金属锂负极由于比容量高(3860 mAh·g-1)及氧化还原电位极低(-3.04 V vs.标准氢气电极(SHE))，被认为是实现高能量密度锂电池的理想负极。然而，金属锂电极与电解液反应剧烈，且锂离子在电极表面沉积不均匀容易产生枝晶，导致其循环稳定性和安全性都较差，限制了其应用推广。我们前期通过构建金属锂-碳纳米管(Li-CNT)复合结构，极大的提高了金属锂的比表面积，降低了电极电流密度，从而有效地抑制了锂枝晶的生长，提高了金属锂电极的循环稳定性和安全性能。本工作在前期工作基础上，采用简单的液相反应，利用4-氟苯乙烯(FPS)对Li-CNT进行表面修饰并进行原位聚合，得到了表面富含氟化锂(LiF)保护层的Li-CNT(FPS-Li-CNT)。该表面修饰层能够有效抑制电解液和空气对Li-CNT的侵蚀，显著的提高了Li-CNT电极的界面稳定性。FPS-Li-CNT与磷酸铁锂正极(LFP)组成的LFP||FPS-Li-CNT全电池，在正负极容量配比为1 : 6条件下，能够稳定循环280圈，库伦效率达到97.7%。
锂金属由于其高比容量和低电极电势等优点被认为是下一代高比能量电池体系中最有潜力的负极材料。然而由于锂金属的高活性，锂负极在循环过程中会产生大量的枝晶，导致SEI (solid-electrolyte interphase)破裂，并且枝晶增加了电极与电解液的接触面积，使得副反应进一步增加。此外，脱落的枝晶形成死锂，从而降低电池的充放电库仑效率。并且不可控的锂枝晶持续生长会刺穿隔膜引发电池短路，伴随着电池热失控等安全问题。本综述基于锂负极存在的主要挑战，结合理解锂枝晶的成核生长模型等机理总结并深度分析近些年来在液态和固态电解质体系中改善锂金属负极的主要策略及其作用机理，为促进高比能量锂金属电池的应用提供借鉴参考作用。
锂金属是下一代高能量密度二次电池的理想负极材料，然而它的应用仍然受制于较差的循环稳定性。近期，二维氟化界面被广泛用于改善锂金属负极的成核机制、沉积形貌和循环稳定性。本工作通过将体积缩小化的氟化石墨颗粒与锂离子传导网络结合，获得了一种富氟化位点的三维框架结构。实验结果证明此类三维氟化结构可显著提升锂金属负极在不同电流密度和容量下的循环稳定性，且优于二维氟化界面结构。通过本工作的研究，证明了相较于单纯的二维氟化界面，三维锂离子传导网络和富氟化位点的合理结合可以成为一种改进的界面结构用于锂金属负极保护，为高能量密度锂金属电池的负极保护提供了新的设计思路。
金属锂电池是下一代高能量密度电池体系的代表。然而，高比能金属锂电池的发展受到界面诸多问题的限制，如：金属锂负极枝晶生长、隔膜界面兼容性、正极界面不稳定等，影响了金属锂电池的界面传质传荷过程，并导致金属锂界面环境恶化、电池的容量衰减、安全性能下降等问题。金属有机骨架(MOF)是一种具有稳定多孔结构的有机无机杂化材料，近年来在高比能金属锂电池领域受到广泛关注。其多孔结构与开放的金属位点(OMs)提供了优异的离子电导率，稳定的空间结构提供了较高的机械强度，多样的官能团与金属节点带来丰富的功能性。本文分析了金属锂电池界面的主要挑战，结合金属锂界面的成核模型，总结了MOF及其衍生材料在解决锂金属负极界面、隔膜界面、以及正负极界面稳定性相互作用等方面的研究进展和作用机理，为解决高比能金属锂电池界面失稳问题提供了解决途径，并展望了MOF基材料的设计与发展方向。
二次电池的能量密度已成为推动电动汽车和便携式电子产品技术向前发展的重要指标。使用石墨负极的锂离子电池正接近其理论能量密度的天花板，但仍难以满足高端储能设备的需求。金属锂负极因其极高的理论比容量和极低的电极电位，受到了广泛关注。然而，锂沉积过程中枝晶的生长会导致电池安全性差等问题。电解液对金属锂的沉积有着至关重要的影响。本文设计了一种独特的电解槽体系来进行柱状锂的沉积，研究了不同电解液体系(1 mol·L-1 LiPF6-碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯(EC/DEC，体积比为1 : 1)、1 mol·L-1 LiPF6-氟代碳酸乙烯酯(FEC，体积分数5%)-EC/DEC (体积比为1 : 1))对金属锂沉积的影响。对两种电解液中金属锂沉积物长径比的研究表明，电解液的组分可以显著地影响金属锂的沉积形貌，在加入氟代碳酸乙烯酯(FEC)添加剂之后，柱状锂的直径从0.3–0.6 μm增加到0.7–1.3 μm，长径比从12.5下降到5.6。长径比的降低有助于减小金属锂和电解液的反应面积，提高金属锂负极的利用率和循环寿命。通过考察循环后锂片的表面化学性质，发现FEC的分解增加了锂表面固态电解质界面层中氟化锂(LiF)组分的比例，提高了界面层中锂离子的扩散速率，减少了锂的成核位点，从而给予锂核更大的生长空间，降低了沉积出的柱状锂的长径比。
