单壁碳纳米管在原子尺度的结构变化即可导致其电学、光学方面等性质的多样性和非连续的变化——如电学性质上可呈现半导体性或金属性。然而,在单壁碳纳米管表现出诸多优异性能的同时,如何实现碳纳米管的结构控制制备仍面临严峻的挑战。本文以单壁碳纳米管的管径、导电属性和手性控制为目标,介绍单壁碳纳米管的结构控制生长方法,主要包括温度扰动法、金属催化剂结构设计法、生长气氛调控法、外场辅助法、基底诱导法、非金属粒子催化法和sp²碳结构模板法等。并在此基础上总结了单壁碳纳米管结构控制生长的基本思路及实现途径,以期为后续单壁碳纳米管的规模化应用奠定基础。

近年来,随着生命科学的不断发展,人们对细胞内活性小分子在病理、生理等方面的功能研究越来越深入。荧光成像作为一种直观、原位的可视化观测技术在小分子检测方面得到了广泛应用,其中基于近红外分子与纳米探针的荧光成像技术因具有背景干扰低、对细胞损伤小、样品穿透性强、检测灵敏度高等优点,显示了较好的应用前景。本文评述了近年来近红外荧光探针用于细胞内活性小分子成像检测的应用及进展,主要讨论该类方法在活性氧物质、金属离子、H⁺、阴离子及巯基化合物的分析应用,并对该方法的应用前景进行了展望。

世界范围能源短缺和环境恶化的双重压力促使可再生生物质资源的能源化利用成为当前研究的一个重要方向。生物质种类多样,但考虑到粮食安全等因素,其中油脂和木质纤维素适合替代化石资源用于制备液体燃料。本文概述了油脂和木质纤维素通过不同催化转化途径制备液体燃料的一些研究进展。油脂可以通过催化热裂解、加氢和酯交换方法制备生物液体燃料,而木质纤维素制备液体燃料的可行途径包括气化-费托合成、液化-精炼和经历平台化合物的选择性合成。在介绍这些催化途径的同时,特别讨论了其中所使用的催化剂和工艺等方面的研究进展,分析了存在的问题和可能的解决措施,以期能为生物质能源化利用的研究提供参考。

半导体光催化氧化技术在环境保护方面具有突出的优点和很强的潜在应用价值,是当前环境净化处理的前沿研究课题之一。贵金属纳米结构的表面等离子体共振效应使之在可见区能够表现出明显的特征吸收,这为可见光驱动的光催化剂的研究提供了新的实践空间和契机。近年来的研究显示:在太阳光或可见光的驱动下,基于银/卤化银 (Ag/AgX, X=Cl, Br, I) 的复合物对有机污染物的光降解表现出了优良的催化性能,且该类催化剂具有良好的稳定性。随着相关研究的进一步深入和拓宽,积累了丰富的研究成果,形成了一个新的研究方向,也为有机污染物的光降解提供了新的机遇。本文对该类新型表面等离子体光催化剂的工作机制、制备方法、催化活性等方面的研究进展进行了总结和概述。此外,文中还简单论述了该类催化体系在其他前沿领域的研究进展。同时,亦对该方向存在的问题和发展前景做了总结和展望。

金属-有机骨架(metal-organic frameworks,MOFs)是一种新型的有机-无机杂化材料,因具有易于制备、比表面积大、孔隙度高、结构多样性及孔道表面可修饰等特点而广泛应用于气体存储、催化、传感、分离以及生物医学等领域。然而,由于MOFs机械强度低,固体呈粉末状等缺陷,使其在某些领域中的应用受到一定限制。由基体和增强体组成的MOFs复合材料因具有原组成材料的综合性能而成为融合MOFs优点并弥补其缺陷的一种新型材料。本文综述近年来MOFs复合材料的研究进展,与MOFs复合的基体或增强体包括聚合物整体、微球、纤维、金属、磁性纳米粒子、氧化石墨、碳纳米管、量子点、光子晶体以及MOFs,并对其今后的发展进行了展望。

