金属与金属氧化物纳米晶作为常见催化材料(催化剂、助催化剂或载体),在过去的几十年中引起了人们极大的关注。近年来, 纳米催化领域, 尤其是纳米晶催化剂的可控制备技术, 虽然取得了许多重要的进展, 然而, 真正理解纳米晶催化剂三性(活性、选择性和稳定性)与其微观结构上的内在联系一直以来都是具有挑战性的科学难题。怎样理解催化反应过程中纳米晶催化剂的活性位点?什么是影响其催化性能的关键因素。如何理解纳米催化的物理化学本质, 认识其规律性, 提高纳米晶催化剂活性、选择性和稳定性均是纳米催化领域有待解决的重要科学问题。我们课题组针对这些问题和挑战开展了纳米催化研究工作。本文总结了近年来课题组所取得的研究成果。

有机单晶中分子排列长程有序、无晶界且杂质和缺陷很少,是揭示有机半导体材料本征性能和制备高迁移率器件的最佳选择。因此,有机单晶材料对于构筑高性能电子器件和电路等方面具有无可比拟的优势。同时,有机单晶材料也为揭示半导体材料微观分子堆积与宏观电性能关系提供了重要手段。有机分子间以弱的范德华力相结合,因此,有机半导体单晶多以微纳晶形式存在。目前,种类繁多的有机微纳晶半导体材料被广泛应用于高性能场效应晶体管器件,这些器件的研究不仅可以筛选出高性能的有机半导体材料,也为科研人员提供更多的机会来理解有机半导体中电荷传输的物理内涵。本综述介绍了有机单晶场效应晶体管的基本结构和运行机理;微纳晶制备、表征方法以及器件构筑方法;总结了近三年来有机微纳晶半导体材料与器件取得的最新研究进展;探讨了当前有机微纳晶研究的热点和趋势并分析了面临的挑战。

HONO是大气中OH自由基的重要来源,NO₂在黑碳表面可反应生成HONO,因此NO₂在黑碳表面的非均相反应引起了人们的关注。目前不同研究小组测量的摄取系数可相差7个数量级,选择不同的摄取系数去评估非均相反应的重要性将得到完全不同的结果。本文在深入分析NO₂在黑碳表面反应机理的基础上,从反应体系、黑碳表面性质、反应条件等角度对不同小组测量的摄取系数存在差异的原因进行了分析,为模式中摄取系数的选取提供了依据。

金属有机框架化合物(metal-organic frameworks, MOFs)是近年来出现的一种新型无机材料,不仅具有非常高的表面积和孔隙率,而且材料的框架结构丰富、可控,可用于气体吸附、生物医学以及磁性材料等,应用前景广阔。特别是MOFs在非均相催化反应中的应用更是吸引了大批学者的注意,研究发展非常迅速,已取得了许多成果。本文首先介绍了MOFs作为催化剂所具有的独特优点,实际应用中可能存在的问题,以及相应的解决方案;其次基于MOFs的三个结构要素系统总结了目前MOFs在非均相催化反应中的探索和应用;最后讨论了MOFs在非均相催化研究中需要重视的问题,以期为MOFs在非均相催化反应中的应用研究提供参考。

紫精类化合物具有良好的电化学活性,并且在发生氧化还原反应时伴有颜色的变化,在膜修饰电极、电致变色材料和分子器件的研制等方面受到广泛的关注。紫精中的烷基链非常易于进行化学修饰,因而比较适合于通过自下而上的分子自组装技术制备多功能的分子和纳米材料。本文综述了利用Langmuir-Blodgett法、自组装法和层层组装法制备紫精分子聚集体材料的研究进展,并讨论了分子聚集体薄膜中紫精的结构、电致变色、电化学氧化还原特性及其在研制超分子器件方面的应用。

本文综述了适合高温锂离子电池用电解液的研究进展和发展前景。从电解质盐和溶剂的高温稳定性方面进行了论述,阐明了现有商用电解液体系在高温时的不足,提出了开发高温电解质盐、难燃有机溶剂、离子液体和阻燃添加剂的思路。通过官能团的修饰,可以克服现有锂盐的不足,开发出适用于高温条件的电解质盐。非碳酸酯类有机溶剂单独使用时的电化学性能较差,离子液体与常用正负极材料的兼容性有待改善,目前最有可能实用化的高温电解液是碳酸酯和阻燃剂的共混体系。通过引入多种阻燃元素或部分基团改进,可以合成出综合性能良好的阻燃剂,进而提高电解液的高温适用性。

