CN115746785A - 一种连续调节目标材料性质的应力工程方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种连续调节目标材料性质的应力工程方法，包括以下步骤：将纳米容器置于能够提供单轴压力的机构的平台上，纳米容器的延伸方向要与平台平行；把目标材料插入纳米容器的层间；在纳米容器与目标材料的复合物上施加足够大压力进行压缩，使目标材料受到的应力超过预定应力；在纳米容器中引入分子弹簧，连接纳米容器的内壁或外壁；撤除外加压力，即可实现对于目标材料性质的调节；本发明通过将任意材料插入纳米容器，并用分子弹簧固定纳米容器内壁，通过调节目标材料与分子弹簧的比例，可连续且精确的改变材料受到纳米容器施加的应力，进而可以连续且精确的调节材料的能级和能隙等性质，该方法的适用范围广，且操作方便简易。
Description
技术领域
本发明属于材料化学领域，具体涉及一种连续调节目标材料性质的应力工程方法。
背景技术
在晶体管、光伏、光电探测、光学仪器、热电、发光、催化、锂电池、储氢、超导、磁性材料、靶向药物等很多领域，连续调节材料的能级或能隙等性质，往往能够获得优异的性能，甚至达到这些器件性能的理论极限。比如在标准光照条件下，具有一个能隙的光伏电池，效率极限一般为31％，而具有连续的无穷多个能隙的光伏电池，效率极限为69％，聚光条件下效率为86％，大大提高了能量利用率。对于催化剂，精确调节其能级结构，能够有效的控制其催化过程，极大提高催化效率。对电致发光材料，如LED、OLED材料，连续调节其能隙，能够精确的控制其发光波长。
现有技术中常通过掺杂或晶格失配的方法调节目的材料的性质，但是这两种方法是一种双轴应力，它是准连续的，无法做到连续调节，且成本很高；晶格失配的调节范围非常小，而且不可控。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种连续调节目标材料性质的应力工程方法，可以实现连续且精调节目的材料性质的应力工程方法。
本发明采取的技术方案如下：
一种连续调节目标材料性质的应力工程方法，包括以下步骤：
(1)将纳米容器置于能够提供单轴压力的机构的平台上，并施加预定的压力，纳米容器的延伸方向要与平台平行；
(2)把目标材料插入纳米容器的层间；
(3)在纳米容器与目标材料的复合物上施加足够大压力进行压缩，使目标材料受到的应力超过预定应力；
(4)在纳米容器中引入分子弹簧，连接纳米容器的内壁或外壁；
(5)撤除外加压力，即可实现对于目标材料性质的调节。
所述纳米容器为石墨、石墨烯、二维MoS2、二维ZnO2、碳纳米管、足球烯、金属有机骨架材料、三维微孔或介孔材料、钙钛矿材料的无机骨架、杂化材料骨架中的任意一种，它们均是可以容纳纳米级材料的结构。
所述目标材料为有机分子、有机分子二聚体或团聚体、单原子或原子簇、晶体中的任意一种；所述目标材料可以通过范德华作用、氢键与纳米容器相互作用，也可以通过有机链连接在纳米容器上。
所述分子弹簧为通过共价作用、氢键、π-π相互作用或范德华作用连接相邻纳米容器内壁的有机链、羟基或胺基基团；其功能是对目标材料受到的压应力或拉应力进行调节。
步骤(1)中，所述预定的压力为对目标材料的带隙等性质进行指定量的调节需要的应力；预定的压力通过计算或模拟进行预先估算，计算或模拟方法参考文献Liu C,Li W,Yu Y,et al.A universal strategy to continuously tune the properties ofmaterials through internal strain[J].RSC Advances,2020,10。
步骤(2)中，通过气相反应、溶剂输运或电化学方法把目标材料插入纳米容器层间。
步骤(4)中，通过物理反应或化学反应在纳米容器中引入分子弹簧，如高温、辐射、取代、氧化、卤化、缩合反应。
所述方法中，引入的分子弹簧与目标材料的比例可以通过投料比例、反应条件、反应时间等参数进行调节；其中在纳米容器壁上引入纳米弹簧的方式包括：物理手段，如高温、辐射等；化学手段如，取代、氧化、卤化、缩合等
一种调节二茂铁性质的应力工程方法，包括以下步骤：