金属锂由于其高的比容量，低的电极电势和轻质等特点被认为是下一代高能量密度锂金属二次电池负极材料的最佳选择。然而，充放电循环中不均匀的锂沉积会导致严重的体积变化和大量的锂枝晶形成，从而影响了电池的库伦效率甚至会带来严重的安全隐患。为此，本文设计了一种亲锂的三维二硫化锡@碳纤维布复合基底材料，并作为集流体将其应用于金属锂电池上。一者，高比表面积的三维碳纤维骨架可以适应充放电过程中的体积变化并且有效地降低局部电流密度，从而确保锂的均匀沉积。二者，表面修饰的SnS2层在锂沉积过程中可以形成Li-Sn合金界面层，诱导锂的沉积并降低过电势。最终，实验结果表明：使用所制备的复合集流体与金属锂搭配组成的半电池可以在5 mA·cm-2的高电流密度下以 > 98%的库伦效率稳定循环100周以上。此外，在承载10 mAh·cm-2的金属锂后，复合的锂负极无论是在对称电池还是与磷酸铁锂组装成的实际电池中，均可以在高的电流密度下实现稳定的循环。我们相信这一复合的集流体构建策略对于设计安全稳定的锂金属电池或器件具有重要意义。
锂离子电池在便携式储能器件及电动汽车领域得到了广泛应用，然而频繁发生的电池起火爆炸事故，使热失控和热安全问题备受人们关注，目前已有多篇综述报道了缓解锂离子电池热失控的措施。相比于已经接近理论比能极限的锂离子电池，金属锂负极具有更高的比容量、更低的电势和高反应活性，但是不可控的锂枝晶生长，使得金属锂电池的热失控问题更为复杂和严重。针对金属锂电池的热失控问题，本文首先介绍了热失控的诱因及基本过程和阶段，其次从材料层面综述了提高电池热安全性的多种策略，包括使用阻燃性电解质、离子液体电解质、高浓电解质和局域高浓电解质等不易燃液态电解质体系，开发高热稳定性隔膜、热响应隔膜、阻燃性隔膜和具有枝晶检测预警与枝晶消除功能的新型智能隔膜，以及研究热响应聚合物电解质，最后对金属锂电池热失控在未来的进一步研究进行了展望。
高能量密度二次电池的商业化将会推动便携式电子设备和电动车的飞速发展。锂金属电池因具有较高的理论能量密度而受到研究者的广泛关注。然而，锂金属负极较低的库仑效率(CE)和枝晶生长等问题，严重制约了锂金属电池的发展。库仑效率是衡量电池体系可逆性的关键参数之一，锂金属负极的库仑效率在不同电解液中存在较大的差异，本文以四种常见的电解液为例，包括1 mol·L-1六氟磷酸锂-碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯电解液，1 mol·L-1六氟磷酸锂-碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯+ 5% (w)氟代碳酸乙烯酯电解液，1 mol·L-1双(三氟甲烷磺酰)亚胺锂-乙二醇二甲醚/1, 3二氧戊环+ 2% (w)硝酸锂电解液，以及4 mol·L-1双氟磺酰亚胺锂-乙二醇二甲醚电解液，利用原子力显微镜研究了不同电解液体系中锂金属的生长行为，探讨了锂金属沉积形貌与其库仑效率之间的联系，为发展高效的锂金属负极提供了参考依据。
金属锂因为其优秀的特性被认为是未来锂电池负极的最终之选。然而目前金属锂负极在旧有液态体系中的研究陷入瓶颈，在新兴固态体系中的挑战层出不穷。想要实现金属锂负极的实用化，必须加深对金属锂负极基础科学问题的认识。本文系统论述了多空间尺度下金属锂的电极行为与对应的表征技术。首先综述了多空间尺度下金属锂负极的基础科学和应用技术问题，结合近年来的工作，对全空间尺度下的先进表征手段做了梳理，分析了从原子级到宏观尺度各种表征手段的技术特点，并重点讨论了各类表征技术在研究固态体系中金属锂负极时的特点与可能的发展方向。
可充锂金属负极严重的界面不稳定性和安全问题极大限制了其商业化应用，对于锂的沉积/溶出行为以及锂枝晶的成核生长机理的清楚认识将有利于更高效的可充锂金属负极改性研究。然而，由于锂金属的高反应活性所带来的产物复杂性及其形貌多样性给原位谱学表征带来了诸多的困难。中子深度剖析(Neutron Depth Profiling，NDP)技术由于其高穿透特性、定量非破坏性、且对锂的高灵敏性，在实时研究锂金属电池中锂的电化学行为上显示出广阔的应用前景。本文首先简要介绍了NDP技术的测试原理及提高其空间/时间分辨率的方法，同时总结分析了近年来NDP技术在液态/固态电池体系中锂金属负极研究的应用，并展望了NDP技术今后的发展前景。
