(1) 二维无机层状材料的缺陷调控及分子探测性能研究 吕瑞涛 清华大学
本课题采用双异质原子共掺杂的策略，利用常压化学气相沉积（AP-CVD）方法原位合成了Re掺杂的WSe2（Re-WSe2）。在此基础上，进一步引入Nb原子，合成了Nb和Re共掺杂的WSe2（Nb，Re-WSe2）。研究了WSe2中掺杂元素种类及含量对其分子探测性能的影响，并利用密度泛函理论（DFT）计算来揭示掺杂策略对提升WSe2分子探测性能的机理。主要研究进展如下：
（1） 异质原子掺杂WSe2的可控合成
目前文献中研究比较多的是关于单元素掺杂TMDCs材料的制备和性能研究，关于双元素掺杂并诱导相变的TMDCs研究报道几乎没有。与溶剂热等液相化学法相比，化学气相沉积工艺在合成单层TMDCs材料以及机制研究等方面具有独特的优势。因此，本课题利用AP-CVD的方法，以水溶性前驱体作为金属源，通过改变金属前驱体的质量比和种类合成了不同Re掺杂浓度以及不同Nb、Re掺杂浓度的单层WSe2，实现了对WSe2电子结构的有效调控，为后续分子探测性能研究和优化奠定了基础。研究表明，当Re含量为~50 at%，会诱导Re-WSe2合金由1H相结构转变为1T''相结构。在此基础上进一步引入Nb原子，依然保持为1T''相结构的Nb，Re-WSe2合金。
（2） 掺杂WSe2的分子探测性能研究
研究掺杂元素种类及其含量对WSe2分子探测性能的影响，并结合DFT计算揭示其增强机制。研究表明，当Re含量为47.7 at%，Re-WSe2表面可激发最强的分子拉曼信号。进一步引入Nb原子后，分子在Nb，Re- WSe2表面可被激发更强的拉曼信号。并且，Nb，Re- WSe2对分子的最低探测浓度可低至飞摩尔水平（5×10-15 M），比文献报道的半导体性TMDCs的分子探测性能降低了3-7个数量级，和金属性TMDCs的分子探测性能可比拟。此外，Nb，Re-WSe2在空气中具有长达6个月的稳定性而保持性能不变并且可实现混合分子溶液中的选择性探测。根据DFT计算可知，相比于未掺杂WSe2和Re- WSe2相比，探测分子和Nb，Re- WSe2之间具有更强烈的吸附作用和更有效的电荷传输。同时，Nb，Re- WSe2在费米能级附近具有最高的状态密度，有利于促进其和探测分子之间的电荷跃迁几率。综上，Nb，Re- WSe2在费米能级附近高的状态密度及和分子之间强烈的相互作用赋予其和探测分子之间最有效的电荷传输，从而使其具有最灵敏的分子探测性能。该课题表明掺杂可作为一种有效策略提升二维TMDCs材料作为SERS基底的分子探测性能。
(2) 磁电耦合多铁性薄膜的多尺度原位机理研究 邓世清 北京科技大学
图1. (a) o-SmFeO3-δ薄膜的电滞回线，剩余极化可达4.14 μC/cm2。(b) 本研究工作中实现的铁电性与已报道研究工作的对比。(c) 面外同步辐射X射线衍射，表明o-SmFeO3-δ薄膜为面外[110]取向。插图为薄膜-基底匹配方式示意图。(d) STO (103)衍射点附近的同步辐射X射线RSM图。
在诸多已发展的多铁性材料中，稀土铁酸盐多铁性材料由于具有优异的磁、电物理性质和丰富的耦合特性，而成为一类极具代表性和发展前景的材料体系。其中，正交对称性的稀土铁酸盐和锰酸盐（o-REMO3，RE为稀土元素，M为Mn或Fe）是第二类单相多铁性材料体系的典型代表。第二类多铁性材料由于其中自旋与电荷间的紧密耦合，而具有相较于第一类多铁性材料更强的磁弹耦合效应，以及更丰富的物理现象。例如，T. Kimura等人在o-TbMnO3单晶中发现了巨大磁电效应（T. Kimura, et al., Nature, 2003, 426, 55-58）。然而，该类多铁性材料目前仍面临着铁电极化量级小（普遍在0.1 μC/cm2 量级）、有序性温度低（普遍低于液氮温度）等问题，极大限制了其器件化应用进程。因此，发展提升第二类单相多铁性材料的有效方法并明确其内在的磁电耦合机制，是多铁性材料领域研究的重点和关键问题。在该方面，我们以极具代表性的稀土铁酸盐第二类多铁性材料o-SmFeO3为切入点，开展了系统研究工作。