液体酸催化剂在化学化工领域发挥巨大作用的同时伴随着分离回收困难、反应器腐蚀及废酸处理繁琐等明显缺点,寻求有潜在工业应用前景的替代型催化剂已成为当前催化领域的重要研究方向。磁性固体酸作为一种高效的新型多相催化剂,在提供酸催化能力的同时具有磁控分离的特性,符合绿色化学化工的发展理念,正在逐步取代液体酸发挥重大作用,是当前固体酸研究的热点之一。本文对不同制备方法、不同种类酸的磁性固体酸研究进行了综述,分析了各种方法的优缺点,阐述了磁性固体酸在催化领域的应用研究现状,并对磁性固体酸未来的研究方向作了展望。

近年来,硅纳米线阵列在宽波段、宽入射角范围内优异的减反射性能及其在光电领域的巨大应用前景引起了相关研究者的广泛关注。本文综述了国内外硅纳米线阵列的制备及其在光电应用方面的最新研究进展。关于硅纳米线阵列的制备方法,主要从“自下而上”和“自上而下”两大类出发,分别阐述了模板辅助的化学气相沉积法、化学气相沉积结合Langmuir-Blodgett技术法和金属催化化学刻蚀法,其中重点介绍了目前使用最为广泛且操作简单的金属催化化学刻蚀法的步骤、机理及控制参数。关于硅纳米线阵列在光电领域的应用,主要阐述了硅纳米线阵列在光电探测器、常规太阳能电池、光电化学太阳能电池、光催化分解水制氢、光催化降解有机污染物方面的应用。最后,从硅纳米线阵列在实际应用中面临的提高光电转换效率和避免硅纳米线阵列腐蚀以提高器件的稳定性等问题出发,展望了硅纳米线阵列的表面修饰及修饰后的性能研究是未来硅纳米线阵列光电应用研究的主要方向之一。

以锂为负极,空气为正极的锂-空气二次电池,由于其较高的理论能量密度(5 210 Wh ·kg^-1)而成为最具发展潜力的新型高能化学电源体系。通过近几年的研究和开发,人们对这一体系的了解不断深入。虽然对其电化学过程中的复杂反应机理尚没有完整系统的理论描述,但是在氧还原催化剂、空气电极材料及电解质材料等方面已开展了一些研究工作。本文综述了锂-空气电池的最新研究进展,对电池的正极材料、电解质和负极材料三个方面的研究进行了介绍,分析了该体系的缺陷及存在的问题,并展望了锂-空气电池的发展方向和前景。

氢气作为高效洁净的二次能源备受关注,但由于氢气无色无味、易爆炸,因此在使用的过程中必须对环境中的氢气进行检查。这就决定了氢气传感器在现代工业、燃料电池及氢的贮存和分离等的氢检测方面有着重要的应用。开发灵敏度高、选择性和稳定性好的氢气传感器一直是传感器领域研究的重要方向。由于具有独特的物理化学性质、高的比表面积和优越的电子特性,碳纳米材料常作为氢气传感器的敏感材料的载体。碳纳米复合材料在吸附氢气之后,其电子性质会发生变化,利用这个性质可以实现对氢气的检测。本文就碳纳米材料与金属纳米粒子、金属氧化物、聚合物的复合材料的氢敏感材料进行了系统的分析,综述了近年来基于碳纳米材料的氢气传感器的研究进展,并对氢气传感器的应用前景和发展趋势进行了展望,指出了需要研究的科学问题。

磁性纳米材料作为新兴的无机功能材料,因其具有与常规材料不同的特殊性质,如高比表面积、强磁响应性、良好的化学稳定性和生物相容性等,被广泛应用在生物合成、生物分离、生物传感器、免疫测定、有机催化、药物传输、数据存储和环境治理等方面。目前合成磁性纳米材料的方法主要有化学共沉降法、高温热分解法、溶胶-凝胶法及热液法等。由于热液法具有条件简易、成本低廉、反应活性高、产率可观和绿色环保等优势,近年来受到了广泛的关注,并已应用在工业生产中。本文根据磁性材料组成与构成方式的不同,综述了热液法合成磁性纳米材料的研究进展。

作为半径最小的阴离子,氟离子(F^-)表现出高电负性和强碱性,因而具有特殊的化学性质。由于F^-与人类健康和环境安全密切相关,因此它的识别与检测已引起了人们极大的关注。到目前为止,用于选择性检测F^-的荧光化学传感器已有大量报道,这些传感器主要是基于有机硼化合物和氢键质子给体。与这些传感器相比,反应型传感器具有更高的选择性,并且更容易在水环境中实现F^-检测。本文根据有机硅化合物的结构不同,分别综述了近年来基于硅醚、硅炔及其他有机硅化合物的反应型氟离子荧光化学传感器的合成研究进展,其中包括本课题组的一些研究工作。

