关键词： 石墨烯   光热效应   人体热管理   相变复合材料   辐射冷却   单向导湿  

摘要： 人体热管理(PTM)技术由于高能量利用率、可设计性和环境普适性,在能源、环境与医疗领域显示出广阔发展前景。然而,目前大部分PTM材料功能单一,仅能针对特定环境发挥温度调节功能,同时其特殊物理化学结构导致可穿戴性能不佳,限制了PTM技术大规模实际应用。还原氧化石墨烯(RGO)由于独特sp杂化碳原子单层结构,具有高本征热导率、高太阳光谱吸收率、优异光热效应以及人体热辐射波段高发射率等特性,是制备全天候多环境适应性人体热管理器件的理想基体材料之一。基于高光热效应石墨烯纳米片,本论文针对极端环境、日常户外环境和剧烈运动出汗等多个实际场景,利用热绝缘、辐射冷却、单向导湿等传热传质机理,以垂直孔道气凝胶、多孔纳米复合膜、单向导湿膜三种不同结构设计构筑了石墨烯基纳米复合材料,用于实现单一器件全天候环境适应性热管理。本论文主要研究内容和成果如下:(1)仿大气效应梯度RGO气凝胶相变复合材料用于极端环境人体热管理:本章工作针对极端环境下自适应人体热管理,受大气温度调节效应启发,通过梯度化学还原、定向冷冻-真空干燥、单侧底部热还原和十八烷相变材料部分浸渍,制备了具有梯度RGO骨架和气凝胶/十八烷复合双层设计相变复合材料(GRGC),同时集成RGO光热效应,多孔气凝胶隔热调节和相变逆补偿特性。GRGC骨架各部分具有差异性物理性质:强还原区域具有强光吸收(95%)和本征热导率,利于寒冷情况下光热与传热;而弱还原区域具有较弱光吸收率(86%)和本征热导率,适用于热环境隔热。由于气凝胶和相变复合材料双层结构,GRGC同时具有优异光热性能(55℃),储能性能(相变焓保留率?Hm>90%),以及外界应力载荷下良好防泄漏性能。在-5℃寒冷环境中,GRGC气凝胶层可通过其隔热多孔结构防止内部热量损失,并利用光热效应原位升温,在皮肤与材料界面处提供温暖微环境,其界面温度比裸露模拟皮肤高25.9℃,提供五倍于棉布的保温效果。在40℃炎热环境中,可以通过将材料相变复合层暴露在环境外侧,抑制RGO骨架光热效应的同时利用其相变行为缓冲,防止皮肤过热。而与模拟皮肤接触的多孔气凝胶层可以提供良好长时隔热性能。相较于传统棉织物,RGO气凝胶材料,全填充相变复合材料RGC,GRGC在不同条件极端环境下均展现出优异自适应综合热管理性能。(2)辐射冷却与光热供暖双功能RGO/纳米PTFE膜复合材料用于人体热管理:本章工作针对日常使用室内/户外环境,通过简单便利的刮涂工艺组装高中红外发射RGO层、光谱选择性纳米PTFE(NPTFE)层和透明强韧聚二甲基硅氧烷(PDMS)支撑保护层于一体,制备了一种具有独特夹层结构NPTFE/RGO/PDMS复合膜,成功集成了被动辐射冷却、太阳能加热供暖和令人满意的可穿戴性能。NPTFE层特殊纳米孔结构以及RGO层高红外发射率赋予了复合膜出色光谱选择特性。对于辐射冷却模式,复合材料基于米氏散射显示出高太阳光谱反射率(R>90%,0.25-2.5μm)和人体红外辐射HBIR范围高发射率(ε>90%,7-14μm)。热量经由高发射RGO层,穿透红外透明NPTFE向外辐射迅速耗散,同时,外层NPTFE层反射与散射太阳光,抑制太阳辐射升温,在25℃户外环境相较于棉布展现出3.2℃的辐射冷却效果。通过简单地翻转可以切换至RGO朝外的加热模式,其能够通过高太阳光谱吸收RGO层(α>90%,0.25-2.5μm)实现高效太阳能热转换供暖。在0℃寒冷环境下,复合材料表面温度可以在2 min内升至22℃,比传统棉布高17.0℃,给皮肤表面提供温暖微环境,防止人体热量散失。此外,复合材料还表现出良好可穿戴性能:微针打孔赋予优异的透湿性能(水蒸气透过速率0.023 g cm h),PTFE基底极高断裂伸长率(200%)与良好柔性;低表面能与化学惰性组分赋予的抗污性能、耐洗涤性能和F、Si、O元素带来的良好阻燃性,因此在可穿戴全天候热管理材料领域展现出巨大潜力。(3)单向导湿RGO/电纺尼龙56纳米纤维膜复合材料用于人体湿热管理:保留上一章三明治夹层结构复合膜双功能基础上,本章通过刮涂法制备了两侧具有非对称水浸润性PA56/RGO/PDMS单向导湿复合膜用于湿热协同管理,进一步拓宽复合材料应用范围。通过组装亲水多孔PA56纳米纤维膜、高发射RGO层和透明强韧PDMS疏水层,复合膜兼具冷环境光热供暖、室内辐射冷却和炎热环境快速排汗蒸发功能。PA56/RGO/PDMS复合材料在太阳光谱呈高反射(R>90%,0.25-2.5μm),在HBIR范围内呈高发射(ε>80%,7-14μm),在25℃室内环境较传统棉布展现了2.5℃的降温效果。并且在-5℃寒冷环境下,复合材料可通过高太阳光谱吸收RGO层(α>90%,0.25-2.5μm)实现高效太阳能热转换,将表面温度在2 min内升至20