（1）o-SmFeO3外延薄膜的制备及应变增强铁电性
本课题的研究从相界面应变调控的思路出发，发展了应力工程和缺陷工程相结合的薄膜性能调控方法，实现了o-SmFeO3薄膜铁电性的数量级提升，剩余达到了4.14 μC/cm2（块体约为0.01 μC/cm2）（如图1（a,b）所示）。具体地，在借助于脉冲激光沉积方法（PLD）制备外延薄膜阶段，选取(001)面钛酸锶作为基底，以提供面内拉伸应力；同时控制生长气氛（氧分压条件），以精确调控o-SmFeO3薄膜氧含量，引入适量氧空位。球差校正电子显微镜表征发现，生长的o-SmFeO3薄膜具有良好的外延性和原子尺度平整的界面，如图1（e）所示。结合同步辐射X射线和原子尺度电子显微学表征发现，该方法生长的具有氧空位的o-SmFeO3薄膜（即o-SmFeO3-δ）具有相较于块体明显增加的单胞常数和晶胞体积（如图1（c-e）所示）。这种单胞体积的膨胀奠定了其铁电性增强的结构基础。
（2）o-SmFeO3-δ薄膜铁电性增强内在机制及磁电耦合效应
进一步地，基于对o-SmFeO3-δ薄膜晶体结构和电子结构的宏微观表征和理论探究，我们揭示了其性能提升的内在机制。基于原子分辨积分差分相位衬度像（iDPC）的定量分析，揭示了其中氧空位的位置（位于Fe-O层），并明晰了其在诱导强铁电性方面发挥的关键作用。实验发现，位于Fe-O层的氧空位能够使周围原子晶格产生明显畸变，并使得与其近邻的Fe离子偏离原始的高对称位置，进而产生局域电偶极矩（如图2（a,b）所示）。基于X射线吸收谱（XAS）的电子结构研究结合第一性原理计算（如图2（c,d）所示），进一步验证了特殊位点氧空位、单胞体积变化与铁电极化之间的内在紧密关联，揭示了o-SmFeO3-δ薄膜铁电性显著提升的内在机制，阐明了前期研究中o-SmFeO3铁电性的争议（Phys. Rev. Lett., 2011, 107, 117201，Phys. Rev. Lett., 2014, 113, 217203）。与此同时，基于原位电场作用下的磁性测量，探索了其中铁电性与铁磁性之间的耦合特性，实验发现在电场作用下，其饱和磁化和矫顽场均有一定变化（但量级较小）。这表明薄膜中存在较弱的磁电耦合效应。该研究工作不仅显著提升了o-SmFeO3的铁电性，加深了对o-SmFeO3铁电性和磁电耦合来源的机理性认识，研究中发展的方法也可应用于其它类似材料体系，为后续研究中的磁电性能调控工作奠定基础。
图2. (a) 原子分辨的积分差分相位衬度像（iDPC），展示了薄膜中包含具有氧空位的纳米微区（橙色虚线椭圆标记）。(b) 对(a)中iDPC图像进行逐个单胞定量分析，获得的Fe离子铁电极化位移分布图。(c) O-K边的X射线吸收谱，表明薄膜中FeO6多面体存在明显畸变。(d) 第一性原理计算获得的铁电极化与氧空位浓度之间的关系曲线。(e) 原位测量磁电耦合效应器件示意图。(f) 原位电场强度依赖的M-H曲线，表明薄膜具有弱的磁电耦合效应。
（3）镁合金中孪晶界对相变晶体学影响的研究 顾新福 北京科技大学
本项目提出一种直接寻找良好界面匹配的相变晶体学方法（直接矢量匹配方法），通过寻找两组匹配较好的矢量，构成界面，时的界面形成匹配好区，从而得到可能的择优位向关系和界面取向。并将该方法成功应用于镁合金和钢铁的第二相设计，主要研究进展如下：
（1）相变晶体学预测模型
