关键词： 重质油   预处理   石油基石墨烯   电化学性能  

摘要： 石墨烯材料由于其独特的结构和优异的性能被广泛应用于电极材料中。目前批量制备石墨烯的原材料仍以天然石墨为主,原料来源单一;同时工艺技术复杂是制约石墨烯材料产业化发展的主要因素之一。另外随着石油加工产能过剩,拓展石油产品高效利用途径,将油品转化为高端化工材料,充分发挥化石能源资源属性是重要发展方向。利用炼油副产低附加值的油浆作为前驱体,通过合理的技术路线制备电化学性能优异的石墨烯纳米碳材料,有望为石墨烯材料的制备提供原料来源,有助于实现重质油资源的高价值利用。 本课题以宁夏催化油浆为原料,分别以溶剂脱沥青、减压蒸馏切割和热缩聚工艺手段预处理后获得六种不同馏分油品。研究表明该油浆作为“富芳原料”,芳香分含量高达70%以上,通过不同加工手段预处理后,所得油品收率差异大,预处理后获得的溶剂脱沥青油（DAO）和减压馏分油（VGO）的密度、黏度、残炭、甲苯不溶物和灰分低于原料油浆,品质优于原料,而溶剂脱油沥青（DOA）和减压渣油（VRO）表现出密度大、黏度高、残炭值高的特点,热缩聚处理后油品轻组分减少,油品密度、黏度、残炭、甲苯不溶物和灰分等均升高。结果表明经过合适的加工手段进行预处理后的油品能够作为制备下游材料的碳源,是实现油浆的资源化利用的有效途径之一。 利用预处理后的油品,研究了不同工艺参数和条件下制备石墨烯纳米碳材料的形貌和电化学性能。以DAO、VGO和380℃热缩聚油（TPO）三种油品作为碳源,以Na Cl/KCl、Ca Cl2/KCl和Li Cl/KCl为模板剂,分别在700℃、800℃和900℃下制备石墨烯纳米碳材料。分析得出平均环数在3～4环的碳源制得的样品具有更大的比表面积;模板剂种类决定了材料的形貌及特定的孔结构,其中效果较好为Ca Cl2/KCl,制备的产物具有较宽的d002间距和更高的D/G带强度比;另外随炭化温度升高制备的样品更薄,在炭化温度为800℃时产物比表面积最大。电化学评价研究结果表明以DAO为原料,Ca Cl2/KCl为模板在800℃下获得的产物具有较佳的电化学性能。

