溶液空间限域法制备有机-无机杂化卤化铅钙钛矿单晶薄膜及其器件应用研究进展

近年来,有机-无机杂化卤化铅钙钛矿材料因其出色的光电特性在国际上备受瞩目,并已成功应用于太阳能光伏、光电探测、电致发光等多个领域。目前绝大部分器件研究都集中在钙钛矿多晶材料上,但钙钛矿单晶材料拥有更低的缺陷态密度、更高的载流子迁移率、更长的载流子复合寿命、更宽的光吸收范围,以及更高的稳定性等优异的性质,可有效减少载流子传输过程中的散射损失,以及在晶界处的非辐射复合,并抑制离子迁移所引起的迟滞效应。采用钙钛矿单晶薄膜作为器件有源层有望制备性能更高效且更稳定的钙钛矿光电器件。目前,已报道的多种钙钛矿单晶薄膜制备方法包括溶液空间限域法、化学气相沉积法、自上而下加工法等,其中溶液空间限域法的发展和应用最为广泛。本文聚焦利用溶液空间限域法制备高质量钙钛矿单晶薄膜的相关方法,以及钙钛矿单晶薄膜在光电探测器、太阳能电池、场效应晶体管和发光二极管等相关器件应用中的研究进展,并对钙钛矿单晶薄膜及其光电器件的未来发展趋势进行了展望。

猪饲料中Cu元素的空间限域LIBS检测

近年来,猪饲料重金属超标问题屡禁不止,严重危害食用人群健康与环境安全。国家标准中所采用的干灰化-原子吸收光谱法存在耗时长、需破坏样品、试剂易造成环境污染等问题。激光诱导击穿光谱(LIBS)以其快速、近乎无损、无需复杂制样的检测特性被誉为化学分析领域的“未来巨星”。传统LIBS技术在应用于猪饲料安全品质检测时具有特征光谱强度弱,检测精度较低等缺陷,针对该缺陷,提出LIBS技术与空间限域相结合,采用空间限域方法提高分析谱线强度,从而实现更低浓度样品的检出,实现对猪饲料样品中Cu元素含量进行快速绿色检测。以CuⅠ324.75 nm为分析谱线,在优化后的能量下,对比不同延时时间下加载不同高度和直径的圆柱形空间限域腔对分析谱线影响,再选取对分析谱线整体增强效果最佳的空间限域腔对7组不同浓度猪饲料样品进行LIBS光谱采集,结合采用国家标准方法获取的7组猪饲料样品中Cu元素参考浓度对LIBS系统检测灵敏度进行分析。结果表明,加载空间限域腔对分析谱线强度引起增强的同时不会对背景光谱造成明显影响,分析谱线强度增强因子最大值为5.16,空间限域腔直径为5.0 mm、高度为2.0 mm情况下对分析谱线整体增强效果最佳。在上述最佳试验参数基础上,以Cu元素在324.75 nm处特征光谱峰值强度为参考,对猪饲料进行定量分析。结果发现加载空间限域腔后不同浓度下猪饲料样品中Cu元素浓度与分析谱线强度之间线性关系相较于传统LIBS提升明显,其单变量定标模型R^(2)从0.742提升至0.996,检测限从6.21 mg·kg^(-1)降低至1.61 mg·kg^(-1)(《饲料添加安全使用规范》中猪类Cu元素日粮推荐含量为3~6 mg·kg^(-1)),检测灵敏度提高了2.86倍。研究表明,采用空间限域与LIBS技术相结合,可以大幅提升系统检测精度与灵敏度,使待测元素检测限降低至国家要求以下,对于实现猪饲料中Cu元素含量较低样品的LIBS快速绿色检测具有较好的作用。

Ni-SiO2催化剂空间限域维度对CH4-CO2重整反应金属抗积碳能力的影响

制备了3种化学组成相同但金属活性位点空间结构不同的Ni-SiO2催化剂(Ni/SiO2负载型催化剂、Ni/SBA-15介孔结构催化剂和Ni@SiO2核壳结构催化剂),考察了不同空间限域维度及结构对CH4-CO2重整反应活性金属抗积碳机制的影响规律.结果表明,Ni/SiO2催化剂无空间限域效应,抗积碳能力最弱,表现出最差的稳定性;Ni/SBA-15催化剂存在部分空间限域效应,抗积碳能力明显提高,表现出较好的稳定性但是仍有失活;Ni@SiO2催化剂具有完全几何限域效应,抗积碳能力最强,表现出最优的稳定性.

