中空纳微材料的可控合成与应用  081703M05001H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:杨乃亮,王宝
授课时间: 星期四,第5、6、7 节
授课地点: 教二楼321
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、16、17
课程编号: 081703M05001H 课时: 50 学分: 3.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:杨乃亮,王宝 助教:
英文名称: Controllable Synthesis and Applications of Hollow Nano-Micro Materials 召集人:

教学目的、要求

    本课程是生物工程、化学工程、化学、材料等专业的基础课。本课程是一门涉及生化工程、催化工程、应用化学、无机化学、材料化学、能源与环境的综合交叉课程。其既可以作为专业基础课程,学习最新的纳米、介尺度、微米材料制备技术,亦可了解纳米材料最新的应用动态,尤其是可以掌握最新的纳微材料、材料工程发展前沿。通过学习,要求学生了解纳微材料的可控制备方法;了解中空纳微材料的优势;了解材料工程、纳米材料的高级结构在生物、能源、环境、化工等领域的应用;尤其是了解其在绿色清洁能源、生物医药等热点方向的应用需求;能针对需求选取合适的材料设计思路。

预修课程

无机化学、仪器分析

教 材

主要内容

第一章 绪论 中空纳微材料简介 
首先介绍从体相材料纳米化所带来的新奇的电子行为,进而在生化、能源、环境等领域带来很多重要的应用。然而,从纳米材料的几何结构构筑入手,制备中空纳微结构将提供更丰富的表面信息、更充足的存储空间,从而在蛋白分离、药物担载、工业催化、能源转化等诸多领域带来更广阔的应用。在本章中,主要介绍纳米材料的发展史和量子尺寸效应,以及构建高级结构所能带来的独特优势,使学生从宏观上把握本课程的要点。

第二章 纳米材料的基本合成方法 
在该章节,简要介绍纳米材料的合成方法。合成形貌均匀的纳米材料是直接影响材料的构效关系的研究。此外,合成高质量的纳米材料,亦可为后续、以此为模板控制其它纳米材料的生长提供基础。本章节主要介绍纳米材料的液相合成技术,包括表面配体控制、微乳液法、水热/溶剂热法、软模板法等。在本章的学习中,使学生基本了解纳米材料常见的合成技术,为后续课程开展,以及今后实验工作奠定基础。
第三章 纳米材料的表征技术 
纳米材料的表征技术是一个大课题,在本部分,主要介绍与本课程最相关的仪器表征技术,尤其是先进的表征技术,如球差矫正电子显微镜、同步辐射、三维重构技术、冷冻电镜技术等。通过该阶段的学习,使学生了解最新的材料表征技术,掌握适合中空纳微结构的表征方法。
第四章 介孔材料的合成方法
介孔材料具有较高的比表面积,尺寸均一的孔道结构,可以提供良好的纳米限域空间和足够多表面活性位点。为此,设计和制备高度有序的介孔材料十分必要。本章节中,主要介绍介孔材料的合成方法,包括一步法、后处理、骨架掺杂以及表面接枝、表面涂覆、客体负载等。通过本章的教学使学生初步了解介孔材料常见的合成技术,为后续课程开展,以及今后实验工作的开展奠定基础。
第五章 介孔材料在催化领域的应用
通过构筑催化剂表面活性位点和调控催化剂的结构参数,开发具有高活性和选择性的催化剂是科研人员一直努力的目标,介孔材料为此提供了新的思路。在本章节中,主要介绍介孔材料在光催化、热催化、电催化等领域中的应用。通过本章的教学使学生初步了解介孔材料在常见催化反应上的应用,为今后从事有关介孔催化领域的研究工作奠定基础。
第六章 中空纳微复合材料的合成方法
该章是本课程的核心内容,主要介绍合成中空纳微结构的方法。从合成方法来看,可分为包括无模板法、软模板法、硬模板法、自模板法;从材料种类上看,分为金属、氧化物、硫化物、磷化物等中空纳微结构;从结构上来看,又可分为Core-shell, York-shell, Multi-shell等多种。通过该章节的学习,使学生掌握中空纳微材料的合成方法,以及利用模板法生长纳米材料成核位点的控制策略。
第七章 中空纳微材料在储能领域的应用
鉴于中空纳微材料的多级尺寸和多级孔结构特征,其在物质的存储和释放功能化应用方面具有独特的优势。在本部分,主要介绍与本课程最相关的中空微纳材料在能源存储方面尤其是锂离子电池、超级电容器、钠离子电池、钾离子电池、锂硫电池、锂空气电池、锌空气电池等碱金属离子电池等储能技术领域的应用。通过该阶段的学习,使学生了解最新的中空微纳结构储能应用研究热点,掌握适合中空纳微结构的电化学储能器件的设计和制备测试。
第八章 中空纳微材料在生物医学领域的应用
一方面,从蛋白质、DNA、RNA、到病毒,大多都在纳米尺度范围内,而细胞又可看作是微米级的多壳层结构,因此对中空纳微结构的研究,可以从生命体获得灵感;另一方面,由于中空纳微结构独特的空腔以及孔道,非常适合药物的担载和释放。而对构筑单元,即纳米材料,本身的选择及修饰,有望在生物成像、靶向输运、光热磁热、可控释放等方面获得应用。通过本章的学习,可以使学生掌握最新的纳米材料在生物医学领域的研究现状及发展方向。
第九章 中空纳微材料在太阳能转化领域的应用
在光电转换中,光的吸收以及光生电子的分离与传输是制约其性能的关键因素。一方面,中空纳微结构可以将光在一定程度限域在壳层内,进而提升光的利用率;另一方面,中空纳微结构的壳层可以快速传递电子。因此,该材料在太阳能转换中有极其突出的表现。通过本章的学习,可以使学生掌握最新的中空纳微材料在与光电转换相关的领域的应用,启发学生设计更精巧的结构使材料更加符合应用的需求。
第十章 中空纳微材料在催化领域的应用
纳米材料由于拥有大的比表面积,在催化领域拥有非常重要的应用。然而纳米材料在多次循环后往往由于团聚而使催化活性下降。中空纳微材料由于其本身的独特结构,可以提升材料的稳定性;另外,中空纳微材料可以有效富集反应物,进而提升催化活性;此外,通过对孔洞尺寸的控制,可以控制反应物、产物、气体的吸脱附行为,进而带来优异的表现。通过本章的学习,可以使学生掌握最新的纳米材料在催化领域的研究现状。
第十一章 展望 智能中空纳微材料
中空纳微材料已在生物、能源、环境、化工等领域取得了一系列进展。面向未来,中空纳微材料可以向自然界学习,将生命体内的中空多壳层的优势与纳米合成与加工技术进一步融合。同时,将中空纳微材料的表面进一步修饰,有望设计实现动态、智能响应的中空纳微材料,从而在药物控释、靶向治疗、手性催化等多方面带来重要应用。通过本章学习,希望能使学生发散思维,对未来的发展方向各抒己见。

