关键词： 光电探测器   MXene   ZnO   石墨烯   SnO2  

摘要： 光电探测器是现代电子工业的关键部件,对于光信息的捕获和处理极为关键,广泛应用于军事、经济等多个领域。二维材料由于超薄的纳米结构、丰富的物理性质和强的光物质相互作用等特性为光电探测器的发展带来了新的机遇。Ti3C2-MXene是层状过渡金属碳化物,通过在MAX相剥离时产生,作为新型二维材料引起研究热潮,具有可调功函数（1.6-8.0 e V）、优异的光学透明度和金属电导率,作为肖特基电极材料,应用于光电器件、能量转换与存储、传感器等方面。Ti3C2-MXene基光电探测器存在高暗电流、低光吸收、短载流子寿命的限制,为提升Ti3C2-MXene基光电探测器的开关比、响应度和探测率,本论文通过和不同低维纳米结构材料(氧化锌（ZnO）、氧化锡（SnO2）、石墨烯（Graphene）)复合构筑肖特基结,提高在紫外-可见光-近红外波段的光电探测性能。具体研究内容如下: 1.为提升器件在紫外光范围的吸收能力,通过旋涂法制备MXene/ZnO Nanorods杂化材料。与纯ZnO Nanorods相比,MXene/ZnO Nanorods光电探测器在5 V电压和368nm波长下,开关比、响应率和比探测率分别提高了约14.4倍、418倍和933倍,上升和下降时间快31%和76%。MXene/ZnO Nanorods肖特基结构可以有效减少载流子复合,提高光致载流子的分离效率,减少响应时间,为提升ZnO Nanorods光电探测器性能提供了新策略。 2.为进一步提高光电探测器在紫外区域的探测能力、响应速度和自驱动特性,将二维MXene纳米片均匀涂覆在静电纺丝法制备的SnO2纳米纤维阵列上,获得MXene/SnO2纳米纤维杂化材料。相较于单一的SnO2纳米纤维（0.2 V）,MXene/SnO2光电探测器在0 V和368 nm波长下的开关比高达36700,响应率达到1.56 A W-1,比探测率为1.54×1013Jones,分别提升了约352倍、5.75倍和5.75倍。该器件上升时间和下降时间分别为22ms和20 ms,提高了48%和50%。MXene/SnO2肖特基结构能够迅速分离和收集载流子并减少了载流子的复合概率,传输路径较短,可以有效降低暗电流和提升光电流,显著提高开关比和紫外区的探测率。 3.为扩宽光电探测器在可见光-近红外区域的探测能力,通过旋涂法制备MXene/Graphene/Si光电探测器,在300-1000 nm波长范围内均有自驱动响应。相比MXene/Si光电探测器,该器件在0 V下,368 nm、724 nm的开关比分别是1483和418,分别提高了22.5倍和8.1倍,上升时间和下降时间提高53%和28%。在368 nm处,MXene/Graphene/Si肖特基结探测器具有最高的光响应度和比探测率达到为182 m A W-1和1.8×1012 Jones,Graphene的引入提高了MXene/Si器件的光电性能,扩展了响应范围,为提高Si基光电探测器提供了新的思路。