关键词： 镍钛合金   耐腐蚀性能   抗菌性能   氧化石墨烯   聚多巴胺  

摘要： 目的镍钛(Nickel titanium,NiTi)弓丝通过与托槽的作用产生影响牙齿移动的正畸力,常用于固定矫治的排齐整平阶段。在口腔环境应用时,NiTi合金的耐腐蚀性和抗菌性能不够理想,会增加弓丝和托槽之间的摩擦力,同时引发釉质脱矿等副反应,影响正畸疗效。本研究拟在NiTi合金表面构筑聚多巴胺-氧化石墨烯(Polydopamine-graphene oxide,PDA-GO)涂层,探究改性浓度对其腐蚀及抗菌行为的影响及作用机制,为优化口腔金属材料性能提供科学依据和理论支持。方法(1)采用自组装技术制备不同浓度的PDA-GO涂层改性NiTi合金,通过SEM、EDS、AFM、FTIR和XPS等表征表面形貌和理化组成。(2)利用人工唾液中的三点弯曲应力模型,观察不同组别NiTi弓丝的应力腐蚀形貌,并检测Ni2+析出量;电化学测试获取动电位极化曲线,计算腐蚀电位Ecorr及腐蚀电流密度Icorr等腐蚀性能参数。(3)通过SEM、细菌平板计数以及活/死菌染色实验评估PDA-GO改性NiTi合金对变异链球菌的抗菌效应及作用机制;CCK-8和ROS实验检测样品对小鼠成纤维L-929细胞相对增殖率及ROS含量的影响。结果(1)PDA-GO涂层改性NiTi合金表面主要由C、N、O、Ti及Ni等元素构成,存在C=O、C=C、C-O和N-H等化学键;在一定范围内增大GO浓度,涂层呈致密均匀片层状,附着性佳。(2)应力腐蚀实验表明,未改性NiTi组出现腐蚀开裂及最多的Ni2+析出;0.2 mg/mL GO制备的涂层改性NiTi合金表面分布不均,Ni2+释放与对照组无显著差异;0.5 mg/mL组表面未见明显应力开裂;1.0 mg/mL组在受到弯曲应力时表面相对完整,且Ni2+析出最少。电化学检测PDA-GO涂层改性NiTi合金的腐蚀电流密度Icorr值降低,提示抗腐蚀性能增强。(3)SEM和活/死菌荧光染色结果说明改性样品较未改性样品表面黏附细菌数量减少,死菌量升高;细菌平板计数结果显示0.2mg/mL、0.5mg/mL和1.0 mg/mL GO制备涂层改性样品的抗菌率分别为33.4%、77.7%和93.1%。与未改性组样品相比,1.0 mg/mL组NiTi样品诱导L-929细胞内ROS水平上调;与各组浸提液共培养1、3、5 d后,L-929细胞的相对增殖率均大于80%,说明自组装PDA-GO涂层改性NiTi合金生物相容性良好。结论本研究利用自组装制备并优化PDA-GO涂层改性NiTi合金。适宜的GO浓度可制备均匀致密的PDA-GO涂层,二者存在C-N共价键,提高NiTi合金的耐腐蚀性能,降低Ni2+析出。PDA-GO涂层的表面结构赋予NiTi合金良好的抗变异链球菌性能。同时PDA-GO涂层改性NiTi合金对L-929细胞无毒性作用。PDA-GO纳米复合涂层具有耐腐蚀和抗菌功能,有望对正畸固定矫治器进行合理改性以提高矫治效率。