固态电池以其高安全性和高能量密度而备受关注。石榴石型固体电解质(LLZO)由于具有较高的离子导电性和对锂金属的稳定性，在固态电池中具有应用前景，但陶瓷与锂金属较差的界面接触会导致高的界面阻抗和可能形成的枝晶穿透。我们利用LLZO表层独特的H+/Li+交换反应，提出了一种简便有效的金属盐类水溶液诱发策略，在电解质表面原位构建ZnO亲锂层，界面处LiZn合金化实现紧密连续的接触。引入改性层后，界面阻抗可显著降低至约10 Ω·cm2，对称电池能够在0.1 mA·cm-2的电流密度下实现长达1000 h的长循环稳定性。匹配正极LiFePO4(LFP)或LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 (NCM523)的准固态电池在室温下能够稳定循环100次以上。
金属锂具有电位低、比容量高等突出优点，是极具吸引力的下一代高能量密度电池的负极材料，然而存在枝晶、死锂、副反应严重、库伦效率低、循环稳定性差等问题，限制了其实际应用。金属锂负极的成核是电化学沉积过程中的重要步骤，锂在集流体或导电载体上的均匀成核和稳定生长对于抑制枝晶死锂、提高充放电效率和循环性能具有关键作用。本文从成核机制与载体效应的角度概述了锂金属负极的研究进展，介绍了锂成核驱动力、异相成核模型、空间电荷模型等内容，分析了锂核尺寸及分布与过电位和电流密度的关系，并通过三维载体分散电流密度、异相晶核/电场诱导成核、晶格匹配等方面的研究实例讨论了载体修饰对锂负极的性能提升。
锂金属作为下一代储能电池的理想负极材料一直受到极大的关注，然而锂枝晶的不可控生长和负极副反应带来的低库伦效率问题严重限制了锂金属电池的发展。这里, 我们提出了一种多孔泡沫铜和硫脲协同作用的策略，利用硫脲分子的超填充作用实现锂金属在多孔泡沫铜表面的均匀沉积。在电解液中添加0.02 mol·L-1硫脲作为电解质添加剂，采用多孔泡沫铜的Li||Cu半电池在循环300圈以后，库伦效率仍保持在98%以上。此外，在5C的高倍率条件下，Li||LiFePO4全电池循环300圈以后仍有94%的容量保持率。本工作为锂金属负极保护提供了一种新的策略并且该策略也可以扩展到其他金属负极保护中，非常有利于下一代高能量密度储能电池的开发。
实现肿瘤的早期诊断对于提高癌症患者的存活率或延长生存时间非常重要。由于肿瘤细胞的糖酵解失调，导致肿瘤组织呈现微酸环境(pH < 6.8)，因此可以通过设计在pH 6.8响应的荧光材料实现对于肿瘤的早期诊断。在本工作中，我们以4-二甲氨基苯酚为前驱体，高碘酸钾为氧化剂，采用溶剂热法制备了发射波长为640 nm的水溶性红色荧光碳量子点(R-CQDs)。将单甲醚聚乙二醇衍生物(MeO-PEG-PDPA)修饰到R-CQDs表面，获得在pH 6.8响应的R-CQDs (pRF-R-CQDs)，pH < 6.8时呈现红色荧光，pH > 6.8时荧光淬灭。通过透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、拉曼(Raman)光谱、X射线粉末衍射(XRD)图谱、荧光(PL)光谱、紫外可见(UV-Vis)吸收光谱对R–CQDs进行结构与性质测定。研究了pRF-R-CQDs在组织成像及活体成像中的应用。结果表明：肿瘤微酸环境(pH < 6.8)中，pRF-R-CQDs的氨基质子化而呈现红色荧光。正常组织(pH > 6.8)中，pRF-R-CQDs的氨基去质子化导致荧光淬灭。pRF-R-CQDs的浓度在高达100 μg·mL-1时仍未表现出明显的细胞毒性。pRF-R-CQDs能够用于区分出肿瘤和正常组织，可用于肿瘤的早期诊断。
染料敏化太阳能电池(DSSCs)因具有低成本、制作简单、环境友好、效率高等优点，是目前最有希望代替传统化石能源的可再生能源。敏化剂作为DSSCs中最重要的组成部分之一，已经被研究了近30年。与金属染料相比，有机染料具有结构多样性，高摩尔吸光系数、性质易调控、环境友好等优点，成为比较有潜力的敏化剂。我们采用密度泛函理论(density functional theory，DFT)和含时密度泛函方法(time-dependent DFT，TD-DFT)研究了6个基于染料R6的D-A型有机染料的光电性质。并且系统的研究了DSSCs性能的相关参数包括几何结构、电子结构、吸收光谱、吸附能力、光捕获曲线(LHE)、理论短路电流密度(JscPred.)、理论开路电压(VocPred.)以及理论光电转换效率(PCE)。表明所有设计的染料都具有较高的PCE。其中染料RD1、2、4–6具有较好的共轭性，RD1–3表现出了较窄的带隙。染料RD1–3、5、6具有更强的光捕获能力，因为它们的吸收光谱覆盖了整个可见光区域，并扩展到近红外区，其最大吸光波长红移了，光捕获曲线拓宽了，理论短路电流也提高了。尤其突出的是染料RD1、2不仅表现出了更好的共轭性和更窄的带隙，还具有更好的光捕获能力。与染料R6相比，染料RD1、2的最大吸收波长红移了54 nm，其光捕获曲线(LHE)也拓宽了。值得一提的是，相比较于染料R6，染料RD1、2的短路电流密度平均提升了12%，使得染料的光电转换效率从染料R6的12.6%提升到了染料RD1、2的14.1%。因而，我们认为染料RD1、2有望成为染料敏化太阳能电池领域中潜在的高效纯有机染料候选物。我们的研究将为DSSCs有机染料的发现提供有效指导。