聚集诱导发光(AIE)体系是近年来备受关注的一个研究领域,目前该领域已经积累了较为丰富的AIE化合物的分子设计理念和相应的对AIE机制的理解。AIE体系的研究为固态强发光材料特别是备受聚集发光猝灭难题困扰的有机电致发光材料提供了全新的分子设计思路。本文纵观该领域的研究进展,对AIE化合物种类、发光机制及其相关应用做出了较为详尽的综述报道。具有AIE性质的化合物主要包括多芳基取代的杂环化合物、多芳基乙烯类化合物、分子内电荷转移化合物、含有氢键的化合物、聚合物等。这些化合物的AIE发光机制也各有不同,包括分子内旋转受限、非辐射失活衰减受限、分子构象扭曲以避免形成激基缔合物以及利用特殊的分子堆积方式如J-聚集、交叉分子堆积、由分子间的 C-H…π 作用或特殊的氢键作用形成相应的发光聚集体等。基于其特殊的AIE性能,AIE化合物可广泛应用于化学传感、生物传感、生物标记、电致发光以及逻辑门器件等领域。

有机膦是一类重要的有机催化剂,作为一种亲核催化剂已得到广泛的应用。小分子叔膦作为一种均相催化剂影响产物的分离和催化剂的回收,将膦负载可以弥补上述缺陷。负载叔膦作为一类有机催化剂在近几年才受到关注。本文简要介绍了不同载体负载叔膦的合成方法及应用,综述了其催化Baylis-Hillman、加成、炔酮异构化和羟基保护反应的研究进展,并对研究前景进行了展望。

以N-杂环卡宾为配体的异核多金属化合物的合成、物理化学性质以及应用取得了很大的发展,尤其在多步串联催化反应方面显示出了优越的催化活性。本文根据构建异核多金属的配体种类,对异核多金属N-杂环卡宾化合物的合成及其应用进行了分类总结,并对异核多金属N-杂环卡宾化合物未来的研究前景进行了展望。

生命活动中用于维持生物体内超氧阴离子自由基动态平衡的超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)是一类金属酶,属于典型的生物大分子金属络合物,因其在生命活动中所起的重要作用而备受关注。目前,有关SOD的模拟已从小分子化合物的模拟,走向大分子环境与活性中心相结合的系统模拟。本文从高分子化合物角度对模拟SOD的研究进展作一综述,以期为设计并开发具有生物相容且高活性的新型高分子抗氧化剂提供新思路。天然大分子有蛋白质与多肽、多糖、分子聚集体,目前所采用的蛋白质(多肽)是性能稳定的天然蛋白质或通过基因重组技术生物合成的蛋白质或多肽,所采用的多糖类物质主要有右旋糖酐、羧甲基纤维素、壳聚糖等。小分子活性化合物(如金属卟啉、新型肟类为配体的同核与异核复合物、salen型金属配合物等)通过与这些天然大分子结合,在提高活性的同时也改善了其稳定性。将活性小分子物质与分子聚集体(如胶束、脂质体)结合制得的SOD模拟物可以模拟天然SOD在体内的环境,提高抗氧化活性和体内循环时间。合成高分子模拟SOD的工作主要集中于高分子接枝金属配合物的研究,其中典型的合成高分子有聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)、聚L-赖氨酸、聚(苯乙烯-马来酸酐)、聚(环己烷-1,4-丙酮二亚甲基缩酮)、氯化聚苯乙烯树脂、聚乳酸和一些嵌段共聚物,其抗氧化活性与金属配体有关,是一类潜在的抗癌药物。

近年来,可交联材料在有机光电器件领域,尤其是聚合物太阳能电池领域,得到了广泛的应用研究。可交联材料作为活性层中的给体材料或受体材料以及制作有序本体异质结聚合物太阳能电池,可以提高器件的稳定性及光电转化效率。可交联材料应用于聚合物太阳能电池的电子传输层或空穴传输层,可以提高器件的开路电压、转化效率、稳定性等各项性能参数。本文根据可交联材料在聚合物太阳能电池中的功能的不同,详细地描述了可交联材料的官能团种类、处理时间、温度以及引发剂等因素对聚合物太阳能电池光电性能的影响,同时评述了可交联材料应用于聚合物太阳能电池的缓冲层及制作有序本体异质结聚合物太阳能电池的研究进展,最后展望了可交联材料在该领域的发展前景。

