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新型智能水凝胶光催化剂,金属-有机框架生物传感器......近期部分科研进展速览

发布时间:2022-09-19 访问次数:608次 来源: 分享:


专注研究,潜心育人

崭新的九月

部分师生科研团队

又在默默耕耘中收获了新的成果

一起来了解

一、成功研制新型智能水凝胶光催化剂

化学与化工学院从怀萍教授课题组与中国科学技术大学俞书宏院士研究团队合作,设计并研发了具有双重限域网络结构、可近红外光连续再生的高性能水凝胶光催化软材料。相关研究成果以“Double Confinement Hydrogel Network Enables Continuously Regenerative Solar-to-Hydrogen Conversion”为题发表在《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202209687),论文的共同第一作者是青年教师秦海利副教授和硕士研究生李娜,该工作被该刊选为VIP论文。

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从大自然中汲取灵感,发展智能水凝胶软物质光催化体系能够赋予催化体系新的概念,创造具有连续再生能力的超分子催化剂体系。鉴于超分子化学在调控纳米组装结构和表面性质方面的显著优势,其在活性物质的协同作用下在可再生能源领域表现出强大的应用潜力。然而,基于超分子策略研制的新型仿生催化体系仍然非常有限,而如何将孤立的功能元件和结构参数完美地集成于同一个超分子催化体系成为该领域的一个重要挑战。

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能水凝胶光催化体系的构建

为实现上述目标,研究团队协同纳米复合交联、金属配位作用和原位聚合技术,合成了富含纳米腔结构、具有优异力学和高效自愈合性能的铂纳米颗粒/聚(N-异丙基丙烯酰胺)水凝胶体系。纳米腔的限域效应带来了高质子迁移速率和低水分子蒸发焓,具有微孔结构的非溶胀密胺海绵的引入,构建了第二重限域网络结构,抑制了凝胶在光催化过程中的溶胀,实现了其稳定的光催化产氢性能(3.27 mmol h-1g-1, TOF 4568 H2h-1)。通过在聚合物网络中原位生长导电高分子提高载流子迁移率,可进一步提高该催化体系的催化活性(5.60 mmol h-1g-1, TOF 7819 H2h-1)。


研究团队还协同动态界面相互作用,开发了一种新型近红外光诱导催化剂再生策略。利用铂纳米颗粒优异的光热性能,重构纳米腔形变结构的同时,含有巯基端的聚合物链作为动态刷子,能够有效清除金属催化剂表面的碳质沉积物,最终实现催化性能的连续再生,老化催化剂的析氢率从原始活性的26%持续提高到72%,解决了传统催化剂使用中高活性与长寿命难以兼顾的难题。该研究工作中基于双限域工程策略研发的智能水凝胶催化体系有望用于可持续太阳能转化制氢。

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智能水凝胶催化体系光催化行为和光诱导可再生性能

该项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、安徽省高校协同创新项目、安徽省科技重大专项、中央高校基本科研业务费专项资金、安徽省自然科学基金等项目的资助。

二、植物纳米技术领域取得新进展

食品与生物工程学院纳米-生物界面实验室在植物纳米技术领域取得新进展,相关研究工作发表在《ACS Nano》上。合肥工业大学博士生闫勇、硕士生倪敏、硕士生王帆是本文共同第一作者。通讯作者为合肥工业大学的王峰教授和李超副教授。合肥工业大学为唯一通讯单位。本工作得到了国家自然科学基金、安徽省杰出青年基金、中央高校基本科研业务费专项资金、安徽省重点研发计划的资助。图片

过氧化氢是植物亚细胞、细胞和系统信号的关键调节因子,可作为植物体内多种激素、生理和发育途径的组成部分发挥作用,并在不同生物和非生物条件下的防御和驯化反应中发挥关键作用。然而,生物/非生物胁迫作用下,植物体内产生的过量过氧化氢,对蛋白、脂质、核酸等生物分子造成损伤。因此,掌握植物体内胁迫状态下过氧化氢浓度的实时变化对于弄清过氧化氢的生理功能至关重要。现有的大多数针对植物体内过氧化氢的检测需要分离、研磨植物样本,过程繁琐、耗时且易产生植物应激行为。开发简便、无损、稳定性高的植物生物传感器仍具挑战性。王峰教授课题组基于表界面化学,开发了针对植物器官的金属-有机框架生物传感器,通过光学信号到热学信号的转变,实现了胁迫作用下,实时、无损植物体内过氧化氢检测,用于监测植物的健康状况。该生物传感器在模式植物烟草、经济作物番茄、猕猴桃、草莓中均展现出良好的测试性能。

