关键词： 聚丙烯腈   MgO纳米颗粒   Ag纳米颗粒   纳米纤维   复合过滤膜  

摘要： 为提高聚丙烯腈(PAN)纳米纤维膜的性能,在PAN溶液中掺杂了MgO和Ag纳米颗粒(MgONPs和AgNPs),通过静电纺丝方法制备了不同质量分数的PAN/MgO/Ag复合纳米纤维过滤膜,采用扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱仪、紫外线透反射分析仪、过滤性能测试仪测试复合纤维过滤膜的微观形态、结晶结构、透气性、透湿性及过滤性能等。结果表明:纯PAN纳米纤维的直径为222.9 nm,PAN/MgO/Ag复合纳米纤维的直径为151.5 nm~258.6 nm。相对于纯PAN纤维膜,PAN/MgO/Ag复合纤维膜具有优良的过滤性能和紫外线防护性能,其紫外线防护系数为38.73~55.37,过滤效率为95.36%~97.59%,阻力压降为46.06 Pa~58.31 Pa。当MgONPs和AgNPs的质量分数都是0.75%时,PAN/MgO/Ag复合纤维膜的品质因子最高,为0.071 4 Pa^(-1),过滤性能最好,属于高效低阻且具有防紫外线功能的过滤膜材料。

关键词： 二氧化锡纳米薄膜   Ag纳米颗粒   异质结   气体传感器  

摘要： 采用磁控溅射法在p-Si衬底上沉积二氧化锡(SnO_(2))纳米薄膜并在其上负载银(Ag)纳米颗粒作为气体传感器的敏感材料。实验结果表明:负载Ag纳米颗粒提高了SnO_(2)纳米薄膜的灵敏度。Ag溅射时间为80 s,负载量为6%质量分数的SnO_(2)纳米薄膜对乙醇气体的响应值较未负载Ag纳米颗粒时提高了78.7%,这可以归因于Ag纳米颗粒与SnO_(2)纳米薄膜之间形成了异质结。实验测试了工作电压对SnO_(2)纳米薄膜灵敏度的影响,当工作电压均为5.5 V时,传感器对乙醇和丙酮气体的响应最佳,响应值分别为3.49和4.51。

关键词： 核壳结构   高密度   贵金属   表面增强拉曼散射   纳米纤维   染料  

摘要： 基于PA66片晶结构实现了银包金核壳纳米颗粒(Au@AgNPs)在PA66纳米纤维表面的原位高密度组装,系统探究了反应时间对复合纤维膜微观形貌的影响,并对复合纤维膜的SERS性能进行了研究。结果表明,复合纤维膜上组装的纳米颗粒粒径随反应时间增加而增大,复合纤维膜(反应时间为10 min)有着最高的SERS活性,对罗丹明6G(R6G)具有较高的检测灵敏性和信号再现性,同时,对染料分子罗丹明B､结晶紫(CV)和孔雀石绿(MG)均具有良好的检测灵敏性,检测限分别为10^(-9)､10^(-10)､10^(-10) mol/L。

关键词： 摩擦纳米发电机(TENG)   生物质材料   可降解   Ag纳米颗粒   TiN纳米颗粒  

摘要： 随着全球变暖和环境污染的加剧,探索一种可靠的清洁能源成为关注的焦点,而在众多的清洁能源之中,机械能由于分布广泛且受环境等因素限制较少而被关注。然而,如何有效地收集机械能是一个棘手的问题。因此,为了能够这种能量,在2012年,王中林等人发明了一种称为摩擦纳米发电机(TENG)的能量收集器,它可以有效的将低频机械能转化为电能。值得注意的是,TENG器件通常是由难以降解的材料构成,开发和使用生物质基的TENG成为必然。本文选取了两种典型的生物质材料,油菜秸秆和壳聚糖作为基底材料,立足于生物质材料在摩擦纳米发电机中的应用问题,围绕着“生物质基摩擦纳米发电机的输出性能的提高”,通过介电调控、表面改性和构建微纳结构的方法,有效地提高了TENG的输出性能,主要内容如下: (1)利用天然油菜秸秆粉末(RS)和聚乙烯醇(PVA)制备了天然薄膜(RS/PVA),并使用RS/PVA和聚四氟乙烯(PTFE)构筑了RS-TENG。油菜秸秆粉末的加入增加了RS/PVA薄膜的羰基、羟基和氨基酸官能团的含量,使得薄膜获得了更好的电学性能。油菜秸秆粉末的加入也使得薄膜表面的有效接触面积增加,这同样提升RS-TENG的输出性能。RS-TENG的开路电压为78V,短路电流为5.3μA。将RS/PVA薄膜浸泡在PBS溶液中,结果证明其具有高度可降解性和生物友好性。最后,通过将RS-TENG用于步态传感证明了其良好的应用潜力。 (2)壳聚糖是一种典型的动物生物质材料,分布广泛。使用壳聚糖材料和银纳米颗粒构筑了TENG(AC-TENG),基于介电调控、构建微纳结构的方法,进一步增强了AC-TENG的性能。结果证明,当掺杂浓度在6wt%时,性能最佳。此外,在3.5Hz和10N的条件下,AC-TENG最大的开路电压为74V,短路电流为4.7μA。同时本文创新性的使用漏电流这一概念解释了浓度与输出性能之间的关系。最后,通过发送摩斯电码的方式来验证其应用价值。 (3)为了进一步证明介电调控方法的有效性,通过掺入另一种导电颗粒TiN开发了基于TiN/壳聚糖薄膜的摩擦纳米发电机(TC-TENG),并使用Comsol Multiphysics 6.2对最佳输出性能的器件进行仿真,仿真结果与实测结果较好的吻合,这进一步的证明了介电调控方法的有效性。通过将TC-TENG用于为低功耗设备提供能源,成功地点亮了8个蓝色LED并为商用计算器供电。TCTENG在尺寸上的灵活性使其能够应用于人体传感器,这项工作为TENG在传感器方向的应用提供了一条可行的途径。 综上所述,本文搭建了TENG的测试平台,选取了两种典型的生物质材料作为基底,基于介电调控、表面改性和构建微纳结构的方法有效提高了TENG的输出性能,为生物质基的TENG开发和应用提供了一条新的研究思路。

