关键词： 微结构光纤   功能材料   光纤传感   轨道角动量   光纤功能器件  

摘要： 微结构光纤具有结构灵活、高双折射、高非线性等独特的特性,与传统光纤相比,其截面折射率分布和气孔排列多样,大大拓宽了其应用领域。截面空气孔的存在为通过微结构光纤与功能材料的集成实现高度集成化的微结构光纤功能器件提供了可能。此外,随着轨道角动量（OAM,Orbital angular momentum）光通信技术的兴起以及微结构光纤制作技术的突破性进展,基于功能材料集成与微结构光纤OAM器件为可调谐OAM功能器件的设计与相关应用提供了理想的解决方案。本文通过微结构光纤与功能材料的有机结合,设计并制作了基于马赫-曾德干涉和谐振耦合机制的高灵敏度的传感器件。此外,设计了基于液晶材料集成空气包层微结构光纤OAM生成器,并利用机械微弯光纤光栅实现了工作波长和带宽可调谐OAM光的生成。最后利用了马赫-曾德干涉仪与功能材料的结合设计了OAM双参量传感器件。论文的主要研究工作如下:1、提出并制作了一种空芯光纤毛细管辅助马赫-曾德干涉型折射率传感器。研究了毛细管长度对传感器灵敏度的影响,并对毛细管长度进行了优化。由于乙基橙材料具有偶氮基团,在施加光照时其分子会发生光致异构和光致分子定向排列现象。通过实验监测集成乙基橙的折射率器件透射光谱对473 nm激光偏振态和功率密度变化的响应,测量了光致异构效应引起的偶氮苯折射率变化。在激光偏振态为0°时,乙基橙溶液的最大折射率灵敏度达到-1.753×10-5/（m W/cm2）。当激光功率密度从100 m W/cm2增加到500 m W/cm2时,通过改变激光偏振态,乙基橙溶液的光致双折射度从0.0001增加至0.0012。2、提出并制作了一种集成高折射率液体的边孔微结构光纤高温度灵敏度传感器。通过对边孔微结构光纤空气孔内填充高折射率温敏液体,纤芯基模与液柱高阶模式之间发生谐振耦合,导致透射光谱中出现多个谐振峰。在80℃至100℃的温度范围内,实验获得的温度灵敏度达到-13.1 nm/℃。此外通过对边孔微结构光纤填充对外加磁场敏感的磁性离子液体,可以实现对温度和磁场的双参量测量。实验结果表明,在25℃至100℃温度和20 Oe至200 Oe的磁场强度范围内,温度和磁场灵敏度分别达到-3.466 nm/℃和-0.0303 nm/Oe。3、设计了集成液晶材料的空气包层微结构光纤轨道角动量光束生成器。微结构光纤在靠近外表面具有均匀排列的环形空气孔包层,通过在空气孔内填充高折射率液晶,可以在回音壁模式微腔内引入一个角向折射率调制。当满足相位匹配条件时,特定频率的回音壁模式与其对应的OAM模式之间发生耦合。此外评估了空气孔参数变化对OAM的频率调谐范围和中心频率的影响,±5%的壁厚和±8%的气孔面积偏差对工作频率调谐范围和中心频率的影响分别在10-4THz和10-3 THz量级。进一步的数值模拟结果表明,通过磁场调控液晶材料的折射率能够是实现对OAM工作频率和拓扑荷数的调谐。4、提出了一种基于3D打印技术制作的机械微弯少模光纤光栅轨道角动量OAM光产生方法。实验结果表明,通过对少模光纤施加不同的横向压力,可以调节光纤光栅在纤芯基模和LP11模之间的模式耦合效率。此外通过改变少模光纤相对于垂直于刻槽平板光栅轴向的倾斜角度,可以实现对光纤光栅谐振波长的调谐。在均匀光纤光栅的基础上,进一步研究了级联少模光纤光栅的透射光谱展宽特性,并实验获得了高达114 nm的10 dB工作带宽。5、设计了一种空芯光纤毛细管辅助马赫-曾德尔干涉仪（SCAMZI）和主成分分析法解调OAM干涉图相结合的双参量光纤传感系统。在高斯光干涉臂中引入了集成温敏液体和折射率液体的SCAMZI。由于折射率和温度变化引起的高斯光强度和相位的变化,SCAMZI的透射光与OAM光干涉后,其螺旋干涉图的强度和旋转角都会发生相应的变化。利用主成分分析法对OAM干涉图的图形矩阵进行数据处理,可以获得对折射率和温度变化的信息。