关键词： NiCo2S4   磷掺杂   石墨烯   Pt单原子   Co-Pi  

摘要： 能源对我们的生活至关重要。然而,随着社会的发展,传统的化石能源已经不能满足社会的需求。此外,化石能源的燃烧还将导致一系列的环境问题。因此,低成本、高效、环保的清洁能源就受到了广泛关注。氢气因其热值高、能量密度高和零碳排放等特点,被认为是理想的能源载体。电催化分解水制氢技术已逐步实现商业化。电催化分解水过程由阴极的析氢反应(HER)和阳极的析氧反应(OER)所组成,这两个半反应决定了电催化分解水的效率。目前最有效的HER和OER的电催化剂主要集中在贵金属及其化合物上,然而贵金属的高成本和稀缺性,限制了其在工业上的应用。因此发展低成本、高效的非贵金属电催化剂是使得电催化分解水制氢迈向工业规模化应用的关键一步。本文以Ni CoS(NCS)为研究对象,围绕如何提高其电子传输效率和持续析氢稳定性尝试了多种策略,包括异种原子掺杂、石墨烯复合、贵金属单原子负载和助催化剂改性等。(1)通过杂原子掺杂和石墨烯复合相结合的方式,以达到调控NCS蛋黄壳微球的电子轨道能级,抵抗酸性介质中HO和O腐蚀的目的。密度泛函理论(DFT)模拟结合综合表征和实验首次揭示,在NCS中引入P杂原子不仅加速了从体相到表面的电子转移动力学,而且降低了掺杂P原子附近活性S位上的H演化反应势垒。利用DFT计算的穿透能垒预测了r GO覆盖层对P掺杂NCS(P-NCS)表面的HER具有质子渗透性和抗HO和O分子的重要功能。利用P掺杂剂和r GO覆盖层之间的协同作用,获得了催化活性和耐腐蚀性之间的平衡。结果表明,优化后的P-NCS/r GO在低过电位为76 m V的情况下,就能达到10 m A cm的电流密度,以及10小时的析氢稳定性,超过目前报道的大多数电催化剂。(2)通过光化学沉积法在NCS表面沉积Pt单原子,成功制备出Pt-NCS电催化剂。在酸性、中性及碱性电解液中,Pt0.5-NCS达到10 m A cm的电流密度的过电势分别为105 m V、64 m V、147 m V,且无论是在酸性、中性及碱性电解液中,都保持了优异的稳定性。电催化活性的显著增强可能是由于单原子Pt不仅能够调谐NCS的电子结构,还能有效抑制了S-O键的形成,因此降低了NCS析氢反应势垒,保证了析氢稳定性。(3)通过将产氧助催化剂Co-Pi负载到NCS纳米微球表面,成功制备出Co-Pi/NCS复合材料,探究了Co-Pi的引入对NCS形貌和电催化性能的影响。实验结果表明:1%Co-Pi/NCS具有最优的产氧性能,仅需335 m V即可达到10 m A cm的电流密度,并且经过1000次循环后,依旧保持较为良好的稳定性。电催化活性的显著增强可能是因为Co-Pi作为助催化剂可以有效地调节NCS的表面状态,促进水的吸附和中间产物的转化,使得O演化反应更易进行。该论文有图54幅,表6个,参考文献174篇。