关键词： 粉煤灰-矿渣基地聚物   氧化石墨烯   力学性能   抗氯侵蚀性能  

摘要： 地聚物是一种由含铝硅酸盐的工业固废与强碱性激发剂反应生成的沸石状无定形胶凝材料,因稳定的三维网络状分子结构而具有强度高、微观结构密实和抗渗性能强等特点。然而,由于地聚物存在收缩严重、抗拉强度低等缺点导致其在实际工程中的应用受阻。本研究基于氧化石墨烯优异的理化性质,将其作为地聚物的改性材料,探究了粉煤灰-矿渣基地聚物(F-MA)力学性能和抗氯侵蚀性能随氧化石墨烯掺量的变化规律。并通过宏观测试和微观分析探讨了氧化石墨烯在F-MA中的最优掺量,最终揭示了氧化石墨烯提升F-MA力学及抗氯侵蚀性能的作用机制。主要研究结论如下: (1)当碱固比为5%,水玻璃模数为1.5,粉煤灰与矿渣的质量比为3:7时,F-MA的力学性能最优,标准养护28天的抗折-抗压强度分别是5.77MPa和68.02MPa。 (2)当氧化石墨烯掺量为0.01%时,氧化石墨烯-地聚物(FMAGO)的力学性能最优,相比于基准组其标准养护28天的抗折-抗压强度分别提升了14.21%和7.73%。微观分析结果表明氧化石墨烯可以从物理层面优化地聚物的微观结构、填补孔隙、提升密实度并阻碍微裂纹扩展。此外,适量氧化石墨烯掺入还可以促进地聚物的水化反应,生成高Ca/Si比、高Al/Si比和高聚合度的C-(A)-S-H凝胶。 (3)FMAGO的抗氯侵蚀性能随氧化石墨烯掺量增加呈现出先上升后下降的趋势,当氧化石墨烯掺量为0.01%时,FMAGO具有最优抗氯侵蚀性能。FMAGO抗氯侵蚀性能提升是因为氧化石墨烯掺入增强了地聚物的整体性和致密程度,阻碍了外界氯离子向地聚物内部的迁移速率。此外,氧化石墨烯可以促进FMAGO的水化进程,使其生成更多水滑石和多铝相C-(A)-S-H凝胶,进一步增强了FMAGO对氯离子的物理吸附和化学结合能力。

关键词： 金属基石墨烯复合涂层   电化学剥离   电化学沉积   耐磨性  

摘要： 磨损是造成机械易损零部件失效的主要原因,每年造成的国民经济损失更是高达上千亿。金属基复合材料由于引入强化相而兼具金属基体和强化相的优异性能,从而在摩擦磨损及腐蚀于防护领域展现其显著的优势,成为该领域的一个热点研究课题。而具有高强度、对离子（Cl-、CO2）等腐蚀性气体不渗透性使石墨烯成为金属基复合材料最理想的强化相材料之一。众多研究者将其加入Cu、Ag、Ni、Cr等金属材料,来提高金属的耐磨性、耐蚀性,增加机械零部件的使用寿命。 由于石墨烯自身比表面积大、层片间的π-π相互作用使其极易团聚,致使复合材料往往得不到所期待的性能。众多研究者在石墨烯的团聚问题上做了很多研究,也取得了一定效果,但并未从根本上解决问题。同时,石墨烯的制备成本较高,限制了其工业化应用。