空间限域强制组装法制备筛网-PP/CF导电复合材料

采用空间限域强制组装法制备了筛网-聚丙烯/碳纤维导电复合材料,研究了复合材料的导电性能、力学性能和导电网络的形态变化,并与共混法及无筛网聚丙烯/碳纤维导电复合材料进行对比分析。结果表明,空间限域强制组装法可以得到密实有效的导电网络,当碳纤维填充量达到阈渗值后,复合材料的电导率成数倍甚至成数量级的提高。无纺布筛网使复合材料的屈服应力提高了3~4倍,电导率最大提高幅度约42.32%。

基于空间限域提高激光诱导击穿光谱对猪饲料Cu元素的检测精度

为提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对猪饲料中重金属的定量分析精度,以市场常见猪饲料中的Cu元素为研究对象,采用偏最小二乘法(PLS)建立猪饲料中Cu元素定量分析模型,结合空间限域提高LIBS信号强度及定量模型精度,实验所用空间限域腔内腔直径和高度分别为4.5 mm和2 mm。采用九点平滑、标准正态变量变换、多元散射校正等方法对60组猪饲料样品的LIBS进行光谱预处理,并建立PLS预测模型。结果显示,基于圆柱形空间限域,利用九点平滑结合多元散射校正预处理效果最好。传统LIBS条件下预测集相关系数(R)为0.8684,预测均方根误差(RMSEP)为49.3,预测集平均相对误差(ARE)为43.95%;结合空间限域LIBS条件下R为0.9881,RMSEP为14.4,ARE为12.51%。研究结果表明,外加空间限域的LIBS技术能够明显提高猪饲料中Cu元素的光谱信号强度及PLS模型的精度,为猪饲料的精准安全检测提供较好的支持作用。

二硫化钼基电极材料空间限域法制备研究进展

二硫化钼作为过渡金属硫化物由于其具有与石墨类似的结构,表现出优异的电学、化学、机械和热性能,因而备受关注。但制备高质量的二硫化钼仍是个巨大的挑战。采用空间限域法制备高性能的二硫化钼,是一种新型的合成策略,正逐渐被广泛接受。空间限域法能够有效制备具有特定形貌、少层、高反应活性边缘、单相的二硫化钼。总结了不同维度空间限域法制备二硫化钼,及其在锂离子电池、超级电容器、光电催化等方面的研究进展,同时对其前景做出了展望。

基于空间限域强制组装法制备短切碳纤维/乙烯-醋酸乙烯导电复合材料性能

采用空间限域强制组装法(SCFNA)制备短切碳纤维/乙烯-醋酸乙烯共聚物(SCF/EVA)导电复合材料,研究SCFNA方法制备SCF/EVA复合材料中导电填料分布形态的演变规律及该方法对复合材料导电性能和力学性能的影响。与传统共混方法相比,采用SCFNA方法制备的SCF/EVA复合材料,导电网络上SCF的间距变小,网络密实度显著提高,导电性能得到大幅度提升并具有良好的力学性能。实验表明:通过SCFNA方法制备的SCF/EVA复合材料的逾渗阈值为6.5 wt%,低于共混自组装法的8.2 wt%。相同SCF质量分数下,SCF/EVA复合材料的电导率比共混法自组装最高提高4个数量级。随着SCF质量分数的增加,SCF/EVA复合材料的力学性能呈先提高后降低的趋势,其中10 wt%SCF/EVA复合材料的力学性能最优,拉伸强度达到19.86 MPa。