关键词： 钢筋混凝土结构   侵蚀性离子传输抑制剂   微观结构   水泥基材料   性能调控  

摘要： 在严酷的海洋环境中，氯离子等侵蚀性离子侵入钢筋表面，诱发钢筋腐蚀与混凝土劣化，最终导致服役的钢筋混凝土结构设施失效破坏。因此，延缓侵蚀性离子在混凝土中的传输速率对提高钢筋混凝土结构耐久性至关重要，研发适用于钢筋混凝土体系的高效可控的侵蚀离子传输抑制技术，已成为混凝土耐久性领域研究热点。侵蚀性离子传输抑制剂是一类双亲性的聚合物，可以调控水泥混凝土的水分与离子的输运性能，也是提升混凝土耐久性的创新方法。本文将侵蚀性离子传输抑制剂的设计深入到微、纳观层次，利用分子动力学构建了氯离子在水泥基材料孔道中输运的模型，并研究了双亲聚合物的侵蚀离子抑制机理，建立起分子构型与抑制效率的关联关系，提出优化的分子结构构型。在此基础上，合成水化硅酸钙凝胶（C-S-H）与抑制剂的复合材料，综合利用现代测试技术表征C-S-H与抑制剂的微观结构与相互作用机理。最终，将抑制剂掺杂到水泥浆体中，综合评价对水泥浆体的力学性能、亲疏水、孔结构与传输性能的改性效果。本文取得主要成果如下：　　（1）基于分子动力学技术揭示了侵蚀离子传输抑制剂的纳观作用机理，建立了抑制剂分子结构与离子传输性能的关联关系，提出了基于双亲聚合物的羧基数目的抑制剂优化方法。分子模拟的研究表明抑制剂中的去质子化羧基中的氧原子（Op）和基体中的钙离子（Ca2+）可发生强键合作用，使得抑制剂分子可以牢牢吸附在C-S-H表面，而疏水基团起到“憎水刷”的效果，阻碍侵蚀离子与水分子的渗入。抑制剂聚合物分子中含氧去质子化羧基亲水基团的数目决定着侵蚀离子抑制剂的阻水效果。随着去质子化羧基数目的增多，抑制剂阻水效果提升，聚合物中包含2个去质子化羧基时，抑制效果最佳。但是，包含更多亲水基团个数的聚合物未持续提升侵蚀抑制效果，其原因是亲水基团数目增多后，抑制剂分子更倾向于与水分子相互作用并游离于溶液中，抑制剂与C-S-H界面锚固作用弱化，从而无法发挥足够的阻水效果。综合考虑抑制效率和多亲水基团开发成本，当去质子化羧基个数为2时，抑制剂的性价比最高。　　（2）基于最优分子构型，设计了侵蚀离子传输抑制剂（TIA401），并合成了C-S-H凝胶与抑制剂的复合材料（C-S-H/T），综合采用SEM、XRD、TG、XPS等测试手段系统探究了抑制剂对合成C-S-H化学组成、微观结构与形貌特征的影响机制。通过XRD、TG、XRF测试表明所合成的水化产物C-S-H为纯度超过96%的C-S-H（I）。抑制剂引入后的C-S-H/T相较无掺杂的C-S-H凝胶的水化产物堆积与聚集程度更致密，C-S-H层间距的[002]晶面间距变小，层间距缩小，结晶程度提高。同时，TIA401的引入会影响水化产物的反应过程与物相组成，C-S-H凝胶中的钙离子与抑制剂亲水基团结合，促进了钙离子溶解，并进一步诱导氢氧化钙晶体的生成。　　（3）将TIA401抑制剂掺入水泥净浆，研究了0%到10%掺量TIA401抑制剂情况下，水泥净浆的宏观力学性能与传输性能，并通过微观试验研究深入分析了TIA401对水泥净浆的作用机理。研究发现水泥净浆的吸水率随着抑制剂掺量的提高而显著降低，相比较于未掺杂试样，28天龄期水泥净浆的初期吸水率最高可降低92.1%，饱和吸水率最高可降低83.6%。与此同时，在显著提升水泥净浆的抗渗透性的前提下，抑制剂的掺入并不显著改变水泥净浆的强度，28天抗压强度波动范围在7Mpa以内。水与水泥净浆的内部接触角随掺量逐渐增大到82.6°，掺量达到6%以后不再发生明显的变化。微观形貌的测试研究发现，抑制剂掺量较低的情况下浆体微观形貌无明显改变。随着抑制剂掺量提高，凝胶浆体趋于致密，但过量的抑制剂掺杂会导致浆体表面致密程度降低。通过热重定量分析水化产物含量，研究发现抑制剂的掺入可以促进氢氧化钙的生成，使得浆体中C-S-H的钙硅比降低。最后通过BET方法对抑制剂改性浆体的孔结构进行表征，发现抑制剂中疏水部分有引气效果，使水泥净浆引入更小的孔，降低水泥浆体的平均孔径，在抑制剂的掺量为6%时，平均孔径达到最低，为46.127?，当掺量比较大时，浆体的孔容和平均孔径都增大，综合考虑性能和结构，6%为最佳的抑制剂掺量。　　本文通过分子模拟、微观表征与宏观的试验的方法，综合研究了侵蚀性离子传输抑制剂的构效关系、微观作用机理，并评估了改性水泥基材料的抑制效果。研究成果对于严酷海洋环境下高耐久的钢筋混凝土材料设计有指导作用。