在单分子结中，核心分子与电极之间的连接基团对器件的力学、电学特性有着重要影响。连接基团的力学强度影响着器件的稳定性而其电子耦合强度则影响着分子结的电导值和导电极性。两端带邻苯二胺基团的分子可以和石墨烯电极边缘的邻醌基团发生缩合反应，生成基于吡嗪连接的分子结。我们实验制备了基于吡嗪连接的石墨烯电极单分子场效应晶体管(FET)并研究了其电学性质。我们发现分子组装后器件的产率可以达到26%，证明了吡嗪连接基团用于构建石墨烯电极单分子器件的可行性。通过测量器件的电学性质，我们发现吡嗪连接与石墨烯电极之间的耦合强度对单分子场效应晶体管的导电极性有着决定性的影响。具体而言，弱耦合时器件为核心分子的最高占据轨道起主导作用的p-型FET而强耦合时器件为核心分子的最低空轨道起主导作用的n-型FET。
对新结构富勒烯金属包合物的探索是富勒烯领域中的研究重点。本文从内嵌团簇与富勒烯碳笼尺寸匹配的角度出发，对基于金属碳氮化物团簇的新结构富勒烯金属包合物进行了研究。通过量子化学计算研究了M3NC团簇(M = Y, La, Gd)内嵌在D2(186)-C96和D2(35)-C88分子中所形成包合物的稳定性和电子结构，发现富勒烯碳笼接受内嵌团簇转移的六个电子形成了稳定结构。结合文献已报道过的Sc3NC@Ih(7)-C80分子，阐明了M3NC团簇与富勒烯碳笼之间的尺寸匹配效应，并发现D2(186)-C96、D2(35)-C88和Ih(7)-C80三种富勒烯碳笼均具有五元环均匀分布的结构特点。我们对富勒烯之间的转变路径进行了研究，提出了不含Stone-Wales异构化过程的富勒烯直接生成机理，即可以通过增加碳原子的过程使五元环重排，在保持稳定性结构单元的同时转变为更大碳笼。
细菌感染对人类健康构成了严重威胁，而传统抗生素治疗可能导致如胃病、细菌耐药等一系列副作用。因此，亟需发展提高抗生素抗菌效率的新方法。在本文中，我们通过氨基酸环内酸酐和ε-己内酯开环聚合合成了多肽基的聚合物[PCL34-b-PGA30-b-P(Lys16-stat-Phe12)]。在碱性环境中，此聚合物能够自组装成带负电荷的胶束(其zeta电位值为-26.7 mV)。通过透射电子显微镜和动态光散射可以证实组装体的胶束结构。此胶束具有药物缓释的特性，并且胶束上含有的抗菌多肽链段能够有效杀死细菌，因此该胶束能够很大程度上提高抗生素的抗菌效率。实验证实该载药胶束对革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)均具有较好的抗菌活性，最小抑菌浓度值分别为7.8和18.2 μg·mL-1。这种胶束包载妥布霉素的载药率和载药量分别为24.3%和5.2%。因此，胶束中实际含有的抗生素量为0.4和0.9 μg·mL-1，小于妥布霉素的最小抑菌浓度值。总的来说，该胶束有望大幅降低抗生素的使用量，并减少临床上抗生素过量使用造成的副作用。
合成高效低成本的氟离子吸附剂仍是具有挑战的研究课题。本文采用无有机物的方法制备了单层结构的薄水铝石，并以此薄水铝石得到大比表面积的活性氧化铝。活性氧化铝的大比表面积保证了很高的吸附效率，合成过程无有机表面活性剂或模板剂的使用，控制了成本。采用X射线衍射(XRD)及扫面电镜(SEM)等方法对样品进行了表征，发现制备的氧化铝前体为单层结构的薄水铝石，其比表面积为789.4 m2·g-1，焙烧后得到活性氧化铝的比表面积为678.4 m2·g-1，孔体积为3.20 cm3·g-1。并系统研究了吸附剂用量、吸附时间等因素对活性氧化铝吸附水中氟离子的影响。研究结果表明，本文制备活性氧化铝对水中氟离子的吸附量可达67.6 mg·g-1。仅分别需0.6、1.0或2.6 g·L-1活性氧化铝就可将10、20或50 mg·L-1的氟离子溶液处理至中国饮用水标准(1.0 mg·L-1)以下。并且此活性氧化铝在pH = 4–9的范围内均可用于水中氟离子的处理，对吸附有较大影响的共存离子为SO42-及PO43-，进一步研究表明，活性氧化铝对氟离子的吸附遵循准二级模型和朗格缪尔等温模型。