基于空间限域强制组装法制备短切碳纤维-碳纳米管/聚二甲基硅氧烷导电复合材料性能

采用空间限域强制组装(SCFNA)法制备短切碳纤维-碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(SCF-CNTs/PDMS)导电复合材料,研究SCFNA方法制备SCF-CNTs/PDMS复合材料对断面形态变化、导电性能和力学性能的影响。结果表明,通过SCFNA制备的SCF-CNTs/PDMS导电复合材料得到了密实有效的导电网络,由于缩短了导电填料之间的距离,实现了在低浓度填料下增大复合材料的导电性能和力学性能。在填料总量不变的前提下,SCF/PDMS复合材料中添加少量的CNTs,SCF与CNTs之间能形成较好的协同作用。并发现SCF质量分数为8wt%、CNTs质量分数为2wt%的SCF-CNTs/PDMS复合材料与SCF质量分数为10wt%的SCF/PDMS复合材料相比,其导电性能提高了33%,力学性能提高了144%;在SCF/PDMS复合材料中添加较多的CNTs,由于CNTs之间发生团聚现象,SCF-CNTs/PDMS复合材料的导电性能和力学性能均有所下降。SCF质量分数为5wt%、CNTs质量分数为5wt%的SCF-CNTs/PDMS复合材料随着密炼转速由40r/min逐步增加到80r/min,CNTs团聚现象有所改善,但是由于扭矩的增大,SCF受到的剪切作用力增大,SCF大部分被搅碎,在导电复合材料中,SCF起主要连接导电网络的作用。因此,SCF质量分数为5wt%、CNTs质量分数为5wt%的SCFCNTs/PDMS复合材料导电性能反而随着密炼转速的提高而降低。

限域结构纳米复合材料及其吸附性能研究进展

纳米材料因其比表面积大和表面活性高,在水处理领域表现出了极具潜力的发展前景。利用空间限域结构来固定和分散纳米材料可有效解决纳米材料易团聚失活、操作分离困难和潜在环境风险等问题。文章综述了具有限域结构的纳米复合材料制备方法及其对水中污染物吸附性能的研究进展,从限域空间内纳米颗粒的尺寸调控与污染物的富集、限域空间中特异性的污染物分子结构和纳米材料晶体结构等多方面详细分析了纳米限域效应的环境行为及其对水环境中污染物去除的重要意义。根据分析可知,限域结构中的吸附机理、纳米复合材料在真实环境体系下的应用、材料的环境与健康风险等是未来该领域研究的重要方向和热点内容。

纳米限域体系内聚对苯撑乙烯的合成

将钯催化剂负载在介孔硅材料的纳米孔道中,从而将催化的Heck偶联聚合反应引导至纳米限域反应体系,利用纳米孔道的空间限域效应实现了对所合成的聚对苯撑乙烯(PPV)分子量的控制。在6种钯纳米反应器中催化己氧基取代二碘苯单体与二乙烯基苯单体的Heck偶联聚合反应,通过红外光谱确定聚合物主链为对位苯环和乙烯基交替的结构。由凝胶渗透色谱对所获得的PPV的分子量进行表征,证明钯纳米反应器催化体系催化聚合反应所得PPV的分子量分布均较均相催化体系更窄,PPV的多分散指数最低可达1.53。

限域流动空间内固液边界滑移的临界尺度与作用规律

固液边界的滑移现象成为微纳流动系统中不可忽略的因素。为了揭示固液边界滑移规律对流动行为的影响及其临界尺度效应,应用ANSYS软件建立同轴旋转圆柱体间不可压缩液体的物理模型;在层流模式下,采用不同边界条件分析不同旋转速度下微纳间隙区域内液体的流动特性。结果表明:无滑移边界条件下,微间隙的流场速度分布曲线存在0.7 mm的临界间隙尺寸;有滑移边界条件下,外圆筒壁面滑移对系统阻力矩的影响存在尺寸效应,内圆筒壁面滑移对系统阻力矩有明显作用,但无尺寸效应。

限域空间内的结晶研究进展

在经典成核理论基础之上,综述了无机、有机化合物和大分子聚合物等几类物质在不同的限域空间内的结晶行为,并与普通溶液结晶行为进行了比较。分析了不同限域空间对晶体的成核、生长以及相转化产生的影响,如成核速率、生长取向、晶型种类等。研究表明,在高度分散的纳米孔基质中,孔径尺寸、形貌对晶体成核与生长的控制机理不同,从而影响了最终的晶体结构。

