关键词： 硼酸去除   冠纳米孔   高透水性   高硼酸截留率   分子动力学模拟  

摘要： 硼酸被认为是第二类有毒物质,对植物和人体都有着不同程度的伤害。硼酸会导致植物叶片枯黄,生长受阻,甚至死亡。人类长期接触或摄入硼酸可能导致中毒,产生恶心呕吐、腹泻、头痛等症状。地球海水资源丰富,但海水中存在着微量硼酸。海水中的硼通常以硼酸(B（OH）3)的形式存在,对人们的生产生活产生着直接的影响。在海水淡化厂中首先要将硼酸分子转化为离子态,能耗高、成本高。因此,直接去除B（OH）3对于工业去除硼酸技术的提升具有重要意义,但目前仍是一个巨大的挑战。最近的一项工作[Desalination,533（2022）115755]为利用具有亲水性质的二维纳米材料制造高效脱硼装置提供了强有力的理论指导。然而,探索其他二维多孔膜对于硼酸去除的研究有限。 我们构建了六个具有不同面积的石墨烯冠纳米孔（依据面积从大到小命名为pore-1到pore-6）,利用分子动力学（MD）模拟嵌入亲水冠纳米孔的单层石墨烯纳米片对于硼酸的去除效果。研究结果表明,所使用的冠纳米孔表现出高透水性,同时具有出色的B（OH）3截留率（大部分超过90%）。仅有pore-6纳米孔硼酸截留率相对较弱,但也达到了80%以上。通过冠纳米孔隙的水渗透率达到最高值6.01 L cm-2 day-1 MPa-1,表现出良好的透水性能。值得注意的是,每个孔隙的透水率被评估为2.15-20.1×1013#MPa-1day-1 pore-1,与之前二维纳米孔的最佳性能报告相比,具有1-2数量级的改进。自由能计算表明,与B（OH）3相比,水分子在能量上更有利于通过冠纳米孔。我们的研究结果表明,嵌入亲水冠纳米孔的单层石墨烯不仅可以有效去除B（OH）3,而且可以允许水分子快速通过冠纳米孔,这是硼酸去除技术的理想选择。

关键词： 超材料   石墨烯   偏振转换   圆二色性   偏振分束  

摘要： 随着信息化时代下科技的飞速发展,微型化、集成化、高精度的新一代偏振调控器件需求逐渐增大。中红外波具有极强的穿透力,基于中红外技术的仪器具有抗干扰强、精度高等优势,同时太赫兹波由于自身能量较小而不会对物体本身产生破坏作用,在国防军事和民用领域都有十分广泛的应用,但由于传统偏振器件尺寸偏大限制了其发展。近年来,手性结构因其独特的特性被应用在超材料领域中,极大提升了微纳器件的偏振调制能力,为微型化、集成化微纳器件提供了新思路。因此本文主要研究了微纳手性超表面对电磁波的操纵能力,其包括圆二色性、偏振转换特性、频率调制特性、偏振分束特性等。本文的具体研究内容如下: 1、提出了一种蜂窝状排列金孔阵列中六边形分布的金纳米带结构,实现了高达0.85的圆二色性,通过金纳米带对周围电场的扭曲作用,还可实现偏振转换特性,转换率高达99%。并且通过调谐纳米带的旋转角,还可在半波片和四分之一波片之间切换,还探寻到一些偏振转换性与纳米带旋转角之间的关系,为新型手性超材料的设计提供了新思路。 2、提出了一种基于石墨烯-金椭圆孔阵列的复合结构,实现了对结构圆二色性的动态调控,调制幅度可达0.33,结构最高圆二色性可达0.91。此外,数值模拟结果显示,入射角在-9°至9°的范围内,均可保持较强的手性响应,并且在-14°至14°的范围内,结构还保持良好的广角吸收性。最后,通过阵列了一个3×3周期单元结构,通过近场响应展示了其在成像加密领域的应用。 3、提出了一种多层的图案化石墨烯超表面结构,在单偏振态下实现了可调的六模电光开关;在双偏振态下可实现一个四频偏振器,偏振消光比和插入损耗分别可达6.7d B、6.5d B、19.6d B、7.5d B和0.7d B、1.23d B、0.36d B、0.46d B。此外,还可对两个正交偏振实现可调的偏振分束功能,频率调制度可达25.2%,对多功能光电器件的设计具有一定的价值。