关键词： 光催化   氧化锆   亚甲基蓝   氮化碳   石墨烯   氧化锌   氯化钠  

摘要： 印染废水作为污染水资源的源头之一,许多学者和专家采用各种办法进行处理。光催化技术作为一种高效且环保的废水处理技术,它是利用材料的光化学过程对废水进行处理。Zr O在光催化方面也是一种非常有用的半导体。但由于其存在宽禁带、量子催化效率低以及仅对紫外光有响应限制了其对太阳能的利用等因素,影响了Zr O的光催化性能。为了解决上述问题,本论文主要研究氧化锆分别与g-CN,还原氧化石墨烯（r GO）和Zn O复合,通过对复合材料中g-CN,还原氧化石墨烯和Zn O的含量的改变来探究对亚甲基蓝（MB）溶液的光催化降解能力。具体实验结果如下:（1）以八水氯氧化锆和三聚氰胺等材料作为原料,通过沉淀法与热处理结合的方法制备Zr O/g-CN复合材料,采用X射线衍射（XRD）等多种方法对其进行了分析。对MB的光催化降解实验结果表明:当g-CN的含量占复合材料的9%时,10 mg/L MB的溶液可以在60 min的光照下和0.5 m L的HO的帮助下彻底地分解。在后续对含盐的MB溶液降解实验中发现,g-CN的含量占Zr O/g-CN复合材料达到1%时能使含有少量Na Cl的MB在一定的条件下完全分解。对Zr O/g-CN复合材料在5个实验周期内仍具有较好的光催化性能。（2）以八水氯氧化锆和还原氧化石墨烯（rGO）等材料作为原料,通过沉淀法与热处理相结合的工艺制备Zr O/r GO复合材料,通过XRD等一系列表征手段进行表征。通过对MB的溶解试验,研究了r GO的加入对其光催化性能的影响。当r GO的含量占ZrO/rGO复合材料的1%时,10 mg/L MB的溶液可以在60 min的光照和0.5 m L HO的帮助下彻底地分解。然而在MB溶液中加入少量的Na Cl后,其降解时间缩短到40 min。而且在一定时间内对不同浓度的Na Cl的MB溶液可以完全降解,后续发现,发现当溶液p H值为9时,实验时间达到10 min时,其对MB的降解速率可达到96.5%。在此基础上,对Zr O/r GO复合材料进行了5次重复试验,发现其光催化性能仍然很好。（3）以八水氯氧化锆和氢氧化锌等材料作为原料,通过沉淀法与热处理结合的方法制备Zr O/Zn O复合材料。用XRD等多种方法对其进行了分析。对MB的光催化降解试验进行了研究,当Zn O的含量达到Zr O/Zn O复合材料的2%时,在0.5 mL HO作用下,实验时间60 min可以完全降解10 mg/L的MB溶液,但是同时在MB溶液中加入少量Na Cl出现抑制作用。而对Zn O的含量达到Zr O/Zn O复合材料的1%的样品光催化性能得到提升,40 min内对MB溶液完全降解。随着盐类含量的提高,不同的试样的光催化特性均受到了影响。重复5次重复试验后,样品的光催化特性仍维持很高。本文通过沉淀法与热处理相结合的方法制备氧化锆及其复合材料。实验发现复合材料无论对MB溶液或者是含有Na Cl的MB溶液都有高效的光催化降解能力。同时,Zr O/r GO复合材料还对高p H值MB溶液具有优异的光催化特性。这些实验成果为治理印染废水提供了一种全新的灵感。