相变晶体学几何模型本质上是考虑界面处原子的匹配。若两相晶体结构之间界面上存在较好的原子匹配，则界面的界面能低，对应的位向关系倾向被择优形成。基于几何匹配的相变晶体学模型输入简单，仅需输入两相的晶体结构和匹配判据；模型输出丰富，输出如择优位向关系、择优界面等晶体学特征。此外，相变晶体学几何模型计算量小、计算效率高，满足人们进行材料高通量的设计的要求。
本项目提出了直接寻找匹配好区的方法，编写了高通量的晶体学设计方法。首先在简单fcc/bcc系统验证了直接矢量匹配方法的有效性。结果表明本方法能够预测fcc->bcc转变中常见的K-S位向关系和N-W位向关系，且能预测两种位向关系下匹配较好的界面是(111 ̅)f//(1 ̅10)b，与fcc->bcc系统中结构台阶模型的台面一致。因此，直接矢量匹配方法可用来解释或预测两相之间可能存在的择优晶体学关系。
（2）模型应用
利用提出的匹配设计思想和软件，我们初步开展了合金的设计。针对Mg-Sn合金时效强化慢、强化效果不足的问题，我们设计了利用MgZnAl三元化合物缺陷异质形核的方法加速析出Mg2Sn，提高Mg-Sn合金时效强化的目的，即设计了Mg-Sn-Zn-Al合金。合金固溶时效后形成了大量的析出相，根据能谱可知形成了复合的析出。和预期的结果一致。此外，加入的合金元素会在析出相偏聚，进一步抑制Mg2Sn析出相的粗化。
将晶体学模型推广到电工钢中第二相设计，以AlN夹杂的调控为例，预测了60余种二元化合物，预测的结果覆盖了前人观察到的TiN、FeS2等结果。通过界面匹配分析，这些异质形核剂可与夹杂形成较好的界面匹配，具有一一对应的匹配或者重位共格的匹配关系。这些匹配关系易在相似晶体结构或相似原子排列的晶体中出现。
（4）表面等离激元电磁热点防护涂层的改进研究 黄雨 湖南大学
本课题围绕二聚体金属纳米颗粒热点结构，从光热效应出发，深入研究并理解表面等离激元多物理场耦合效应，着力解决防护涂层提高热点结构稳定性的同时如何维持巨大的局域电场增强性能这一关键科学问题，进而改进电磁热点防护涂层的设计，为SERS基片等器件的多功能集成提供新的思路。目前，主要研究成果如下：
（1）高折射率防护涂层材料有助于维持热点结构巨大的局域电场增强性能。通过有限元模拟计算发现，近乎透明的TiO2是一种比较理想的涂层材料。对于金纳米圆盘二聚体热点结构，高折射率的TiO2纳米涂层可以很方便地将纳米狭缝尺寸减小到10nm以下，增强了热点结构对光的耦合效率；同时，按照电动力学界面边界条件，电场强度在TiO2-空气界面会产生6倍以上的突变，使得空气狭缝区域电场强度极大地增强。
（2）防护涂层材料的介电损耗不利于热点局域电场的增强。以二维材料石墨烯为例，尽管其折射率很高，但介电损耗较大，严重降低了热点结构对光的耦合效率。相比于电场强度在石墨烯-空气界面的突变增强，光耦合效率的降低对热点结构电场增强性能的削弱占主导作用。后续理论研究还在进行中。实验验证也在规划中。
（3）顺利地将本课题研究拓展到表面等离激元光催化、表面等离激元光伏等领域，初步获得了一些有意思的结果，拟进一步开展相关研究。
（5）可涂抹磁性水凝胶贴片的构建及其在感染型慢性伤口中的疗效评价 刚芳莉 忻州师范学院
针对感染型慢性伤口的病理特点，本课题提出连续磁热介导的多功能水凝胶贴片的创新植入治疗体系，利用双网络策略和多重动态相互作用（包括氢键、离子配位和π-π堆积），构建集成可涂抹性、粘附性、磁致热效应、良好机械性能和生物相容的功能型水凝胶。进一步探究该多功能水凝胶贴片在连续磁热介导治疗下，从破坏细菌生物膜和促进伤口愈合双重方向上实现感染型慢性伤口治疗的可行性和有效性。
主要研究进展如下：