关键词： 石墨烯纳米带   场效应晶体管   集成电路   碳基  

摘要： 集成电路芯片是现代信息技术发展的基石,而构成集成电路芯片约90%的是硅基CMOS器件。随着摩尔定律发展到5 nm的技术节点,由于尺寸限制,硅基CMOS器件出现短沟道效应漏电以及散热性问题而接近性能极限。科学家不断研究出FinFET等器件试图尽量减轻短沟道效应,然而随芯片“体积更小,性能更强”的大趋势发展需要,硅基材料的物理极限必然会到来,因此我们不得不用其他材料代替硅。几种可能的替代材料诸如碳化硅、氮化镓、氧化镓和碳基材料等近几年在电子领域发挥出越来越重要的作用,其中碳基纳米材料特别是石墨烯因其优异的光电性能被认为是最有可能替代硅的材料之一。石墨烯最突出的问题之一是零带隙。石墨烯纳米带(GNRs)是一种非常独特的碳基纳米材料,因为它不仅保留了石墨烯的一些特殊性能,如高载流子迁移率、良好的导热性能、小尺寸等,而且当它们的宽度小于10 nm时,还会呈现出有限且可调控的带隙。尽管GNRs具有许多优异的性能,并在诸如显示、电池、可穿戴设备等许多领域有巨大的应用潜力,但制备高质量的GNRs仍然是挑战。针对上述问题,本论文提出了一种简单的方法来制备具有光滑边缘的高性能石墨烯纳米带。首先我们提出了一种操作简便的实验方法,该实验过程包含两个步骤:低强度的氧化反应插入缺陷和物理机械超声剪切单壁碳纳米管(SWCNTs)侧壁。最终制造的GNRs表现出优异的半导体特性,它们可以在～685 nm处发出尖锐而强烈的光致发光,对应带隙高达1.8 eV。其次,本文利用分子动力学(MD)模拟对剪切SWCNTs侧壁形成GNRs的原理进行了解释,通过LAMMPS软件的反应力场ReaxFF对实验过程进行了完全原子化的反应动力学模拟。结果显示,超声空化效应对解开SWCNTs的侧壁起着至关重要的作用,在超声作用下SWCNTs成功解开形成了 GNRs。此外,基于GNRs的场效应晶体管(FETs)表现出超过105的高电流开/关比率,并且我们在此基础上对GNR FETs的阈值电压进行了有效调控,以期实现n型GNR FETs。这种简单的制备方法有望促进GNRs的基础研究和实际应用。

