近年来,有机半导体因其独特可调的化学结构及光电性质越来越多地被应用于高效可见光催化领域。但是,有机材料本身化学键弱、载流子迁移率低,导致其催化效率低、稳定性差。因此,将有机半导体进行纳米组装及其构建异质结构,得到零维、一维、二维或多元复合纳米有机光催化剂,成为近几年的研究热点。零维粒子尺寸小、比表面积大;一维结构长程有序排列、表面缺陷密度降低;二维结构在增大表面活性位点的同时能最大限度地缩短电荷在材料内部的迁移距离而表现出更高的光生电荷利用率;纳米复合结构的异质界面可以有效促进光生电子-空穴对的分离,因此在提高光催化活性及稳定性方面具有重要意义。同时,纳米有机光催化剂种类丰富,催化机理各不相同,因此被广泛应用于分解水或空气中污染物的光催化领域。本综述中归纳了各类纳米有机光催化剂的制备方法、结构特性以及光催化应用,同时对多种光催化机制进行了介绍,并对其应用前景进行了展望。

共价有机框架(Covalent organic frameworks, COFs)材料是通过动态共价化学法合成的一种高度有序的多孔晶态有机聚合物。COFs材料具有密度低、比表面积大、孔隙度可调、合成路线简单多样、功能单元和结构可设计、表面及孔道易功能化、物理化学稳定性高等主要特征,在分子吸附与分离、储能、光电、传感、催化、色谱材料、水处理材料和生物医学等方面受到了广泛关注。本文重点综述近年来基于COFs材料的体系在生物检测和成像、药物输送、光学治疗和联合治疗等生物医学领域的研究进展,并总结了目前COFs材料在生物医学领域所面临的挑战和未来的发展机遇。

氰基广泛存在药物活性分子中,且氰基可以很容易转化成酰胺、酯基、醛基以及伯胺等官能团,因此有机分子的氰烷基/甲基化反应得到有机和药学研究者的广泛关注。尽管已有合成策略可以选择性引入氰基,近年来最有效的方法是通过C—H键激活直接与乙腈或取代乙腈发生氰甲基/氰烷基化反应,因其具有高效的原子经济性以及可规避预官能团化等优点。因此,本文详细评述了自由基促进的氰甲基化、光化学催化直接氰甲基化、芳环或杂环脱氢偶联氰甲基化、导向基促进的氰甲基化、本课题组发展的荧光团(Fluorophore C—H)直接氰甲基化反应的研究进展。

纳米二氧化硅(SiO₂)颗粒以其高硬度、高比表面积、高稳定、价格合理等优势被广泛应用于复合材料的制备中,获得的SiO₂/聚合物复合材料通常具有优良的机械性能、很好的热稳定性以及增强的光学和电性能。近年来,随着聚合诱导自组装(PISA)的提出与发展,研究者们基于PISA发展了多种制备不同形貌聚合物纳米粒子的简便方法,为制备SiO₂/聚合物复合材料提供了新的思路。作者调研了近十年来基于PISA制备SiO₂/聚合物复合材料的相关研究,按照SiO₂与聚合物的结合作用和复合机理的不同,创新性地将SiO₂/聚合物复合材料的制备分为物理包封法、化学接枝法、超分子作用法和原位生长法。本综述重点论述复合材料的合成方法、主要性能及用途,同时分析各种复合方法的优缺点并对制备方法的未来发展做出展望,以期为相关领域科研工作者提供更清晰的脉络和更丰富的启示。

金属有机框架(MOFs)具有大量的孔隙结构和活性位点,在气体吸附、催化、医疗等领域均发挥了巨大的作用。MOFs是晶体粉末,具有脆性较大、在水中易分解和不易回收等缺点,从而限制了其应用。通过MOFs与柔性高分子的复合,特别是与水凝胶的复合,极大地改善了复合材料的柔顺性、可回收和可加工性等特性,进一步拓宽了MOFs的应用领域。本文详细阐述了基于水凝胶MOFs原位生成法、MOFs /水凝胶同时生成法和水凝胶包裹MOFs法等三种不同方法制备MOFs/水凝胶复合材料的研究进展,并对上述三种制备方法的特点及其产物特征进行了总结,进一步归纳了复合材料在生物医药、催化、废水处理和气体吸附等领域的应用。最后,对MOFs/水凝胶复合材料制备方法的改进和复合材料应用前景进行了深入讨论和展望。

淀粉是一大类来源丰富、可再生、可完全生物降解及价格低廉的天然高分子,广泛应用于食品、降解塑料、包装和医药等领域。然而,淀粉内部的结晶和半晶结构使其熔融温度大于分解温度,因而不能热塑加工,这一问题严重制约了其在各领域的应用与发展。因此,研究制备热塑性淀粉过程中所涉及的化学与物理机制及具体方法是影响和拓宽其应用的关键科学问题之一。本文以此为出发点,系统总结了近年来国内外该领域的相关研究工作和进展,将制备热塑性淀粉过程中的化学与物理机制归纳为8种(氢键、化学键、压力、剪切力、导热、微波、热空气和γ射线),并以实践中的8种方法(熔融法、溶液法、模压法、球磨法、喷雾干燥、高静压、化学改性和高能辐射)为主线,以不同形成机制和方法之间的相互关系为重点,系统介绍了该领域的研究进展,以期为热塑性淀粉的深入应用与发展提供一定的理论基础。