将具有独特磁学性质的纳米Fe3O4与壳聚糖基体复合制备的磁性水凝胶，因其优异的生物相容性、机械性能和丰富的磁学（磁热、磁共振成像等）性质，有潜力作为感染型慢性伤口的理想治疗平台。本项目选用壳聚糖，磁性纳米Fe3O4，丙烯酸-丙烯酰胺-丙烯基多巴胺共聚物为主要成分，制备含水量超过80%的磁性双网络水凝胶贴片。通过组分调节获取具有良好机械性能和细胞相容性的水凝胶材料，系统研究了成胶组分的配比对其磁热效应、可涂抹性以及粘附性的影响，明确其结构、组分与功能之间的构效关系，确定了最佳性能的水凝胶组成。将该多功能水凝胶贴片填充到生物膜定植的伤口床，定期磁热疗。综合对比考查不同治疗模式的治疗效果，结果提示水凝胶的可涂抹性和粘附性可使胶体密贴组织而不留死腔；磁性纳米Fe3O4可作为磁热疗高效介质，早期产生高温提供抗菌治疗，随后温和热协同磁刺激促进伤口修复。本研究可为感染型慢性伤口治疗新方法提供借鉴和参考，为功能型水凝胶新剂型提供新的选择。
（6）基于二维材料场效应晶体管的miRNA超敏传感器 王乾龙 清华大学
miRNA是一类长度只有18-25个核苷酸的单链小分子RNA，其主要是由染色体DNA的非编码区域编码转录而来。大多数疾病的发生发展过程中，miRNA表达水平的变化与疾病的诊断、分期、治疗及预后判断等有着密切的联系。场效应晶体管（field effect transistors，FET）生物传感器是近年来最具潜力的生物传感器之一，因为它在检测样本时具有免标记，超灵敏和快速等特点。双链特异性核酸酶（duplex-specific nuclease，DSN）是一种能高效识别并酶切完全互补配对的DNA双链或者DNA/RNA杂交双链中的DNA链，而对单链DNA和单/双链RNA几乎没有作用的核酸酶，且具有容易修饰，催化效率高，化学稳定性好等优点，在miRNA的检测中应用广泛。基于此，本课题充分利用GFET和DSN酶的优势，建立了超敏、特异性强、并能快速测定miRNA的生物传感器。研究进展如下：
1）DNA探针功能化的石墨烯场效应晶体管构建及表征
利用环氧树脂将单层铜基石墨烯薄膜固定在硅基底，然后将铜片刻蚀出去暴露出单层石墨烯；随后在石墨烯表面封装上电极，并将其浸泡在PBASE溶液中，PBASE与石墨烯有很强的亲和力，通过π-π堆积可将其固定在石墨烯片上。然后氨基修饰的DNA探针与PBASE发生缩合反应，修饰在石墨烯表面。最后利用拉曼、AFM及荧光等完成了器件的表征。
2）基于DSN酶与石墨烯场效应晶体管的miRNA传感器的构建
在miR-21存在的情况下，miR-21可与GFET上的DNA探针通过碱基互补配对形成异源双链，随后DSN酶可水解双链中的DNA并释放出miR-21，释放下来的miR-21可继续与DNA结合并再次引起DNA的水解，从而引起GFET上电信号的变化。同时由于miRNA在DSN酶的作用下可对DNA进行循环水解，因此可对电信号的变化进行数量级的放大。经过对检测条件例如DSN酶浓度、反应时间、miRNA标准品的浓度范围等优化，实现了miR-21超敏、特异、快速测定，检测限可达到aM级别。这对癌症的诊断、治疗及预后判断具有重要的临床指导意义
(7) 骨修复支架材料孔隙结构对载活性因子微球缓释体系功能影响规律的研究 李林昊 北京航空航天大学
使用挤压成型3D打印技术制备出的多孔羟基磷灰石支架（a：实物图；b：扫描电镜图）以及多孔海藻酸钠水凝胶支架（c：实物图；d：扫描电镜图）
通过3D打印技术成功制备出一类具有不同孔隙结构（孔隙率，平均孔径，孔隙连通性）、力学性能优良的三维多孔骨修复支架材料（摘要图）；使用乳化离子交联法制备了载有骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的壳聚糖微球，微球呈圆形状态，粒径分布均匀，表面光滑，分散性好，之后进一步通过对微球的形貌、粒径、包封率以及载药量等进行定性和定量表征以及控制壳聚糖溶液浓度和搅拌速率等参数，成功制备出粒径以及载药量一定的微球，进而通过与小鼠成纤维细胞以及骨髓间充质干细胞体外共培养，基于不同量微球的细胞相容性和对成骨相关功能的影响结果，确定了一个合适的缓释体系微球装载量。