关键词： 超材料吸波体   宽带   金属开口谐振环   吸收可调谐   VO2   石墨烯  

摘要： 自从2008年第一个超材料吸波体被Landy设计并制造出来后,学术界掀起了对超材料吸波体的研究热潮。超材料作为一种人造材料,因其电磁参数可调的特点,可以制造出适用于不同频段的电磁波吸收结构,使其取代了原本被广泛使用的介电材料和软磁材料等传统电磁波吸收材料。随着信息时代科技的进步对于更高频信号的使用需求不断提高,人们已经不仅仅满足于GHz频段的移动通讯,开始研究6G时代下的THz技术,这其中就包括了THz超材料吸波体。作为THz领域下一个重要分支,THz超材料吸波体在THz传感、成像、移动通讯等领域都存在诸多应用前景。但是,现如今的很多超材料吸波体存在着诸多局限与不足,如吸收带宽窄、吸收率不高、材料结构复杂、体积大、成本高等问题都限制了其在实际应用领域的发展。本文针对吸收带宽窄、结构复杂等问题,设计了结构简单的宽带超材料吸波体,研究其宽带吸收的特性,讨论了结构参数、入射角度、偏振角度对吸波性能的影响,并探讨其实际应用价值。主要内容如下:一、设计了偏振不敏感吸收可调的宽带THz超材料吸波体。通过对结构参数进行优化,结果发现所设计的吸波体在1.33到2.43 THz频段可以实现完美吸收,吸收带宽达1.1 THz,平均吸收率为95.1%。吸波体在0°到90°的偏振角度范围内,其吸收率几乎没有变化,可见所设计的吸波体具备偏振不敏感的特性。对于不同的入射角,在0°到50°的入射角范围,吸波体的吸收率不受入射角度的影响。此外,使用VO替代底部金属板,改变外部环境的温度可实现VO在绝缘相和金属相之间的转换,可以有效的调控吸波体的吸收率,且吸收带宽内的平均吸收率随着温度的变化呈现线性变化,其灵敏度为0.0194/K,所设计的超材料吸波体可用于温度传感器。二、以所设计的THz超材料吸波体为基础,设计了基于石墨烯的带宽可调GHz宽带超材料吸波体,在没有加入石墨烯的情况下,GHz超材料吸波体在15.81-17.15 GHz的完美吸收带宽为1.34 GHz,平均吸收率为95.8%。结果表明此结构具有偏振不敏感的特性,在偏振角度为0°到90°的范围内,吸收率不会因偏振角度改变发生变化。吸波体在0°到50°的入射角范围内,吸收率不产生明显变化。将底部金属板换成VO,发现此结构具有温度不敏感性,而VO处于绝缘相时的吸收率远低于其处于金属相时的吸收率,这一特性可用作电磁开关。在开口谐振环的内环处插入石墨烯贴片后,通过改变石墨烯的费米能级调控其电导率,进而改变材料的介电常数的分布,可以有效调控其吸收带宽。当费米能级为0.8 e V时,可在13.46-18 GHz频段实现完美吸收,带宽为4.54 GHz,相较于没有石墨烯时提升了234%,此时平均吸收率达94.1%。在0.0 e V到0.8 e V的范围,费米能级越高,吸收带宽越宽。该吸波体的吸收带宽可通过改变费米能级实现动态可调,可应用于可调谐器件。图30幅,表2个,参考文献103篇

