玻璃癌症的难题, 其特征是突发性和灾难性, 因此如何减少和预防预测玻璃自爆是钢化玻璃工程应用领域的关键问题。本文重点探讨了钢化玻璃的自爆机理, 揭示了钢化玻璃为什么会自爆, 什么条件下可能自爆和各种影响玻璃自爆的内在与外在因素。研究发现由于杂质和缺陷引起的应力集中是导致自爆的关键因素, 证明钢化玻璃内部的残余应力和局部强度均是非线性分布, 局部强度在玻璃表面最高, 中间层最低, 自爆的根本原因是内部的应力集中超过了局部强度, 而传统认识的硫化镍或单质硅等各种杂质只是引起自爆的间接原因。提出的钢化玻璃自爆准则为玻璃破碎分析提供了有用的参考。

以硅藻土为载体, 四氯化钛为前驱体, 采用水解沉淀法制备了纳米TiO₂/硅藻土复合材料。结合XRD、SEM、氮气吸脱附等表征手段, 探究了复合材料对罗丹明B的光催化性能, 对影响复合材料光催化性能的因素进行了研究。结果表明: 锐钛矿型纳米TiO₂以团聚体和分散状负载于硅藻土表面。催化剂用量、染料溶液pH、无机离子、光照强度等因素都会在不同程度上影响TiO₂/硅藻土复合材料的光催化性能。在染料初始浓度为10 mg/L, 催化剂用量1.0 g/L, 紫外光强度为300 W, 光照60 min的条件下, 罗丹明B光催化降解率达到99.8%。

采用浸渍改性法将水杨酸与精氨酸同时接枝到纳米TiO₂表面制备了水杨酸和精氨酸共改性二氧化钛颗粒(TiO₂-SA/Arg), 并采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、热失重分析(TGA)、紫外-可见光漫反射光谱(UV-Vis DRS)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍透射电子显微(HRTEM)、表面接触角测试及粒度分布分析等技术对材料的形貌、结构及性能进行表征, 同时研究了催化剂对硝基苯的吸附性能及在油-水界面的吸附能力。结果表明: 水杨酸和精氨酸分别以螯合和桥连结构稳定修饰到TiO₂表面, 与未改性TiO₂相比, 水杨酸和精氨酸共改性TiO₂疏水性及分散性更好, 对硝基苯的吸附能力更强, 并可在油-水界面稳定吸附形成O/W型Pickering乳液。研究了Pickeing乳液光催化体系对硝基苯的去除能力, 与悬浮体系相比, 改性颗粒稳定的Pickering乳液体系对高浓度硝基苯去除效率较高。

以氯化铜、磷酸二氢钠和尿素为原料, 加入模板剂十二烷基硫酸钠(SDS), 采用微波辅助加热法制备了具有不同规则结构的晶态羟基磷酸铜。实验研究了CuCl₂与NaH₂PO₄的摩尔比、模板剂种类和原料浓度等因素对合成羟基磷酸铜晶体的影响。产物采用XRD、SEM和Raman等进行表征, 并通过降解甲基蓝溶液(MB)测试了羟基磷酸铜的催化性能, 探讨了制备条件对产物光催化降解性能的影响。结果表明, 当n(Cu)/n(P)为2, [PO₄^3-]= 0.0025 mol/L, 微波加热温度80℃, 反应时间30 min, 尿素用量6.0 g, SDS用量为0.10 g时制备的羟基磷酸铜具有良好的光催化效果。实验还测试了催化剂的表面光电压谱, 并使用苯甲酸作为荧光探针, 叔丁醇为羟基自由基捕获剂初步验证了光催化反应中羟基磷酸铜的催化机理。

采用均匀沉淀法制备不同锗掺杂浓度的纳米二氧化钛(TiO₂); 为了研究掺杂浓度与粉体活性之间的关系, 针对化学毒剂(CWAs)模拟剂2-氯乙基乙基硫醚(2-CEES)和甲基膦酸二甲酯(DMMP)开展光催化消毒实验, 并用动力学方程拟合实验结果; 通过XRD、UV-Vis、BET、BJH、SEM和TEM等技术对样品进行表征, 分析锗掺杂对TiO₂结构及性能的影响; 综合考虑溶剂的毒性、挥发性、可燃性和溶解性等因素, 以氢氟醚(HFE)作为分散溶剂, 研究模拟太阳光下Ge-TiO₂和HFE混合体系对芥子气(HD)、梭曼(GD)和维埃克斯(VX)的消毒性能。结果表明: 适量锗掺杂不会改变纳米TiO₂的晶型结构, 可以减小晶粒尺寸, 增大比表面积, 增强光利用率, 提高消毒活性; 相较于直接使用粉体消毒, 混合体系的消毒效率明显提高; 在模拟太阳光下, 最佳锗掺杂浓度(6.24wt%)样品与HFE-458 (HCF₂CF₂CH₂OCF₂CF₂H)组成的混合体系与三种化学毒剂反应60 min的降解率分别为: HD 98.73%、GD 100%、VX 100%。

利用中空羟基磷灰石微球和pH敏感型壳聚糖溶液制备了一种具有良好药物缓释和pH敏感型特性的新型复合药物载体材料。采用组分为19Na₂O-17CaO-64B₂O₃(wt%)的硼酸盐玻璃在磷酸盐溶液中的原位转化反应制备了多壳层介孔中空HA微球, 通过SEM、SEM-EDS、XRD和FTIR等方法对产物微球进行表征。结果表明: 微球具有多层介孔中空结构, 且属于B型碳酸HA。释药结果表明: 中空HA微球在释药初期产生了突释现象, 包覆壳聚糖后, 复合载体的释药量和释药速率显著下降。与此同时, 复合药物载体在不同pH的PBS溶液中表现出pH敏感型药物释放特征, 利用浓度20 g/L的壳聚糖溶液包覆的复合载体在pH为6.0、7.4和8.5的PBS溶液中的药物累积释放率分别为85.63%、65.85%和71.85%。

采用原位分析设备与传统方法相结合的方式研究了以Al₂O₃和Y₂O₃为烧结助剂的SiC陶瓷的液相烧结过程。通过高温实时观测炉对样品在测试过程中的收缩曲线以及形貌变化进行了表征, 以及对液相形成过程的模拟进行了观测。采用传统分析方法研究了样品的相对密度、抗弯强度、物相组成以及微结构演变从1640℃到1920℃以40℃为间隔的变化情况。研究发现, 液相明显开始起作用的温度在1640℃到1680℃之间。经典的液相烧结三阶段理论可以通过微结构以及相对密度等的分析来得到验证。该烧结体系的最佳烧结温度确认为1880℃, 最高密度为(99.46±0.37)%, 最大强度为(650±26) MPa。