封面说明

<正>中空多壳层结构(hollow multishelled structure,HoMS)材料以纳米颗粒为基本构筑单元,由外至内次序排列的多孔壳层赋予了材料独特的时空有序性,是一种极具竞争力的新型功能材料.然而,由于结构的复杂性,很长一段时间以来,仅有少数几种组分的HoMS被合成出来,极大限制了该新型功能材料的发展和应用.中国科学院过程工程研究所王丹课题组提出并发展的次序模板法(sequential templating approach, STA),为HoMS的普适可控合成提供了具有重要贡     

中空多壳层结构TiO2及其复合材料的合成及应用

中空多壳层微、纳米分级结构材料因具有比表面积大、密度小及结构稳定等优点,在多个领域受到广泛关注.二氧化钛(TiO_2)作为一种安全性高、稳定性好的环境友好型半导体材料,被广泛应用于锂离子电池、染料敏化太阳能电池、光催化等领域.在这些领域,中空多壳层结构TiO_2及其复合材料能够利用中空多壳层结构的诸多优点,如优异的结构稳定性能够提升锂离子电池的循环性能,中空多壳层结构对光的多级散射作用能够提高对光的利用率,从而提升太阳能电池及光催化性能.然而,对其实现更精确的控制合成仍然面临挑战.为了实现对优异性能的进一步追求,精细调控中空多壳层结构TiO_2及其复合材料十分重要,但仍少有报道重点对中空多壳层结构TiO_2进行总结.本文首先介绍了TiO_2的基本信息,随后总结了近年来对中空多壳层结构TiO_2及其复合材料在合成方法及应用方面的研究进展,最后对该研究领域进行了总结与展望.通过本文,可以综合了解基于TiO_2的中空多壳层结构材料的合成方法,为实现精细控制合成及性能调控提供参考与方向.     

次序模板法合成中空多壳层结构材料的发展与挑战

中空多壳层结构材料因具有由外至内次序排列的多个壳层,赋予了材料独特的时空有序性,在电化学储能、太阳能转换、电磁波吸收、催化、气敏、药物释放等领域有着巨大的应用潜力.然而由于结构的复杂性,缺乏普适可控的合成方法成为制约该新型功能材料发展与应用的关键.次序模板法的发展,实现了中空多壳层结构材料的普适可控合成,促进了该领域的迅速发展.本文简单回顾了中空多壳层结构材料合成方法的发展历程,主要总结了次序模板法从提出到日益成熟的发展过程,深入分析了次序模板法的特点与适用范围,剖析了次序模板法促进中空多壳层结构材料迅速发展的原因,最后探讨了中空多壳层结构材料在可控合成上面临的挑战和未来的发展方向.     

多壳层中空材料的制备及其应用

多壳层中空材料具有比表面积大、结构稳定的优点,其特有的中空形貌结构赋予了它优异的光、电、磁、热等性质,是近年来材料领域研究的热点之一.近年来,随着材料合成工艺与设备的发展,具有功能多样化的中空材料得到蓬勃发展.本文首先介绍了几类多壳层中空材料的合成方法,包括硬模板法、软模板法、无模板法(如奥斯瓦尔德熟化法、柯肯达尔效应法、离子交换法、选择性刻蚀法、热诱导迁移法、喷雾干燥法).然后,对不同形貌的多壳层中空材料进行了分类,并对其合成过程中的生长机制进行了归纳总结.最后,总结了多壳层中空材料在锂/钠二次电池、超级电容器、染料敏化太阳能电池、光催化、光解水等领域中的应用进展.     

基于多壳层Co_3O_4中空正十二面体的高效葡萄糖传感器

对比了多壳层Co_3O_4中空正十二面体与有序介孔Co_3O_4作为电催化剂,并应用在葡萄糖电化学催化氧化中的反应行为.多壳层中空结构促进了葡萄糖分子及相关产物的反应扩散,而壳层纳米粒子的取向排列不仅优先暴露了更多高活性(111)晶面也能促进反应电子的转移,从而有效提高了对葡萄糖电催化氧化的活性.多壳层中空正十二面体在低浓度范围对葡萄糖的灵敏度可达4075.2μA mmol/(L cm~2),优于有序大介孔Co_3O_4和有序小介孔Co_3O_4分别为3561.1和2074.3μA mmol/(L cm~2).电化学性能结果表明,多壳层Co_3O_4中空正十二面体是一种构筑葡萄糖传感器的优异电催化剂,为高效葡萄糖电催化剂的设计与合成提供了一定的借鉴.     