关键词： 电化学传感器   苯二酚异构体   同时检测   石墨烯  

摘要： 苯二酚，包括对苯二酚（HQ）、邻苯二酚（CC）和间苯二酚（RC）三种异构体，在医药、染料、化妆品和橡胶等领域均有着广泛应用，但苯二酚也是一类典型的水环境污染物，严重威胁着人类生命健康。由于它们相似的化学结构和理化性质，且常常在水环境中共存，对苯二酚异构体的同时检测一直是分析领域的一项难题。电化学传感器因其成本低、操作简便和可现场检测等优势，使其在实现苯二酚选择性检测方面展现出极大潜力。而基于电化学方法的传感平台检测的关键在于传感界面材料的设计。多孔石墨烯（GFs）具备连通的网络结构和高导电性等优点，而单原子具有独特的催化活性、高选择性及100%的原子利用率等优势，鉴于此，本论文基于GFs作为载体可控合成了单原子复合材料的传感平台用于苯二酚异构体的电化学同时检测研究。本论文的研究内容包括以下三个部分：第一部分孔结构和比表面积对于多孔石墨烯基电化学传感器检测邻苯二酚性能的影响规律研究　　目的：研究GFs的比表面积和孔结构对其电化学检测邻苯二酚（CC）性能的影响规律，优化出最佳GFs载体。　　方法：通过调节葡萄糖和碳酸钠的比例，利用一步快速热解法，合成了3种不同比表面积和孔尺度的GFs。通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、N2吸附/脱附测定、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）对GFs的结构和形貌进行表征。采用GFs作为电极修饰材料，以CC为模型分析物，利用循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和差分脉冲伏安法（DPV）等研究了GFs的比表面积和孔结构对电化学传感性能的影响及其性能增强的作用机制，并对其性能进行了方法学评价。　　结果：FE-SEM结果表明所合成的GFs均具有丰富连通的多孔网络结构。比表面积测试仪（BrunauerEmmettTeller，BET）分析表明，3种GFs的比表面积分别为938.8158m2g-1（GFs-1），803.7284m2g-1（GFs-2）和640.1144m2g-1（GFs-3），且GFs-1具有更多的微孔，而GFs-2和GFs-3的介孔和大孔比例多于GFs-1。其次，CV分析结果显示，GFs修饰电极的电活性面积分别为0.09541cm2（GFs-1/GCE）、0.07846cm2（GFs-2/GCE）和0.07455cm2（GFs-3/GCE）。尽管GFs-1修饰电极具有最大的电活性面积，但是其背景电流较大，其检测CC不能达到最佳的信噪比，然而GFs-2修饰电极的电化学传感器对CC表现出最优的传感性能，即更低的检测限（0.19μM）以及1-201μM的线性范围。此外，基于GFs修饰电极的该传感器可用于实际样品中CC的检测。　　结论：当GFs具备适宜的比表面积和孔尺寸，基于GFs修饰电极的电化学传感器对CC检测表现出最佳的性能。另外，基于GFs修饰电极建立的电化学检测方法表现出良好的选择性、重复性和重现性。　　第二部分基于单原子Pt/GFs电化学传感器的构建及其同时检测苯二酚异构体的方法研究　　目的：基于优化的GFs为载体，可控合成具有高效催化活性的单原子Pt（PtSA/GFs），并基于此建立可同时检测苯二酚三种异构体的电化学传感新方法。　　方法：利用优化出的GFs为载体，采用光还原法可控合成了单原子Pt。通过透射电子显微镜（TEM）、高角度暗场扫描透射电子显微镜（HADDF-STEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等，对PtSA/GFs的形貌、结构和元素组成表征分析。此外，采用CV法、EIS、DPV法以及电流-时间技术评价了PtSA/GFs修饰电极对HQ、CC和RC电化学活性的影响，并对基于PtSA/GFs修饰电极构建的电化学传感器的性能进行了方法学评价，同时对其检测实际样品（自来水和河水）的可行性进行了研究。　　结果：TEM和HADDF-STEM结果证实了以GFs为载体，采用光还原法可实现Pt单原子的成功合成。电化学研究表明，PtSA/GFs修饰电极对苯二酚三种异构体表现出明显区分的氧化峰以及显著增强的电流响应信号。HQ、CC和RC在PtSA/GFs修饰电极表面的电化学反应受吸附控制，且研究表明苯二酚三种异构体更容易吸附于PtSA/GFs修饰电极表面，这可能是PtSA/GFs比Pt纳米颗粒/GFs（PtNP/GFs）和单独GFs对苯二酚三种异构体催化活性增强的原因。利用DPV技术测定发现，基于PtSA/GFs修饰电极构建的电化学传感器随着HQ、CC和RC浓度的增大，在一定浓度范围内，峰电流响应信号逐渐增大，且表现出独立的氧化峰，能够实现对HQ、CC和RC的同时检测。在其他干扰离子存在的情况下，其对苯二酚的峰电流基本没有影响，且利用相同条件下制备的不同电极测定相同浓度的苯二酚时，电流响应信号基本相同。另外，利用标准加入法向实际水样中加入