氧化钨WO3-x (0 ≤ x < 1)具有丰富的氧化态、亚化学计量比晶相以及可逆的光致/电致变色特性，纳米线具有高比表面积和准一维单晶载流子传输通道，WO3-x纳米线结合了上述两者的优异特性，在智能玻璃、能源转换与存储器件和气体传感器等领域有广阔的应用前景。本文从WO3-x的基本性质出发，分析了液相法和气相法(气-液-固、气-固、热氧化)纳米线生长的机制及特点。其中，热氧化法无需催化剂，有望解决纳米线应用的器件化瓶颈，在< 500 ℃下即可实现纳米线尺寸与生长位置的可控生长，实现桥连纳米线器件的高效、原位集成。随后，本文综述了桥连WO3-x纳米线器件在NOx等气体分子检测中的应用进展，梳理了桥连WO3-x纳米线器件在低功耗、高灵敏气体分子检测中的应用，以期为今后高灵敏、低功耗、高集成的氧化物桥连纳米线器件的开发提供参考。
在体外设计和构建多种仿生纳米材料是人类理解天然自组装机制的基础。胶原蛋白是动物体内含量最高的蛋白质，也是生物医用材料领域最常用的天然高分子之一。化学合成的类胶原多肽来源清洁、可设计性高，是理想的纳米生物基底材料。目前类胶原多肽自组装的策略多基于二硫键、静电引力，π-π堆叠，金属配位等单一作用力，鲜有利用有机小分子提供弱作用力诱发肽分子之间自组装。本研究利用有机分子4, 4’-亚甲基双(异氰酸苯酯)修饰类胶原多肽的氮端，通过圆二色谱、动态光散射和原子力子显微镜等方法对组装体形成进行表征。研究结果显示4, 4’-亚甲基双(异氰酸苯酯)不仅能够显著提高类胶原多肽折叠形成三股螺旋的热稳定性，还可促进其组装形成形貌规整的纳米纤维。本研究为类胶原多肽的组装提供了一种简单高效的新策略。
作为一种重要的基础化学品以及传统能源替代品，乙醇极具应用前景。当前乙醇的生产主要通过谷物发酵和乙烯水合法。然而效率低下的发酵过程和日益枯竭的原油资源限制了乙醇的大规模生产。因此，发展生产乙醇的可替代技术成为重要议题。由合成气(CO + H2)出发直接制备乙醇被认为是实现煤炭、天然气和生物质等含碳资源高值化、清洁化利用的新方式。负载型Rh基催化剂作为合成气直接制乙醇最有潜力且最有效的催化体系而受到广泛研究。对于负载型Rh基催化剂来讲，合适的助剂和载体通常可以有效地提升催化剂的活性和乙醇选择性。Fe作为一种提高乙醇选择性最有效的助剂之一而被广泛地应用在Rh基催化剂的研究中。在本文中，为了探究载体的作用，我们利用初湿浸渍法制备出不同载体(CeO2、ZrO2和TiO2)负载的Fe促进的Rh基催化剂用于合成气制乙醇反应中。结果表明，RhFe/TiO2催化剂在反应条件为250 ℃，2 MPa时的CO转化率高达18.2%并且在醇分布中乙醇的选择性高达74.7%，远高于相同条件下RhFe/CeO2和RhFe/ZrO2催化剂的性能。表征结果表明，催化剂的比表面从小到大依次为RhFe/CeO2 < RhFe/ZrO2 < RhFe/TiO2，而Rh的分散度也依次增加、粒径依次减小。这是由于较大的比表面积可能有利于Rh物种的分散，高分散的Rh物种就意味着存在更多的活性位点。H2-程序升温还原结果表明Rh与载体、Rh与Fe之间存在相互作用，并且在实验的还原条件下TiO2会发生部分还原，而其它的载体则不会发生还原。X射线光电子能谱分析结果表明RhFe/TiO2催化剂具有更多的乙醇生成(Rhx0-Rhy+)-O-Feδ+活性位点，使得乙醇的选择性增加。CO-程序升温脱附被用来确认不同催化剂的CO吸附能力，结果表明TiO2由于存在更多的O空穴和Ti3+离子从而增强了对CO的吸附，因此有利于催化剂活性的提高。
新型高效的催化剂是突破单体光催化材料载流子低分离和转移效率的重要途径。本文将Ni3Se4和CoSe2纳米粒子锚定在具有良好分散性的g-C3N4纳米片表面，合成了两种新的g-C3N4@Ni3Se4和g-C3N4@CoSe2光催化剂并实现了原位光催化析氢。相当严重的载流子的重组导致g-C3N4单体展现了大约只有1.9 μmol·h-1的极差的光催化析氢活性。Ni3Se4和CoSe2纳米颗粒对于加速载流子快速分离和转移的独特作用使得在g-C3N4表面负载Ni3Se4和CoSe2纳米粒子极大地提高了其产氢活性。G-C3N4@Ni3Se4展示了一个大约16.4 μmol·h-1的光催化产氢活性并且g-C3N4@CoSe2展现了一个大约25.6 μmol·h-1的光催化产氢活性，这分别是g-C3N4单体的8倍和13倍。其中，将Ni3Se4和CoSe2与g-C3N4耦合可以显著提高光吸收密度以及扩展光响应范围。激发态EY在g-C3N4@Ni3Se4和g-C3N4@CoSe2存在时比在g-C3N4存在时展现了更低的荧光强度，并且在g-C3N4@Ni3Se4和g-C3N4@CoSe2体系中可观察到最大的电子转移速率。