纳米水通道的设计和模拟

纳米受限空间的水表现出与宏观体相水不一样的构型和动力学性质,近年来引起人们的广泛关注. 其中水在纳米通道中的输运性质,对生命科学、物理化学、纳米流体器件领域的发展都显得特别重要. 本文介绍了几种纳米水通道的设计和模拟,揭示了外界环境、点电荷、形变以及外部吸引力对纳米尺度下水的动力学性质的显著影响,这些成果对设计高通量和可控的纳米流体器件具有重要的指导意义.     

压-电场耦合下纳米尺度水输运的MD模拟

运用分子动力学方法构建了纳米尺度的输运模型,针对纳米通道内水分子的流动与传热特性,分析了通道内压-电场耦合下水的速度分布、密度分布、自扩散系数和黏度等流动特性,同时也讨论了温度对通道内热导率的影响.模拟结果表明,速度轮廓从单纯电场驱动的电渗流型开始转变,由于压力的影响,速度分布呈抛物线型,速度随温度的升高而增大；温度的...     

掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究

基于第一性原理计算,研究了B/N掺杂对宽度为N(a)=3p+2=11的扶手椅(Armchair)型石墨烯纳米带电子结构和输运性质的影响.杂质的存在使得扶手椅型石墨烯纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域的杂质态能带,杂质的位置也影响其能带结构.另外,杂质的存在还引起输运过程中的电子共振散射,其特点与掺杂种类、掺杂位...     

含有碳链通道的石墨烯纳米带电子特性的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数的计算方法,研究了含有多碳链通道的石墨烯纳米带的原子结构、电子能带结构与电子输运特性.结果表明,移除大量原子后含有双碳原子链的纳米带的能隙显著增大,这说明电子从占据态到未占据态的跃迁将更加困难;并且最高占据子能带与最低未占据子能带几乎与费米能级平行,说明边缘态几乎完全消失.电子输运特性的计算结果与电子能带结果是自洽的,碳链的引入导致纳米带电导隙的增大和费米能级位置电导的湮没.这说明通过电子束轰击的方式裁剪纳米带的原子结构来制备集成度更高、尺度更小的一维半导体纳米器件是可行的.     

受限在两层石墨烯纳米片间的Pd-Au-Pt三金属纳米粒子相变的分子动力学模拟研究

本文通过分子动力学(MD)模拟研究了受限在两层石墨烯纳米片(graphene nanosheet,GNS)间的Pd-Au-Pt三金属纳米粒子在升温和降温过程的结构和相变特征.原子位置和密度分布被用于分析不同组分的Pd-Au-Pt三金属纳米粒子的结构和相变特征.结果表明,受限的Pd-Au-Pt纳米粒子有特殊的原子分布,Pt原子趋向于分布在靠近石墨烯纳米片的附近,Au原子则趋向于分布在远离石墨烯纳米片的中心层区域,而Pd原子最为独特,以随机的方式分布在整个受限的纳米粒子中.我们也注意到,受限的Pd-Au-Pt三金属纳米粒子的结晶从受限的三金属纳米粒子与GNS的界面开始,熔化起始于内层.本文也揭示了受限Pd-Au-Pt纳米粒子相变的结构特征.     

三维炭/还原氧化石墨烯纳米片的制备及其电化学性能

采用水热合成法,将间苯二酚甲醛树脂涂覆在还原氧化石墨烯片层上,经冷冻干燥及炭化后构筑三维炭/还原氧化石墨烯纳米片。使用SEM、TEM、FTIR、XPS等对样品的形貌与结构进行表征,利用循环伏安、恒流充放电及电化学阻抗法测试了样品的电化学性能。结果表明,间苯二酚甲醛树脂成功将还原氧化石墨烯片包覆,二者构筑的三维炭/还原氧化石墨烯复合纳米片厚度为25nm;当循环伏安测试扫描速率为20mV/s时,三维炭/还原氧化石墨烯纳米片电极材料的比电容分别为还原氧化石墨烯与间苯二酚甲醛树脂炭电极材料相应值的1.8和2.8倍;在0.2A/g的充电电流密度下,三维炭/还原氧化石墨烯纳米片电极材料比电容为154.4F/g。     