然后利用低温负压冻干法将已制备的微球与骨修复支架材料复合，通过控制微球悬液浓度与支架浸入时间等参数，成功制备出了具有不同孔隙结构、相同活性因子装载量的缓释体系。为了对比研究支架材料的不同孔隙结构对缓释体系体内释放特性的影响，将具有不同孔隙结构的样品分别植入大鼠背部肌袋，建立了体内缓释模型，并通过荧光标记法和同位素标记法成功实现了定性定量测定BMP-2的释放量。以上研究体系的成功建立为研究支架材料的不同孔隙结构对缓释体系体内外活性因子释放特性的影响规律，以及对其成骨活性的影响规律，从而优化支架材料的孔隙结构设计以提高缓释体系的控释效果以及成骨活性，为研发新型高性能载有成骨活性因子的骨修复材料具有重要意义。基于以上研究成果，发表标注本开放课题的SCI论文两篇。
(8) 离子掺杂YFeO3 多铁材料构筑及磁自旋调控研究 江国健 上海应用技术大学
本课题采用溶胶凝胶法和水热法制备了铁酸钇（YFeO3）粉体，针对YFeO3粉体合成产物中常常出现杂相的现象，通过工艺调控，获得了纯相YFeO3 粉体，研究了其生长机理。利用溶胶凝胶法，通过单个元素和双元素的引入，制备了单元素掺杂和双元素掺杂的YFeO3 粉体。研究了YFeO3 粉体、单个离子掺杂YFeO3粉体的磁性能，揭示了元素掺杂对YFeO3 粉体的磁性能的影响规律，为后续深入研究打下了基础。
主要研究进展如下：
（1） 铁酸钇YFeO3 的制备YFeO3 具有两种不同的晶体结构：六方相结构和正交钙钛矿结构。此外，在制备YFeO3 的过程中很容易产生第二相如Y3Fe5O12、Fe3O4、Y2O3 和Y(OH)3等，因此很难合成纯相的YFeO3。高质量YFeO3 的制备是本项目开展的前提条3件。以氧化钇、硝酸和硝酸铁为原料，氢氧化钾为矿化剂，采用水热合成法制备了钙钛矿结构铁酸钇正铁氧体（YFeO3）微晶。研究了水热反应时间、温度和溶液pH 值对产物的物相组成、粒径大小和磁性能的影响，研究结果表明，在实验条件所在区间内，随着反应时间的增加和反应温度的升高，产物纯度越高。合成纯相YFeO3 需要溶液在一定的pH 值范围内。随溶液pH 值的降低，产物颗粒的粒径越小，粒径分布越窄，并且晶粒的磁化强度增大。最佳的合成条件为pH 值9.5，260℃，反应时间60h。
（2） 单离子掺杂铁酸钇YFeO3 的制备采用溶胶凝胶法成功合成纯相Eu3+、Nd3+和La3+ A 位单掺杂YFeO3 粉体，结果发现所有Eu、Nd3+和La3+离子单掺杂样品粉末均是纯相正交结构YFeO3。单掺杂时，Eu、Nd3+和La3+等离子能随机占据YFeO3 结构中的Y3+的晶格位置，一定程度改变其内部结构畸变。随着掺杂浓度的增加，粉末的晶格常数增加。随着单掺杂离子的半径越大，晶格常数增加程度越大。
（3） 双离子掺杂铁酸钇YFeO3 的制备利用溶胶凝胶法开展了YFeO3 的Nd3+和Eu3+的双离子掺杂研究，结果发现所有双离子掺杂样品粉末仍为纯相正交YFeO3 粉末。Nd3+和Eu3+的掺杂，主衍射峰向低角度移动。当双离子掺杂YFeO3 时，随半径较大的稀土离子浓度的增加，晶格参数增大。
（4） 铁酸钇YFeO3 和单离子掺杂铁酸钇YFeO3 的磁性能研究对YFeO3 进行了磁性能研究，研究发现外加磁场过小时，YFeO3 粉末磁滞回线无法闭合，且测量前未矫正的仪器会引起所得磁滞回线不对称，在6T 大的外加磁场下，才能得到完整的磁滞回线图，饱和磁化强度为0.01486emumg-1，剩余磁化强度0.07477emumg-1。对掺杂Eu3+、La3+和Dy3+的YFeO3 进行了磁性能研究，研究发现随着掺杂浓度的增加，YFeO3 饱和磁化强度随之增大，剩余磁化强度减小。
(9) 基于激光诱导石墨烯的电化学检测亚硝酸盐传感器 吴秀文 中国地质大学（北京）