关键词： 海水淡化   太阳能驱动界面蒸汽化   椰壳碳   多壁碳纳米管   Ag纳米颗粒  

摘要： 水是生命之源,淡水资源短缺已经成为制约人类社会可持续发展的一大问题。虽然利用传统海水淡化技术建造的海水淡化工厂已经可以向部分工业企业供应淡水,但这些技术都具有些技术都具有工艺复杂,设备昂贵的特点,而且还需要传统化石能源作为输入能量,不利于可持续发展。太阳能热脱盐为低成本、模块化和高效脱盐系统提供了一条途径。然而在实际应用中,太阳能驱动界面蒸汽化系统还存在着蒸发速率低、盐沉积、热损失、使用寿命短等问题。 本文以宽光谱高效吸收和强光热转换能力的碳基材料为光热转换材料、以三聚氰胺泡沫为载体,设计亲/疏水双层结构以实现界面蒸发,并对其提高光吸收效率、减少能量损失等方面进行研究,设计制备具有高速率、稳定和耐盐的光热转换膜。 首先,以椰壳碳作为光热转换材料、将其涂覆在三聚氰胺泡沫上制备了椰壳碳光热转换膜,通过对亲/疏水结构的设计,不仅使光热转换膜可以自漂浮在水面上,同时能够实现界面蒸发。测试表明,椰壳碳光热转换膜在400-2400 nm波长范围内具有超过78%的光吸收效率,并在实际海水测试中可实现1.37 kgm-2h-1的蒸发速率。 其次,以多壁碳纳米管（MWCNTs）作为光热材料、以三聚氰胺泡沫为载体制备MWCNTs光热转换膜,MWCNTs光热转换膜在400-2400 nm波长范围内具有超过90%的光吸收效率。在实际海水中的蒸发速率达到了1.69 kgm-2h-1。在连续9天的循环测试中,平均蒸发速率为1.56 kgm-2h-1且无盐沉积。对淡化后的海水进行离子浓度测试,Na+、Mg2+、K+、Ca2+的离子浓度相比于海水降低了3个数量级。 最后,以通过液相还原法在MWCNTs负载Ag纳米颗粒作为光热材料、以三聚氰胺泡沫为载体制备MWCNTs-Ag光热转换膜。Ag纳米颗粒负载量为6.7%时,在200-300 nm波长范围内的光吸收效率较MWCNTs光热转换膜提高20%,增加了光热转换膜在紫外光区的吸收效率。由于Ag纳米颗粒与MWCNTs相互协同作用,在实际海水测试中,蒸发速率达到了1.83 kgm-2h-1。在连续10天的循环测试中,平均蒸发速率为1.73 kgm-2h-1且无盐沉积。

