含Janus粒子组装体的构筑、调控及功能的模拟与理论分析

Janus粒子由于其表面性质与形状特征的不对称性而展现出独特的力学、光学、电学、磁学和表面两亲性能,在构筑复杂组装结构及设计新型功能材料方面有着广阔的应用前景.本文主要从计算机模拟与理论分析的角度,结合相关实验体系,系统地总结了目前对含Janus粒子组装体的体系构筑、结构调控及材料功能等的相关研究进展.从Janus粒子自组装结构的精确构筑与动态响应性、界面结构的熵驱调控、非平衡组装动力学及含Janus粒子组装体功能的模拟与预报等4个方面,详细阐述了Janus粒子的复杂多级组装结构及其背后蕴含的热力学与动力学的机理,并介绍了一系列基于含Janus粒子组装体的聚合物基复合材料独特的功能及其潜在应用.在此基础上,指出合理设计Janus粒子的非对称性质以及巧妙调控组装体内的熵、焓平衡,是控制其多级组装结构,进而开发相应新型功能材料的关键,并对Janus粒子未来的理论和模拟研究趋势进行了展望.     

Janus复合材料调控界面

Janus材料集成不同组成/功能于一体,具有明确的空间分区特征,是一类特殊的高分子复合功能材料.有机高分子链提供亲水/亲油及响应特性,无机组成提供丰富的光、电、磁、热等功能性.两亲性的Janus材料在高效稳定界面同时,还能赋予界面功能性并可在外场作用下实现操控.本文重点总结了不同结构和功能的Janus材料在稳定界面和调控界面的近期主要进展,包括聚集行为、固体乳化剂、界面增容、界面催化、功能涂层、细胞诊断与治疗等方面.     

Janus材料微结构精细调控进展

Janus材料由于其拥有两个具有不同化学组成的表面而备受关注,其特殊的结构和性能已成为材料科学研究热点.如何实现Janus材料形貌可控、化学组成严格分区、不同位点复合功能分区、微结构精细调控和批量化制备是该研究方向中的重点和难点.针对上诉问题,基于本课题组研究工作,本文总结了Janus材料微结构精确控制和批量化制备的方法,为Janus材料大规模制备和应用提供新思路和新方法.     

Janus 粒子在环境检测领域中的应用

Janus 粒子,也称为阴阳结构粒子或两面性非对称粒子,是指表面上具有两种或两种以上不同化学组成或性质的不对称粒子。目前,Janus 粒子因其独特的结构和功能已经逐渐成为生物医药、催化、材料以及防污等领域中的新型功能材料。在环境检测领域,Janus材料亦因其特殊的光学、磁学及电学性能,为提高检测灵敏度、选择性和稳定性等提供了新的研究方向。基于此,本文主要讨论了Janus材料在环境检测方面的特点、优势和相关应用。最后,本文基于本课题组的研究经验以及工作中所面临的问题,对本领域的发展和未来的研究方向提出了展望,以期对本领域的未来发展提供指导。     

异质中空结构微纳材料的构建

异质中空结构是指壳层由不同成分组成的空心微纳结构. 通过对异质中空结构的表面性质和传质过程进行调控, 可以调控经过中空结构的物质及能量. 目前, 异质中空结构在太阳能转化、 气体传感、 电化学储能和药物运输等领域展示出了优异的性能, 对异质中空结构的设计与构建已成为新型多功能先进材料研究的前沿领域. 本文总结了异质中空结构的种类、 特征和性能优势, 重点描述了各类异质中空结构的制备方法, 并探讨了异质中空结构微纳材料面临的挑战及发展趋势.     

中空结构材料专辑

<正>中空结构材料是一类具有内部空腔、壳壁的形貌组成多变的先进功能材料.从细胞到宇宙,中空结构在自然界中无处不在,发挥着独特且非常重要的作用,也为材料的设计带来了灵感.中空结构材料因具有密度低、比表面积大、负载能力高及壳壁形貌组成数目可控等特性,     

两亲性Janus粒子的合成及其在Pickering乳液中的应用

Janus粒子由于在光、电、力、磁及表面亲/疏水性等方面表现出各向异性,因此在稳定乳液、生物医药及功能涂层等方面展现出广阔的应用价值.两亲性Janus粒子是指一侧具有亲水性、另一侧具有疏水性的不对称材料,由于同时具有表面活性剂的性质和固体颗粒的效应,在稳定Pickenng乳液方面极具优势.基于此,本文对两亲性Janus...     