关键词： 粗粒化建模   应变能量守恒   能量重整化   聚合物纳米复合材料   力学性能  

摘要： 共轭聚合物(conjugated polymers,CPs)是一类以单、双键交替的主链为特征的高分子材料,其主链上形成的重叠p轨道构成了离域π电子系统,通过引入烷基侧链,可以改变其分子的柔性、溶解度、链间相互作用等。CPs这些因素使得共轭聚合物具备优异的光电性能和可调控的机械性能,在柔性屏幕、电池、传感器,电子皮肤,和可穿戴设备等应用中具有独特的优势。为进一步提高共轭聚合物的热力学性能,导电填料石墨烯管凭借其良好的热力学性能、高比表面积、轻质等优异性质,成为共轭聚合物的理想纳米增强填料,且广义上讲,石墨烯是最大的共轭分子。尽管共轭聚合物及其纳米复合材料的光电性能已经得到了广泛的实验和理论研究,但其热力学性能,如玻璃化转变温度、拉伸模量和韧性等参数在柔性可拉伸设备领域同样具有重要的意义。然而,对于这些热力学性能的理论研究却相对不足,尤其是在共轭聚合物结构复杂性和多样性的前提下,使得这一研究变得更加困难。得益于计算机技术的发展,分子动力学模拟为从微观层面深入理解共轭聚合物及其纳米复合材料的变形和热力学行为提供了强有力的工具。然而目前分子动力学模拟的时空尺度仍然十分有限,为与实验结果能够相匹配、对照,迫切需要开发共轭聚合物及其纳米复合材料的粗粒化多尺度模型,在保证不损失材料微观信息的情况下,扩大研究的时空范围。 本文旨在利用自下而上和自上而下结合的方法,分别构建了石墨烯和共轭聚合物的粗粒化模型,并利用粗粒化模拟手段对共轭聚合物及其石墨烯增强纳米复合材料进行热力学性能的研究。通过粗粒化模拟,可以保留聚合物的核心特征,同时扩大模拟可及的时空范围,以研究原子尺度上运动过程的细节、共轭聚合物的微观结构、动态行为和相互作用等,并对实验进行验证和补充,为优化材料设计和应用提供指导。各章的主要研究内容如下: (1)基于应变能量守恒和硬截断半径方法,系统地调节Tersoff势函数中的截断距离,以理论和实验结果为目标参照,系统开发了 4-1和16-1映射的粗粒化(Coarse-grained,CG)石墨烯模型,再现了石墨烯的实验和理论力学性能,且计算效率相对于全原子模型分别提升了 4和16倍。此外该模型可以与金属和聚合物进行组合,形成纳米复合材料,对其它石墨烯增强纳米复合材料的多尺度研究提供了借鉴意义。 (2)基于迭代玻尔兹曼反演(Iterative Boltzmann Inversion,IBI)和能量重整化(Energy-renormalization,ER)策略,以共轭聚合物聚(3-己基噻吩)(poly(3-hexylthiophene),P3HT)作为模型体系,开发了一个新颖的温度可转移粗粒化(Coarse-grained,CG)模型,解决了以往CG模型仅适用于某个特定热力学状态下的缺陷。为通过自下而上的方法预测和设计其他相关功能聚合物提供了新的思路。 (3)基于能量重整化方法,将开发的P3HT模型扩展到了具有不同侧链长度的聚(3-烷基噻吩)(Poly(3-alkylthiophenes),P3AT上)系列聚合物,并系统研究了不同分子量、厚度和P3AT侧链长度对共轭聚合物薄膜力学性能的影响,为设计优良特性的共轭聚合物薄膜提供了理论指导。 (4)基于上述开发的石墨烯和共轭聚合物CG模型,构建了石墨烯增强P3AT聚合物纳米复合材料体系,并研究了温度,石墨烯含量和侧链长度对力学、动力学和动态异质性的影响,揭示了石墨烯填料增强聚合物力学性能的本质在于其较大的分子局部刚度,为从分子层面理解材料的强化机制提供了新的。