锌具有原料丰富、质量轻便、金属导电性与延展性好以及理论比容量高等优势,可以作为绿色可充电电池的理想电极材料。其中,以中性或弱酸性水溶液为电解质、锌为负极的锌基水系电池具有安全性高、电池材料廉价无毒、制备工艺简单、环境友好等特点,在储能和动力电池领域具有极高的应用价值和发展前景。但电池充放电过程中伴随的锌枝晶、析氢、腐蚀、钝化等问题限制了其实际应用。本文综述了锌基水系电池负极存在的问题及当前的解决策略,并对其负极研究发展方向进行了展望。

碱金属离子电池是指以Li⁺、Na⁺、K⁺离子为载体的二次电池,其能量密度高、使用寿命长,在电子设备、清洁能源存储中应用广泛。负极是影响电池性能的关键因素,迫切需要开发高比容量和强结构稳定性的负极。基于转换反应的金属化合物负极理论容量高、安全性好、资源丰富,然而其导电性较差,体积效应大,会损害倍率和循环性能。利用金属有机框架材料(MOFs)可以有效解决上述问题,由MOFs衍生的金属化合物优势明显:(1)孔道丰富,离子迁移快;(2)比表面大,活性位点多;(3)结构和组成可调。本文对MOFs衍生转换型负极及其在碱金属离子电池上的应用进行了系统性梳理,综述了MOFs衍生各类化合物的研究进展,总结了由MOFs制备转化型负极的性能提升策略及机理,以及应用于电池负极的优势与挑战,并对研究新趋向进行展望。

共价有机骨架(covalent organic frameworks, COFs)是一类由构建单元通过共价键连接形成的新兴晶体多孔材料。凭借超高的孔隙率、规则的一维通道、稳定的骨架结构和出色的结构可设计性等特点,COFs被认为在二次电池中极具应用前景。本文综述了含有多羰基构建单元的COFs(multi-carbonyl COFs, Mc-COFs)材料在不同金属离子二次电池中的研究进展,对Mc-COFs作为电极材料和固态电解质材料面临的挑战进行了概括,并且详细介绍了电池性能的提升策略,最后对Mc-COFs在二次电池领域的发展方向进行展望。

水资源匮乏是现代化发展中面临的全球性问题,太阳能界面水汽转换(Interfacial Solar Steam Generation, ISSG)是一种高效、绿色、低成本进行海水淡化和废水处理的方法。ISSG使用绿色的太阳能作为热源,通过光热转换并将热限制在水气界面上以高效产生蒸气,然后经过冷凝收集获得清洁水。设计和构筑具有强光吸收的光热转换材料是ISSG的技术核心。Ti₃C₂-MXene是一种新型二维碳化钛材料,具有比表面积大、水分散性好和光热转换效率高等优点,在ISSG领域具有巨大的应用潜力。本文介绍了ISSG技术和MXene,总结了光热转换材料的设计原则,论述了Ti₃C₂-MXene复合材料在ISSG领域的研究进展,其中包括二维MXene薄膜、三维MXene气凝胶和水凝胶、生物基-MXene复合材料的构筑和性能等,并分析了Ti₃C₂-MXene所面临的挑战和发展前景。

Janus 粒子,也称为阴阳结构粒子或两面性非对称粒子,是指表面上具有两种或两种以上不同化学组成或性质的不对称粒子。目前,Janus 粒子因其独特的结构和功能已经逐渐成为生物医药、催化、材料以及防污等领域中的新型功能材料。在环境检测领域,Janus材料亦因其特殊的光学、磁学及电学性能,为提高检测灵敏度、选择性和稳定性等提供了新的研究方向。基于此,本文主要讨论了Janus材料在环境检测方面的特点、优势和相关应用。最后,本文基于本课题组的研究经验以及工作中所面临的问题,对本领域的发展和未来的研究方向提出了展望,以期对本领域的未来发展提供指导。

甲醛是室内常见的挥发性有机污染物之一,长期接触会严重危害人体健康。负载型廉价金属催化剂在甲醛去除和实际应用方面表现出优异性能,引起研究人员的广泛关注。本文阐述了低温条件下负载型廉价金属催化剂在甲醛热催化氧化、光催化氧化和等离子协同催化氧化方面的研究进展,介绍了甲醛低温催化的影响因素,并讨论了反应机理。反应条件、载体类型和制备方式是影响甲醛低温催化活性的重要因素。虽然负载型廉价金属催化剂在甲醛光催化氧化和热催化氧化方面均表现出良好性能,但仍须进一步探究提升其在可见光和室温下的催化活性。对于甲醛等离子协同催化氧化,降低反应过程所产生的副产物和能耗仍是研究重点。此外,本文还对负载型廉价金属催化剂在甲醛催化应用中的发展方向进行了展望。