关键词： 吸波材料   四氧化三铁   四氧化三钴   微结构   电化学调控  

摘要： 随着电子信息技术的飞速发展,电磁波作为信息传输的重要媒介,近年来在医疗、通讯、交通等领域的应用十分广泛,但是同时带来了严重的电磁污染问题。研究发现高频电磁波会对人体健康造成不可逆的损害、干扰电子设备的正常工作从而导致各类严重安全事故的发生。因此,为了能够尽可能减小电磁辐射危害,对于能够同时满足涂层薄、轻质化、宽频吸收和强损耗能力的吸波材料的研发问题亟待解决。碳纳米管(CNT)作为轻质碳系吸波材料具有轻质和高介电损耗的优点,但由于纯CNT作为吸波材料阻抗失配严重,整体损耗性能较差,无法满足应用要求。同时Fe3O4和Co3O4两种金属氧化物因其具有稳定性好、成本低和易获取的特点,是十分理想的磁损耗型吸波材料,但是由于吸收带宽有限和阻抗失配的原因,同样无法成为高性能吸波材料。因此本文以多种损耗机制协调作用为出发点,利用CNT的高介电损耗与两种金属氧化物的磁损耗进行优势互补,制备特殊项链状Fe3O4/CNT和Co3O4/CNT,完成电磁波损耗能力优异的复合材料的研发。 (1)本文通过一步溶剂热法成功实现磁性金属氧化物Fe3O4选择性修饰在CNT表面的特殊项链结构Fe3O4/CNT复合吸波材料的制备。并通过对实验参数调控,实现了CNT表面微球团簇尺寸从50-200 nm和CNT表面微球分布密度的可控制备。此外,对项链状复合材料微结构变化对吸波性能的影响进行探究发现,所制备的一系列Fe3O4/CNT复合材料样品中,在涂层厚度为3.0mm时,于9.0GHz处反射损耗值最优,可达到-49.2 dB。所有样品中最宽有效吸波带宽可达到4.2 GHz(12.8-17.0 GHz)。并通过对比复合材料微结构变化规律对吸波性能的影响发现,该体系在单一变量条件下,随着Fe3O4微球尺寸的增大,复合材料实现了有效吸波带宽从1.6 GHz到4.2 GHz的提升。 (2)在上述研究的基础上,成功实现了项链结构Co3O4/CNT复合材料的制备。同样通过对实验参数的调节,完成了 CNT表面Co3O4团簇尺寸从50-200 nm和Co3O4团簇不同分布密度的可控制备。发现项链结构Co3O4/CNT在涂层厚度为1.7 mm时,最优反射损耗值在13.8 GHz处可以达到-51.6dB。所有样品中最宽有效吸波带宽达到4.1 GHz(11.6-15.7 GHz)。并发现该体系下复合材料在保证微球尺寸均匀的条件下,球形度越高、微球尺寸越小、拥有可以带来更强极化作用的异质界面越多,将会使得复合材料具有更强的反射损耗能力。 (3)除此之外,为满足多频段的优势吸波,本文借用锂离子嵌入脱出的过程作为一种调控模式,引发Fe3O4/CNT和Co3O4/CNT复合材料微结构和物相结构产生变化,相应的结构变化对应于不同频段的优势吸收,进一步影响复合材料电磁吸收性能,实现动态多频段的优势吸收。并初步实现了项链状Fe3O4/CNT复合材料在完整的一个充放电循环中,反射损耗值达到-5.3 dB对应的频率发生移动和损耗能力下降后又在不同频率出现提升的过程。项链状Co3O4/CNT复合材料厚度为1.0 mm,频率范围为13.0-17.0GHz时,在充电过程中,实现了材料能够达到最优-4.7 dB的损耗能力从无到有的过程。