关键词： LiFePO4   第一性原理   改性石墨烯   界面效应   电化学性质  

摘要： LiFePO4是一种具有广阔前景的锂电池正极材料,因为它具有低成本、高比容量和环境友好等优点。然而,由于自身结构的特殊性使其存在电子电导率和离子扩散系数低的缺点。碳包覆是改进LiFePO4倍率性能的重要途径,而石墨烯及改性石墨烯包覆逐渐成为研究的热点,单层石墨烯有高电子迁移率等优异的性能,有望成为LiFePO4的理想载体之一。因此本文采取基于密度泛函理论的计算方法,计算了掺B石墨烯包覆、掺N石墨烯包覆、缺陷石墨烯包覆等不同界面结构的LiFePO4,分析了它们的结合性质、原子成键、电荷转移、能带结构、Li+扩散机制,研究内容及结果如下:（1）构建了不同比例和位置掺杂的改性石墨烯模型,并分析了掺杂比例与形成能之间的关系,建立了由石墨烯及改性石墨烯包覆LiFePO4组成的结构模型,并证明了结构合理性。在掺B、N石墨烯及点缺陷石墨烯中,随着掺杂浓度提高,形成能增大。在构建包覆模型时,通过扩胞使得晶格错配度小于5%。通过收敛性测试表明,在K点为5×1×1且截断能大于400 e V时,体系能量基本稳定。（2）研究了石墨烯和改性石墨烯对LiFePO4（010）表面的包覆效应,并分析了其对材料热力学性质的影响。结果表明,无论是石墨烯还是改性石墨烯均可以在平行方向与LiFePO4（010）表面稳定结合,界面之间的相互作用为范德华力。包覆作用导致表层Fe-O键缩短,且表面Li原子向包覆层输送电子,使得Li-O键离子化程度增加和键长延长。这样就有利于拓宽Li+的扩散通道,提高Li+的迁移性能。（3）分析了不同掺杂元素（B、N）和缺陷位置及数量对体系禁带宽度和导电性能的影响,揭示了改性石墨烯增强LiFePO4导电性的机理,得到了导电性随界面距离的变化规律。相对于无包覆的LiFePO4,石墨烯及改性石墨烯禁带宽度都有不同程度的降低,这是由于B、N原子的掺杂分别在体系价带顶提供空穴及导带底提供自由电子,缺陷的引入使得周围C原子活性增加。此外,LiFePO4表层导电性大于内部,并随界面距离增大而减小。（4）研究了石墨烯和缺陷石墨烯包覆对LiFePO4正极材料Li+迁移的影响。计算并对比Li+在两者表面及界面的迁移能垒,发现单空位缺陷的引入可以极大减小Li+界面的迁移势垒。

关键词： 金属有机框架   纳米棒阵列   石墨烯   葡萄糖  

摘要： 采用简单的溶剂法在泡沫铜（Copper foam, CF）基底上原备Cu（OH）2纳米棒阵列，通过水热法，以Cu（OH）2纳米棒为核、均苯三甲酸为配体，一步构建基于CF、石墨烯（Graphene, GE）掺杂的铜金属有机框架（Copper metal organic framework, CuMOF）包覆Cu（OH）2纳米棒阵列电极，记为GE-Cu MOF/Cu（OH）2@CF电极。研究了葡萄糖在GE-CuMOF/Cu（OH）2@CF电极上的电化学行为，结果表明，此电极对葡萄糖的电化学氧化具有良好的电催化性能，并且具有高选择性和良好的稳定性。在0.1 mol/L NaOH溶液中，采用计时安培法测定葡萄糖的线性范围为0.001～0.597 mmol/L和0.597～2.847 mmol/L，检出限为0.3μmol/L（S/N=3）。将此电极用于人血清样品中葡萄糖含量的测定，加标回收率在97.3%～104.5%之间。本研究为实际样品中葡萄糖的检测提供了一种简单可靠的方法。