限域传递机制初探:以限域状态为切入点描述传递阻力

纳米限域空间中分子的传递是新一代化工过程的共性问题。限域空间引入界面润湿性与限域自由度,导致固体-流体受到的非对称相互作用显著,使得流体状态大幅度偏离均一主体相,经典传递理论不再适用。面向限域的传递理论的缺失,已不能满足现代化工发展的需求。本文综述本团队及前沿的限域传递研究工作,并基于统计力学与非平衡热力学方法进行分析,发现前沿研究分别涵盖三个角度:新自由度下分子间相互作用力决定流体反常状态,反常状态描述流体限域传递物性,反常传递物性描述限域传递阻力实现通量描述。针对三个角度,总结出限域传递阻力雏形,并从三个角度对限域热点工作初探分析,以限域状态为起点,将三个角度贯通是发展限域传递模型的方向,进而为现代化工发展基础数据和模型。

静电纺丝中空纳米纤维在催化领域的应用

更大的比表面积、更丰富的界面组成及更高效的传质路径是构筑多元催化体系,实现催化剂效率提升的关键.中空纳米纤维具有的多元空腔结构赋予其比表面积和界面组成上广阔的调变空间,使其成为制备高效异相催化剂的理想平台.静电纺丝技术的发展为中空纳米纤维的可控制备提供了更简易高效的方法,促进了中空纳米纤维的结构创新和应用扩展.本文从构筑策略、结构特点及结构与性能的对应关系3个角度总结了基于静电纺丝法制备的不同组成和形态的中空纳米纤维材料在催化领域(包括光催化、电催化、热催化)应用中的独特优势.首先展示了创新的静电纺丝方法结合后续工艺制备的中空纳米纤维的不同结构形态,然后梳理了基于中空纳米纤维构筑高效催化剂的研究进展,最后展望了中空纳米纤维在催化领域应用的未来发展趋势,以期为高效异相催化剂的设计提供有益的参考.

配位聚合物中功能主-客体微纳限域空间的构筑与调控

多孔配位聚合物(porous coordination polymers,PCPs)作为一类独特的晶态材料在近年来受到广泛的关注和研究.得益于其构筑模块多样、结构可设计和孔隙率可调等优势,该类材料可用于构筑独特的微纳尺度限域几何空间以容纳不同类型的客体分子,由此产生的主-客体PCPs可展示出丰富的性质和潜在应用,并可以通过调节主体、客体和主-客体相互作用对其性能进行优化.因此,主-客体PCPs在当前的研究中备受关注,并逐渐成为研究的热点.然而,对于其微纳限域空间的功能导向构筑策略和方法的研究还在不断深入,因此对主-客体PCPs体系的理性构筑与调控及其功能导向的应用研究进行综述是不可或缺的.本文综述了主-客体PCPs的相关研究成果及对其的深入认识,包括主-客体系统的组成和组分间相互作用的类型.在此基础上,重点介绍了其微纳限域空间的构筑和调优原则.同时,本文还综述了近年来以光、电性质为功能导向的主-客体PCPs的研究进展,并就该领域发展所面临的挑战和前景进行了分析和展望.

肽适体修饰纳米孔道对L⁃精氨酸的灵敏检测

氨基酸是生命之源,其中L⁃精氨酸(L⁃Arg)是生物体进行新陈代谢的一种重要氨基酸,同时也是重要的肿瘤标志物之一.因此,开发高选择性的L⁃Arg检测方法在生物分析领域十分重要.本文在Uniprot数据库29185个蛋白质序列中筛选出特异性结合L⁃Arg的多肽序列(序列为CFGHIHEGY),经ITC验证后,将其作为识别元件固定在子弹形纳米孔道尖端表面.在纳米空间限域效应下,利用多肽与L⁃Arg特异性结合前后构象由伸展状态向蜷缩状态的变化,调控纳米孔道离子输运特性变化,从而实现对L⁃Arg的选择性检测.实验结果表明,多肽修饰纳米孔道对L⁃Arg具有高灵敏度和高选择性,线性范围为1~100 nmol/L,检出限低至1 nmol/L.该研究为氨基酸高选择性、高灵敏检测提供了新方法,同时也为多肽修饰仿生离子通道的构建提供了新思路.