微波水热法制备ZnO/氧化石墨烯及其光电化学性能研究

利用微波水热法在316L不锈钢片基底上制备一维ZnO纳米阵列/氧化石墨烯(ZnO/GO)复合材料,借助SEM、TEM、UV-Vis及可见光光照下的恒电位i-t曲线等手段,对加入氧化石墨烯浓度不同的ZnO/GO样品的形貌、结构及光电化学性能进行表征。结果表明,ZnO纳米棒均匀垂直于316L不锈钢基底生长,GO片层嵌入在ZnO纳米棒结构中间;GO的引入促进了ZnO中产生的光生电子-空穴对的分离,从而使ZnO/GO复合材料相较于ZnO具有更佳的光电化学性能。当加入GO溶液浓度为0.5mg/mL时,所制样品中ZnO纳米棒阵列发育完善、排列致密,样品的光电流密度达到18μA/cm~2,为纯一维ZnO纳米结构相应值的3.6倍。     

氮掺杂石墨烯负载钴基多组分纳米粒子作为锌空气电池的先进阴极催化剂

为了提高锌空气电池 (ZABs) 中阴极氧气还原反应 (ORR) 的效率,本文提出了一种吸附–络合–煅烧方法,在石墨烯纳米片上形成包含 Co、Co₃O₄ 和 CoN 的多组分钴基纳米粒子及大量N掺杂原子,获得 Co/Co₃O₄/CoN/NG复合材料。尺寸小于50 nm的Co/Co₃O₄/CoN 纳米粒子均匀分散在 N 掺杂石墨烯 (NG) 基底上,极大地改善了ORR的电催化行为。测试结果表明,所制备材料催化ORR的半波电位高达0.80 V vs. RHE,极限电流密度为4.60 mA?cm?2,与市售的铂/碳 (Pt/C) 催化剂接近。作为ZABs的阴极催化剂,该电池的比容量和开路电压分别为 843.0 mAh?g?1和1.41 V。优异的性能归因于高度分散的Co/Co₃O₄/CoN纳米颗粒和掺杂氮原子提供了大量的催化活性位点,以及石墨烯二维结构提供了高表面积及快速的电子传输通道。     

长石添加量对陶粒支撑剂性能的影响

利用低品位铝矾土和长石制备陶粒支撑剂,研究长石含量对陶粒支撑剂性能的影响。根据SY/T5018-2014的要求测试了陶粒支撑剂的体积密度、视密度、破碎率,同时分别用XRD和SEM对其物相组成和微观结构进行表征。结果表明:长石的添加有利于降低陶粒支撑剂的烧结温度,添加量为15wt%时最佳,此时陶粒支撑剂满足行业使用标准的烧结范围为1 220℃～1 300℃,同时体积密度、视密度范围分别为1.36 g/cm~3～1.40 g/cm~3、2.61 g/cm~3～2.62 g/cm~3,属于低密度陶粒支撑剂。     

功能化多孔碳纳米球的制备及电化学性能

以聚吡咯(PPy)纳米球为前驱体,经1 000℃高温炭化后,采用KOH在750℃进行活化制备多孔碳纳米球(PCS),并利用对巯基苯胺(PATP)与PCS进行溶剂热反应对PCS进行功能化处理,制备了高密度的功能化多孔碳纳米球(PATP-PCS).结果表明,经过PATP功能化之后,低密度的多孔炭材料转变为高密度的功能化炭材料.PATP-PCS的体积电容在0.5 A/g时可达183.63F/cm~3;当电流密度增大到20 A/g时,体积电容仍有123.14F/cm~3,显示出优异的倍率性能;在电流密度为10A/g的条件下,经过3 000次恒流充放电循环后,其循环寿命高达94.7%,表明了突出的循环稳定性.     