全钒液流电池作为一种电化学储能装置在电网调峰、山区供电、电动车充电电源、应急电源等方面具有很广阔的应用前景。隔膜是全钒液流电池的关键组件之一,其结构和性能决定电池的效能。隔膜的离子传导率和钒离子的渗透率分别影响电池的电压效率和电流效率。隔膜的化学稳定性决定电池的长期运行的稳定性和使用寿命。本文根据隔膜的类别不同,分别阐述了含氟离子膜、非氟离子膜及多孔膜的制备与上述性能的关系,并展望了隔膜的发展方向。

金属-有机纳米管(metal-organic nanotubes,MONTs)是由无机金属离子和有机配体通过自组装方法构筑的具有纳米级隧道的框架结构,由于其管状结构独特的内部孔径、多样的拓扑结构及其在诸多领域的多重应用,越来越受到关注,是无机化学和配位化学等领域研究中的一个热点。本文评述了金属-有机纳米管的存在形式和构建策略,包括杯芳烃及环糊精类配体构筑MONTs、常规吡啶氮类配体或芳香羧酸配体构筑MONTs和混合配体策略构筑MONTs,着重介绍了近年来国内外金属-有机纳米管研究领域的最新成果和进展,并指出了金属-有机纳米管领域今后的研究方向。

六苯基苯衍生物是一类具有独特三维结构的化合物。它可被认为是苯环的6个氢原子均被苯基所取代而成。由于外围6个苯环的空间位阻效应,构成了所谓螺旋桨型的空间结构。基于其独特的刚性立体结构、高的对称性以及其电荷环形离域等特点,六苯基苯衍生物在晶体工程、多孔聚合物、有机电子材料以及骨架材料等领域都受到了极大的关注。本文综述了近年来六苯基苯衍生物的合成及在上述领域中的应用。

作为石墨烯家族的最新一员,石墨烯量子点(GQDs)除了具有石墨烯的优异性能,还因量子限制效应和边界效应而展现出一系列新的特性,因此吸引了化学、物理、材料和生物等各领域科学家的广泛关注。仅近两三年内,关于这种新型零维材料的研究,在实验和理论方面均取得了极大进展。本文主要介绍制备GQDs的两大类方法——自上而下和自下而上的方法。前者包括水热法、电化学法和化学剥离碳纤维法,后者则主要介绍溶液化学法、超声波法和微波法、可控热解多环芳烃法。另外还对一些制备条件较为苛刻的制备方法如电子束刻蚀法和钌催化富勒烯C₆₀开笼法也作了简要介绍,并对GQDs的应用前景进行了展望。

本文综述了近年来国内外对二氧化硅粒子表面化学修饰的研究成果,主要介绍了偶联剂法、表面接枝法和一步法的反应原理,探讨了各种改性方法的关键问题和优势,重点介绍了表面接枝法,包括以普通自由基聚合、原子转移自由基聚合和可逆加成-断裂链转移自由基聚合为原理的表面聚合生长接枝法和以开环加成、点击化学和酯化反应为原理的偶联接枝法。由于表面接枝法一般需要偶联剂在二氧化硅表面引入官能团,本文亦简要介绍了硅烷偶联剂及其修饰机理和一步法的反应原理。表面修饰的基团或接枝的聚合物赋予二氧化硅粒子新的性能;经表面修饰的二氧化硅粒子,提高了在有机溶剂或有机基体中的分散性,增加了与有机基体的界面相容性,并已广泛应用于新材料的合成。

氧化钨(WO_x)无机半导体材料因其独特的物理化学性质及在气敏、光催化、电致变色、光致变色和场发射等领域的广泛应用,得到人们的普遍关注。近年来,研究者采用水热法制备出多种不同尺寸和形貌的氧化钨半导体材料。本文结合本课题组在水热法制备WO_x粉体方面的最新工作,综述了近十年水热法制备微米及纳米级氧化钨粉体的研究进展,探讨了原料、辅助试剂、表面活性剂、反应时间、反应温度等条件对水热法制备氧化钨粉体材料的影响。最后,对水热法制备氧化钨粉体的发展趋势进行了展望。