关键词： 废水处理   石墨烯气凝胶   吸附性能   磁性石墨烯材料   六价铬  

摘要： 随着国家工业化的快速发展，含有大量重金属离子的废水被排放到环境中，对人类健康产生不利影响。六价铬（Cr(Ⅵ)）作为一种常见的有害重金属离子，对人类具有高毒性。吸附法因其材料成本低、操作简便和效率高等优点，使其成为众多处理Cr(Ⅵ)废水的方法中最有前途的方法。石墨烯及其衍生物作为一种高性能吸附剂，其独特的二维结构、大比表面积、丰富的活性官能团以及易于功能化等优点使其在水处理领域引起了相当大的关注。然而，由于石墨烯材料，特别是氧化石墨烯粒径较小，很难通过传统的离心和过滤方法从水溶液中分离，这不但不利于吸附剂的回收利用，同时容易造成二次污染。因此，本文采用氧化石墨烯（GO）、壳聚糖季铵盐（HACC）、乙二胺和磁性Fe3O4等为原料，分别制备了HACC-rGA复合气凝胶、HErGA复合气凝胶和HMrGO磁性复合材料，采用一系列表征对三种石墨烯复合材料进行分析，并研究了其对水体中Cr(Ⅵ)的吸附性能、循环再生性能和吸附机理。具体的研究内容及结果如下：　　（1）首先采用了水热还原法制备了HACC改性的石墨烯水凝胶，然后通过冷冻干燥得到HACC-rGA复合气凝胶。改性后的气凝胶具有超低密度和高孔隙率，HACC的引入不仅有效减少了石墨烯气凝胶的收缩，同时增大了气凝胶的亲水性和吸附性能。实验结果表明：HACC-rGA对Cr(Ⅵ)的吸附过程符合Elovich动力学模型和Freundlich吸附等温线，且该吸附过程为自发的吸热熵增过程，在吸附最佳pH值为2.0时对Cr(Ⅵ)阴离子的最大吸附容量为182.47mg/g。　　（2）为了增大HACC-rGA的机械性能和吸附性能，引入乙二胺作为交联剂和氮源，通过水热还原法制备了HErGA复合气凝胶。HErGA同样拥有超低密度和超高孔隙率。同时复合气凝胶拥有超亲水性，乙二胺作为交联剂增大了气凝胶的弹性性能，在用砝码按压数次后仍能恢复到90%以上。实验结果表明：HErGA对Cr(Ⅵ)的吸附过程符合拟二级动力学和Freundlich吸附等温线，且吸附过程为自发的吸热熵增过程，在吸附最佳pH值为2.0时对Cr(Ⅵ)阴离子的最大吸附容量高达295.71mg/g，具有良好得选择性，在循环再生五次后吸附性能仅下降了16.5%，吸附机理涉及静电吸引、氧化还原、表面络合和离子交换。　　（3）采用原位合成法制备了HMrGO磁性复合材料。HACC的引入能有效减轻氧化石墨烯的团聚，增大磁性颗粒的负载量以及复合材料的活性官能团数量，从而增大了复合材料的磁性及吸附性能。实验结果表明：HMrGO吸附过程符合拟二级动力学和Langmuir吸附等温线，且吸附过程为自发的吸热熵增过程，在吸附最佳pH值为2.0时对Cr(Ⅵ)阴离子的最大吸附容量为156.22mg/g，经过五次循环再生后吸附性能下降了22.2%。