关键词： C=C   石墨烯   硼烯   扫描隧道显微镜   表面环加成反应  

摘要： 作为自下而上策略在二维表面精准建构分子低聚物或二维高分子的有效方法,表面合成(On-surface synthesis)提供了在亚分子水平研究分子反应过程进而揭示反应机理的模型体系,还可以实现溶液化学中难以发生的反应。烯烃基团(C=C)之间的耦合反应是有机合成中一类重要的反应,已广泛应用于各种工业过程。多种C=C之间的多类型耦合反应已在溶液合成化学中被广泛研究;然而,在表面合成中,仅有含C=C官能团的分子间发生的C=C脱氢直连反应已被报道,而含C=C官能团的分子在表面的环加成反应还少有研究,而这类反应却是合成多环芳烃和石油化工材料的关键步骤。相比于C=C脱氢直连反应,C=C官能团的环加成反应所需反应能垒更高,依靠传统的热激发触发反应容易导致分子热致脱附,从而导致反应无法发生、反应产率低、选择性差和产物有序性差等问题。针对以上问题,本论文通过将光致化学反应引入表面合成,研究了以紫外辐照高效触发含C=C官能团的同种分子和不同分子之间多种类型的环加成反应,有效控制了其反应的过程和选择性。具体研究内容如下: 以含C=C的2,4,6-三(4-乙烯基苯基)-1,3,5-三嗪(C27H21N3,TVT)分子作为前驱体,研究了含C=C官能团的同种分子的表面环加成反应。结合扫描隧道显微镜(STM)和密度泛函理论(DFT)计算,证明通过采用次表层碳掺杂的Cu(111)(即C-Cuδ+)为新型催化平台,可以有效提升C=C官能团的环加成反应产率。在298 K和323 K时,TVT分子在C-Cuδ+表面的反应速率分别是TVT分子在Cu(111)表面的10.5倍和6.3倍;C-Cuδ+可以显著降低C=C去质子化、环化和线性偶联的反应能垒,从而提高总的表面反应速率和环加成反应的反应比例。同时,在次表层引入碳可以提高衬底的光学吸收性能,更好利用入射光子能量。在紫外照射下,TVT分子和C-Cuδ+对光的有效吸收和利用为克服反应能垒提供了额外的能量,将环化反应的比例从21.8%增加到40.3%。作为首个将光化学引入表面合成的例子,这些结果为高效克服表面反应能垒和有效改变和控制表面反应过程提供了新思路。 采用3,5-二(羧酸)-苯基-3-马来酰亚胺(C12H7NO6,BCPM)分子为前驱体,研究了含C=C的异类分子之间的表面环加成反应。BCPM分子马来酰亚胺环中的C=C可以和石墨烯发生环加成反应。STM和DFT计算研究表明,当BCPM分子在外延生长于Cu(111)衬底的单层石墨烯表面物理吸附、组装成平行于石墨烯层的二维长程有序多孔网络时,网络孔洞所形成的围栏可以有效束缚通过与石墨烯相互作用而在垂直于表面方向延展的Cu(111)表面自由电子,形成电子态束缚;同时,这种范德华力吸附的分子层可以锐化石墨烯电子态的色散关系。STM、红外线反射-吸收光谱、拉曼光谱和DFT计算证实,紫外辐照可以引发BCPM马来酰亚胺环中C=C与石墨烯之间的[2+2]和[2+4]环加成反应;该反应在足够长的辐照下表现出可逆性,正逆反应平衡条件下反应产率为～56%;反应位点具有高度空间选择性,排列成二维有序阵列。角分辨光电子能谱结果表明,与BCPM分子层发生的环加成反应可以有效打开石墨烯带隙,使单层石墨烯变成窄禁带半导体材料。 此外,研究了含C=C分子与其他sp2杂化材料之间的表面环加成反应,选用了含C=C的富勒烯分子(C60)和硼烯。C60独特的三维共轭电子结构使其与平面分子的环加成反应不同;单层硼烯的各项异性结构也使其反应性能与单层石墨烯截然不同。STM和DFT计算研究表明,室温下C60分子以物理吸附的形式吸附于在Ag(111)衬底外延生长的单层χ3相结构硼烯表面,吸附位置根据硼烯表面的电荷分布来确定;紫外辐照可以引发C60分子中C=C与硼烯之间发生[2+2]光致环加成反应,反应具有空间选择性,其中C60分子充当电子受体,接收硼烯的电子。该环加成反应可得到两种不同的产物,使加成的C60分别呈现两瓣和三瓣形貌,产物比例为71.2%和28.8%,二瓣产物的环加成反应能垒更低。这些结果有助于加深对含C=C分子的表面反应以及含有C=C分子与其他二维材料反应的理解,进而推动单分子器件的构筑和新型半导体材料器件的研发。