氢能作为洁净、理想的二次能源,已受到世界各国的广泛关注。然而,氢的储存技术仍然是制约氢能商业化应用的关键技术。利用储氢材料进行储氢被认为是一种安全、高效的固态储氢方式。因此,开发新型高容量的储氢材料与储氢技术成为氢能领域研究的热点之一。纳米限域是将材料填充到纳米孔道里,利用材料和纳米孔道的相互作用促进反应的进行,为化学反应提供一个独特的微环境。近年来,纳米限域逐渐发展成为改善储氢材料热力学和动力学的新方法。本文综述了纳米限域的储氢材料的研究进展,从纳米限域的储氢材料制备、储氢性能、反应机理和存在的问题等方面进行讨论,并指出了纳米限域储氢材料的发展趋势。

含巯基/二硫键聚合物生物材料具有多种良好的性能,作为药物、基因等的释放载体在生物医学领域具有广泛的应用前景。随着基因工程和组织工程的发展,含巯基/二硫键聚合物生物材料的可生物降解性得到高度重视,而怎样改善其降解性能成为限制其应用的关键因素。由于二硫键在细胞外环境里保持稳定,在细胞溶质的还原环境中容易发生断裂,因此在制备新型基因、药物等释放载体上,二硫键充当了重要的角色,它的引入为聚合物生物材料的生物降解性能的设计与改善提供了一条重要的途径。本综述重点以聚合物水凝胶、聚合物微胶束、囊泡等为例,从巯基/烯的光聚合反应、Michael加成反应、氧化还原反应的角度,介绍了巯基/烯在聚合物中形成二硫键的不同途径的研究进展,并详细论述了基因载体、蛋白质载体、小分子药物载体三种还原敏感型材料的制备、表面修饰和改性的进展情况,进一步强调含巯基/二硫键聚合物生物材料的研究在生物医学领域应用的重要性。

在过去的20年里,原子力显微镜(AFM)在纳米生物材料领域有着广泛的应用。AFM可有力地揭示纳米生物材料的表面结构与力学性质,并且可作为纳米加工工具对其进行操作与处理。本文综述了AFM在纳米生物材料中的最新应用进展,包括纳米生物材料的成像与表征,力学性能测量和纳米加工。AFM可用来观察纳米生物材料的表面形貌并对其特征高度和表面粗糙度进行分析,还可对其动态过程进行原位观察。通过AFM相图还可得到有时候高度图无法获取的一些表面特征。AFM力曲线可用于测量针尖与纳米生物材料之间的黏附力及分子内外的相互作用力。AFM纳米压痕技术可用来测量材料的相关力学性质(弹力,杨氏模量,硬度,纳米断裂行为等)。此外,AFM也已经被探索用于精准、可控、可重复地加工纳米生物材料。总之,作为一个强大的纳米技术工具,AFM已成为纳米生物材料相关研究领域的一个理想的表面分析和表面加工工具。

石墨烯及其衍生物氧化石墨烯均有良好的物理和化学性质,其巨大的表面积和丰富的官能团使其成为良好的吸附材料。石墨烯基磁性材料则综合了石墨烯的吸附能力和磁性材料易分离的特性,是水处理过程中具有巨大应用潜力的吸附材料。本文在论述了石墨烯、氧化石墨烯及铁氧化物磁性材料对水体中的重金属离子、有机染料及含苯环的芳香类污染物的吸附富集性能的基础上,重点介绍了石墨烯基铁氧化物磁性材料的不同合成方法及复合材料在水处理中去除污染物的能力,探讨了复合材料在水处理中的应用前景。

近十几年来纳米科技取得了突飞猛进的发展,人工纳米材料的应用日益广泛,势必导致大量纳米材料进入生态环境中,因此纳米材料可能带来的环境污染和生态效应也受到了高度关注。越来越多的研究表明,纳米材料对微生物、水生和陆生动物和植物都具有一定的毒性效应。植物是生态系统的重要组成部分,一方面纳米材料可能影响植物的发育与生长;另一方面,植物的代谢活动会影响纳米材料在环境中的迁移转化行为及其在食物网中的传递。但是,目前关于纳米材料与植物相互作用的研究还十分匮乏,多数研究只局限于相互作用导致的表观现象,例如:毒性的研究多关注于纳米材料对植物或植物细胞的表观毒性效应,缺乏对致毒机制的探讨;纳米材料的植物吸收和传输研究也仅停留在现象观察阶段,缺乏对吸收与传输机理的深入研究。而且很多研究结论还存在较大的争议,因此非常有必要对相关的研究进展与结论做全面梳理。本文综述了近年来关于纳米材料与植物相互作用的研究,从植株到植物细胞水平讨论了不同纳米材料对植物的毒性效应以及纳米材料的植物吸收和传输过程。