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多孔纳米片结构有利于掺杂吗

石墨烯和多孔石墨烯性能有什么差异

多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料,是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质,而且相比惰性的石墨烯表面,孔的存在促进了物质运输效率的提高,特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子/分子的作用。更重要的是,孔的引入还有效地打开了石墨烯的能带隙,促进了石墨烯在电子器件领域的应用。

多孔石墨烯材料结构示意图


多孔石墨烯(PG)又称石墨烯筛(GNM)是指在二维基面上具有纳米孔的碳材料。大量的理论和计算表明,PG中的孔是碳原子从晶格中被移除或者转移到表面而留下的空位,其本身是一种缺陷。对Gr进行高能粒子辐射、化学处理都会导致这种缺陷的产生。在制备的过程中,由于缺陷会影响Gr的电学性质、磁学性质和机械性质,尤其在电学性质中,缺陷造成载流子和声子散射,减少了传输路径,从而影响载流子的迁移率,因此需要尽量保持晶体结构的完整性。但孔缺陷并不都有弊,相反,孔缺陷还可以使Gr获得一些新的功能。如,的理论比表面积高达2640m2/g,但由于π-π电子的作用,很容易产生团聚,导致比表面积会出现大幅下降,而PG不会产生此种现象。


多孔石墨烯的理论基础及特性


在Gr中,理想的碳原子排列是六元环结构。 因此,把Gr裁剪成具有一定宽度准一维的纳米材料GNR可以获得两种不同的边缘结构类型——扶手型和锯齿形。具有锯齿形边缘的石墨烯通常呈金属性,而具有扶手型边缘的既可能呈金属性,也可能呈半导体型,这取决于纳米带的宽度。实际上,GNR的边缘是不规则的,并不严格遵守两种边缘结构类型。因为sp2杂化可以将碳原子排列成不同的多边形结构,只要满足特定的对称规律,非六元环的结构就可能出现。并且,轻微的结构变化都将导致两种边缘类型的GNR在导体性质上无差异。在PG中,这两种边缘结构是同时存在的,因此PG的电子结构不仅可以由其边缘的类型来决定,还取决于活性边缘的数量。然而,由于PG纳米孔的周期性和颈宽不一致,以及各个孔的形状和边缘形貌也不同,其电学性质表现出更复杂的行为。


除了对PG电学性质的研究之外,科学家还对GNM的力学性能进行了系统的分子动力学研究。当临界孔密度为15%时,GNM开始产生力学响应的过渡,此时断裂应变表现为密度的函数并具有最小值。当孔密度小于80%时,应力-应变曲线表明GNM的延展性随着孔密度的增加而增加,并且强度超过了5GPa。


PG有别于Gr的性质来源于纳米孔的引入。以氧化还原法制备Gr为例,在还原的过程中,表面的含氧官能团也随之被去除,片层间的静电斥力降低,导致Gr很容易发生团聚,这种团聚不仅降低比表面积,还会阻碍其他物质如电解质离子进入到Gr片层中。而PG由于面内不同尺寸孔的引入,避免了团聚造成的不利影响;介孔和大孔可以促进物质的渗透和输运;而微孔则有利于比表面积的提高。纳米孔结构的引入,使得PG具有高的比表面积、丰富的传质通道、可调控的能带隙、高的孔边缘活性、透气性、良好的机械稳定性以及生物化学传感等特性。

不属于多孔结构的优点是什么

近年来,石墨烯、氮化碳和氮化硼等多孔二维(2D)材料由于其独特的结构、性能和有趣的含义而引起了广泛的兴趣。 结合二维材料与多孔结构的优点,合成的多孔二维材料具有较大的表面积、多种成分和更高的电子导电性,在电化学、光催化和能源应用中具有巨大的应用潜力。 本文讨论了多孔二维 (2D) 材料的潜在应用、未来展望以及与之相关的主要挑战。  多孔二维 (2D) 材料 在二维平面上含有纳米孔的材料是多孔二维材料。高物理和化学活化在二维材料中产生平面内孔。这些平面孔为材料提供了额外的吸收和反应位点,并为质量和电荷转移创造了替代途径,这对于能量存储和转换装置至关重要。 使用纳米级碳作为主要组成部分,已经生产

什么是纳米催化剂?纳米片?纳米线(棒)?量子点?