教学重点与难点 
教学重点:纳米材料的可控合成方法;合成方法的选择;模板法中模板的选择与去除;先进的表征方法;中空结构的特性及优势;中空材料未来的发展方向。
教学难点:缺少相关数据和教材,完全是由最新文献和论文整理而来。但这也是该课程的优势,其能够反映当下学科最新的发展方向。

学时分配与进度计划 
第一章2学时,第二章 7学时,第三章3学时,第四章 4学时,第五章2学时,第六章12学时,第七章3学时,第八章3学时,第九章3学时,第十章3学时,第十一章3学时。讲解内容合计45学时。课堂汇报:3学时,先进仪器设备、新能源新材料、环境能源材料。考试:2学时,开卷。课程合计50学时。

考核方式 
阶段性考核:课程汇报。学生根据自己感兴趣的课题,进行文献调研与总结,在课堂上予以汇报。
结课考核:课堂开卷。主要考察学生理解问题、分析问题和短时间调研文献的能力,以课堂开卷的形式进行。

参考文献

1. 徐如人,庞文琴,霍启升等 《分子筛与多孔材料化学》北京:科学出版社 2015
2. 于吉红,闫文付 《纳米孔材料化学:催化及功能化》北京:科学出版社 2013
3. B. S. Murty 等 《纳米科学与纳米技术》科学出版社有限责任公司 2014
4. 吴庆银 《现代无机合成与制备化学》北京:化学工业出版社 2010
5. 徐志军,初瑞清 《纳米材料与纳米技术》北京:化学工业出版社 2010
6. 王训,倪兵 《纳米材料液相合成》北京:化学工业出版社 2018
7. 朱永法,宗瑞隆,姚文清等 《材料分析化学》北京:化学工业出版社 2009