MCM-41型介孔二氧化硅纳米颗粒具有独特的结构特征和理化性质,能够与DNA、信号探针以及多种活性纳米颗粒结合,在DNA生物传感器中得到了广泛应用。其中,球形和薄膜形的MCM-41型介孔二氧化硅具有高负载量、孔口控释和高比表面积等优点,能有效装载各种信号探针、控制粒子的扩散以及固定大量活性纳米颗粒,可大大提高DNA生物传感器的灵敏度。本文就MCM-41型介孔二氧化硅在合成方式、模板剂去除、表面修饰及应用等三个方面的最新研究作了综述。首先依次介绍了球形和薄膜形MCM-41型介孔二氧化硅的常用合成方法和模板剂去除方法,并简要描述了各方法的优缺点。其次,大致介绍了其表面性质和功能化修饰的研究现状。再次介绍了现阶段将MCM-41型介孔二氧化硅作为信号探针的传递系统、分子筛和活性纳米材料的载体来提高检测灵敏度的DNA生物传感器。最后总结了目前研究中的不足之处并展望了其未来的进展方向。

半人工光合系统通过利用人工光合系统与自然光合系统关键功能组分的协同效应以实现太阳能-化学能的转化。生物杂化体介导的半人工光合系统(biohybrid mediated semi-artificial photosynthetic system, BMSAPS)创新性地耦合了光敏剂优异的光捕获特性及生物催化剂高效的催化能力,从而利用太阳能高效驱动特定的化学转化过程。强化光敏剂与生物催化剂微界面间电子的产生、传输及利用是提高BMSAPS性能的关键。本文从BMSAPS的基本原理出发,分析了BMSAPS构建的关键科学问题及研究现状,阐述了该系统光生电子传递的相关机制及研究手段,总结了其在可再生能源转化、二氧化碳减排等方面的研究进展,并就未来的研究方向提出展望。本文有助于加深对BMSAPS的认识,从而为进一步优化其在能源生产和环境修复领域的应用提供理论基础和技术支撑。

与药物晶态相比,无定形态具有更高的表面自由能、更高的表观溶解度和更快的溶出速率。然而,药物无定形态属于热力学不稳定体系,易向稳定的晶态转变而减缓药物的溶出度,进而降低其生物利用度。本文主要介绍了药物无定形态的本质、结晶理论、物理稳定性的影响因素以及抑制转晶的策略,为合理设计无定形药物产品和有效开发无定形制剂提供理论指导,有助于无定形技术在解决药物难溶性问题中发挥更广泛的应用。

基于糖平台的生物炼制可以制备各种碳基化学品、材料和燃料。相较于葡萄糖和纤维素,果糖更容易高选择性地催化转化制备5-羟甲基糠醛等重要的生物质基平台分子,因此葡萄糖异构化果糖已经成为生物炼制过程中的重要反应步骤之一。本文详细介绍了葡萄糖经化学催化异构化果糖的反应机理,并基于异构化催化剂全面总结了近年来化学催化葡萄糖异构化果糖的研究进展。此外,本文在分析各种葡萄糖异构化催化剂及其催化作用的基础上,进一步对化学催化葡萄糖异构化果糖的未来研究方向进行了展望。

基于过硫酸盐活化的高级氧化技术是当前环境领域的研究热点。然而,环境中广泛存在的基质严重地制约了这一技术的实际应用。最新研究表明,在某些催化剂的作用下,过硫酸盐能够以电子转移的非自由基机制氧化降解污染物,而催化剂主要起电子转移媒介的作用。这一技术不易受水环境中氯离子、碳酸氢根离子等常见阴离子和天然有机物的影响,对目标污染物的氧化去除具有较高的选择性。同时,实验现象初步显示这一技术有望实现污染物的降解而无须使其与氧化剂直接接触,从而能够避免氧化剂和卤素阴离子的作用。本文着重综述了常见电子媒介的类型、电子转移机制的表征方法和常见基质对电子转移过程的影响,提出了这一技术存在的问题并对其应用前景进行了展望。

生物质水热液化转化为生物原油是极具潜力的可再生液体燃料制备途径。但水热液化水相产物产量大、成分复杂,具有较高的环境风险,限制了水热液化的绿色发展。论文以本课题组近10年(2012—2021)的研究积累为核心,综述了水热液化水相产物的形成机理、理化特性和资源回收路径。本文介绍了水相副产物形成的影响因素,总结了不同反应变量下水热转化和元素迁移途径;综述了水相生物转化的途径和研究进展,包括好氧微生物降解、微藻养殖、厌氧处理和微生物电化学等,介绍了膜分离和吸附等物理方法用于水相物质分离、获得高价值组分的研究,论述了利用水相制备农业杀菌剂的潜力。最后对水相的处理原则和研究方向进行展望,以期为水热液化水相的处理和资源回收提供参考。