目前石墨烯制备方法主要有机械剥离、外延生长、化学气向沉积（CVD）、电弧放电、化学氧化、电化学剥离等方法。电化学剥离法因为其低成本、高质量、高效率等优点被广泛研究。与此同时,在各种复合材料的制备方法中,电化学沉积技术因其设备简单、操作便捷、高效可控等优点具有独特的优势。 对于石墨烯的团聚,关注的焦点一般在于石墨烯与基体的相互作用及在其中的分散问题,而往往忽视了石墨烯本身在制备过程中的不可逆团聚问题。在我们的研究过程中发现,石墨烯剥离过后的干燥过程会由于羟基和羧基的酯化反应导致石墨烯片层之间的堆叠,造成严重的团聚现象,而团聚后的石墨烯再次进入液相,其分散难度会大大增高。石墨烯的制备与材料复合目前缺乏一体化考虑及相关性研究。基于此,本文将电化学剥离技术和电沉积技术相结合,利用电镀液中本身可以稳定存在的离子对石墨棒进行剥离,研究了剥离参数对石墨烯剥离过程的影响,将获得的湿式石墨烯配入镀液,进一步沉积制备了银-石墨烯、铬-石墨烯复合涂层,避免了由于石墨烯制备中干燥过程发生酯化反应引起的团聚。通过FE-SEM、TEM、SAED、Raman、FTIR、电化学工作站等表征方法对石墨烯的剥离过程、形态、结构进行了研究,采用SEM、EDS、XRD、显微硬度计、纳米压痕测试系统对复合涂层的表面形貌、成分、结构、硬度和弹性模量等进行了表征,通过摩擦磨损测试了复合涂层的耐磨性。研究结果如下: （1）电化学法制备剥离石墨烯:在H2SO4、HNO3、KNO3、Na NO3溶液中进行石墨烯的剥离,探究了石墨电极的材质、电解液种类、电解液浓度对石墨烯剥离过程的影响。结果表明:0.4M浓度下四种电解液均可获剥离得到典型的层片状石墨烯。在HNO3溶液中剥离得到的少层石墨烯中具有一定量的双层石墨烯,电化学反应的发生导致石墨烯片产生了醇、酸、酮、酯、醛等基团。 （2）银-石墨烯复合涂层的制备及其耐磨性研究:将HNO3溶液中剥离得到石墨烯配入镀银液,进一步电沉积得到银-石墨烯复合涂层,研究了石墨烯的干燥对其分散性以及涂层表面形貌、生长模式、耐磨性的影响。结果表明,干燥过程由于表面羟基和羧基的酯化反应引起了石墨烯的团聚、降低了石墨烯在溶液中的分散性,造成石墨烯在涂层中的团聚。将湿式石墨烯引入镀液,进一步沉积得到的复合涂层表面光滑,未出现团聚现象,涂层硬度增加、表面能降低,摩擦过程存在着磨料磨损和黏着磨损机制的改善,大大提高了涂层的耐磨性。 （3）铬-石墨烯复合涂层的制备及其耐磨性研究:将H2SO4溶液中剥离得到的湿式石墨烯引入镀铬液,进一步电沉积得到铬-石墨烯复合涂层,研究了石墨烯对铬涂层摩擦磨损性能的影响。结果表明,石墨烯的加入降低了涂层表面裂纹的密度、宽度,抑制了裂纹的扩展。涂层硬度、弹性模量增大、耐磨性得到了提升。