关键词： 紫外光电探测器   锡酸锌   Ag纳米颗粒   异质结   光响应性能  

摘要： 锡酸锌（Zn2SnO4）纳米材料具有宽带隙、高电子迁移率、高化学和热稳定性、高可见-近紫外透明度等优异性能,在制备高性能低成本紫外光电探测器方面有着巨大的潜力。但是,目前对Zn2SnO4纳米材料的研究主要集中在光催化降解、透明导电电极、气体传感器等领域,在紫外光电探测方面的研究仍然较少。本论文采用水热法制备Zn2SnO4纳米材料,通过形貌调控、贵金属沉积以及构筑异质结等方式来提升Zn2SnO4基紫外光电探测器的性能。本论文的主要研究结果如下: （1）采用水热法制备了片状N-Zn2SnO4与八面体状O-Zn2SnO4,并将其与ITO透明导电电极构筑成肖特基结型紫外光电探测器。相比O-Zn2SnO4,N-Zn2SnO4具有较强的紫外光吸收率和较大的禁带宽度。Zn2SnO4基紫外探测器具有一定的整流特性和自供电特性,且在无外加偏压时探测器的光电流具有较好的稳定性和可重复性。N-Zn2SnO4基探测器具有较高的光电流、光暗电流比和响应度,这是因为片状结构利于紫外光的吸收,可以为光生电子提供更多的传输通道,并减少载流子的复合。因此,N-Zn2SnO4更适合用于紫外探测器件中。 （2）采用光还原法在N-Zn2SnO4表面沉积了Ag纳米颗粒（AgNPs）,构筑了AgNPs/Zn2SnO4基紫外光电探测器。结果表明,AgNPs附着 在N-Zn2SnO4表面,AgNPs/Zn2SnO4的禁带宽度相比N-Zn2SnO4略有减小,且在可见光区的吸收率增加。AgNPs/Zn2SnO4基探测器在紫外光照射下具有自供电特性和良好的稳定性,其中5%AgNPs/Zn2SnO4基探测器表现出较快的响应速度（τr=0.161 s,τd=0.154 s）、大的光暗电流比（829）和高的响应度（21.7 A/W）,其光电性能的提高归因于AgNPs提升了光生载流子的数量及分离效率。因此,AgNPs修饰是优化Zn2SnO4基紫外光电探测器性能的一种有效方法。 （3）采用一步水热法制备了ZnO/Zn2SnO4异质结复合材料。复合材料由松散堆叠的六角形纳米片组成,其结晶质量随着退火温度的升高而提高。与N-Zn2SnO4相比,ZnO/Zn2SnO4复合材料的紫外光吸收度略有降低,吸收边随着退火温度的升高发生红移。退火温度为500℃时,ZnO/Zn2SnO4中较大尺寸和排布松散的纳米片有利于对光的吸收,且其较好的结晶质量优化了电子的传输路径,同时ZnO与Zn2SnO4形成的II型能带结构有效促进了光生载流子的分离和输运。这些因素共同提升了ZnO/Zn2SnO4基紫外探测器的性能。

关键词： 合金   纳米颗粒   Au-Ag Janus纳米颗粒   高熵合金   CoNiCrFeMn  

摘要： 双金属Janus纳米颗粒组装结构因其独特的光学,催化性能等而备受关注。而由多种金属元素形成的高熵合金则因其优于传统合金的独特低温断裂抗性、良好的强度韧性平衡性、优异的高温抗蠕变性等成为研究的热点。但是,双金属Janus纳米颗粒因其制备困难,大量工作集中在其实验合成上,缺乏理论方面的研究。另一方面,虽然通过改变元素含量调控高熵合金的微结构和机械性能是一种常用的实验手段,但是由于体系庞大且组成复杂在原子尺度理解高熵合金优异性能的理论工作仍面临巨大挑战。本论文基于分子动力学模拟,首先在原子尺度下研究了双金属Janus纳米颗粒的自组装动力学过程;接着对元素含量调控高熵合金的机械性能以及其变形机制进行了研究。主要研究内容如下: 1.通过全原子分子动力学对Au-Ag Janus纳米颗粒通过溶剂蒸发的方式在油水界面处的自组装过程进行了研究,发现在整个自组装的过程中,Au-Ag Janus纳米颗粒表面的配体分子之间的范德华相互作用起到了主导的作用。探究了不同溶剂蒸发速率对Au-Ag Janus纳米颗粒的影响,发现溶剂蒸发速率对Au-Ag Janus纳米颗粒自组装的能量变化影响相对较小,但是对纳米颗粒的取向以及其质心空间移动存在一定的影响。蒸发速率快会使Au-Ag Janus纳米颗粒快速靠近从而限制其转动,反之Au-Ag Janus纳米颗粒则有更充足的时间与空间进行转动。同时还发现,Au-Ag Janus纳米颗粒由于两种元素的极性不同导致纳米颗粒内部存在偶极子,且平行Au-Ag Janus纳米颗粒阵列比反平行排列的更加稳定。平行与反平行Au-Ag Janus纳米颗粒阵列的相互作用能的差异来源于Au-Ag Janus纳米颗粒之间偶极-偶极相互作用。这一结果为双金属Janus纳米颗粒的自组装及调控提供了理论指导。 2.通过分子动力学模拟对不同Mn含量单晶/多晶(CoNiCrFe)100-xMnx高熵合金的单轴拉伸的过程进行了模拟。单晶的(CoNiCrFe)100-xMnx高熵合金短程序参数计算结果表明,在(CoNiCrFe)100-xMnx高熵合金中并不存在短程序。单晶/多晶(CoNiCrFe)100-xMnx高熵合金的应力应变曲线的结果表明随着Mn含量的升高,高熵合金的屈服强度,杨氏模量和平均应变在逐渐降低。这是由于随着Mn含量的升高,高熵合金的层错能在逐渐降低,导致合金内原子面间的滑移所需应变变小。与单晶高熵合金不同的是在多晶高熵合金中出现了加工硬化区。通过共近邻分析发现,在单晶/多晶(CoNiCrFe)100-xMnx高熵合金的拉伸过程中发生了明显的面心立方相(faced centered cubic,FCC)到六方密堆相(hexagonal close-packed,HCP)的转变,从而在合金内部产生大量成网状分布的孪晶。相转变点发生在弹性区与塑性区的分界点,分界点对应的应变随Mn的含量升高而变小。通过位错分析发现,在拉伸过程中单晶/多晶(CoNiCrFe)100-xMnx高熵合金在进入到塑性变形区后位错大量增殖,并且位错类型以Shockley型位错占主导部分。同时,还发现在合金中存在大量的Lomer-cottrell位错。这种位错不仅为FCC到HCP的相转变提供了形核点,同时起到了束缚位错的作用,有利于多晶的加工硬化过程。这为通过改变元素含量调节高熵合金的性能提供了理论指导。