不同接触结构对异质结电子输运特性的影响

根据近来实验上成功制备的石墨烯纳米带(GNR)/碳纳米管(CNT)异质结,构建了一种端连GNR/CNT/GNR异质结结构.采用密度泛函理论结合作平衡格林函数的第一性原理方法,研究了接触区微结构对GNR/CNT/GNR异质结电子输运特性的影响.研究结果表明,选择合适的接触微结构,在锯齿型石墨烯纳米带中插入一段扶手椅型碳纳米管能有效打开石墨烯纳米带的带宽,将其金属性转变为半导体性,这一研究有助于设计和制作性能优良的半导体分子器件.     

受限高浓度电解质溶液的电动力学输运

为了解释有关纳米通道内离子输运特性的一系列违反经典流体力学和电迁移理论的实验现象的内在机理,通过分子动力学模拟的方法,研究了受限高浓度Na Cl溶液的离子电流和迁移率等电动力学输运特性.结果显示,跨膜电压和接入电阻是导致单层石墨烯纳米孔的离子电流随孔径呈线性增长的重要原因.受限电解质溶液与体态溶液的本质区别是除了固液界面的边界效应外,跨膜电压造成的局部超大电场将导致电迁移速率随电场强度增加出现非线性增长的Wien效应.同时,离子迁移率随溶液浓度升高而下降.产生这些变化的微观机理除了离子氛屏蔽效应外,还有离子对形成和离子碰撞等离子间微观相互作用.     

高速通道压裂过程中支撑剂运移规律研究

高速通道压裂是近年在非常规致密油气资源开采中出现的新技术.为了研究高速通道压裂过程中支撑剂运移规律，基于CFD-DEM方法，建立高速通道压裂三维模型，首先对纤维柱的有无、纤维柱的排列方式和纤维柱尺寸对高速通道形成的影响，并进一步研究压裂液黏度、支撑剂密度对支撑剂运移规律的影响.结果表明：随着纤维加入压裂液中，支撑剂颗粒流速出现差异性变化；由并行排列变为交错排列，支撑颗粒的流速由快变慢，流速较快的颗粒出现在裂缝底部的数目减少；采取纤维柱交错排列方式且纤维柱半径较小，有利于快速形成支撑柱，获得较高的裂缝导流能力；随着压裂液黏度的增大，纤维吸附颗粒数目在不断减少；当压裂液密度为1000 kg/m³时，支撑柱颗粒数目随支撑剂密度的增大而缩减少，而压裂液密度增大为2000 kg/m³时，支撑柱颗粒数目则呈现增大趋势.研究成果丰富了高速通道压裂技术的研究.     

条形纳米通道中奇特的钠选择性

运用分子动力学模拟研究了Na+和K+在4种不同宽度的条形纳米通道中的输运行为,发现由2块单层石墨片构成的条形纳米通道具有一定的钠选择性.当条形纳米通道宽度为0.88 nm时,钠钾离子(Na+/K+)的通透率之比可达到6.但当条形纳米通道的宽度增大时,选择性会逐渐减弱.由于这种管道的结构简单而且能实现很好的离子选择功能,因此在离子分离、海水淡化中有很大的潜在应用.     

还原温度对石墨烯性能的影响

采用天然鳞片石墨为原料,用氧化-还原法在不同还原温度制备石墨烯,通过XRD、SEM、恒流充放电等检测手段研究了不同工艺参数对石墨烯结构和电性能的影响.研究结果表明:石墨烯具有片层结构,其层间距随着还原温度的增加而减小,都约为0.35 nm;石墨烯的半峰宽呈现先减小后增大的趋势,在还原温度为80℃时有最小值,为7.903 rad.随着还原氧化石墨的温度增加,材料的首次放电电容、首次充放电效率和循环性能都呈现先增大后减小的趋势.材料r GO-80的首次放电电容量为141.1 F/g,500次循环后,样品保持了首次放电容量的87.9%.     