中空偶氮苯微球的合成及其光化学行为的研究

以表面含乙烯基团、粒径约250 nm的二氧化硅为模板, 甲基丙烯酸-6-(4-甲氧基-4′-氧-偶氮苯)己酯(Azo-M)为共聚单体, 二乙烯基苯(DVB)为交联剂, 通过蒸馏沉淀聚合方法制备了以二氧化硅为核、聚偶氮苯为壳的杂化粒子(PAzo@SiO₂). 通过氢氟酸溶液刻蚀法制备聚偶氮苯(PAzo)中空微球. 采用透射电子显微镜、傅里叶红外光谱表征了其结构, 采用热失重分析、UV-vis光谱表征其热稳定性和光异构化行为. 结果表明: 当DVB为Azo-M的20%、乙腈为200 mL、聚合时间为4.5 h, 得到了孔径约250 nm、壳层厚度约20 nm的中空微球. 这种聚偶氮苯中空微球具有优异的热稳定性和可逆的光响应性, 其光响应速率比偶氮苯均聚物(Homo- PAzo)仅降低了11.8%.     

高效光能转换新媒介:中空多壳层结构材料

光能的捕获和利用为环境、能源和医学等多个领域的发展提供了广阔的前景.为了实现高效的光能转换,对作为媒介的光功能材料的设计至关重要.作为一种新兴的多级微纳材料,中空多壳层结构(hollow multi-shelled structures, HoMSs)材料在光能转换领域中具有诸多优势,其高效的光捕获能力、增强的光生电荷分离能力和灵活可调的壳壁组成等结构特性都能够有效提高材料对光能的转换效率.本文从HoMSs光功能材料在光能转换过程中的优势出发,总结了其在光催化、太阳能电池和光致发光等光能转换领域中的应用研究进展,并对该领域的发展趋势进行了展望.     

花叶序研究拾趣

大自然中花样繁多的花叶序服从于一个统一的原理,即最小弹性能构型原理。利用无机材料的内核/壳层结构可获得三角铺排花样和多组菲波纳契螺旋花样。进一步地,绕植物茎杆的各种叶序也可以从条状平直空间的应力点阵花样构造出来。这些结果为叶序学的力学原理提供了令人信服的证据。     

多壳层空心MOFs材料对水体中抗生素的高效吸附

通过多步生长及刻蚀的策略构筑了不同壳层空心结构的金属-有机框架材料(MOFs),研究了实心MIL-101、单层空心MIL-101(SSHM)、双层空心MIL-101(DSHM)和三层空心MIL-101(TSHM)对水体中抗生素的吸附行为.吸附数据表明壳层数的增加有利于土霉素和四环素吸附,其中三层空心MIL-101对土霉素和四环素的吸附量分别达到76和95 mg/g,吸附效率达到76%和48%,达到实心材料3倍吸附效率.循环测试表明TSHM对水体中抗生素吸附效率比较稳定,经过4次吸脱附后仍然具有良好的结晶性和形貌稳定性.研究表明MOFs中暴露更多的活性位点和多壳层结构有利于提高客体分子的吸附和存储,对多壳层MOFs材料拓展吸附应用方面具有指导意义.     

青藏高原及其邻区地壳、岩石圈和软流层厚度研究

基于由瑞利面波层析成像所得的青藏高原及其邻区的群速度纯频散,以线性的深度反演获取的s波速度分布为非线性反演的初始模型,用快速模拟退火方法进行速度和层厚度的联合反演．根据非线性反演结果求得研究区地壳、岩石圈和软流层的厚度分布．结果表明,青藏高原内部具有巨厚的地壳,厚度为60～80km,其岩石圈相对邻区较薄,厚度在130～160km之间,且在内部呈现出以90°E～92°E北北东向为界的东、西分块图像．高原的软流层厚度较周边地区要厚（150～230km）,其内部羌塘块体西部的软流层最厚．在区域上的分布特点为,印度的地壳厚度较薄即32～38km,岩石圈厚度可达190km,软流层厚度相当薄仅60km左右;四川盆地和塔里木盆地的地壳厚度均小于50km,其岩石圈厚度要比高原内部厚,而软流层厚度则相对于高原内部要薄．文中还讨论了羌塘块体西部的典型壳一幔过渡带特征和其形成机制．     