关键词： 表面增强拉曼散射   Ag纳米颗粒   复合基底   快速检测  

摘要： 量化检测和鉴定超低浓度生物和化学分子是医学诊断、环境科学和国土安全领域的研究“热点”。目前常用的分子检测技术包括光学、电化学以及质谱法等。其中,表面增强拉曼散射（SERS）技术因其高灵敏度、良好的选择性和指纹特征而受到关注,可实现非破坏性测试。它通过放大电磁场并建立化学吸附分子和SERS活性平台之间的电荷转移态来执行分子分析。因此,利用SERS技术的高灵敏度和快速响应的优势,对实现这些痕量污染物分子的实时快速预警具有重大意义。然而,目前SERS技术的适用性受到限制,主要是由于缺乏高灵敏度、良好的重复性和稳定性。过去几年,研究人员专注于构建具有结构、材料和尺寸复合的SERS平台,以增加吸附和“热点”形成。然而,制造这样的平台的成本高,技术要求也高,因此有必要开发一种更经济简单的SERS平台以拓宽其应用领域。本文通过简单操作制备了两种SERS基片,并提出了一种新的管基SERS传感器,构筑了灵敏性高、信号均匀的三维SERS衬底。研究主要内容如下: 1.通过Ag-NPs溶液的原位合成、Ag-NPs薄膜的离心组装和复杂基体的无分离检测等连续过程,提出了一种新型的管基SERS传感器,简化了SERS制备,实现了现场可展开检测,具有操作简便、易于操作的突出优点。易于集成,批量生产。高密度Ag-NPs均匀地组装在离心管的内表面,提供了大量的SERS“热点”,扩大了对靶向分子的高灵敏度。该传感器具有超高的灵敏度,平均增强因子为8.7×10～7,重现性提高,相对信号偏差降低到3.92%。基于该管式传感器,可直接实现水中福美双和牛奶中三聚氰胺的现场快速检测,无需预处理。因此,这种便携式、低成本的管状SERS传感器在环境监测和食品安全领域具有广阔的应用前景。 2.采用纳米压印、阳极氧化和电沉积的方法,制备了一种高度均匀的以Ag纳米粒子（Ag-NPs）装饰的三维Al纳米针阵列（Al NNAs）。Al NNAs具有1μm的高度有序周期性和800 nm的纳米针高度,使其成为承载Ag-NPs作为表面增强拉曼散射（SERS）衬底的最佳支撑基质。这种有序的Ag@Al NNAs SERS传感器具有精确的电沉积银纳米粒子,可以容纳大密度的宿主点来吸附目标分子。结果表明,Ag@Al NNAs对罗丹明6G的灵敏度低至10-13M,信号重现性好,相对标准偏差为7.2%,平均增强因子为4.23×10～9。对于污染物的实际检测,使用Ag@Al NNAs传感器可以清楚地识别出水中10-8 M的腺嘌呤和10-12M的双酚A,特别是牛奶中10-7 M的透明性差的三聚氰胺。本研究为制造成本和灵敏度平衡良好的SERS传感器开辟了一条光明的道路,在环境监测和食品安全方面具有广阔的应用前景。