摘要： 一、大概念教学分析2020年人教版教材《物质结构与性质》以“物质的组成与结构决定物质的性质与变化”这一大概念为统领，引导学生从原子结构决定元素性质→元素组成决定物质性质→分子的组成与结构决定物质性质→晶体的组成与结构决定物质性质等视角逐步建构和完善大概念。因此，本节课从两个维度对石墨烯结构进行探讨，一是物质中原子间的相互作用，二是物质中原子间的几何关系，即物质的空间结构。同时，探究了石墨烯的结构决定了它具备怎样的性质和用途。

关键词： 石墨烯-FIR   高脂饮食   代谢紊乱   肠道菌群   焦虑样行为   神经炎症  

摘要： 目的: 高脂饮食（high-fat diet,HFD）引起的肥胖会导致机体能量代谢紊乱和神经炎症,但目前临床缺乏有效的干预策略,寻找治疗肥胖及能量代谢紊乱的新方法对改善机体健康具有重要临床意义。热疗（hyperthermia therapy,HT）是一种常见的物理疗法,具有舒适性、准确性、非侵入性等特点,在疾病治疗及健康维持方面有很大的应用前景。以往研究表明,远红外热疗（Far-infrared ray,FIR）能够改善炎症、氧化应激、肠道菌群失调等,但远红外热疗对机体能量代谢紊乱及神经炎症作用尚不明确。因此,本研究拟通过HFD诱导的肥胖小鼠模型,探究石墨烯发热膜独特的远红外光谱效应,对HFD小鼠肥胖的影响及其对能量代谢紊乱和神经炎症的调控机制。 方法: 1.石墨烯-FIR对HFD小鼠能量代谢紊乱的调控作用:建立高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型,分为对照组、模型组、石墨烯-FIR组和碳纤维-FIR组,干预组给予FIR照射8周（4 h/天）。（1）测定各组小鼠每周体重和摄食变化;检测各组小鼠的脏器重量变化;检测各组小鼠血生化和肝功能相关指标。（2）采用葡萄糖耐量,胰岛素耐量试验检测各组小鼠的胰岛素抵抗情况。（3）应用能量代谢监测系统监测各组小鼠24 h内的氧气消耗量(Oxygen consumption,VO2)及二氧化碳呼出量(Exhaled carbon dioxide,VCO2)以及能量消耗（Energy expenditure,EE）。（4）通过体成分分析仪检测各组小鼠皮下白色脂肪（Inguinal white adipose tissue,i WAT）,棕色脂肪（Brown adipose tissue,BAT）含量。（5）采用冷暴露4℃/4h检测各组小鼠产热情况。（6）苏木精-伊红染色（Hematoxylin-eosin staining,HE）检测各组小鼠BAT、i WAT和肝脏的病理变化。（7）Western blot技术检测脂肪组织中解偶联蛋白（Uncoupling protein 1,UCP1）、腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase,AMPK）、NAD依赖性蛋白脱乙酰酶sirtuin-1（NAD-dependent deacetylase sirtuin-1,SIRT1）、过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α（peroxisome proliferators-activated receptorγcoactivator l alpha,PGC-1α）、葡萄糖转运蛋白4（Glucose transporter protein four,GLUT4）、缺氧诱导因子1α（Hypoxia inducible factor-1 alpha,HIF-1α）乳酸脱氢酶A（Lactate dehydrogenase A,LDHA）的表达情况。 2.石墨烯-FIR对HFD小鼠肠道菌群和肠屏障的影响:（1）16S r RNA测序技术检测小鼠肠道菌群的结构组成和菌群的变化。（2）HE和阿利新蓝-过碘酸-雪夫染色（Alcian blue-periodic acid sthiff,AB-PAS）观察小鼠结肠的病理损伤。（3）酶联免疫吸附试验（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay,ELISA）检测血清中脂多糖（Lipopolysaccharide,LPS）、二胺氧化酶（Diamine oxidase,DAO）、胰高血糖素样肽-2（Glucagon-like peptide-2,GLP-2）、D-乳酸（D-lactic acid,D-LA）因子和结肠中白细胞介素-6（Interleukin-6,IL-6）、白细胞介素-1β（Interleukin-1β,IL-1β）和肿瘤坏死因子-α（Tumor necrosis factor-α,TNF-α）的水平。（4）Western blot技术检测结肠组织中紧密连接蛋白-1（Tight junction protein 1,ZO-1）、闭锁蛋白（occludin）、G蛋白偶联受体43（G protein coupled receptor 43,GPR43）的表达水平。 3.石墨烯-FIR对HFD小鼠焦虑样行为和海马神经炎症的影响:（1）通过旷场实验、高架十字迷宫实验、埋珠实验、糖水偏爱实验检测各组小鼠的焦虑行为。（2）ELISA技术检测血清和海马中炎症因子（IL-6、IL-1β和TNF-α）、游离脂肪酸（Free fatty acid,FFA）的水平。（3）通过荧光染色和WB实验检测各组海马组织中离子钙接头蛋白1（Ionized Calcium Binding A dapter Molecule 1,IBA-1）、胶质