相比g-C3N4@Ni3Se4@FTO和g-C3N4@CoSe2@FTO电极，g-C3N4@@FTO显现了最小的光电流响应密度和最大的电化学，这表明在g-C3N4纳米片表面引入Ni3Se4和CoSe2纳米颗粒增强了光生载流子的分离和转移效率，即基于g-C3N4的金属硒化的合成有效地抑制了光生载流子的复合以及促进了光催化水裂解制氢反应。同时，吸收带边的红移有效地降低了光激电子从价带到导带跃迁的阈值。此外，g-C3N4@Ni3Se4和g-C3N4@CoSe2复合催化剂的zeta电位比g-C3N4的更负，说明样品表面对质子增强的吸附。并且密度泛函理论结果表明：g-C3N4中N位点对H的吸附能为-0.22 eV，还发现氢原子更倾向于吸附在两个硒原子的桥位点上形成Se―H―Se键，并且吸附能为1.53 eV。所有对样品进行的透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis-DRS)、瞬态光电流、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)等相关表征都展示了彼此匹配的结果。
光交联固化可以使聚合物囊泡保持稳定的结构，从而使其在生物医学领域具有应用前景。升温是常用的控制药物释放的触发手段，但是其可能会导致细胞损伤，而通过降温进行药物可控释放则能够避免该问题。本文通过可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合制备了一种两亲性嵌段共聚物聚氧乙烯-嵌段-聚[(N-异丙基丙烯酰胺-无规-7-(2-甲基丙烯酰氧基乙氧基)-4-甲基香豆素)-嵌段-聚丙烯酸] [PEO43-b-P(NIPAM71-stat-CMA8)-b-PAA13]。该共聚物能够在水溶液中自组装形成囊泡。其中，P(NIPAM71-stat-CMA8)嵌段形成囊泡的非均相膜，而PEO链和PAA链形成囊泡的混合冠，囊泡的内部空腔可用于包载亲水性药物。可光交联的CMA基团可增强囊泡的稳定性，而PNIPAM链段赋予了囊泡温度响应特性。温度降低时，囊泡溶胀并响应性释放所包载的药物。通过动态光散射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征了囊泡的尺寸分布和形貌。为了验证囊泡载药和释药的能力，将一种水溶性抗生素包载在囊泡的空腔内，其在水溶液中释放12 h后，抗生素释放率在25 ℃时比在37 ℃时高近35%。总体而言，这种具有温度响应特性的光交联囊泡为降温触发的药物释放提供了一个范例，有望应用于降温触发药物释放领域。
振动光谱学是研究液体分子微观结构的强有力工具，利用振动光谱学探究外界条件作用下液体结构性质的变化是可行的。本文利用分子动力学模拟方法研究了从0到10 V·nm-1变化的外加电场对1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体的振动光谱的影响，并且详细分析了位于50，183，3196，3396 cm-1的振动峰的强度及位置随外加电场变化而变化的内在原因。随着外加电场从0增大到10 V·nm-1，由于模拟体系中平均每对阴阳离子的总偶极矩增大(从4.34到5.46 Debye)和阳离子的取向更加一致，使得位于50、183 cm-1的振动峰的强度相应地逐渐增强。位于3196 cm-1的振动峰的强度明显减弱，因为外加电场的作用使甲基和乙基侧链上碳原子周围的氢原子不断增多，从而使烷基链上碳氢键的伸缩振动受限。外加电场作用下分子间+C-H···F-氢键的减少使位于3396 cm-1的振动峰的强度逐渐减弱。而位于50和3396 cm-1的振动峰的红移现象分别归因于每对离子平均相互作用能的减小(从-378.7到-298.0 kJ·mol-1)和有利于氢键结合的弛豫效应。
石墨烯玻璃透明薄膜不仅具有石墨烯的高导热率和高电导率特性，同时表现出优异的电热转化和宽光谱高透光率特性。本文基于常压化学气相沉积技术获得了玻璃基(高纯石英JGS1)多层石墨烯薄膜，并对其电学特性、透光率以及电加热特性进行了详细的实验研究。结果表明：对于面电阻值为1500 Ω·sq-1，透射率为74%的石墨烯玻璃，当施加40 V外加偏压后，石墨烯薄膜可达到185 ℃的饱和温度，薄膜最高饱和温度达到325 ℃，加热速率超过18 ℃·s-1。与PET (Polyethylene terephthalate)基和硅基转移的石墨烯薄膜相比，直接生长石墨烯玻璃透明薄膜加热能力提高了195%，获得了更高的饱和温度、更短的热响应时间和更快的加热速率，并表现出优异的可重复性和长期稳定性，表明石墨烯玻璃在透明电加热领域中具有更加广阔的应用前景。