关键词： 氢同位素分离   石墨烯转移   化学气相沉积   钯薄膜   Graphene/Nafion复合膜  

摘要： 石墨烯(Graphene)被证明可以高效分离氢同位素。因为无缺陷的单层石墨烯几乎无法透过所有分子或原子,但是,质子却可以透过石墨烯。化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)可大规模制备石墨烯,该方法生产的石墨烯表现出一定的氢同位素分离能力。为实现氢同位素的高效分离,一方面需要将CVD石墨烯从生长基底转移至目标衬底,同时保证转移后的石墨烯具有较高的完整度。这就对石墨烯的转移提出了较高的要求,需要改进或发展新的转移方法,以获得大面积高质量完整的石墨烯,实现优异的氢同位素分离性能。本论文选用可大规模制备的CVD石墨烯作为原材料、Nafion商品膜作为目标衬底,设计并构筑了叠层结构的Graphene/Nafion复合膜,发展了Pd辅助转移石墨烯构筑Pd/Graphene/Nafion复合膜的方法。成功制备了高质量石墨烯基复合膜,实现了氢同位素的高效分离。(1)构筑了一种叠层结构的Graphene/Nafion复合膜。与单层结构的Graphene/Nafion复合膜相比,叠层结构的Graphene/Nafion复合膜降低了石墨烯的破损对氢同位素分离性能的影响,提高了石墨烯的整体覆盖度。表面形貌和表面电阻表明构筑的复合膜具有较高的完整性和均匀度。氢同位素分离性能的测试发现叠层Graphene/Nafion复合膜具有着优异的氢同位素分离能力,分离系数高达9.2,平均值～7.5,优于单层Graphene/Nafion复合膜(分离系数最高值8.4,平均值～6.8)。(2)提出了一种Pd辅助转移石墨烯至Nafion膜构筑Pd/Graphene/Nafion复合膜的方法。该方法避免了Nafion膜与刻蚀液的接触,减缓了Nafion膜的形变,消除了石墨烯因Nafion膜形变而产生的破损,制备了高质量的Pd/Graphene/Nafion复合膜。表面形貌和元素成像分析表明石墨烯成功转移至Nafion膜并具有较高的完整度和均匀性。Pd不仅能辅助石墨烯的转移,还可以直接整合至氢同位素分离膜器件中,作为质子和氘离子还原反应的催化剂。氢同位素分离性能测试表明Pd/Graphene/Nafion复合膜具有优异的分离能力,分离系数高达9.7,平均值～8.1。本论文提出的构筑石墨烯基复合膜的结构与方法可用于提高石墨烯基复合膜的氢同位素分离效果,有望促进基于石墨烯分离技术的发展。

关键词： 石墨烯   锥形微结构光纤   全光调制   低损耗光纤调制器   光纤调制系统  

摘要： 光调制器作为高速、长距离通信系统的关键光器件,其作用是将携带信息的电信号加载到光波上,从而提高信号的传输效率。目前,光调制器大多由传统材料和非光纤类波导结构组成,这类调制器的驱动电压较高,且在接入通信系统时会引入较大的插入损耗,前者造成系统的功耗高产热大,后者限制了系统的中继距离。新型材料石墨烯的出现弥补了传统调制材料的不足,石墨烯与光纤相结合的调制器具有以下优点,如(1)石墨烯的零带隙结构及超快的弛豫时间能够提高调制器的工作带宽与调制速率;(2)光纤尺寸小、传输损耗低的特点有利于系统集成和减小损耗。针对上述问题及石墨烯光纤调制器的优势,综合所承担的国家重点研发计划课题,本论文围绕基于石墨烯的微结构光纤调制器开展了一系列的理论仿真及实验测试。主要工作内容如下: 1.介绍了基于石墨烯的光纤调制器的研究背景、意义及现状,归纳了近些年来有代表性的石墨烯光调制器的性能。研究了锥形微结构光纤的传输机理与石墨烯的相关特性。仿真分析了锥形微结构光纤、石墨烯及石墨烯锥形微结构光纤复合波导的相关特性。探索出了低损耗锥形微结构光纤的制备工艺,通过实验制备了低损耗的复合波导。 2.设计了一种基于石墨烯的低损耗锥形微结构光纤调制器系统,该系统为两级调制系统,内调制系统采用直接调制,外调制系统采用全光调制。实验测试了调制器的调制速率、调制电压、插入损耗和工作带宽,研究了调制器的偏振相关特性与波长依赖特性。实验结果表明该调制器有着较高的工作带宽(≥35nm),并经测试,该调制器具有较低的调制电压(1V)和极小的插入损耗(<0.8d B),且调制器系统具有偏振不敏感与波长不依赖的特性。 3.实验验证了光与石墨烯的相互作用对调制性能的影响。制备了锥区长度分别为1.1mm、3.6mm、11mm、15.3mm的锥形光纤,通过设置拉锥机的参数使锥区长度与锥区半径成反比。实验结果表明,在一定条件下,增加石墨烯与光纤锥区倏逝场的相互作用能实现更快的全光调制速率,但同时也会带来较大的损耗。当锥区长度为15.3mm时,该调制器在0.18d B/mm的极低损耗量级与1V的低调制电压下可以达到2k Hz的调制速率,同时还具有较宽的工作范围(≥35nm)和偏振不敏感与波长不依赖的特性。此外,该调制器能够在光纤跳线上直接制作,无需引入额外的熔接点,能够更加方便的接入到光纤链路中,避免了熔接点所带来的额外损耗,结合器件尺寸小等优点有利于系统集成。