关键词： 氧化石墨烯   血清适配子   二价适配子   原发性肝癌   荧光分析   诊断  

摘要： 背景与目的: 原发性肝癌(HC)作为全球性的健康挑战,其发病率和死亡率居高不下。尽管影像检查和肿瘤生物标志物等传统诊断方法已广泛应用于临床,但有时难以满足临床需求。适配子是能与靶标高亲和力和高特异性结合的寡核苷酸序列,作为新型分子诊断工具,具有多种优势。本课题组前期筛选出一批肝癌血清适配子,并创建了基于适配子的三重血清荧光法,具有良好的HC诊断效果,然而其检测过程较复杂,不利于临床应用。氧化石墨烯(GO)是一种二维纳米材料,因其独特特性,常被用于荧光传感器的开发。因此,本研究将建立基于GO的适配子HC诊断新方法,评价其对HC的诊断价值,并分析其临床影响因素,为建立简便、高效的HC诊断新方法奠定基础。 方法: ***对适配子的荧光淬灭作用及其靶分子检测价值 人工合成前期证实具有良好且独立HC诊断价值的4种肝癌血清适配子(AP9-90、AP8-2-7、AP8-1-5和AP9-152)和甲胎蛋白(AFP)的特异性适配子AP273,并标记FAM荧光团。以AP9-90适配子为代表,将标记有FAM荧光团的适配子分别于存在与不存在GO的条件下孵育,观察两者荧光强度的差异,以鉴定GO是否具有对适配子的荧光淬灭作用。优化各适配子与GO反应的实验条件,包括浓度/用量比、淬灭时间和淬灭温度。以AP273适配子为代表,建立基于GO的适配子荧光法,验证其是否具有检测靶分子的价值。 2.基于GO的单价肝癌血清适配子荧光法的HC检测方法建立与评价 (1)收集血清标本及临床资料:收集2015年1月至2020年12月住院治疗的HC和肝硬化(LC)患者治疗前的血清标本,置于-80℃保存。查阅电子病历系统,收集患者的临床资料。 (2)基于GO的AP273适配子荧光法的血清标本验证及实验条件优化:采用基于GO的AP273适配子荧光法检测不同AFP浓度的血清标本,验证其能否有效检测血清中的AFP水平。优化检测条件,包括GO用量、血清用量以及检测体系体积,以提高AP273适配子荧光法的检测性能。 (3)基于GO的单价肝癌血清适配子荧光法检测HC的实验条件优化:在上述优化条件基础上,优化检测体系体积和适配子与GO的用量比。将各单价肝癌血清适配子在不同条件下分别与HC混合血清和LC混合血清反应,再加入GO,测定荧光强度并比较,两种混合血清荧光强度差异最大时的检测体系体积和适配子与GO的用量比为最佳。 (4)小样本评价基于GO的单价肝癌血清适配子荧光法对HC的诊断价值:在上述优化条件下,采用基于GO的单价肝癌血清适配子荧光法检测60例血清标本(HC和LC各30例),获得原始荧光指标及其衍生指标(通过将原始指标经四则运算衍生),以受试者工作特征曲线下面积(AUROC)评价各适配子诊断HC的价值,并计算诊断效能(灵敏度、特异度、准确度、阳性/阴性预测值、阳性/阴性似然比和诊断比值比)。以荧光指标为变量,采用多因素二元Logistic逐步回归分析建立联合模型,并评价所建模型对HC的诊断价值。 3.基于GO的二价肝癌血清适配子荧光法的HC检测方法建立与评价 (1)基于GO的二价肝癌血清适配子荧光法的建立和实验条件优化:以小样本分析发现的具有良好且独立诊断价值的两个肝癌血清适配子联合,建立基于GO的二价肝癌血清适配子荧光法。通过小样本血清标本和混合血清分析,分别优化最佳检测体系体积和这两个适配子间的用量比。 (2)扩大样本评价基于GO的二价适配子荧光法对HC的诊断价值:扩大样本进行检测,以AUROC值评价基于GO的二价适配子荧光法对HC的诊断价值,并与基于GO的单价适配子荧光法和前期建立的三重血清荧光法相比较。 (3)基于GO的二价肝癌血清适配子荧光法对HC亚型的诊断价值和比较:根据影像学、病理和AFP值,将HC细分为早期肝癌、小肝癌、AFP阴性/阳性肝癌,以AUROC值评价二价肝癌血清适配子荧光法对各亚型HC与LC的区分价值,并与单价适配子荧光法相比较。 4.实验室指标、肝癌临床和病理特征对基于GO的肝癌血清适配子荧光法检测结果的影响 (1)基于GO的肝癌血清适配子荧光法检测结果与实验室指标的关系:采用Pearson相关分析分析单价和二价肝癌血清适配子荧光法检测结果与临床实验室指标的相关性。对存在相关性的各项实验室指标进行亚组分析,进一步分析实验室指标与二价肝癌血清适配子荧光法检测结果的关系。 (2)基于GO的肝癌血清适配子荧光法检测结果与肝癌临床和病理特征的关系:将HC细分为TNM分期(Ⅰ-Ⅳ期)、BCLC分期(0和A-D期)、肿瘤大小(>5 cm与≤5 cm)、肿瘤单发与多发、淋巴结转移与否、血管侵犯与否等类型,并分别比较各肝癌不同特征类型间荧光检测结果的差异,评价基于GO的单价和二价肝癌血清适配子荧光法检测结果与上述肝癌临床和病理特征的关系。