作为非金属催化材料的典型代表，碳材料已经成为催化领域的研究热点之一。本文采用石墨化氮化碳(g-C3N4)为硬模板，通过先包覆树脂后碳化的简便方法合成中空碳材料(h-NCNW)。采用X射线衍射(XRD)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)、N2吸附-脱附、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、热重(TG)、拉曼光谱和X射线光电子能谱(XPS)对h-NCNWs碳材料进行表征，并且研究了h-NCNWs催化剂对O2选择性氧化苯甲醇的催化活性。结果表明，通过在g-C3N4纳米片外围包覆由间苯二酚和甲醛前驱体缩合形成的薄层树脂，并在惰性气氛下进行高温热处理，去除g-C3N4硬模板，最终得到富氮(9.83%)空心蠕虫状碳材料，并且可通过改变制备过程中间苯二酚与g-C3N4的相对比例来调整氮含量和壳厚度。在h-NCNW中，杂原子N主要以石墨型和吡啶型的形式化学地结合到碳骨架中，其中石墨型N占主导地位，使得该材料在苯甲醇氧化反应中表现优异的催化活性。在120 ℃时，采用间苯二酚与g-C3N4质量比为0.5制备的h-NCNWs催化剂，苯甲醇转化率为24.9%，苯甲醛选择性> 99%。但是N掺杂量会显著影响h-NCNWs催化剂的催化活性，采用间苯二酚与g-C3N4质量比为1.5制备的h-NCNWs催化剂，苯甲醇转化率降低至13.1%。另一方面，h-NCNWs催化剂在反应过程中显示出优异的稳定性，在五次循环使用过程中催化剂的活性保持不变。综上所述，理性设计和合成的碳材料作为多相氧化反应的催化剂具有巨大的潜力。
天然皮革(NL)具有质轻、无毒、柔软和可穿戴性好的特点。本文将稀土氧化物纳米粒子(RE)引入天然皮革中制备了稀土-天然皮革复合材料(RE-NL)，并考察其X射线屏蔽性能。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等方法对所制备的材料进行表征，结果表明，通过制革的“复鞣”方法可成功制得稀土-天然皮革复合材料。对不同稀土天然皮革复合材料进行X射线屏蔽性能测定，发现纳米氧化镧-天然皮革(La-NL)有更优异的屏蔽性能，这是因为其K吸收边能量同X射线入射能量较近。当纳米La2O3在材料中的摩尔含量为7.80 mmol·cm-3时，所制备的La7.80-NL在40–80 keV有优异X射线屏蔽性能，比0.25 mm的铅板(摩尔含量为54.7 mmol·cm–3)具有更好的屏蔽性能，表明稀土在天然皮革中的高度均匀分布增强了其对X射线的屏蔽能力。力学性能测试表明稀土-天然皮革X射线屏蔽材料较高分子聚合物基稀土复合材料具有更好的力学性能和柔软性。
离子液体的物理化学性质稳定且结构可调，被认为是潜在的新一代绿色高效生物分子溶剂。本文通过密度泛函理论研究了系列咪唑基离子液体与两性离子型氨基酸(酪氨酸)的相互作用及机理。利用对称微扰理论(SAPT)、分子中的原子理论(AIM)及约化密度梯度函数(RDG)，分析了氢键作用、静电力、诱导力和色散力对离子液体-氨基酸体系相互作用的贡献。计算结果表明静电作用对于阴、阳离子与酪氨酸的相互作用占主导地位。对于系列阳离子而言，具有不同的甲基取代位点和烷基侧链长度对不同的相互作用模式会产生显著影响。其中，当甲基位于咪唑环的C2位点时，诱导力与色散力占比差别较小;当甲基取代位于咪唑环的N3位点时，诱导力与色散力占比差别较大。产生这一差异的原因在于当甲基位于C2位时，氢键、咪唑环与苯环之间的π+-π作用为主要作用模式，而甲基取代位为N3位时，氢键和烷基链与苯环之间的CAlkyl-H…π作用则成为主导。进一步获得离子对-酪氨酸的相互作用能变化趋势与阳离子-酪氨酸的变化趋势一致，阴阳离子的共同作用使其与酪氨酸结合更稳定。该研究结果阐明了离子液体中阳离子氢键位点及侧链长度差异对于离子液体-酪氨酸体系的相互作用模式的影响机制，为高效分离氨基酸的功能性离子液体的设计和筛选提供了新思路。
钯基电催化剂广泛应用于直接醇类燃料电池碱性介质电催化剂。理解Pd电催化剂在醇类电催化氧化反应中的结构效应具有重要意义。本文中我们制备了PVP封端的不同形貌和尺寸的Pd纳米晶并对比研究了其在碱性介质中甲醇和乙醇的电催化氧化活性。实验结果表明具有相近尺寸(7–8 nm)的Pd纳米立方体和纳米八面体在甲醇和乙醇电氧化反应中表现出相近的本征活性，且Pd纳米立方体电催化甲醇和乙醇氧化本征性能随尺寸增大而增加。不同Pd纳米晶的电催化甲醇和乙醇氧化反应行为可归因于Pd纳米晶暴露晶面和受尺寸依赖的Pd纳米晶表面PVP封端剂覆盖度和PVP向Pd纳米晶电荷转移作用影响的Pd纳米晶电子结构。本文结果展示了金属纳米晶表面封端剂对其表面结构和催化性能不可忽略的影响。
