表界面调控智能响应型低维固体材料及其应用研究

发布时间：2020-07-02 16:15

【摘要】：智能响应型低维固体材料是指对于外部刺激(如力、热、光、电、磁场以及湿度等的刺激)具有一定的感知,并产生自适应响应或发生能量转换(如表现出相应的力学、电学、热学、光学、磁学及化学性能变化)的一类固体材料。随着材料科学技术的发展,对其功能性的要求也越来越高。开发和设计智能响应型低维固体功能材料已成为拓展纳米材料功能性应用的重要研究领域。然而,探索更为高效、精确、可控的表界面调控手段,以提升材料的智能响应性能仍是目前低维固体功能材料领域所面临的主要挑战。其中,最为关键的是发展更为温和、简便、绿色的材料制备技术与调控技术。基于以上分析,优化低维固体材料的绿色合成技术、利用表面修饰及界面工程策略调控低维固体材料表界面结构,有望成为构筑特定结构的功能性纳米材料的一种行之有效的途径。本文从低维固体材料的合成及应用的角度出发,通过表面修饰、界面工程调控等策略对合成的低维固体材料进行功能化处理,获得了智能响应型低维固体材料,并在此基础上对其性能及相关器件进行了研究和开发。作者合成了零维的量子点材料、二维的纳米片材料,通过光辅助表面刻蚀、界面调控的策略,研究了低维固体材料的智能响应性能,并开发了外场感应的相关器件。此外,作者在功能导向型低维固体材料的绿色化、宏量化制备方面开展了部分探索性的研究。围绕表界面调控智能响应型低维固体材料及应用这一主题,主要研究内容安排如下:1.作者提出了界面工程调控策略构建湿敏响应的致动器与传感器,基于氧化石墨烯纳米片的湿敏特性实现了一种氧化石墨烯/乙基纤维素双层膜的湿敏响应的致动器与传感器。在此双层膜致动器结构中,作者优化了氧化石墨烯与乙基纤维素之间的界面接触,利用界面之间化学键的结合,使得构建的双层膜致动器兼具良好的机械强度和韧性。由于氧化石墨烯较好的吸湿特性,伴随着较大的体积膨胀,引起双层膜致动器对于湿度变化超过90度弯曲的较大响应。将此致动器与压电探测器薄膜耦合,制成了具有较好可逆性的湿敏压电传感器。压电传感器的输出电压信号可以达到0.1 V左右,且具有良好的可逆性能。2.作者提出了表面修饰与界面工程调控协同策略构建光敏响应的致动器,基于碳纳米管的光敏热效应实现了一种氧化石墨烯碳纳米管/乙基纤维素光敏响应的致动器。在此光敏响应的致动器中,作者对碳纳米管进行表面处理之后,将碳纳米管引入氧化石墨烯/乙基纤维素双层膜的氧化石墨烯层,利用碳纳米管具有很好的光吸收能力并能将吸收的光能转化为热能,以及两层膜的热膨胀系数的差异,制备出了光敏致动器。我们将此致动器制成了具有不同功能的器件。我们期望多响应性的致动器及相关器件在各种多功能纳米系统中得到应用并能服务于智能设备领域。3.作者提出了表面修饰策略构建光敏响应的智能材料的方法,制备了一种三明治结构的二维纳米片,基于二维三明治结构对光生载流子分离的促进作用,实现了高效的光响应行为。作者利用紫外光辅助刻蚀的方法对二维纳米片材料进行表面处理,制备了一种三明治结构的二维固体材料。在可见光的照射下,该二维三明治结构能够形成稳定的内建电场,促进光生电子和空穴的有效分离。同时,尺寸限域效应有效增加二维材料的载流子浓度。该项研究对于发展二维三明治结构材料的应用以及拓展二维材料在光催化领域的应用将起到积极的推进作用。4.作者制备了一种具有快速光致变色响应的氧化钨量子点智能材料,并且实现了其绿色化、宏量化制备。该材料分散在水中可以得到完全无色、澄清、透明的溶液,在太阳光下照射10～20秒即可变为明亮的蓝色,遮光3～5分钟即可恢复原始无色状态。所制备的光致变色玻璃,在无色状态时玻璃的透光率良好,可以透过玻璃清晰地看到另一侧的物体,着色状态时,玻璃颜色变为蓝色,透光率有所减弱,但是仍然保持了原有的通透性。该技术领先现有氧化钨光致变色材料,并有望部分取代现有的氧化钨光致变色材料技术,在汽车车窗以及建筑玻璃等透光系统上得到应用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB381
【图文】：

示意图,发电机,纳米,摩擦式

电纳米发电机和摩擦纳米发电机两类【２５，２６］。２００６年，美国佐治亚理工学院王中逡逑林教授团队首先提出了自驱动纳米技术，他们利用氧化锌纳米线阵列压电效应和逡逑半导体特性将机械能转化为电能，为自驱动系统研发了纳米发电机（如图１．１ａ所逡逑示）［２５］。随后，该团队将镀有金属电极的聚酰亚胺薄膜与聚对苯二甲酸乙二醇薄逡逑膜贴合组成纳米摩擦发电机，外力作用导致薄膜发生形变，双层膜之间的相互摩逡逑擦产生电能并经由外电路输出（如图１．１ｂ所示）。随着科技的进步，人类的脚步逡逑从陆地不断地涉足到海洋，开发具有高灵敏度的波浪传感器用于监测海浪与海上逡逑平台、船舶等海洋设备，提高海洋工程装备对环境的智能感知能力，对于人类探逡逑２逡逑

凝胶态,温度调控,热敏传感器,过热保护

率［２９］；邋（ｃ）具有有效过热保护功能的电解质的溶胶态和凝胶态［Ｍ］。逡逑感知外界温度的变化，通过热致变色树脂的颜色变化和导电聚合物的电阻变化直逡逑观的显示出来（如图１．２ａ所示）［２８］。此外，宁波材料所的智能高分子材料团队和逡逑结构与功能一体化团队共同开发了一种二氧化碳－温度双重响应型智能材料，由逡逑于该材料中的组分会随温度的变化发生伸展和收缩效应，使得该材料拥有一个低逡逑临界溶液温度，当温度低于该温度时，溶液透光率降低，当温度高于该温度时，逡逑溶液透光率增加，基于此材料得到的溶液的透光率能够感知温度的变化而发生可逡逑逆的变化（如图１．２ｂ所示）Ｍ。除了温敏传感器之外，温度驱动响应型低维固逡逑体材料在电化学储能器件如锂离子电池和超级电容器等的电解质中也有用武之逡逑地。美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授课题组研制出一种发热自保护的智逡逑能温敏电解质，该团队将具有可逆溶胶－凝胶转变的热塑性弹性体应用到电池的逡逑电解液中，在安全工作温度下电解质为溶胶状态，电池可以正常工作，当温度高逡逑于安全工作温度时

【相似文献】