纳米通道受限液体的结构和输运

纳米通道物质的筛选及输运因其前沿学术研究意义以及在能源、环境、健康等领域的重要应用前景,近年来受到了科学界、工程界和工业界的广泛关注.纳米尺度下,界面效应和分子间力作用凸显.液体分子自由运动受到限制,其结构表现出分层、有序化等特征.受此影响,受限液体的输运行为也呈现出跟宏观尺度下截然不同的形式.描述纳米流动的控制方程和边界条件都值得进一步深入研究.本文围绕受限液体的结构和输运,结合近期国内外在该领域取得的重要研究成果进行了系统综述,重点关注了纳米通道中水的输运以及离子筛选这一热点问题,剖析了受限液体的有序结构及其输运过程中边界条件和驱动力等问题复杂性的根源,揭示了分子间力主导的纳米通道流动的力学机制与规律,并探讨了该领域仍存在的难题及可能的发展方向.     

超临界乙醇制备TiO2/石墨烯纳米复合材料及其表征

以氧化石墨为载体、钛酸异丙酯为前驱体,利用超临界乙醇的超临界性能和还原性,制得了晶型完善的锐钛矿TiO2/石墨烯纳米复合材料.通过红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）对采用Hummers法制得的氧化石墨（GO）进行表征;同时利用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）对TiO2/石墨烯纳米复合材料进行研究.结果表明：成功制得了氧化石墨（GO）和晶型完善的锐钛矿TiO2/石墨烯纳米复合材料,并且发现二氧化钛在石墨烯纳米片层上呈现为有规则的颗粒,分散均匀,平均粒径为8.24 nm.     

泥水盾构圆砾地层开挖面泥膜闭气过程试验研究

针对武汉越江地铁泥水盾构在江中高渗透性圆砾地层带压开舱时泥膜闭气问题,开展不同配比泥浆渗透-成膜-闭气试验,测试泥浆成膜及闭气过程中泥膜性质及内部孔压变化.结果表明,泥浆密度的增大会使闭气前后泥膜压缩量及闭气值逐渐增大,而泥膜含水率、孔隙比及渗透系数逐渐减小;小密度泥浆(≤1.1 g/cm~3)形成的泥膜在小于0.2 MPa气压下被击穿,表现为圆孔透气,且内部孔压降低明显;大密度泥浆(1.15～1.2 g/cm~3)形成的泥膜均能在0.4 MPa气压下保持稳定.对本工程而言,可采用密度为1.15～1.20 g/cm~3的膨润土-黏土混合泥浆并渗透成膜8 h的方案,以满足带压开舱时开挖面稳定性要求.     

λ-DNA通过纳米通道产生电流信号的1/f噪声分析

利用膜片钳采集了λ-DNA通过纳米通道时的电流信号,分析了电压、通道几何形状与尺寸、盐浓度以及通道材料等因素对信号1/f噪声的影响.研究结果表明,纳米通道内的1/f噪声是由溶液体态离子与壁面电荷综合作用引起的.对于氮化硅纳米通道,当电压绝对值增大至一定程度时,通道内部会出现电荷局部拥挤现象,导致局部电阻增大,1/f噪声的功率也随之增大.孔径对氮化硅纳米通道检测信号的1/f噪声影响相对较小.石墨烯的结构电容大并具有极高的载流子迁移率,故其噪声信号明显强于氮化硅纳米通道.研究结果有助于辨识λ-DNA通过纳米通道时产生的高信噪比电流信号.     

石墨烯纳米复合物的制备及其可见光催化性能

采用水热法制备出TiO_2及其TiO_2/石墨烯纳米复合物,通过XRD、SEM、TEM等对材料晶型、TiO_2纳米颗粒在体系中的微观结构及分散状态进行了表征,利用紫外-可见漫反射谱对材料在可见光区的响应进行了研究,并通过在可见光照射下降解甲基橙溶液评价了TiO_2/石墨烯纳米复合物具有比纯TiO_2更高的光催化活性.结果表明,水热反应温度为200℃,反应时间为24h制备出的TiO_2/石墨烯纳米复合物具有最高的可见光催化活性,当TiO_2/石墨烯纳米复合物在12mg/L甲基橙溶液中的投入量为1g/L时,在3min内的降解率达99.9%.