关键词： 纳米纤维素   碳纳米管   微结构   柔性压力传感器  

摘要： 近年来,随着可穿戴技术的蓬勃发展,可穿戴设备在医疗保健和人机交互领域中展现出了巨大的应用潜力。作为可穿戴设备的核心组件,高性能柔性压力传感器是该领域的研究重点。相比于传统的柔性传感器,微结构传感器具有更高的灵敏度、更快的响应速度和更低的检测限。研究人员发现,通过构建微结构,可以极大地提高传感器的各项性能。然而,目前常用的微结构制备方法,如以硅模具、天然叶片等为模板和通过预拉伸制备微结构的方法都存在各自的弊端,难以在低成本的条件下,可控地制备完整无裂痕的微结构。本论文通过聚乙烯醇/纳米纤维素/碳纳米管制备了具有高柔韧性的复合薄膜,结合预拉伸的方法,以低成本的方式制备了形貌可控且完整无裂痕的微结构,后将其组装为柔性传感器,并对传感器各项性能和实际应用进行测试。首先,利用纳米纤维素对碳纳米管良好的分散作用,制备了分散均匀的聚乙烯醇/纳米纤维素/碳纳米管混合液,并通过溶液浇铸法在聚二甲基硅氧烷基底上制备了聚乙烯醇/纳米纤维素/碳纳米管复合薄膜,该复合薄膜具有良好的导电性能和耐弯曲性能,其电导率为1.69 S/cm,并且在100次弯曲试验后,该复合薄膜的方阻仅上升了29.8%,仍然保持稳定的电学性能。通过预拉伸的方法,在PDMS基底上制备了无裂痕的褶皱状微结构,并将其组装成传感器,同时对其各项性能进行了表征。结果表明,该传感器具有67.59 k Pa的高灵敏度和低至5 Pa的检测下限,并且在2000次压缩循环后仍然能保持稳定的传感性能。此外,应用实验的结果证明了该传感器在实际场景中同样具有良好的传感效果,可以准确地检测面部肌肉运动、声音震动、指关节弯曲以及脉搏等生理信号。利用有限元仿真的方法,分析了传感器受到压力载荷时内部微结构的变形情况和接触面积变化,证实了微结构在提升传感器性能方面起到了关键作用。