关键词： 水凝胶   结构色   氧化石墨烯   柔性传感器   柔性电极  

摘要： 水凝胶是一种具有三维网络结构的高分子生物材料,其密度与人体组织接近,在生物传感、伤口愈合及药物递送等领域具有重要应用。通过在水凝胶网格中引入导电颗粒,可以赋予其良好的导电性,使其成为柔性传感器的理想材料。与传统电极相比,基于水凝胶的电极在界面阻抗和生物相容性方面具有显著优势。此外,结构色源于材料表面的周期性纳米结构,与水凝胶结合后可赋予其光响应特性。本课题制备了氧化石墨烯掺杂的功能性导电水凝胶,作为生物传感器用于检测人体运动时的生理信号,具体内容如下: (1)利用聚苯乙烯热收缩特性,制备了褶皱状氧化石墨烯薄膜。实验表明,浓度为0.2 mg/cm2的氧化石墨烯薄膜板制备的褶皱结构效果最佳。根据不同类型水凝胶与氧化石墨烯薄膜的结合能力,选用PVA作为水凝胶基质。将褶皱氧化石墨烯薄膜与水凝胶结合后,放入水中溶胀并检测电阻。结果显示,褶皱氧化石墨烯薄膜与水凝胶结合后未发生破裂,且电阻变化率小于6%。将褶皱氧化石墨烯薄膜与掺杂氧化石墨烯的导电水凝胶复合,制备出新型复合水凝胶,其电阻约为74.8±2.94 kΩ。将该复合水凝胶作为生物电极用于检测人体心电信号,并与商业化电极进行对比。结果表明,该复合水凝胶检测到的心电特征峰与标准信号一致,检测结果精确可靠。 (2)基于二氧化硅胶体粒子表面的高带电修饰,制备了氧化石墨烯掺杂的非密堆积光子晶体水凝胶体系。选用延展性优异的聚丙烯酰胺作为水凝胶基质,将高带电二氧化硅粒子与氧化石墨烯掺入水凝胶溶液中,聚合成水凝胶薄膜。通过探究不同氧化石墨烯浓度对水凝胶结构色和导电性能的影响,发现当氧化石墨烯浓度为0.7 mg/m L时,水凝胶薄膜在保持良好导电性的同时能够呈现鲜艳的结构色。对水凝胶薄膜进行拉伸实验时,其结构色和电阻均发生显著变化。将该材料黏附于手指关节处,随着手指弯曲,可观察到材料具有实时的颜色传感和电响应性能。本研究开发的水凝胶材料在柔性生物传感器领域展现了重要的应用潜力,为健康监测和智能传感技术的发展提供了新的思路和方法。