纳米催化剂、纳米片、纳米线(棒)、量子点都是纳米科学领域的研究对象。

  • 纳米催化剂:指粒径在 1 ~ 100 纳米之间的催化剂,与传统的催化剂相比,具有更大的比表面积、更高的催化活性和选择性,因此在化学合成、环保、能源等领域有广泛的应用。

  • 纳米片:指具有纳米级厚度的片状结构,通常是单晶或多晶结构,具有独特的光电、磁学、力学等性质,在光电器件、传感器、储能材料等领域有应用前景。

  • 纳米线(棒):指直径在 1 ~ 100 纳米之间,长度可以从几十纳米到几百微米的长条状纳米结构,具有高比表面积、独特的电学、光学和力学性质,在光电器件、能源存储等领域具有潜在应用。

  • 量子点:指直径在 1 ~ 10 纳米之间的半导体晶体微粒,具有特殊的量子效应和光学性质,可以用于制备高效的光电器件、发光材料和生物标记等。

这些纳米材料的制备方法:

  • 纳米催化剂的制备方法包括溶胶-凝胶法、水热法、微乳法、气相合成法、电化学合成法等。其中,溶胶-凝胶法是一种常用的制备方法,其主要步骤是:溶解金属前驱体在适当的溶剂中,通过调节溶液pH值、温度、浓度等条件,形成胶体溶液,然后通过热处理或氧化处理将胶体转化为纳米颗粒。

  • 纳米片的制备方法包括化学气相沉积法、溶液法、机械剥离法等。其中,化学气相沉积法是一种常用的制备方法,其主要步骤是:将金属前驱体在高温下分解,生成气态物质,沉积在衬底表面形成纳米薄片。

  • 纳米线(棒)的制备方法包括溶液法、化学气相沉积法、热蒸发法、电化学合成法等。其中,溶液法是一种常用的制备方法,其主要步骤是:将金属离子溶解在适当的溶液中,通过调节溶液的pH值、温度、浓度等条件,在衬底上形成纳米线。

  • 量子点的制备方法包括热分解法、溶剂热法、微乳法等。其中,热分解法是一种常用的制备方法,其主要步骤是:将金属前驱体和表面活性剂溶解在有机溶剂中,然后通过加热分解前驱体,生成金属原子,再通过控制反应条件和表面活性剂的性质,形成纳米量子点。

  • 纳米材料的制备方法和条件因材料种类和应用领域不同而有所区别,制备过程中需要对条件进行调节和控制,以获得所需的纳米材料。

可以影响细胞的粘附能力的因素有哪些

在移植用生物材料的研究中, 材料表面理化性质是影响细胞粘附能力的重要因素, 通过改变生物材料表面理化性能可以促进细胞粘附。 1. 材料表面形貌结构材料表面形貌结构 (如多孔结构、纳米结构、沟槽结构) 的改变会对所粘附细胞的形态、材料的比表面积等产生影响, 从而影响细胞的粘附延展、迁移等行为。此外, 许多研究发现, 粗糙的材料表面的粘附性能要优于光滑的材料表面。表面粗糙度差异也会影响细胞粘附。粗糙度高的表面比表面积大, 可以增大细胞与材料的接触面积。 2. 材料的亲疏水性通常情况下, 亲水性材料表面更适合细胞的粘附与生长。Wei J等对六甲基二硅醚材料进行氧气等离子体处理, 在样品表面种植纤维原

纳米材料有哪些用途?

纳米材料科技是当前材料科学领域中颇受关注的一个热点话题,其特殊的结构和性质可以为许多领域带来革命性的变化和发展。在本文中,我们将拓展纳米材料广泛的应用机遇,并着重探讨纳米材料安全性问题。

一、纳米材料在各个领域的应用及前景

电子领域

纳米材料在电子领域中的应用十分广泛,其最显著的优势在于高度集成和速度的提高。首先,对于数字逻辑电路方面,由于纳米晶体管晶体尺寸小,其比表面积更大,这使得电极的尺寸明显缩小,反过来增加了器件密度。其次,在微处理器设计中,与其他半导体材料相比,以硅为基础制造的纳米元件具有性能优异、可定制性和生产成本低等优点。此外,在光电子和显示器件方面,人们已经成功地利用纳米材料制备了LED、OLED和QD显示器等高清晰度显示屏。

化工领域

纳米材料在化工领域中的应用也有着广泛的前景。例如,纳米材料可以被用于制造各种高品质陶瓷和玻璃等。 这是因为它们具有良好的化学惰性、高温稳定性以及机械强度。此外,人们还发现利用纳米结构真正实现多孔分子筛的制备是可行的,这项技术应用可分离气体、液体或固态杂质,从而改进石油化工、环境保护等领域。