关键词： TiN   微结构调控   熔盐法   电化学传感器  

摘要： 氮化钛(TiN)纳米材料因其良好的光电性能近年来引起了极大的关注,在电化学等诸多领域得到了广泛的应用,调控其微结构来提高TiN的性能仍然是该领域的一个热点。本文通过一步煅烧法、熔盐法、液相吸附法依次合成了TiN/gC(S)、TiN/gC(M)、TiN/gC(M)/MXene三种纳米复合材料,并对其电化学性能进行系统的研究。在此基础上,构建了几个电化学传感器并成功应用于实际样品分析。具体研究内容如下:(1)一步煅烧法合成氮化钛复合石墨碳(TiN/gC(S)):通过一步煅烧法将TiN纳米颗粒和石墨碳纳米片复合成TiN/gC(S)纳米复合材料。XRD结果表明三聚氰胺使用量对TiN/gC(S)的形成起决定性作用。SEM结果表明800℃下制备的TiN/gC(S)纳米材料的平均粒径约为110 nm,TEM和XPS结果证实立方相TiN和石墨碳纳米片之间形成了异质结结构。电化学研究表明,与纯TiN相比,TiN/gC(S)纳米复合材料具有更快的电子转移速率和更大的电化学活性面积。因此,基于TiN/gC(S)的电化学传感器在检测氧氟沙星时表现出理想的分析性能,包括较宽的线性浓度范围(0.05-1,1-100 μM)和低检测限(0.017 μM)。(2)熔盐法合成氮化钛复合石墨碳(TiN/gC(M))纳米球:本部分采用熔盐法制备了均匀尺寸约为30 nm的TiN/gC(M)纳米球。通过改变NaCl-KCl混合盐与前驱体的质量比得到一系列TiN/gC(M)纳米球。SEM结果表明,随着熔盐与前驱体的质量比由3:1增加至15:1,纳米球粒径先由130 nm减小至30 nm,再增大至50nm。与TiN/gC(S)纳米复合材料和纯TiN相比,TiN/gC(M)纳米球表现出增强的电化学性能:其电化学活性面积大约是TiN/gC(S)样品的2.45倍。基于TiN/gC(M)的电化学传感器在测定多巴胺方面具有增强的分析特性,包括较宽的线性浓度范围(0.1-5,5-250 μM)、低检测限(0.033 μM)和超高灵敏度。(3)液相吸附法合成TiN/gC(M)/MXene:采用液相吸附法,将质量比为20:1的TiN/gC(M)与MXene耦合合成具有异质结结构的TiN/gC(M)/MXene纳米材料。充分表征了 TiN/gC(M)/MXene的组成与形貌。所合成的纳米复合材料具有优异的电化学性能和高电化学活性面积。将TiN/gC(M)/MXene修饰的玻碳电极构建成电化学传感器,该传感器在同时检测苯酚和对乙酰氨基酚时表现出优异的传感性能。苯酚的线性浓度范围为1-150 μM,对乙酰氨基酚的线性浓度范围为0.1-90 μM。此外,该传感器具有良好的选择性、重复性和稳定性,可应用于实际样品检测。本工作通过复合和尺寸调控,实现对TiN/gC基纳米复合材料微结构的调控。研究了材料微结构对电化学性能的影响,探索了其在电化学传感器领域的应用。本研究为TiN材料电化学性能的提升提供了可行的参考。

关键词： 固体氧化物燃料电池   YSZ陶瓷粉末   LSCrRu-GDC阳极   纳米CT   三相界面密度  

摘要： 固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)作为一种高温电化学装置,具有清洁高效、余热利用率高、燃料选择广泛等优点。然而,SOFC的大规模商业化受到成本、性能、耐久性的限制。为了解决这些问题,不仅仅需要对于各组分材料的性能进行优化,同时也需要对电极的微观结构进行优化,优异的电化学性能与SOFC材料在微纳米尺度上的结构紧密相关。因此,本文利用高分辨X射线CT技术获取了钇稳定氧化锆(YSZ)电解质成型粉末和LaSrCrRuO-GdCeO(LSCr Ru-GDC)阳极的三维结构,并基于三维可视化方法处理图像,定量分析了微观结构参数,以下是本文的主要研究内容:(1)以YSZ陶瓷粉末为研究对象,采用高分辨率扫描电子显微镜(SEM)和显微CT技术对其表征,通过SEM观察粉末颗粒表面形貌,测量其平均粒径;利用显微CT技术对陶瓷粉末及内部孔隙进行三维可视化成像,定量分析了粒径、球度、比表面积等微观特征参数,分析了两种表征方法的差异,研究了粉末内部孔隙直径的变化对其微观特征参数的影响。(2)测试了两个单电池的电化学性能,对电化学性能表现更优异的样品进行微观结构表征,通过SEM观察单电池的形貌,测量功能层厚度;利用纳米CT技术对单电池阳极进行三维重建,采用Avizo软件对所获得图像进行轮廓滤波处理,根据阳极三相材料密度的差异,利用阈值分割算法,提取了LSCr Ru、GDC和孔隙三相,分别计算三相的体积、表面积、平均颗粒大小、三相界面密度、孔隙特征、迂曲度、有效扩散率等微观结构信息。(3)基于纳米CT扫描获得的阳极三维数据,通过仿真软件模拟阳极样品内部导热和渗流过程,研究阳极内部的有效热导率、热通量分布、绝对渗透率、压力和流速分布情况,分析阳极孔隙内部流速及压力的影响因素,此外通过侵蚀和膨胀手段得到不同孔隙率的阳极样品模型,分析孔隙率变化对渗流特性参数的影响。综上所述,本文对YSZ陶瓷粉末的三维表征与定量分析,有助于推动对陶瓷烧结机理的研究,建立结构与性能之间的联系,寻求提高SOFC电解质致密性的工艺参数,此外基于阳极真实三维结构进行导热和渗流仿真模拟,将有利于对电极内部导热及气体输运机制的理解,从而为设计电化学性能优异的SOFC提供理论基础。