基于ReaxFF反应力场的反应分子动力学(ReaxFF MD)模拟方法已应用于复杂反应过程如热解、氧化、催化反应等反应机理的研究而备受关注。这类过程不仅化学反应复杂、且伴随物理过程的变化，其模拟结果分析具有挑战性。国际上首个ReaxFF MD化学反应分析及可视化工具VARxMD可在自动分析化学反应位点的基础上获得完整反应列表、反应物和生成物的动态演化、指定反应物与生成物之间的反应网络等多层次化学反应信息，并进行基于2D和3D化学结构的可视化。因VARxMD主要针对完整模拟体系进行全局化学反应信息的挖掘，缺乏针对模拟体系中指定3D局部区域内的化学反应进行追踪和物理性质分析的能力。本工作基于VARxMD对全局化学反应的分析结果和可视化方法，通过动态继承VARxMD的全局反应分析结果，从VARxMD全局反应3D可视化视图入手进行扩展，将VTK可视化框架的观察者模式与命令模式相结合，建立了模拟体系3D局部区域的选择和绘制方法，实现了3D局部区域内化学反应追踪和瞬态结构特性的分析。从模拟体系全局分析到3D局部区域分析能力的扩展已应用于煤热解反应模拟中煤颗粒孔道间的反应追踪以及含能材料热分解过程中富碳团簇形成过程中的瞬态结构表征，也有望应用于催化反应体系表界面反应分析、含能材料爆轰过程中反应热点分析，以及煤、生物质、高分子、碳氢燃料、含能材料等体系的热解与氧化反应的ReaxFF MD模拟。
利用2, 4, 6-三甲基苯甲酸和5, 5'-二甲基-2, 2'-联吡啶配体在溶剂热的条件下成功合成出系列三元稀土超分子配合物[Ln(2, 4, 6-TMBA)3(5, 5'-DM-2, 2'-bipy)]2 (Ln = Pr 1, Nd 2, Sm 3, Eu 4, Gd 5, Dy 6)，并对其进行了单晶X-射线衍射、元素分析、热重分析等一系列表征。研究结果表明配合物1-5同构，中心离子的配位数为9，配合物通过π–π堆积作用形成一维、二维的超分子结构。配合物6具有不同的结构，中心镝离子的配位数为8，分子间通过π–π堆积作用和C－H···O氢键形成一维、二维的超分子结构。利用TG/FTIR技术研究了配合物的热稳定性和热分解机理，荧光光谱表明配合物4可以发射出Eu3+离子的特征荧光，同时对配合物6的磁性进行了初步探究。
作为碳纳米材料家族的一颗新星，碳点因具有奇特的光致发光特性、良好的生物相容性和稳定性而受到广泛关注。其制备方法通常可以归纳为“自上而下”和“自下而上”两种，而混酸回流是一种自上而下制备碳点的重要方法，中和是其中不可缺少的步骤。本文以富勒烯副产炭灰为原料，利用混酸回流方法制备了黄光发射的碳点，系统研究了NaOH、Na2CO3、K2CO3和NH3·H2O四种不同中和试剂对碳点结构和发光特性的影响。热重分析、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱的研究结果表明：中和试剂的改变，影响碳点表面酸性官能团的解离程度，该结论被表面活性剂复配体系的相行为研究结果所印证。碳点结构的变化，影响了碳点的表面态，导致碳点光谱特性，如紫外-可见吸收和荧光光谱的改变。选用了四种中和试剂中，Na2CO3处理得到的碳点表现出最优的发光性能。我们的研究还表明：中和试剂的选用是调节混酸回流方式，制备碳点性能的重要途径。而且碳点反离子的改变对其发光性能也具有明显影响。总之，中和试剂的碱性和反离子种类共同影响着碳点的表面结构，带来了不同的性能。这项工作提示着研究者在未来制备碳点时有必要将中和试剂的种类作为一项实验条件。
本研究采用水热法构建出2D/2D Ti3C2/Bi4O5Br2纳米异质结，在可见光下研究了该复合材料对NO的光催化去除能力。实验表明，15%Ti3C2/Bi4O5Br2对NO的光催化去除效率相比纯Bi4O5Br2显著提高：其降解效率达到57.6%，比Bi4O5Br2高27.1%。同时，15%Ti3C2/Bi4O5Br2具有很好的稳定性，经过5次循环催化，其催化率依然接近50.0%。研究发现，反应过程中主要的反应活性物质是e−和·O2−，光氧化产物主要为NO2−和NO3−。分析复合材料的光催化机制，发现光催化活性的提高主要得益于2D/2D Ti3C2/Bi4O5Br2异质结提高了电子与空穴的分离率，从而提高了光催化效率。这项工作提供了一个制备2D/2D纳米复合材料用于光催化降解环境污染物的有效方法，在缓解能源紧张与环境污染方面有巨大应用潜力。