关键词： 电化学传感器   重金属   对硝基苯酚   石墨烯   聚氨基酸  

摘要： 由于工业废水的不合理排放以及农药的大量使用,水体环境污染严重。据统计,全国有近十分之一的水体丧失功能,富营养化的湖泊、水库占比高达四分之一。因此,实现对水体污染物的原位灵敏检测,从而实现污染物精准溯源极为重要。传统的检测方法如原子吸收光谱法等被大型仪器与繁杂的操作所限制,难以实现原位检测。电化学传感技术因其高灵敏、低成本、易小型化、可实现实时原位检测的特点完美契合了这一目标。本文基于电极材料与界面的理性设计,使用导电聚合物与还原氧化石墨烯基底,针对高毒性的无机污染物汞与高稳定性、难降解的有机污染物对硝基苯酚,设计并制备了两款可实现高灵敏检测的电化学生物传感器,论文具体工作内容如下:1.聚半胱氨酸/还原氧化石墨烯修饰石墨电极(GRE)的制备及对汞离子(Hg)的电化学检测,该传感器的理性设计思路是利用还原氧化石墨烯(r GO)提高电极催化活性与导电性能,通过聚半胱氨酸(P(Cys))大量巯基(-SH)对Hg的化学捕集与电沉积两步富集过程提高电极表面汞浓度,从而大幅放大Hg检测信号,实现微量汞离子检测。通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)、红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)以及多种电化学表征方法证明了修饰电极设计原理的正确性与成功制备。检测结果表明,该传感器对Hg的检测限可达到0.05 n M,在1-10 n M和10-1000 n M两个浓度范围内,其响应峰电流与溶液浓度之间具有良好的线性关系,灵敏度分别为0.101μA·μM·cm与0.526μA·μM·cm。其次,该传感器表现出良好的选择性、稳定性、重现性以及实际应用能力。2.聚精氨酸/还原氧化石墨烯修饰丝网印刷电极(SPE)的制备以及对4-硝基苯酚(4-NP)的电化学检测,该传感器的理性设计思路是利用r GO提高电极催化活性与导电性能,通过聚精氨酸(P(Arg))大量胍基对4-NP带负电硝基的氢键与静电作用力使4-NP分子在电极表面重排,发生反应硝基端更加靠近电极表面r GO的催化活性中心,从而提高检测灵敏度、降低检测下限。通过SEM、EDS、FT-IR、XPS以及分子模拟与多种电化学方法证明了修饰电极设计原理的正确性与成功制备。检测结果表明,该传感器对4-NP的检测可达到12 n M,在0.5-1250μM范围内呈现出良好的线性响应,灵敏度为0.66μA·μM·cm,并表现出良好的选择性、重复性、稳定性、重现性以及实际应用能力。