本课题提出通过紫外激光烧蚀商业聚酰亚胺（PI）胶带，制备了氮自掺杂和自支撑的多孔石墨烯（N-LIG），并以此作为检测亚硝酸盐的电化学传感器。通过优化紫外激光的各项参数，如激光的功率、扫描速度、线间距、频率和激光的焦距等，得出制备N-LIG的最佳实验条件；通过对N-LIG电极进行各种物理表征和电化学测试，探究N-LIG传感电极检测亚硝酸盐的反应机理以及对亚硝酸盐的电催化活性、选择性、灵敏度和可重复性。并用所构建的电化学传感电极用于实际样品中亚硝酸盐检测中分析其可行性和实用性。主要研究进展如下：
（1）氮掺杂激光诱导石墨烯的制备及物理表征
通过紫外激光（波长355nm）烧蚀商业化聚酰亚胺（PI）薄膜，成功制备出N、O共掺杂和自支撑多孔石墨烯（N-LIG），并以此作为电化学传感电极材料构建了新型的电化学传感器用于检测水环境中的亚硝酸盐。所构建的N-LIG电化学传感电极无需进行任何修饰，可直接用于对水环境中亚硝酸盐的定性及定量检测。场发射扫描电镜（SEM）分析结果表明，N-LIG为褶皱片状和多孔沟槽状结构，孔的大小为微米级别，厚度为纳米级。这种多孔状的结构大大增加了其比表面积和活性位点的数量，有利于提高电极材料对亚硝酸盐的吸附能力及增大电子的转移的速率，从而提高亚硝酸盐的检测能力；拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析结果表明经过紫外激光烧蚀后的PI薄膜转变为石墨烯，并且石墨烯中成功地引入了-NH2和-COOH官能团；另外，X射线光电子能谱（XPS）证实了N和O元素成功的掺入到石墨烯晶格当中。
（2）氮掺杂激光诱导石墨烯的电化学测试
在最佳的实验条件下，采用差分脉冲伏安法(DPV)和循环伏安法(CV)检测亚硝酸盐，实验发现N-LIG电化学传感电极对亚硝酸盐的检测表现出优异的电催化活性，亚硝酸盐浓度与峰值电流呈线性相关，线性回归方程为I(μA)=0.074nitrite(μM)+3.479，检测限为0.8µM（S/N=3）；计时电流曲线显示该电极具有优异的选择性、稳定性和可重复性；该传感电极用于实际水样的检测中，回收率在95.6%~102.4%之间，具有良好的实用性和可靠性。由于所制备的新型N-LIG电极具有灵敏度高、响应速度快、选择性强、稳定性和可重复性高等优点，使其在亚硝酸盐电化学传感器领域具有广阔的应用前景。
(10) 近红外响应的金纳米笼/噁唑啉等离子体聚合物表面调控促成骨与抗菌性能 刘旭杰 广东工业大学
本课题以实验为基础，探究纳米金粒子(Au NPs)修饰后的聚噁唑啉(PPOx)等离子体聚合物表面的抗菌和促成骨的性能。采用等离子聚合的形式来制备PPOx表面，并且通过固定不同密度的Au NPs来引入表面纳米形貌。并且对其抗菌和促成骨性能进行评价。
主要研究进展如下：
（1）含表面纳米形貌梯度的PPOx表面的制备
将表面形貌引入PPOx表面的是本项目最基础的环节，是探究其抗菌和促成骨的重要基础。本项目使用等离子体聚合的方法制备出PPOx表面并通过固定不同密度的Au NPs来引入表面纳米形貌。有研究发现，纳米级结构具有与单个细胞受体相似的大小，因此通过靶向受体驱动的途径引导细胞表面。 另一方面，已经证明一些纳米级的拓扑结构通过刺穿细胞膜具有杀菌作用。本项目于通过通过引入表面纳米形貌，来增强PPOx的表面生物性能，特别是抗菌和促进成骨这两方面。
(2) 含表面纳米形貌梯度的PPOx表面的抗菌性能
为探究表面纳米形貌梯度的引入对PPOx表面抗菌性能的影响，使用金黄色葡萄球菌生物模型，在扫描电镜下观察其附着情况。结果显示，随着Au NPs密度的增加，金黄色葡萄球菌在PPOx的表面的附着能力下降。随着Au NPs密度的增加，部分位置的细菌覆盖率分别为42%、39%、30%和8%。证明表面化学和表面纳米形貌可以协同影响细菌粘附。
（3）含表面纳米形貌梯度的PPOx表面的促成骨性能