关键词： 硝基苯   硝基苯酚异构体   电化学传感器   氧化石墨烯   环糊精  

摘要： 在当今世界,环境污染已成为人们普遍关注的焦点之一。针对水体中有机和无机污染物的准确检测和监测变得至关重要。硝基苯类化合物是一种常见的环境污染物,可用作火药药,杀虫剂,除草剂,药品和染料、塑料等工业原料化学品。硝基苯类化合物具有毒性和致癌性,因此,开发高效、灵敏的电化学传感器来实现对水质污染的快速检测和准确监测已成为研究的热点之一。在电化学传感体系中,传感性能受到工作电极两项界面的显著影响。因此,开发新型改性电极材料修饰电极表面受到诸多科学工作者的关注。在这一背景下,本研究以构建一种多孔、大比表面积的三维结构还原氧化石墨烯（RGO）为核心,构筑针对硝基苯类化合物的电化学传感器。具体内容如下: 1.利用导电性能较好的氧化石墨烯作为聚轮烷封端剂,线状分子选用聚乙二醇（PEG[OH]）,环状分子选择具有大空腔且有主客体效应功能的α-CD（α-环糊精）,欲构建一种在电化学信号的刺激下会有特异性响应的聚轮烷。在对其进行了表征验证材料的成功合成,使其作为玻碳电极修饰材料（α-CD/PEG[OH]-RGO）进行硝基苯酚异构体的电化学检测。 2.利用导电性能较好的氧化石墨烯作为导电材料,选择水溶性较好的聚乙二醇（PEG[OH]）作为桥链分子,从而构建三维还原氧化石墨烯片层结构,通过红外、电镜、热重等表征验证材料合成成功,利用其大体积,多层结构吸附β-CD（β-环糊精）形成修饰材料（PEG[OH]-RGO/β-CD）,增加其有机物电传感识别性能,用于硝基苯酚异构体的电化学检测。 3.利用聚醚胺（PEA[NH2]）作为桥链分子,搭建了一种规则多层氧化石墨烯片。添加了β-CD与其进行掺杂以增加其电传感性能。随后,经过还原处理去除多余的官能团,从而增强了材料在电化学检测中的稳定性。随后对此材料进行了全面的表征。实验结果表明,所合成的PEA-RGO/β-CD复合材料在硝基苯和硝基化合物的电催化还原中表现出了优异的传感性能、稳定性和线性。对底物NB（硝基苯）、2-NA（邻硝基苯胺）、2-NP（邻硝基苯酚）和2-NCB（邻硝基氯苯）的检测显示出了宽广的检测范围和低的检测限。

关键词： 光调制器   石墨烯   微纳光纤  

摘要： 随着光纤通信、光电探测等方面的发展，低功耗、高性能的全光调制器件成为重点研究目标。现有的光调制器主要采用非光纤结构，存在较高的插入损耗，光电转换也影响了光调制器的性能。石墨烯作为一种二维材料可以在光纤结构表面自由贴附，其优异的特性使其在光学方面成为一种重要的发展材料。利用石墨烯的光电特性，与微纳光纤结构相结合，可以充分发挥石墨烯超快载流子弛豫时间的优势。针对制备光调制器存在的各种问题，本文提出将石墨烯与微纳光纤相结合，制备全光调制器件，研究石墨烯-微纳光纤的全光调制特性以及超快全光调制特性。　　在调研了应用石墨烯材料的光纤全光调制器件的国内外研究现状基础上，本文设计了一种将石墨烯与微纳光纤相结合的全光调制器，围绕石墨烯-微纳光纤的理论研究、软件仿真、器件制备、全光调制特性以及超快全光调制特性等方面开展了研究，主要内容如下。　　首先，分析和仿真了单模光纤、不同直径的微纳光纤以及石墨烯-微纳光纤的模场特性，分别研究了拉锥对于单模光纤以及石墨烯覆着对于微纳光纤的光学特性影响。　　其次，研究了微纳光纤以及石墨烯-微纳光纤的制备方法，通过拉锥将单模光纤拉制成微纳光纤，利用湿法腐蚀将石墨烯转移至微纳光纤锥区部分，通过上述两种方法的结合实现石墨烯层数可控的石墨烯-微纳光纤结构的制备。　　然后，搭建了全光调制实验系统，设计并探究了不同信号光与泵浦光光源组合情况下，石墨烯-微纳光纤的全光调制特性，通过实验研究了不同光源组合方式下石墨烯-微纳光纤结构的调制深度。　　最后，搭建了超快全光调制实验系统，设计并探究了同一信号光在与不同泵浦光组合情况下，石墨烯-微纳光纤的超快全光调制特性，通过实验研究了不同泵浦光光源下石墨烯-微纳光纤结构的响应时间。