多壳层Cr2O3空心球用作高性能锂离子电池负极材料

采用硬模板方法,以碳微球为模板,通过调控铬盐前驱体在模板上的吸附时间以及碳球模板的尺寸,来控制铬金属前驱体在碳球模板上的吸附量及嵌入深度,煅烧制备得到单、双、三、四以及五壳层Cr_2O_3空心球.合成的多壳层Cr_2O_3空心球尺寸均匀、纯度高、结晶性好.将Cr_2O_3多壳层空心球用作锂离子电池负极材料,相对于Cr_2O_3纳米颗粒其电池性能取得了显著的提升,具体表现在比容量更高,循环稳定性更好,且大电流放电能力更出色.其优异的性能主要得益于多壳层空心结构较大的比表面积、较短的离子/电子传输距离,且其内部空腔能起到缓冲由于锂离子反复嵌入引起的结构应力以及电极体积膨胀的作用.值得注意的是,四壳层Cr_2O_3空心球由于具有最佳的空腔体积占有率,其锂电性能最为突出,在100次循环后,比容量仍然高达1031.2 mAh/g,是目前商业石墨负极材料的3倍,有望用作新一代高性能锂离子电池负极材料.     

40m单层球面网壳结构稳定性分析

文章以40 m跨单层网壳结构为研究对象,采用MIDAS GEN建立空间力学计算模型并求解。对结构进行弹性屈曲分析,考虑了初始缺陷和几何非线性对稳定安全系数的影响,能较精确地得出结构的稳定极限承载力。     

40m单层球面网壳结构稳定性分析

文章以40m跨单层网壳结构为研究对象,采用MIDAS GEN建立空间力学计算模型并求解.对结构进行弹性屈曲分析,考虑了初始缺陷和几何非线性对稳定安全系数的影响,能较精确地得出结构的稳定极限承载力.     

核壳结构Au@Pt纳米颗粒的合成与表征

在预先制备的Au胶体溶液中, 以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为保护剂用氢气还原K₂PtC_l6 合成了以Au为核心, 以Pt为壳层的“核@壳”结构(Au@Pt)纳米颗粒. 对样品进行了UV-Vis表征, 结果显示, Au胶体特有的表面等离激元吸收峰强度随着K₂PtC_l6还原量的提高而递减; TEM检测表明, 胶体溶液中金属纳米颗粒的尺寸由于PtCl₆^2-的还原(生成Pt原子)而明显增大, 预示着Pt原子在Au胶粒表面沉积形成了厚度均匀的壳层. 样品的XPS检测结果也清楚地揭示, 随着样品中Pt比例的提高, Au谱峰的强度减弱; 并且当Pt:Au原子比增加至2:1时, Au谱峰完全消失, 表明在颗粒表层形成了完整的Pt壳层, 即此时的金属颗粒具有Au@Pt纳米结构.     

超慢速扩张洋中脊NTD的蛇纹石化地幔:海底广角地震探测

非转换断层不连续(NTD)在超慢速扩张洋中脊高频度出现,其地壳速度结构与相邻的岩浆扩张中心(NVR)差别明显.结合表层断层多和减薄的地壳,说明NTD在超慢速洋中脊扩张理论、热液活动甚至矿产资源方面有十分重要的意义.本文使用2条海底广角地震测线的数据,使用射线追踪正反演的方法,获得了西南印度洋中脊28~29扩张段之间NTD下方的地壳及上地幔速度结构.结果表明:(1)NTD下方地壳较薄(3.2~4.5 km),洋壳层2厚约2.0 km,洋壳层3较薄(1.0 km)甚至缺失;(2)洋壳层2表层速度横向差异大,表明存在较多断裂;(3)洋壳层3出现低速区,成因可能是受浅部大断裂或地幔蛇纹石化作用影响;(4)上地幔顶部速度存在低速异常(7.2 km/s),结合NTD地壳较薄(5 km)和表层断裂多的特征,认为是上地幔发生大规模蛇纹石化作用导致低速,为进一步理解和区分莫霍面与蛇纹石化前缘(Serpentinization Front)提供了一个很好的例证.     