A、将单晶石墨或定向裂解石墨晶面平行放置于能够提供单轴压力的机构的平台上施加预定的压力；
B、在45～55℃下，将氧化液循环流过单晶石墨或定向裂解石墨使其氧化为氧化石墨烯；
C、将二茂铁的甲苯溶液循环流过氧化石墨烯，然后将压力提升至预定压力的0～10000倍；
D、将1,2-二氯乙烷、4-二甲氨基吡啶、N，N-二甲基甲酰胺的混合液循环流过氧化石墨烯，然后在85～95℃下将2-苯基-1,3-丙二醇和连二亚硫酸钠的混合溶液循环流过氧化石墨烯；
E、撤除外加压力，即可实现对于二茂铁性质的调节。
通过调节步骤C中二茂铁的甲苯溶液循环流过氧化石墨烯的时间及施加的压力来调节二茂铁的性质。
步骤A中，能够提供单轴压力的机构的平台为一对平行的陶瓷板或聚四氟乙烯板。
步骤A中，预定的压力范围为8～12N。
步骤B中，氧化液的组成为高锰酸钾、浓H3PO4和浓H2SO4组成的混合液；所述高锰酸钾、浓H3PO4、浓H2SO4的用量比为0.5～1.5g：3.5～4.3mL：30～45mL。
步骤B中，氧化液循环流过单晶石墨或定向裂解石墨的时间为0.1-2h。
步骤C中，二茂铁的甲苯溶液的浓度为0.5～5.0M。
步骤D中，1,2-二氯乙烷、4-二甲氨基吡啶、N，N-二甲基甲酰胺的混合液中，1,2-二氯乙烷、4-二甲氨基吡啶、N，N-二甲基甲酰胺的用量比为0.5～1.5g：0.4～1.0g：100～500mL。
步骤D中，2-苯基-1,3-丙二醇和连二亚硫酸钠的混合液中，2-苯基-1,3-丙二醇、连二亚硫酸钠的质量比为10～15：1。
本发明提供的连续调节目标材料性质的应力工程方法，通过将任意材料插入纳米容器，并用分子弹簧固定纳米容器内壁，通过调节目标材料与分子弹簧的比例，可连续且精确的改变材料受到纳米容器施加的应力，进而可以连续且精确的调节材料的能级和能隙等性质。该方法的适用范围广，且操作方便简易。
附图说明
图1为实施例1中各步骤的示意图；
图2为被调节的目标材料是金属原子或金属纳米簇的示意图；
图3为被调节的目标材料是有机分子的示意图；
图4为分子弹簧是通过氢键连接的羟基的示意图；
图5为纳米容器是双层石墨烯的示意图；
图6为钙钛矿结构的纳米调节器的示意图；
图7为工艺设备的结构示意图；
图8为实施例中所得产物的紫外-可见吸收光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种调节二茂铁性质的应力工程方法，包括以下步骤：
A、取一块单晶石墨或定向裂解石墨，晶面平行放置于能够提供单轴压力的机构的平台上，其结构示意图如图7所示；该机构由一对平行板组成，平行板的上下表面材质可为金刚石、Al2O3、二维氮化硼、陶瓷、铂或聚四氟乙烯，且表面粗糙度优于10nm，平行板的四周用密封胶、橡胶、塑料膜等进行柔性密封，使石墨处于一个密封的容器中，在容器柔性密封两侧相对的位置安装直径小于石墨厚度的管道，作为以后步骤中反应溶液进出的通道，操作液压机对石墨施加10N压力并保持这一压力；
B、对石墨进行功能化处理获得氧化石墨，具体步骤为：把1.5g高锰酸钾粉碎并加入4.0mL质量分数85％的浓H3PO4和36.0mL质量分数98％的浓H2SO4的混合液，通过蠕动泵循环流过反应器，整个反应在50℃下进行1-12h，反应后，用1000mL冰水通过蠕动泵对反应产物进行清洗，再循环泵送30％的H2O2溶液0.1-2h，先后向生成物泵送HCl溶液和去离子水进行洗涤，直到水pH值为中性。以上反应过程全程保持10N压力，保证氧化石墨晶面水平，最后，固定并取下反应器，依然保持10N压力，将产品连同反应器在真空下-48℃冷冻干燥；
C、把反应器连通产品氧化石墨重新置于液压机台面上，施加10N压力固定，通过蠕动泵将100mL二茂铁浓度为1M的甲苯溶液泵入反应器，使二茂铁吸附在氧化石墨层间，通过控制反应时间调节吸附量，吸附量可通过吸附前后溶液的质量变化或氧化石墨/二茂铁复合物的质量增加值计算得到；随后将液压压力缓慢增大到10-100,000N之间；