摘要： Ramaco Resources公司正式获得美国能源部国家能源技术实验室(NETL)煤制产品专利技术的商业开发权。该专利工艺可将煤炭和与煤炭相关的采矿废料转化为高质量、经济实惠的石墨烯，可用于汽车电池、建筑、基础设施材料以及各种消费品。这种碳纳米片对国民经济和国防事业的战略重要性与日俱增，石墨是实验室制造碳纳米片的替代材料。

关键词： Kekulé石墨烯   PN结   量子输运   塞贝克效应   能斯特效应  

摘要： Kekulé石墨烯是具有√3×√3超晶格结构的一种石墨烯，其原胞的扩大使得本征石墨烯的K谷和K''谷耦合在一起。Kekulé石墨烯体系因谷耦合而带来的独特量子输运性质一直是人们关注的焦点。本文采用紧束缚模型结合非平衡格林函数方法，研究了Kekulé石墨烯PN结的量子输运性质以及O型Kekulé石墨烯的塞贝克（Seebeck）效应和能斯特（Nernst）效应。　　首先，我们研究了谷耦合对Kekulé石墨烯PN结输运性质的影响。结果表明，在O型Kekulé石墨烯PN结体系，由于谷耦合导致手征对称性破缺，电子克莱因（Klein）隧穿被抑制，只能发生共振隧穿。Y型Kekulé石墨烯PN结体系电子的隧穿现象与本征石墨烯PN结类似，由于体系保持手征对称性，电子透射以Klein隧穿为主。当在该体系中引入位能修正项时，体系反演对称性被破坏，单谷相出现，此时共振隧穿和Klein隧穿同时存在，电子隧穿增强。在强磁场下，霍尔边界态形成，体系电导减小。此时，在合适的无序强度下，电子和空穴边界态混合导致电导增加;在大无序强度下，体系进入绝缘状态。　　其次，窄带隙半导体一般具有良好的热电转化性能，而O型Kekulé石墨烯体系由于谷耦合打开带隙。因此，我们对O型Kekulé石墨烯的Seebeck效应和Nernst效应进行了研究。结果表明，由于体系具有粒子-空穴对称性，Nernst系数是关于费米能的偶函数，Seebeck系数是关于费米能的奇函数。在低温条件下，Seebeck系数和Nernst系数随费米能振荡变化，当费米能穿过离散的横向子带或朗道能级时，Seebeck系数和Nernst系数出现峰值。在费米能EF=0附近，Seebeck系数高达2500μV/K，Nernst系数高达2000μV/K。在室温下（T≈300K），Seebeck系数和Nernst系数的振荡受到抑制。在费米能EF=0附近，Seebeck系数和Nernst系数仍然具有较大值，Seebeck系数可以达到780μV/K，Nernst系数可以达到1000μV/K。此外，通过调控晶格间电子跃迁能同样可以在更高的温度下获得大的Seebeck系数和Nernst系数。　　最后，为了进一步调控O型Kekulé石墨烯体系的Seebeck效应，我们研究了门控O型Kekulé石墨烯体系的Seebeck效应。通过比较门控O型Kekulé石墨烯zigzag和armchair纳米带体系的Seebeck系数，发现zigzag纳米带能带结构中翘曲色散的类平带，导致了Seebeck系数的各向异性行为。更重要的是，在室温的情况下，通过门电压调控纳米结左右两端电势，armchair纳米结Seebeck系数可达1370μV/K左右;zigzag纳米结Seebeck系数可达1260μV/K左右。这说明通过门电压调控体系两端的电势，可以提高Seebeck系数。　　综上所述，我们研究了Kekulé石墨烯体系的热电输运特性。Kekulé石墨烯PN结输运性质的研究结果为高性能异质结电子器件的研发提供理论依据。此外，通过研究O型Kekulé石墨烯的Seebeck效应和Nernst效应，提出了调控热电效应的可行性方法，包括晶格间电子跃迁能调控和门电压调控，这为制备高效可控的热电效应器件提供了新思路。