星形、超支化、树枝状、刷状等具有支化拓扑结构的高分子通常具有不同于直链结构高分子的优异性能。将有客体包合功能的环糊精与其结合构筑环糊精拓扑高分子体系,有望在分子识别、基因传输、药控释放等领域得到应用。本文根据高分子拓扑形态的不同,从星形、超支化、树枝状以及其他拓扑形态环糊精聚合物的合成及自组装构筑等方面进行了总结和评述,并在此基础上展望了基于环糊精的拓扑高分子的研究方向和发展趋势。

单分子宽场光学显微成像技术是单分子检测技术的一种,具有通量高、参数多样、可实时动态监测等优点。本文评述了单分子宽场光学显微成像的技术方法、标记探针、判定原则、检测参数及其在分析化学、生物物理学等领域的应用,指出单分子成像技术正在向仪器设备的实用化、简易化,测量参数的精确化、可视化,研究范围的广泛化、复杂化等方面发展。未来几年单分子成像的研究重点可能会集中在实用定量、突破衍射极限的距离测量、重要生物过程的机理探索和纳米目标物的表征等方面。

纳米生物检测是目前纳米科学、生物化学及诊断技术相结合的新的重要研究方向。石墨烯由于具有优良的电子、光学、热学、化学和机械性质,使其具有构筑探针分子和信号传递并放大的三重作用,成为应用于超灵敏生物传感器的理想材料。快速的电子传递和可多重修饰的化学性质使其能够实现准确而高选择性的生物分子检测。石墨烯及其复合材料越来越多地被应用到生物传感器的制备中。本文综述了近几年石墨烯及其衍生物在生物传感器研究中的进展,包括修饰石墨烯的各种材料、多种生物活性物质在石墨烯表面的直接电子转移和石墨烯在酶传感器、免疫传感器、基因传感器以及一些生物小分子的检测等方面的研究。

随着纳米技术的飞速发展,纳米材料已成为一种新型材料。纳米材料具有独特的物理化学性质,如小尺寸效应、巨大比表面积、极高的反应活性、量子效应等,这些特性使纳米科学成为当今世界三大支柱科学之一。碳纳米材料是纳米材料领域重要的组成部分,主要包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯、纳米钻石及其衍生物等。由于其独特的理化特性,它们在生物医学领域具有广泛的应用前景。另外,随着碳纳米材料的产业化,各种形式的碳纳米材料将以不同途径进入人们的生活,纳米材料的生物安全性问题正受到世界各国科学家的广泛关注。本文综述了这四类碳纳米材料在组织工程、药物/基因载体、生物成像、肿瘤治疗、抗病毒/抗菌、生物传感等生物医学领域的应用现状以及存在的生物安全问题, 最后,讨论了该领域未来的研究内容和方向以及亟待研究的重要问题。

基于量子限域效应的新型太阳电池——量子点敏化太阳电池(QD-SSCs),由于其最大理论转化效率超过了传统的Shockley-Queisser极限效率,已经成为目前最具研究潜力的太阳电池之一。本文综述了近几年来QD-SSCs领域的研究进展,主要从半导体氧化物纳米材料,特别是其低维纳米结构下的特殊性能;金属硫族化合物纳米晶;电解质;对电极等几个方面评述了电池材料的研究进展。另外,从量子点材料的制备和组装方面简述了目前电池光阳极的研究情况,并介绍了提高量子点光敏化性能的几个新途径。最后,从开路电压和短路电流角度分析了影响电池性能的几个关键因素,并对QD-SSCs今后的发展进行了展望。

石墨烯(graphene,GE)是一种由sp²杂化的碳原子以六边形排列形成的周期性蜂窝状二维碳质新材料,具有比表面积大、电子迁移率高和化学稳定性强等特性。本文重点总结了近年来石墨烯及其复合材料应用于水处理吸附剂及光催化剂两个方面的研究进展。石墨烯及其复合材料对于处理重金属、有机污染物等污染物质的吸附效果好,吸附容量高;与光催化材料结合后,石墨烯由于其独特的物理化学特性有效增强了复合材料的光催化特性。最后对各种石墨烯及其复合材料在水处理中的应用作出了评价,同时对它们在水处理中的应用前景做了展望。