D、以对苯胺作为有机链连接相邻石墨层，具体方法为：室温下取0.8mL 1,2-二氯乙烷和600mg 4-二甲氨基吡啶共同溶于200mL N,N-二甲基甲酰胺，超声振荡30分钟以充分溶解。将上述溶液通过蠕动泵循环注入反应器中与氧化石墨反应20min以激活羧基，反应过程保持压力和超声振动,随后，通过蠕动泵向反应器中循环注入300mg 2-苯基-1,3-丙二醇、25mg连二亚硫酸钠和200mL N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液，在90℃下反应24h得到最终产物；
E、撤除液压机压力，取下反应器并刮下产品，将产品置于100mL烧瓶中，用去离子水和丙酮多次冲洗产品，最后在真空中-48℃冷冻干燥。
该实施例所得产物的紫外-可见吸收光谱图如图8所示，二茂铁在440nm处的特征吸收峰为铁3d轨道的电子向茂环的成键或反键轨道跃迁的结果，此吸收峰的波长会随着石墨烯层中对苯胺基团与二茂铁分子物质的量比值的增加产生的应变近似线性红移，可见通过应力工程方法可调节二茂铁性质。
上述参照实施例对一种连续调节目标材料性质的应力工程方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种连续调节目标材料性质的应力工程方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纳米容器置于能够提供单轴压力的机构的平台上，纳米容器的延伸方向要与平台平行；
(2)把目标材料插入纳米容器的层间；
(3)在纳米容器与目标材料的复合物上施加足够大压力进行压缩，使目标材料受到的应力超过预定应力；
(4)在纳米容器中引入分子弹簧，连接纳米容器的内壁或外壁；
(5)撤除外加压力，即可实现对于目标材料性质的调节。
2.根据权利要求1所述的连续调节材料性质的应力工程方法，其特征在于，所述纳米容器为石墨、石墨烯、二维MoS2、二维ZnO2、碳纳米管、足球烯、金属有机骨架材料、三维微孔或介孔材料、钙钛矿材料的无机骨架、杂化材料骨架中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的连续调节材料性质的应力工程方法，其特征在于，所述目标材料为有机分子、有机分子二聚体或团聚体、单原子或原子簇、晶体中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的连续调节材料性质的应力工程方法，其特征在于，所述分子弹簧为通过共价作用、氢键、π-π相互作用或范德华作用连接相邻纳米容器内壁的有机链、羟基或胺基基团。
5.根据权利要求1所述的连续调节材料性质的应力工程方法，其特征在于，步骤(2)中，通过气相反应、溶剂输运或电化学方法把目标材料插入纳米容器层间。
6.根据权利要求1所述的连续调节材料性质的应力工程方法，其特征在于，步骤(4)中，通过化学反应在纳米容器中引入分子弹簧。
7.一种连续调节二茂铁性质的应力工程方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将单晶石墨或定向裂解石墨晶面平行放置于能够提供单轴压力的机构的平台上施加预定的压力；
B、将氧化液循环流过单晶石墨或定向裂解石墨使其氧化为氧化石墨烯；
C、将二茂铁的甲苯溶液循环流过氧化石墨烯，然后将压力提升至预定压力的0～10000倍；
D、将1,2-二氯乙烷、4-二甲氨基吡啶、N，N-二甲基甲酰胺的混合液循环流过氧化石墨烯，然后在85～95℃下将2-苯基-1,3-丙二醇和连二亚硫酸钠的混合溶液循环流过氧化石墨烯；
E、撤除外加压力，即可实现对于二茂铁性质的调节。
8.根据权利要求7所述的连续调节二茂铁性质的应力工程方法，其特征在于，通过调节步骤C中二茂铁的甲苯溶液循环流过氧化石墨烯的时间及施加的压力来调节二茂铁的性质。
9.根据权利要求7或8所述的连续调节二茂铁性质的应力工程方法，其特征在于，步骤A中，能够提供单轴压力的机构的平台为一对平行的陶瓷板或聚四氟乙烯板。
10.根据权利要求7或8所述的连续调节二茂铁性质的应力工程方法，其特征在于，步骤A中，预定的压力范围为8～12N。
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