Janus纳米材料的制备及结构调控

用3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)、 氨丙基三乙氧硅烷(APTES)和正硅酸乙酯(TEOS)溶胀聚苯乙烯中空微球的壳层, 在壳层表面通过溶胶-凝胶过程, 使亲油和亲水基团通过自组装作用分别朝向聚苯乙烯基体和水相, 形成Janus结构. 用良溶剂N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解除去聚苯乙烯, 得到二氧化硅基复合Janus纳米材料. 改变反应体系pH值和单体用量等可以调控Janus纳米材料微结构, 得到Janus中空球和纳米片.     

复杂中空结构材料的构筑及能源应用

随着能源问题的日益突显,开发新型多功能材料以满足能源存储与转换应用的需求变得尤为重要.在众多功能材料中,复杂中空结构材料由于其独特的结构和物理化学特性而备受关注.本文综合评述了复杂中空结构材料的普适性构筑方法(硬模板法、软模板法、自模板法、次序模板法和选择性刻蚀法)及在能源方面的应用(锂/钠/钾离子电池、锂硫电池、超级电容器、电催化、光催化及染料敏化电池等).最后,对复杂空心结构研究领域存在的问题及未来的发展方向进行了展望.     

非对称性Janus粒子的制备与可控组装

古罗马的双面神(Janus)常被用来描述具有两种不同化学结构或性质的不对称粒子, Janus粒子由于自身的特殊性能在药物载体、电子器件和乳液稳定等方面表现出良好的发展势头, 其应用前景日益受到人们的重视. 目前, Janus 粒子作为基本的组装基元受到越来越多的关注, 相关组装方法也被广泛地研究, 包括本体组装、界面组装和外界驱动力调控等, 特别是Janus 粒子的双亲修饰与功能化. 本文综述了现今Janus 粒子制备方法及对其进行修饰组装的最新研究进展, 详细讨论比较了一步合成法、聚合物自组装法和晶种直接生长等方法的特点及差异, 并对一些新型功能Janus粒子的设计及潜在的应用前景进行了展望.     

大孔及中空二氧化钛结构材料研究进展

大孔及中空二氧化钛材料,由于具有独特的性能如高比表面积、高阻尼容量、低热导率和低介电常数等,使其在很多领域如轻质结构材料、催化剂载体、隔热隔音材料以及光电材料等方面有着潜在的应用,成为一个很有吸引力的研究领域.本文结合自己的研究工作和已报道的最新研究成果,对具有特殊微观结构(大孔、中空)二氧化钛材料的制备研究进行了综述,着重介绍了模板法在制备反蛋白石结构二氧化钛晶体、以及大孔和介孔二氧化钛材料方面的应用;同时结合相关报道,对二氧化钛中空微胶囊和纳米管的制备也进行了介绍.     

中空纳米材料的构建原理及其在光催化制氢和二氧化碳还原反应中的应用

随着全球经济的快速发展,能源短缺与环境污染成为当今世界共同关注的热点问题,开发和利用洁净能源成为当务之急.近年,以半导体为基础的光催化技术引起了国内外的广泛关注,其中包括光催化分解水制氢、光催化还原CO2、光催化固氮以及光催化降解污染物等.尤其太阳能驱动的光催化分解水和光催化CO2还原均可将太阳能转化为可储存和运输的化...     

用于锂离子电池的中空无机非金属纳米材料的研究进展

锂离子电池电极材料在充放电过程中由于锂离子嵌入和脱嵌,电极材料在膨胀和收缩过程中极易粉化而导致电池失效.无机中空纳米材料具有较高的比表面积,可调的空腔体积以及壳层厚度,并且每一个中空颗粒都可以作为一个微反应室,从而增加了反应界面,作为锂电池电极材料,无机中空纳米材料能够适应充放电过程中颗粒的膨胀和收缩,表现出优异的性能.面对传统模板法的局限性,基于Kirkendall效应等新的机理或方法以其操作步骤简单、无模板等优点,有望实现低成本的规模化生产.本文综述了利用Kirkendall效应,Oswald熟化和溶剂热3种机理或方法制备中空无机纳米材料作为锂离子电池电极材料的最新研究进展,并对其应用前景进行了展望.     

Low‐Temperature Facile Template Synthesis of Crystalline Inorganic Composite Hollow Spheres

This report presents a facile approach for the low‐temperature synthesis of crystalline inorganic‐oxide composite hollow spheres by employing the bulk controlled synthesis of inorganic‐oxide nanocrystals with polymer spheres as templates. The sulfonated polystyrene gel layer can adsorb the target precursor and induce inorganic nanocrystals to grow on the template in situ. The crystalline phase and morphology of the composite shell is tunable. By simply adjusting the acidity of the titania sol, crystalline titania composite hollow spheres with tunable crystalline phases of anatase, rutile, or a mixture of both were achieved. The approach is general and has been extended to synthesize the representative perovskite oxide (barium and strontium titanate) composite hollow spheres. The traditional thermal treatment for crystallite transformation is not required, thus intact shells can be guaranteed. The combination of oxide properties such as high refractive index, high dielectric constant, and catalytic ability with the cavity of the hollow spheres is promising for applications such as opacifiers, photonic crystals, high‐κ‐gate dielectrics, and photocatalysis.     