除了探究含表面纳米形貌梯度的PPOX表面的抗菌性能以外，本项目还研究了表面纳米形貌梯度的PPOx的促进成骨分化情况。免疫荧光结果显示，接种在PPOx表面的不同位置的人骨髓间质干细胞（hMSCs）有着不同的形貌。随着Au NPs密度的增加，能够观察到hMSCs由最初的圆形变为典型的纤维状细胞，并且能够观察到更多的着斑。表明Au NPs密度增加，增强了hMSCs的初始附着和扩散情况。此外，接种在PPOx表面的不同位置的hMSCs7天后的碱性磷酸酶活性也随着Au NPs密度的增加，表明Au NPs密度增加能够促进hMSCs的成骨分化。
(11) 定向导电水凝胶纤维的制备及其脊髓神经损伤修复 姚生莲 北京科技大学
1） 结合静电纺丝技术和光交联，采用旋转液态接收置制备了复合不同浓度WCNTs的GelMA纤维水凝胶，研究不同浓度WCNTs对所制备出的纤维多级定向结构、力学性能、电化学性能、含水量和降解速率的影响。
2） 在纯GelMA水凝胶定向纤维和复合不同浓度WCNTs的GelMA定向导电水凝胶纤维上进行了PC12细胞的培养，并且施加合适的直流电场刺激，探究WCNTs的含量协同电刺激对PC12细胞增殖、黏附和生物相容性等的影响。
3） 在纯GelMA水凝胶定向纤维和复合不同浓度WCNTs的GelMA定向导电水凝胶纤维上进行了神经干细胞的培养，并且施加合适的直流电场刺激，探究WCNTs的含量协同电刺激对神经干细胞分化的调控作用。
通对过神经蛋白的免疫染色，发现2-WCNTs-Gel+ES组相比于其他实验组有更加明显的促进NSCs向神经元方向分化，并且抑制NSCs向星形胶质细胞分化的作用，并且在2-WCNTs-Gel+ES组中分化来的神经元，其神经突的长度显著比其他实验组长。并且通过SEM观察神经细胞的细微结构，发现2-WCNTs-Gel+ES组已经有成熟神经元的髓鞘结构产生，进一步说明复合WCNTs浓度为2 mg/ml时候，GelMA水凝胶纤维对电刺激的传导达到细胞响应的最佳值。显示出所制备的2-WCNTs-Gel水凝胶纤维协同电刺激对于脊髓损伤修复领域的应用前景。
(12) 用于甲烷燃烧的Co3O4催化剂的缺陷构筑及其催化机制研究 李星运 青岛大学
本课题以过渡金属氧化物Co3O4的缺陷结构构筑作为切入点，开发出高效的VOCs催化氧化非贵金属催化剂。首先进行晶面效应研究，进而在最优的（110）面选择暴露的Co3O4催化剂晶格中引入单点Cu原子掺杂，形成阳离子缺陷。在VOCs丙烷分子催化氧化反应中，Cu掺杂Co3O4展现出极为优异的催化性能，其丙烷转化效率在200 oC时是纯Co3O4催化剂的4倍。通过系统的能谱及光谱表征揭示了Cu位点对于Co3O4催化剂表面元素价态、氧化还原特性、晶格氧空位、活性氧物种浓度等关键结构的影响，建立构效关系。并通过理论计算及原位实验探究Cu掺杂对于反应机理的调控机制。具体结果如下：
（1）晶面效应探讨：通过水热制备手段分别可控制备出具有（100）、（110）、（111）、（112）晶面选择暴露的Co3O4催化剂，并分别考察其丙烷催化氧化性能。研究发现（110）面暴露的Co3O4具有最优的催化活性。通过结构表征发现，相对于其他晶面（110）面暴露的Co3O4具有更高的Co2+含量，并对应具有高的活泼表面氧物种（Osurf）。并且（110）面Co3O4的Co-O键能更低，表明具有更高的氧迁移能力。