关键词： 章鱼吸盘   全口义齿   仿生   硅橡胶软衬材料   吸附力  

摘要： 目的在硅橡胶类的义齿基托软衬材料表面构建仿章鱼吸盘微结构,并体外评价构建微结构对吸附力的影响,为进一步制作带有仿章鱼吸盘微结构的全口义齿基托组织面提供理论和技术支撑,探索提高全口义齿固位力的新思路。方法实验组利用摩方nano Arch S130微纳3D打印系统打印出带有仿章鱼吸盘反结构的树脂母模,用Silagum-Comfort硅橡胶软衬材料在树脂母模上翻制出带有仿章鱼吸盘微结构的硅橡胶样片,根据微结构的参数分为5组,每组吸盘参数分别为100μm,200μm,300μm,400μm,500μm,记为A,B,C,D,E组,对照组设定为不带有微结构的平面硅橡胶样片。利用电子扫描显微镜表征微结构,通过微结构的尺寸变化、气泡率及内部非光滑形态的完整性评价制作技术的精确性,以及在体外模拟口腔环境并通过万能材料试验机测试各组样片所能产生的吸附力,并进行统计学分析。结果3D打印的仿章鱼吸盘反结构与预定设计的尺寸参数相差约7%～9%,硅橡胶翻制得到的微结构与预定设计的尺寸参数误差缩小为1%～5%。实验组A,B,C组样片部分微结构周围出现气泡,气泡出现率约50%,在震荡机上优化翻制过程后气泡率降至5%以下,尺寸与未使用震荡机时无明显差异。实验组D,E组样片表面未见大量气泡出现。实验组A至E组的吸附力分别为(0.20±0.04)N,(0.16±0.03)N,(0.13±0.04)N,(0.12±0.02)N,(0.14±0.02)N,对照组吸附力为(0.12±0.03)N,其中实验组A,B组吸附力明显增大,相比对照组具有统计学差异(P<0.05)。结论在硅橡胶软衬材料表面构建直径为100μm,200μm的仿章鱼吸盘微结构可以提高吸附力。在全口义齿基托组织面制作仿章鱼吸盘微结构可能会提高全口义齿固位力。