关键词： 飞秒激光直写   还原氧化石墨烯   金属网格   复合结构透明电极   透明加热器  

摘要： 随着智能显示、智能传感器、智能穿戴等技术的飞速发展,透明加热器在交通、医疗等行业的应用和市场不断增大,对其关键基础部件透明电极的综合性能提出了更高要求。使用传统透明导电氧化物电极的加热器逐渐显现出承温范围低、热响应慢、高脆性等弊端,难以满足技术发展的要求。以Ag网格为代表的金属网格透明电极拥有良好的综合光电性能,能有效克服传统透明电极的部分弊端,具有很大的潜在应用价值,但其光学和电学性能之间的权衡、加热均匀性等问题仍待解决。本论文面向加热器用透明电极光电性能等重要技术指标的提升需求,提出多层材料复合网格结构透明电极设计方案,基于飞秒激光直写等技术制备出Cu/Ag复合网格型透明电极、还原氧化石墨烯/金属网格复合透明电极和透明加热器,获得了理想的光电性能和加热性能,为复合金属网格透明电极的工业应用提供技术支持。论文主要工作如下: (1)提出飞秒激光定域去除制备叠加式Cu/Ag复合网格型透明电极的方法,构建了激光工艺参数-表面形貌-光电性能的关联映射。分析激光能量密度、激光扫描速度对Cu/Ag/玻璃多层材料的烧蚀过程,揭示双层金属薄膜网格化过程中烧蚀深度以及网格宽度变化机制。研究不同激光工艺参数下金属网格透明电极的光学、电学性能变化规律,获得激光工艺参数、透明电极表面形貌以及光电性能之间的内在联系。将综合光电性能最优的金属网格透明电极制备成透明加热器,分析不同驱动电压下透明加热器的温度变化,获得驱动电压与表面温度之间的对应关系。利用飞秒激光定域去除区域尺寸可调节的优势,获得10μm超细金属网格线,实现“隐形”金属网格的制备。 (2)基于飞秒激光直写技术制备嵌入式Cu/Ag复合网格型透明电极,建立了激光工艺参数对沟槽加工质量、复合金属层各层厚度对综合光电性能的影响机制。在PVP/玻璃上制备网格阵列沟槽,研究激光能量密度和激光扫描速度对沟槽宽度和深度的影响规律。分析不同Cu、Ag膜层厚度下透明电极光学、电学性能的变化规律,揭示双层金属膜各层厚度对透明电极光电性能的调控机制。通过加热性能测试,分析不同驱动电压下加热器表面温度分布以及温度-时间曲线,获得透明电极电学性能与透明加热器驱动电压之间的关联。通过除冰试验,验证透明加热器的高效除冰能力。 (3)提出还原氧化石墨烯/金属网格复合策略以提升透明电极导电均匀性。采用炉内退火制备热还原氧化石墨烯/金属网格复合透明电极,研究热还原温度对玻璃基底氧化石墨烯还原特性的影响规律,获得合适的还原温度。对氧化石墨烯/金属网格复合结构进行热还原,分析复合透明电极电学性能变化,阐明氧化石墨烯/金属网格在热还原处理后的电学性能提升机理。研究氧化石墨烯旋涂次数对透明电极光学性能、电学性能的影响规律。对比复合前、后透明电极电学性能变化情况,研究复合透明电极的环境稳定性,抑制金属网格氧化。通过加热性能测试,分析复合透明电极与金属网格透明电极在相同驱动电压下的表面温度以及温度分布,探究热还原氧化石墨烯/金属网格复合结构、导电均匀性和温度均匀性之间的内在联系。 (4)基于飞秒激光局部化优势,提出飞秒激光对氧化石墨烯/金属网格原位一步还原方法,制备飞秒激光还原氧化石墨烯/金属网格复合透明电极。研究激光能量密度对玻璃基底氧化石墨烯还原特性的影响规律,揭示飞秒激光与氧化石墨烯的作用机制。分析不同激光工艺参数组合下微观结构和膜层厚度,揭示激光能量密度和激光扫描速度对氧化石墨烯薄膜还原、烧蚀程度的综合调控机制,阐明飞秒激光辐照下还原氧化石墨烯薄膜表面形貌演变机理。研究氧化石墨烯/金属网格复合结构经飞秒激光辐照后的电学性能和透明加热器的温度分布,探究飞秒激光还原氧化石墨烯/金属网格复合结构、导电均匀性和温度均匀性之间的内在联系。通过逐级升、降电压测试和开关循环测试,研究加热器驱动电压对温度的依赖性、热调节能力和加热稳定性。