（2）（110）面暴露的Co3O4催化剂可控单点Cu原子掺杂：在Co3O4催化剂制备过程中引入Cu前驱体，可控实现（110）面Co3O4催化剂Cu掺杂，并能调节Cu掺杂量。通过电镜、XPS、同步辐射等表征验证了Cu是以单点形式掺杂，存在Cu-O键。3 wt.% 的Cu掺杂量具有最优的丙烷催化氧化活性，是最佳掺杂比例。通过Raman、EPR、H2-TPR、XPS等表征研究发现，Cu的掺杂诱导了Co3O4的晶格扭曲，并且降低了Co的整体价态，对应生成更多氧空位缺陷，这使得Co3O4具有更为丰富的表面氧物种、更低的还原温度及更高的氧迁移能力。在丙烷催化氧化中展现出极为优异的丙烷催化氧化性能，其200 oC丙烷转化效率是初始Co3O4的四倍。理论计算研究进一步证明了Cu的引入可以活化周边Co-O键，提高Co-O中O原子的电子密度，从而增加其本征催化氧化活性，降低丙烷分子第一个C-H键的活化能垒。
(13) 直接Z型p-n结构赤铁矿基光阳极材料构建及构效关系研究 曹江利 北京科技大学
α-Fe2O3带隙适宜具有较大的光电流和理论光电转化效率，储量丰富，稳定性高。但其导电性差，光生载流子寿命短及析氧电位高等缺点，限制了其光电催化的效率。针对以上问题，本课题采用水热法制备了Ti:α-Fe2O3纳米棒n型半导体，并在其表面上负载MnOx、CoOx、复合CoOx/MnOx与复合MnOx/CoOx等钴、锰氧化物纳米片p型半导体以及CoFe-LDH，有目的性地构筑直接Z型n-p结和带有CoFe-LDH助催化剂的赤铁矿基光阳极材料。通过光阳极的结构优化设计直接Z型n-p结，提高α-Fe2O3薄膜表面反应动力学速率，以提升光阳极的光电催化效率。此外，对CoFe-LDH作为助催化剂进行研究，考察水热法和电沉积法两种制备方法对材料结构、组成、形貌的影响及CoFe-LDH助催化剂对赤铁矿光阳极的光电催化水氧化的性能影响，建立材料的结构与光电催化水氧化性能之间的关联性；探究了钴锰氧化物单独和复合沉积对结构形貌及对赤铁矿光阳极的光电催化分解水的性能影响。主要进展如下：
（1）采用光电沉积制备钴锰氧化物修饰的赤铁矿光阳极，对单独沉积CoOx、MnOx，复合沉积CoOx/MnOx、MnOx/CoOx等赤铁矿基材料进行光电化学行为研究。实验发现，与赤铁矿或钛掺杂赤铁矿相比，所构筑的多种直接Z型n-p结光阳极的光电催化性能有明显提高，其中MnOx/CoOx修饰的赤铁矿光阳极效果最为明显，在AM 1.5 G光照下，MnCo/Ti:α-Fe2O3在1.23 V vs.RHE时，光电流密度高达5.32mA·cm-2，为Ti:α-Fe2O3的4.8倍，起始电位负移约150mV，较Ti:α-Fe2O3降低约18 %。纳米片中加入Mn位可以产生对Co位的电子供体，促进OH基团的活化，从而显著提高PEC水氧化的固有催化活性。Mn-Co纳米片还可以调节电荷行为，显著提高表面电荷转移效率和电荷分离效率，使得其光电催化分解水能力和制氢效率有了极大提高。
（2）采用电沉积和水热法制备非晶态和晶态CoFe-LDH助催化剂。通过研究电沉积电位、沉积时间和电解液Co、Fe比例等工艺参数对光阳极光电性能的影响，有效调控和优化电沉积工艺参数，筛选出CoFe-LDH助催化剂的最佳合成条件：沉积电位为-0.8 V vs.Ag/AgCl，沉积时间为80 s，Co:Fe摩尔比为1:1。所获得的CoFe-LDH/Ti:α-Fe2O3在AM 1.5 G光照下，1.23 V vs.RHE时，光电流密度高达4.36 mA·cm-2，为Ti:α-Fe2O3的3.8倍，起始电位负移约130 mV，较Ti:α-Fe2O3降低约15 %，显著提高了赤铁矿光阳极的光电催化水氧化的能力，制氢效率有了很大提高。水热CoFe-LDH/Ti:α-Fe2O3在1.23 V vs.RHE时，光电流密度为2.7 mA·cm-2。对比发现所获得的电沉积负载的超薄非晶态CoFe-LDH与Ti: α-Fe2O3光阳极存在高质量的界面接触，有利于光生载流子分离及传输，非晶态CoFe-LDH暴露出更多的活性位点，改善了其迟缓的OER动力学，显著提升PEC水分解效率。相比于电沉积，水热法制备纳米片状结构CoFe-LDH/Ti:α-Fe2O3光阳极对光电催化水氧化性能提升有限。