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实验室研究方向

目前实验室有四个主要研究方向:
(1)新能源技术
      光催化技术是一种在环境治理与能源转换领域有着广阔应用前景的绿色技术,其过程犹如绿色植物的光合作用一样。在太阳光的照射下,光催化材料可以将有机污染物矿化降解,可以将水分解制取氢气和氧气,还可以将温室气体二氧化碳还原成为有机低碳烷烃燃料。然而,对于多数传统光催化材料而言,太阳光利用效率低,光生载流子易复合以及光催化活性低等诸多问题一直限制着该项技术的实用化和产业化进程。因此,在全球面临能源短缺、环境恶化以及气候变暖等问题的背景下,探索与发展高效光催化材料已经成为光催化领域的重要研究方向和科学前沿问题。围绕上述重要科学问题,本实验室相关人员开展了微纳米结构高效光催化材料的研究,主要集中在零维磁性可分离异质结光催化材料、一维电纺纳米纤维基光催化材料、二维异质结有序纳米阵列薄膜光催化材料以及窄禁带半导体光催化材料等,并考察将其用于光降解有机污染物、光解水制氢以及光还原CO2制甲烷等光催化反应的研究,我们已经取得了一系列有意义的研究成果。例如已成功获得磁性可回收的高效Fe3O4@SiO2@介孔TiO2复合光催化材料,高光催化活性的一维ZnO基n-n异质结和p-n异质结纳米纤维光催化材料以及助催化剂修饰的新型BiVO4基纳米复合高效光催化剂等。目前,项目组已在Energy & Environmental Science、Chemical Communications、Nanoscale、Journal of Materials Chemistry、The Journal of Physical Chemistry C、Journal of Hazardous Materials 等杂志上发表高质量论文50余篇,引用次数达750余次。
(2)新能源材料的理论模拟
      光催化材料是随着纳米技术的发展而产生的一种新型材料,以其优良的性能和特点以及众多潜在的应用领域日益成为研究和开发的重点。深刻地理解具有强电导性的光催化材料的形成机理以及确定性的调控因素,具有至关重要的科学意义和学术价值。我们通过发展并利用减少高分子链自由度的“粗粒化”的杂化粒子场的分子动力学模拟方法,对光催化材料的大体系(百纳米以上或微米)进行长时间(微秒以上)的动力学模拟,获得体系的热力学平衡。在此基础上研究纳米粒子,纳米管等在光催化材料中的分散程度,以及计算光催化材料的电学性质,明晰光催化材料的形成机理,以及影响光催化材料电学性质的调控因素,为加快光催化材料的开发和应用进程做出贡献。
(3)稀土资源利用
      本实验室长期从事稀土光电功能材料与器件的研究工作,在国际上首次提出并证明利用高阶激发态能量传递过程,能够显著增强(高达4个数量级)稀土氧化物的上转换发光,研制出高发光效率、低成本、环境友好的新型环境友好稀土氧化物发光材料,并成功实现基于稀土氧化物的光学温度传感和生物荧光探针功能,技术指标达到国际领先水平。
      通过对普通连续能量传递过程原理的突破和创新,以及对材料制备工艺的优化,在氧化物基质材料中实现了过渡金属和稀土离子之间的高阶激发态能量传递,从而有效避免氧化物基质材料中非辐射衰减几率较大的缺点,此成果被同行专家评价为“the quality of the paper is very high, and certainly among the top 10% in the field——是本领域前10%的高质量工作”,该研究成果对于人们设计和扩展稀土上转换发光材料的应用范围具有重要的意义。根据该研究成果撰写的论文已发表于Advanced Materials (IF: 14.829)。实验室成功将荧光强度比技术应用于稀土离子掺杂材料,制备出基于稀土元素的光学高温传感器件组元,成功实现了高灵敏度和高分辨率的光学高温传感器。相关参数已达到或超过目前相关文献的报道,证明了基于Er-Yb共掺杂Al2O3的光学高温传感器组元在光学高温传感方面较强的应用潜力。根据上述工作撰写的论文分别发表于Applied Physics Letters、IEEE Photonics Technology Letters、Sensors & Actuators B等杂志,累计已被引用200余次。其中发表在Applied Physics Letters的论文被美国物理协会评选为当月热点文章,并收录于Virtual Journal of Ultrafast Science,目前单篇已经被引用105
(4)稀土发光生物传感
      本实验室长期从事氟化物稀土纳米晶及贵金属纳米晶在生物传感中的应用方面的研究。利用稀土纳米晶的光学特性,结合生物免疫技术,开展食品和环境中多组份小分子污染物的低成本、快捷、现场检测方法及传感器件研制。我们利用微乳液或微乳液水热技术设计并合成了多个氟化物及稀土氟化物纳米材料,建立和完善了稀土离子掺杂的BaF2,CaF2,KMgF4,YF3,NaYF4等纳米粒子的制备路线,成功制备了NaY1-xGdxF4:Yb, Er 上转换纳米粒子及微米管。掌握了制备粒径可控、分散度好、发光效率高的纳米晶的制备方法。
      在核壳结构CaF2:Eu/SiO2、CdS/ZnS、ZnS:Tb/SiO2、CdTe/SiO2纳米晶的制备方面进行了研究,相关成果已申请国家专利及在Nanotechnology, Chem. Phys. Lett.,J. Phys. Chem. C等刊物上发表。在对纳米粒子的表面修饰方面也做了大量工作,如利用壳聚糖分子修饰CaF2:Eu纳米粒子,再利用壳聚糖分子中的胺基官能团与琥珀酸酐反应,反应产物(含有羧基)最终与BSA交联,制备出CaF2:Eu /壳聚糖-BSA水溶性纳米粒子(相关的文章已在J. Mater. Sci.-Mater. EL上发表)。另外,还建立了用草酸和丁二酸酐等功能有机小分子化合物修饰CaF2:Eu/SiO2纳米粒子表面的工作,并将BSA蛋白成功地与纳米粒子表面有机分子的特征官能团交联 (文章已在Chinese Journal of Chemistry上发表),首次实现了IgG抗体与稀土发光粒子间的交联。目前,实验室已成功发明能够检测除草剂2,4-D的胶体金免疫层析试纸,灵敏度达17 ng/mL。通过采用液相色谱方法和试纸对比,表明胶体金检测试纸具有特异性高,稳定性好,有效期长等优点。此外,基于稀土纳米粒子发光显示的多组分农药残留检测试纸的制备研究以及光纤为载体,实现小分子污染物快速检测的光纤生物传感探针研究方面,也取得了较大进展。