关键词： 石墨烯/铜复合材料   电沉积   电学性能   机械性能   组织稳定性  

摘要： 随着现代科技的高速发展,航空航天、新能源电车和电子信息等领域都对铜基复合材料的性能提出了更高的要求。例如,航空航天领域对铜基复合材料的导电性和延展性提出更高需求,轨道交通和新能源电车领域对其强度和导电能力提出更高要求。然而,传统的铜及铜合金往往不能同时兼顾力学和电学等性能。石墨烯是一种兼具优异力学性能和电学性能的纳米材料,将其添加到铜基体中有望获得具有优异综合性能的石墨烯/铜复合材料。现有制备石墨烯/铜复合材料的方法往往存在工艺复杂、制备条件苛刻和破坏石墨烯结构完整性等问题。针对上述问题,本文基于电沉积方法制备了具有优异综合性能的石墨烯/铜块体材料、石墨烯/铜复合线和石墨烯/铜复合箔。相较于现有石墨烯/铜复合材料制备方法,电沉积方法不仅具有快速、高效、不破坏石墨烯结构等优点,还有望实现石墨烯/铜复合材料在工业上的批量生产。 本文提出一种直流电沉积结合热还原和放电等离子烧结的制备方法(EP-TS法),通过改变电流密度和溶液中氧化石墨烯(GO)浓度,成功制备了具有优异力学和电学性能的石墨烯/铜块体复合材料,其屈服强度达277.9 MPa,延伸率达29%,电导率达91.3%IACS。该方法可以去除大量GO中的含氧官能团,使GO中含氧官能团总量从57.8%下降到复合材料中的3.9%,sp2 C=C/sp3 C-C的比例从2.29上升到9.55,使复合材料中石墨烯结构得到修复。此外,通过这种方法制备的石墨烯/铜块体材料在力学和电学稳定性方面显著优于仅采用直流电沉积制备的石墨烯/铜复合材料。 为进一步提高上述石墨烯/铜块体复合材料的性能,对复合材料进行轧制变形。通过EBSD和TEM等分析方法,对比了纯铜和复合材料轧制变形后位错分布以及晶格畸变差异,阐明了石墨烯层间滑移对石墨烯/铜复合材料轧制变形协调的影响机制。深入探究石墨烯对复合材料组织稳定性的影响,对轧制后的复合材料在不同温度下进行热处理,并对热处理后的纯铜和复合材料进行力学性能测试。发现经过260℃热处理后,纯铜材料大面积再结晶,而石墨烯/铜复合材料仍以变形晶粒为主,此时复合材料的屈服强度(440.2 MPa)高达纯铜的2倍。通过探究热处理前后轧制态复合材料组织结构演变,揭示了石墨烯对石墨烯/铜复合材料组织稳定性的影响机理。 本文利用脉冲电沉积制备了石墨烯/铜复合线和石墨烯/铜复合箔,并在20-180℃范围对其电阻进行测试,并计算其电阻温度系数。单向脉冲电沉积制备的复合箔材具有较低的电阻温度系数,在180℃时,石墨烯/铜复合箔的电导率比纯铜箔高3.8%IACS。理论计算与XPS结果验证了铜与石墨烯之间的电子转移,并通过石墨烯/铜复合材料导电模型揭示了复合材料在较高温度下的导电机制。双向脉冲电沉积制备的石墨烯/铜复合箔材因形成了 Cu基体的双峰组织而具有优异的力学性能和耐磨性,抗拉强度达340.7MPa,延伸率达12.6%,且其磨损率比仅有粗晶的纯铜箔降低了 38.6%。这是因为双峰组织中超细晶和细晶可以有效提高材料强度,而粗晶则有助于提高材料韧性并钝化裂纹;石墨烯在摩擦实验中可以有效强化基体、分散应力、提供润滑并阻碍磨料颗粒进入铜箔,从而有效提高铜箔的耐磨性。