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此外,Nature杂志《自然指数:纳米科学与技术》(Nature Index: Nanoscience and nanotechnology)专刊在线发表了题为“纳米颗粒提高作物适应力”专题报道,王峰教授与美国麻省理工学院的Michael Strano教授、美国加州大学伯克利分校的Markita Landry教授共同受邀采访。

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CRISPR-Cas介导的基因组编辑技术在农作物遗传改良方面表现出了巨大的应用前景。传统的植物基因组编辑依赖于成熟的转基因技术体系。然而,CRISPR-Cas的递送仍需借助外力或农杆菌介导,其对植物组织的损伤或物种依赖性制约了该技术的发展。植物纳米技术有望打破植物基因转化瓶颈,实现外源遗传物质在植物细胞中的高效递送和转化,为非物种依赖的高通量植物遗传转化提供可能性,对全球农业种质资源保护利用具有重要借鉴意义。王峰教授团队在该研究领域已有多项研究成果发表。

三、可重定义微波无源器件研究领域取得新进展

微电子学院纳米微波与纳米功率技术实验室团队在热控可重定义微波无源器件研究方向再一次取得重要进展,相关研究成果“Redefinable Planar Microwave Passive Electronics Enabled by Thermal Controlled VO2/Cu Hybrid Matrix”在Cell综合性子刊iScience期刊上在线发表。

传统的微波链路由独立的微波器件组成,这些微波器件的硬件结构是不可改变的,其功能长期以来也认为是不可改变的,这意味着传统的微波链路的功能不能进行重新定义。为满足不同的应用场景,通常需要设计多套微波链路。如果能根据系统的动态应用需求,实时调整微波硬件的功能,实现器件功能层面的重新定义,便能对微波链路进行重构,从而显著提高微波硬件的复用率,减少所需微波器件的数量,达到多场景应用、小型化与轻量化的要求。

本研究成果展示了一种基于热致相变二氧化钒(VO2)薄膜,微波功能可重定义的2×2阵列器件。在本工作中,VO2薄膜的电导率可实现1000倍的变化,通过热控制VO2微带线开关的相变,进而调节电流通断。此外,部分使用VO2薄膜的矩形铜贴片则可以灵活地进行结构重新配置,控制电流分布的区域,从而实现天线阵列、频率可重构带通滤波器,以及可重构天线和滤波器组合性能的混合器件。与传统意义上可重构概念相比,本研究提出的功能可重定义概念在一般性上进行了扩展,更多关注于无源器件的本质,既是实现载流子分布、流向和浓度的准确快速控制。

该工作得到了国家自然科学基金,国家重点研发计划重点专项,合肥工业大学优秀青年提升B计划的支持,合肥工业大学为论文第一单位,复旦大学、深圳大学、中国信通院、中国电子标准化研究所为合作单位,微电子学院桑磊教授为论文第一作者,黄文教授为论文通信作者。图片

热控可重定义2×2微波无源阵列器件。A-D.微电子工艺制程;E-F.VO2薄膜;G.实物照片;H-I.测试及热控平台;J-K.热控过程的红外观察

四、微结构球体入水气腔构筑机制及摩擦减阻方面取得系列进展

机械工程学院刘焜教授课题组在考虑表面形貌效应的微结构球体入水气腔构筑机制及水下摩擦减阻方面取得一系列研究进展,相关研究成果分别在线发表在工程技术和流体力学领域著名期刊Nanoscale及Physics of Fluids上。