一种新的洋壳类型及其动力学意义

大洋岩石圈是由洋壳和上地幔组成的,洋壳剖面通常认为是相当于特罗多斯蛇绿岩所建立的剖面。其底部为超镁铁质的堆晶岩,向上依次出现堆晶辉长岩、均质辉长岩、席状岩墙群和枕状熔岩,上覆深海沉积物。海洋地球物理调查表明,洋壳分为三层:第一层主要是很薄的沉积物;第二层推测由玄武岩和席状岩墙群组成(深海钻探已经在哥斯达黎加裂谷之下打到了席状岩墙群);第三层推测由辉长岩杂岩组成。由于洋壳与蛇绿岩剖面惊人地相似,故使人们相信它们是可以类比的。迄今为止,在世界上发现的大多数蛇绿岩尽管不具有特罗多斯蛇绿岩那样完整的剖面,但由于可以在一个不大的范围内找到上述岩石组合,故通常均把它恢复为类似特罗多斯的剖面。并认为这就是洋壳剖面。然而,蛇绿岩中并非只有上述一种类型的剖面。笔者认为,还有一种新的洋壳类型,如:阿尔卑斯和双沟蛇绿岩的例子。     

横跨天山的人工爆炸地震剖面

横跨天山的人工爆炸地震测深剖面揭示出天山的地壳结构。结果表明,天山地壳分为上地壳和下地壳两层结构,层速度和厚度纵向和横向变化都很大。上地壳底部断续分布低速层,莫面深度在奎顿地区为４７ｋｍ,沙雅地区为５０ｋｍ。天山之下莫霍面变深,北天山和南天山交界处之下达到最深,为６２ｋｍ。地壳Ｐ波平均速度６．１－６．３ｋｍ／ｓ,上地幔顶部Ｐ波速度为８．１５ｋｍ／ｓ,奎屯炮记录的剖面识别出两组可靠的莫霍面反射波震相     

纳米结构光子吸收特性的强化及调控

等离激元纳米结构具有很强的光子散射和吸收性能,在光热转换、光化学转换和光电转换等领域有重要应用.本文采用时域有限差分方法(FDTD)对金属/介质、介质/金属纳米结构的光子吸收特性进行模拟,讨论了各层相对厚度对不同组合形式纳米结构光谱特性的影响.金属表面等离激元共振效应的激发,产生强烈的近场效应,使得散射和吸收性能显著增强.通过调节粒子尺寸和各层厚度,可以实现共振吸收强度和共振位置在较宽波段范围的有效控制.同时,讨论了金属、介质两种材料的不同组合形式对光谱特性的影响,相比于金属/介质核壳结构,介质/金属复合结构的光谱特性调节作用更强.控制SiO 2/Ag核壳结构各层相对厚度,可以实现光子吸收特性在宽波段范围内的调节和控制,在光热转换领域将有重要应用.     

强磁场对中子星壳层结构的影响

中子星内壳层是由原子核与其周围的自由中子气和电子气共存而构成的非均匀物质.天文观测表明部分中子星内部可能存在高达10~(18)G的强磁场.因此中子星的内壳层结构会受到强磁场的明显影响.本文采用相对论平均场理论描述核子间相互作用,并考虑了质子和中子的反常磁矩.利用Wigner-Seitz近似描述中子星内壳层中的非均匀分布物质,并采用自洽Thomas-Fermi近似方法处理在强磁场环境中WignerSeitz原胞内的核子以及电子分布,从而研究强磁场对中子星内壳层中的非均匀相结构以及壳核相变等性质的影响.计算结果表明,与无磁场情况相比,内壳层中非均匀物质的每核子结合能、原子核pasta相结构和壳核相变密度等性质在磁场B≤10~(17)G的环境中不会发生明显变化.而B≥10~(18)G的强磁场会对中子星内壳层中的pasta相结构产生重要影响,使各种pasta相的每核子结合能降低,非球形原子核出现的阈密度和壳核相变密度减小.随着磁场强度B的增加,球形Wigner-Seitz原胞的半径减小,同时原胞内的核子分布变得更加弥散.     

汉诺坝玄武岩中麻粒岩和辉石岩捕虏体Sr-Nd-Pb同位素五维空间特征及其地质意义

研究了汉诺坝玄武岩中麻粒岩和辉石岩捕虏体在Sr Nd Pb同位素五维空间中的特征 .结合捕虏体的空间分布相对位置 ,认为层离作用可较好地解释不同类型捕虏体同位素之间的相互关系 .