生物领域

纳米材料在生物领域中的作用则是创新性地推动了医学治疗和生命科学等方面的发展。例如,由于其精确控制的形状和尺寸,纳米材料可以被用于设计和制造更加透明、准确的药物传递系统,这些系统对肿瘤和其他疾病的治疗效果大幅提升。另外,纳米材料可细分为无机纳米材料、有机纳米材料和混合纳米材料三种类型,无论哪一种类型的纳米材料都可以通过修饰表面以改善带负荷体物与生物相互作用的性质。由此,纳米材料具有广泛的生物医学应用前景,包括肿瘤靶向治疗、药物释放、成像和诊断等。

环境领域

纳米材料在环境领域中也有着广泛的应用。例如,在海洋生态环境保护方面,可利用银纳米颗粒来消除污染物的存在,提高海水环境的清洁度;而CdSe量子点也可用于监测海洋内的有害硝酸盐浓度。另外,利用钛金属纳米材料再生催化材料技术可以有效去除污染气体或液体中的有机物、挥发性有机物等有害物质。

能源领域

纳米材料在能源领域的应用也是十分重要。例如,将硫化镉及其他半导体结构的2D纳米片转化为太阳能电池制造于电话工业上,同时制备高效、便携和不会磨损的电动汽车电池在未来得到了越来越多保障。此外,利用纳米材料在太阳能电池中用于自组装代替有机衬底技术已开始实现,随着技术的进步和市场的发展,其应用前景将更加广阔。

二、纳米材料安全性问题的讨论

潜在生物毒性

尽管各类纳米材料在医学、环境及工业等领域都可以被用于改善多种问题的存在,但一些初期研究表明,分子尺度的东西仍可能带来重大风险。潜在的纳米材料对生物毒性方面严重的目击者, 尤其是免疫系统受到影响的人群尤为复杂化和危险化。因此,确定并测试用于特定领域的纳米材料的生物毒性十分必要。

尽管纳米材料在各个领域中具有广泛应用,但其安全性问题也越来越引起人们的重视。纳米材料因为其尺寸处于纳米级别,与其它材料相比,其表面积要大得多,使得纳米材料与生物组织接触时出现一些特殊性质,这些特殊性质可能导致人体、动物和环境受到潜在危害。因此,对于纳米材料的安全性问题需要进行深入研究和有效监管。

纳米材料的主要危害包括毒性、免疫原性、过敏反应以及潜伏期较长的致癌能力等。最近的研究表明,一些金属氧化物和碳纳米管等纳米材料会引发氧化应激反应,并释放出自由基。自由基是一种极易与生物分子结合的非常活跃的分子,容易进入人体细胞内,破坏细胞膜和DNA ,并导致细胞凋亡或突变。此外,硅纳米材料可能会通过氧合酶-COX-2途径刺激细胞进行炎症反应,而对心脏和肺部等机体组织造成损害。

因此,纳米材料在正式推广之前需要进行充分的安全性评估。一种常用的方法是使用小鼠或大鼠等动物进行毒性测试。这种方法虽然能够检测出潜在的毒性,但因为动物与人类的生理差异以及试验结果的不确定性,还不能完全代替人体测试。

另外,目前也有一些新的研究方法被应用于纳米材料的安全性评估中。例如,利用仿生技术建立三维芯片或人工组织平台,使得纳米材料的感知器制能够更加准确地模拟人体内的反应情况,从而增强样品的预测能力。此外,还存在其他的可行办法和微型测试系统的开发,如 "实验者-on-a-Chip" 和 "身体-Ex-on-a-Chip" 等,并且这些技术正在被更多的研究员所探索。

除了评价纳米材料的毒性外,有效的监管和规范使用同样至关重要。政府、企业和研究者必须认识到纳米材料可能带来的潜在风险,并采取必要的防范措施以减少应用环节中对人体和环境的影响。例如,在商业产品的制造和使用过程中,可能需要确保其正确的利用、回收和处理,从而减少对自然环境的不良影响。此外,还需要加强纳米材料管控,并制定相关标准和法规以规范使用。

总之,随着纳米材料的广泛应用和发展,了解其安全性问题变得日益重要。为此,需要加强科学家、政府官员和各类用户之间的合作与沟通,并继续开展针对纳米材料的安全性研究与监管工作。这样才能最大限度地发挥纳米技术的优势,并推动其在各种领域的应用。

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