气腔夹带现象在水下航行体减阻、军事领域以及在防腐领域应用广泛,它将物体在流体中运动时的流体阻力从固液接触转化成固-气接触,从而大幅度降低了摩擦阻力,对于提高海洋航行体的能源利用率、降低摩擦损耗具有重要意义。减少阻力是海洋运输业面临的重大挑战之一。受在空气中移动的物体受到的阻力比在水中小的多的这一事实的启发(水的动态粘度远远大于空气的动态粘度),通过在结构体表面构建空气层改变结构体附近的流体密度(空气层缓冲),使得固-液界面转变为固-气界面,从而显著降低壁面摩擦阻力。鉴于此,刘焜教授团队青年教师焦云龙副研究员开展了考虑表面形貌效应的结构体入水气腔构筑机制研究(Nanoscale,2022,14(31):11218—11226.)。该项研究工作的主要创新点在于,通过在球体表面构筑一种表面微观粗糙结构,使得球体入水后在固液接触面上形成三相接触线的钉扎,从而诱导固体外表面形成气腔夹带,并实现水下减阻。相较于传统的超疏水涂层、莱斯效应以及超空泡等气腔构筑技术,表面粗糙微结构可以长时间稳定的生成水下气腔,并且不受到球体表面润湿性控制,即使是在亲水固体表面依然可以在较低的冲击速度下产生气腔,极大降低水下气腔生成的临界速度。图片

微结构球体撞击自由液面产生水下气腔夹带现象

此外,课题组通过进一步调控球体表面润湿性区域大小以及球体入水冲击角度,详细探究了微结构球体入水后的流体动力学特性(Physics of Fluids,2022,DOI: 10.1063/5.0111025),分析了典型气腔的生成与调控机制,并结合相应的数值模拟和仿真工作分析了流体沿粗糙壁面流动过程中的线性滑移现象(Physics of Fluids,2022,34(8):082106.),为微结构表面的水下减阻特性提供了相关理论研究基础。图片

粗糙固体表面流体边界滑移模拟

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典型气腔的形成与调控无气腔、过渡气腔、深闭合气腔、面闭合气腔


以上系列研究工作得到包括国家自然科学基金青年基金、面上基金以及中央高校基本科研业务费专项资金的资助。合肥工业大学为论文成果第一署名单位,论文通讯作者为机械工程学院摩擦学研究所焦云龙副研究员,第一作者包括机械工程学院2019级博士研究生王兆长、2020级硕士研究生陶彤彤。

相关链接:1.Nanoscale,2022,14(31):11218—11226.2.Physics of Fluids,2022,34(8):082106.

3.Physics of Fluids,2022, DOI:10.1063/5.0111025

五、能源与动力研究领域取得新进展

汽车与交通工程学院能源科学与动力系蓝松副研究员在车载热电发电机研究领域取得新进展。相关研究成果“Performance comparison of a thermoelectric generator applied in conventional vehicles and extended-range electric vehicles”在能源类国际顶级学术期刊《Energy Conversion and Management》上发表。

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新能源路线不再是单一的纯电方向,而是以纯电为主,其它手段并行的多样化发展路线。热电发电机作为一种内燃机废气能量回收系统,也需要将其从传统内燃机车辆的应用逐步转移到混合动力车辆上。相较于热电发电机在传统内燃机车辆上的应用,目前关于热电发电机在混合动力汽车上应用还在起步阶段。增程式电动汽车作为最接近纯电动的混合动力模式,热电发电机在该车型的应用也仍在探索阶段。目前尚未有研究深入比较热电发电机在传统内燃机车辆和增程式电动汽车在燃油经济性改善方面的实际差异。为了填补该领域的空白,本文通过仿真和实验相结合的手段,比较了同一热电发电机样机在传统内燃机车辆和增程式电动汽车的节油效果。

如下图所示,文章设定了WLTP工况和100km/h车速来分别模拟汽车在城市路况和高速路况的行驶。拟定了热电发电机在传统内燃机车辆、恒温器控制策略的增程式电动汽车、功率跟随控制策略的增程式电动汽车三种不同的应用形式。在城市工况下,热电发电机在功率跟随控制策略的增程式电动汽车上比在传统内燃机汽车上有更高的燃油经济性提升。而在高速工况下,热电发电机在传统内燃机汽车上则表现出更高的燃油经济性提升。研究发现,功率跟随管理策略更适合发挥热电发电机的节油性能。同时研究还发现,汽车的行驶工况和车载电器的负载仅对热电发电机应用于传统内燃机车辆有较为明显的影响,而对于在增程式电动汽车影响较小。

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该项研究得到了合肥工业大学人才引进科研启动经费的资助,蓝松副研究员为第一作者和通讯作者,英国拉夫堡大学Richard Stobart教授和Rui Chen教授为合作作者。论文的发表为我校能源与动力专业和新能源专业的建设和发展提供了相应的支撑。



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