基于SCFNA法的FSS吸波材料设计及制备

目的设计并制备一种与单元电导率匹配、电磁性能优异的柔性频率选择表面吸波材料。方法首先选择空间限域强制组装法(SCFNA)制造具有优异导电性能的片材,再按圆形谐振单元裁剪并周期性排布在有机介质层内。完成频率选择表面(FSS)的制备后测试其电磁波性能,并与仿真模型优化的结果进行对比。结果制备的柔性选择表面样件在频率为18~40 GHz时吸收率达到96.22%以上。结论使用空间限域强制组装法设计制备了导电单元,通过调整工艺参数实现对单元电导率的精准调控,成功制备出了一种在18~40 GHz频段下电磁性能优异的高柔性吸波体材料。

基于SCFNA法辊压制备PDMS/SCF导电复合材料

利用空间限域强制组装法(SCFNA)的辊压成型方法制备了PDMS/SCF导电复合材料,并且,与传统平板热压印方式制备的PDMS/SCF导电复合材料的微观形貌、导电性能和拉伸力学性能进行对比分析。结果表明,采用SCFNA辊压方式制备的PDMS/SCF导电复合材料可以使碳纤维在聚合物基体内形成密实的导电网络,实现了强制组装;并且,由于辊子反复辊压混料,聚合物基体中的碳纤维发生了取向,因此,在碳纤维含量相同的情况下,与平板热压印法相比,辊压方法制备的PDMS/SCF导电复合材料具有更好的电学性能和拉伸力学性能;在碳纤维质量分数为6%的情况下,复合材料的电导率最大提高了105.1%,拉伸强度提高了18.6%,断裂伸长率提高了9.16%。

古龙页岩油有效开发关键理论技术问题与对策

针对古龙页岩油地下储集状态、开采机理、原油流动、高效采出4大问题,提出了高效开发面临的关键理论技术问题和相应的对策建议。通过页岩储集层不同储集空间中的流体赋存状态、流体相态变化、开采机理、原油启动机制、流态和流动规律、开采方式和提高采收率途径等方面的重点探索研究,给出了页岩油多尺度赋存状态及纳米限域空间流体相态特征,明确了以压裂缝-页理缝-基质渗吸为核心的多相、多尺度流动模式及开采机理,初步建立了相应的多尺度流动数学模型和可采储量评价方法,探讨了早期补能开发模式及采收率达到30%的可行性。据此提出古龙页岩油有效开发进一步重点研究方向:(1)攻关岩心、流体原位原始状态取样及无损测试技术;(2)构建高温、高压、纳米尺度室内模拟实验方法;(3)研发融合多尺度、多流态的数值模拟技术与规模化应用软件;(4)攻关无水体系(CO_(2))压裂技术方法和增加垂直裂缝高度的压裂工艺;(5)探索早期补能提高采收率方法;(6)实施全生命周期技术经济评价。同时建议尽快开展多系列矿场试验,验证理论认识,优选开采方式,形成配套技术,提供可推广的开发模式,支撑和引领古龙页岩油规模有效开发上产。

α-溶血素纳米孔道限域空间内的识别

α-溶血素纳米孔道已被广泛认为是一种天然且理想的生物纳米传感界面。其凭借多重限域空间的敏感识别和多相互作用位点,提供了一个可精确识别待测分子构象和实时监测微观反应过程的通用平台,并广泛用于核酸、氨基酸、多肽、聚合物以及金属离子等的灵敏检测,在样本用量微少、多组分同时检测、高灵敏和超分辨等方面有显著优势。本文重点综述α-溶血素纳米孔道3类不同限域空间(即β-桶、内腔、闩锁区域)在解密微观反应机理、探索分子细微构象变化、区分三维精细结构、功能化修饰孔道等领域的近期研究成果与进展。