染料敏化太阳能电池中空微/纳结构光阳极材料研究进展

染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells,DSSC)以其低成本、易加工、高转化等特点受到广泛关注,半导体光阳极是DSSC的重要组成部分,其组成和微观结构直接影响电池性能,中空微/纳结构能够提供高表面积、增加染料负载量、促进光捕获,增强电子传输,因而成为近年来光阳极材料领域的一个热点内容。 本文综述了中空微/纳结构光阳极材料的研究进展,主要包括空心球、空心盒、核-壳结构、多级空心、多壳层结构等,并着重分析了各个结构特征与光电转换效率的关系和增益机制,探讨了中空微/纳结构光阳极面临的挑战及发展趋势。     

Single-crystalline rutile TiO2 hollow spheres: room-temperature synthesis, tailored visible-light-extinction, and effective scattering layer for quantum dot-sensitized solar cells

A general synthesis of inorganic single-crystalline hollow spheres has been achieved through a mechanism analogous to the Kirkendall effect, based on a simple one-step laser process performed at room temperature. Taking TiO(2) as an example, we describe the laser process by investigating the influence of experimental parameters, for example, laser wavelength, laser fluence/irradiation time, liquid medium, and concentration of starting materials, on the formation of hollow spheres. It was found that the size-tailored TiO(2) hollow spheres demonstrate tunable light scattering over a wide visible-light range. Inspired by the effect of light scattering, we introduced the TiO(2) hollow sphere's scattering layer in quantum dot-sensitized solar cells and achieved a current notable 10% improvement of solar-to-electric conversion efficiency, indicating that TiO(2) hollow spheres are potential candidates in optical and optoelectronic devices.     

Formation of NixCo3−xS4 Hollow Nanoprisms with Enhanced Pseudocapacitive Properties

Hollow nanostructures are of great interest for a wide variety of applications. Despite the great advances, synthesis of anisotropic hollow structures is still very challenging. In this work, we have developed a simple sacrificial template method to synthesize uniform Ni_xCo_3?xS₄ hollow nanoprisms with tunable composition. Tetragonal nanoprisms of nickel–cobalt acetate hydroxide precursors with controllable Ni/Co molar ratios are first synthesized and used as the sacrificial templates. After a sulfidation process with thioacetamide (TAA) in ethanol, the solid precursor prisms can be transformed into the corresponding Ni_xCo_3?xS₄ hollow nanoprisms with a well‐defined hollow interior. The intriguing structural and compositional features are beneficial for electrochemical applications. Impressively, the resultant Ni_xCo_3?xS₄ hollow prisms manifest a high specific capacitance with enhanced cycling stability, making them potential electrode materials for supercapacitors.     

有序介孔材料: 历史、 现状与发展趋势

有序介孔材料是指孔径在2~50 nm之间的多孔材料, 是一类具有均匀孔径、 高有序度纳米孔道和高比表面积的新材料. 在过去30年里, 有序介孔材料的研究取得了长足的进步, 在可控合成、 结构设计和调控及功能化等方面形成了系统的理论. 同时, 其应用领域也不断被拓展, 包括能源存储与转化、 催化、 生物医药和传感等方面. 本文首先回顾了有序介孔材料的发展历史, 简要介绍发展过程中“里程碑式”的研究工作; 然后根据构效关系总结了其在不同领域应用的最新进展; 最后讨论了有序介孔材料领域进一步发展所面临的挑战与机遇, 并对未来前景进行了展望.     

Facile route to synthesize polyurethane hollow microspheres with size-tunable single holes

Synthesis of polymer hollow spheres with single holes has been a challenging task in materials science. In this work, polyurethane (PU) hollow microspheres with size tunable single holes were fabricated through a facile self-assembly-diffusion process. Firstly, the as-synthesized PU polymers were dissolved in chloroform. By adding 10 times volume of water, the PU polymers were self-assembled into micelles in which the chloroform was encapsulated. The PU micelles were then transferred to methanol solution to allow the diffusion of chloroform. The formation of the single holes in shells of the resultant PU hollow spheres was induced by the out-diffusion of the encapsulated chloroform in methanol. By adjusting the diffusion time from 5 to 20 hours, the hole size could be tuned from 75 to 210 nm. The resultant PU hollow spheres with single holes demonstrated high loading efficiency of various guest materials such as nanospheres, nanoparticles, and chemical species, suggesting their promising applications in controlled release, chemical protection, catalysis, and so forth.