关键词： 析氢反应   析氧反应   过渡金属硫化物   氧化石墨烯   密度泛函理论计算  

摘要： 目前,随着全球人口的快速增长和化石燃料的大量燃烧,人们致力于开发清洁和可再生能源,如太阳能和风能。然而,它们的电力输出具有间歇性和波动性,容易受到气候和地理位置的影响,阻碍了它们向现代电网系统的大规模应用。商业电解水由于HER和OER动力学迟滞导致过电位较大,通常在工业电流密度高于1.8 V的高电池电压下工作,远高于1.23 V的理论电压。选择高效的电催化剂可以有效地降低HER和OER的过电位。迄今为止,Pt基材料和Ir或Ru的氧化物分别是最有效的HER和OER水分解电催化剂。然而,高昂的成本和低的地球丰度严重限制了其广泛应用。本文以开发性能优异的析氢及双功能电催化剂为目标,通过界面工程、非金属元素掺杂等手段,制备了两种不同的过渡金属硫化物/氧化石墨烯的复合材料,并对其进行了物相及形貌的表征,还有一系列的电催化性能测试。此外,还进行了DFT的理论计算,研究了关于非均相异质界面的电子再分配对电催化性能的影响。具体研究内容如下:(1)通过水热法和硫化法设计了负载在氮掺杂氧化石墨烯气凝胶上的磷掺杂二硫化钼纳米片(P-MoS/NGA)。氮掺杂的氧化石墨烯气凝胶(NGA)的三维结构防止了P-MoS的聚集,确保了电荷的快速转移和结构的稳定性,而MoS纳米片在P掺杂后改善了其界面特性和内部导电性,从而形成了具有更多表面活性位点的高效析氢电催化剂(P-MoS/NGA),表现出意想不到的析氢反应(HER)的活性。在1.0 M KOH中达到10 m V cm的电流密度需要的电压仅为79 m V,同时Tafel斜率为97 m V dec。实验和计算表明,HER性能的改善是由于掺杂和几何效应,至关重要的是P掺杂通过改变MoS的电子状态来提高P-MoS/NGA的HER活性来促进最佳d带中心(εd)。密集有序的层状结构也加速了HER的电子传输并增强了催化活性。这种有效的非金属元素掺杂的策略使复合材料的内在性能得到了前所未有的改善。(2)通过一步硫化法在还原石墨烯氧化物改性的泡沫镍基材(r GO/NF)上将NiMoO原位转化为针状NiS-MoS异质结结构。理论计算显示,NiS和MoS异质界面上电子的耗散和积累的电荷工程调控优化了远离费米能级的反应位点和d带中心,提高了内在的催化活性。正如预期的那样,具有丰富的异质界面、丰富的缺陷、充分暴露的活性位点和电子相互作用使NiS-MoS/r GO/NF催化剂在析氧反应(OER)和析氢反应(HER)中表现出优异的活性,具体来说,在210和103 m V的过电位下,OER和HER就可以达到10 m A cm的电流密度。更重要的是,当同时作为阴极和阳极用于整体水分解时,仅需要1.52V的电压为就能达到10 m A cm的电流密度,这大大优于其他双功能电催化剂。它具有48小时的长期稳定性和接近100%的法拉第效率,使催化剂可以投入实际的商业应用。本工作为利用r GO实现双金属硫化物的高效组装提供了新的思路,为双金属硫化物实现更高效的催化水分离提供了一种可靠的方法。

关键词： 天线传感器   介电特性   汽油检测   湿度检测   石墨烯  

摘要： 随着射频微波系统和智能监测应用的的不断开发,智能环境监测传感器受到了广泛关注。在目前诸多传感器中,天线传感器具有小成本、高灵敏度和实时无线传输的特点而受到学者的好评。天线传感器的频率和辐射增益受周围环境、介质基板和辐射贴片的介电常数所影响。介电特性的变化可以做为天线传感器的传感机理而应用。论文的主要工作如下:(1)当乙醇和水混合到汽油中时,汽油的介电特性会发生变化。基于这一特点,设计了一款加载2×2人工磁导体(AMC)阵列的石油检测天线传感器。对比了AMC结构对天线传感器的影响并研究了其在6-7 GHz频段检测乙醇汽油中的辐射和传感性能。为避免油样对天线的腐蚀,天线采用多层介质基板结构。该天线传感器具有良好的辐射方向图,峰值增益为4 d B,品质因数(Q)为69。此外,该天线传感器对油水混合物和乙醇汽油浓度的检测具有灵敏度高、检测范围宽等优点。(2)当湿度发生变化时,天线传感器的辐射贴片介电常数会发生变化。基于这一特点,设计了4款工作在860-960 MHz的天线传感器。在辐射贴片表面生长了一层石墨烯,可将湿度检测的灵敏度分别在0-57%的湿度内从16.26 KHz/%RH提高到32.61 KHz/%RH和在57-90%的湿度内从145.42 KHz/%RH提高到290.51KHz/%RH。湿度变化过程中天线传感器的辐射方向和增益仍然保持稳定,同时对各种干扰因素有很好的稳定效果。基于仿真及测试,天线传感器可以用于复杂和危险环境中的实时环境无线检测。