关键词： 显微高光谱成像技术   钙钛矿材料   无损检测   理化性质   回归预测  

摘要： 近几年,钙钛矿作为材料科学领域研究最多的能源材料之一,凭借其良好的光电性能在太阳能电池等器件上得到了广泛应用。然而材料制备后的晶体厚度不均和组分比例不一致是降低器件性能的重要因素,因此,如何有效检测钙钛矿的晶体质量缺陷是提高钙钛矿器件性能的一个关键问题。显微高光谱技术结合了先进的显微镜技术和光谱学技术,可以捕获和分析一片空间区域中逐像素点的光谱信息,由于可以获取到单个对象不同空间位置上的独特光谱特征,故适合于微纳尺度的材料研究。在本文中,使用自主搭建集成的显微高光谱成像系统,在室温条件下通过透射明场模式获得了钙钛矿单晶(MAPbBr)的三维数据,结合光谱维研究其理化性质,并基于机器学习算法建立了钙钛矿单晶厚度预测的反演模型,达到无损检测钙钛矿结晶质量的目的,显示了显微高光谱成像技术在微纳材料领域的应用前景。具体工作如下:首先,为了研究钙钛矿晶体质量,以一步溶液自组装法制备的MAPbBr为对象,构建了反射和透射两种显微高光谱图像采集单元,并搭载多种成像方法,经过反复实验,确定了相关系统检测参数,以获得高质量的图像数据。通过对比分析不同拍摄模式下的空间信息和光谱信息,最终选择采用透射明场对钙钛矿进行成像并深入研究。其次,经实验分析后,提出MAPbBr的厚度不均和组分比例不一致会影响其光吸收性质。MAPbBr的吸收波长与其厚度成正比,当厚度增加时,晶体对光的吸收增强,其吸收峰会发生红移。此外,在吸收峰之前的光谱范围内,MAPbBr晶的组分比例与其吸光度存在一定的依赖关系,晶体中Br原子所占百分比越小,对光的吸收程度越大。最后,利用多种预处理算法对原始光谱进行光谱变换,运用常规降维方法以及提出的基于钙钛矿单晶厚度光谱特征(Perovskite Thickness Spectral Characteristics,PTSC)的波段选择方法进行特征波段提取,进而借助多种回归建模方法确立钙钛矿单晶厚度预测模型。结果表明,多元散射校正在经岭回归模型验证分理效析后,预处理效果最好。在不同机器学习建模方法对比中,K近邻回归模型表现最佳,其中,提出的PTSC方法相比其他降维算法能够更有效地提取最优建模变量,其结合K最邻近回归模型的估算精度最高,相较于原始光谱的K最邻近回归模型整体提升幅度约为13%。

关键词： 埃洛石   二硫化钼   水热法   复合材料   光催化降解  

摘要： 二硫化钼因具有较宽的光响应范围和较高的载流子迁移率,成为近年来光催化领域的研究热点。然而,具有高表面能的纳米二硫化钼通常会自发团聚,导致活性位点数量下降,从而降低光催化活性,这给规模化应用带来了巨大挑战。本文采用碱改性埃洛石作为功能载体分散二硫化钼,研究了二硫化钼-埃洛石复合材料制备条件和表面活性剂对其微结构的影响,并将降解罗丹明B（Rh B）作为探针反应评估复合材料的光催化性能。在此基础上,提出了复合材料可能的生长机理,同时揭示了复合材料的降解机理以及二硫化钼和埃洛石的协同作用。采用水热法制备复合材料的最优工艺参数确定为:埃洛石改性浓度和时间分别为5 mol/L和24 h,水热温度220°C,水热时间24 h,埃洛石添加量为8 wt.%。优选出的复合材料对Rh B的降解率达到89.3%,是纯二硫化钼的2.3倍。研究发现,添加改性埃洛石后,二硫化钼由纳米微球转变为高度分散的纳米片,有效解决了纳米二硫化钼自发团聚问题。添加1.5 mmol/L的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）后,复合材料具有最佳形貌和性能,对Rh B的降解率达到93.4%。复合材料可能的生长机理为:氢氧化钠会破坏埃洛石外表面的硅氧四面体（Si O）单元,从而在外表面产生大量缺陷。随后,位于外表面的缺陷和内表面的Al-OH都作为二硫化钼的成核位点,可以吸附大量钼酸根离子,这些钼酸根离子在水热过程中可以和硫脲水解产生的HS气体反应生成二硫化钼,从而使二硫化钼在改性埃洛石的外表面和内腔生长为高度分散的纳米片。紫外-可见漫反射光谱表明复合材料具有较好的光吸收性能,活性物种捕捉实验结果表明h和·O在复合材料降解Rh B的过程中起主导作用。改性埃洛石优异的吸附性能有利于促进Rh B分子转移到二硫化钼的活性位点,从而加速光催化降解过程。本工作所制备的二硫化钼-埃洛石复合材料为埃洛石的高效利用及低成本制备高分散的二维材料提供了一种有效策略。