蝶翅分级构造碳素材料及其结构辅助超黑机制研究

"蝶翅分级构造碳素材料及其结构辅助超黑机制"提出将自然界中鳞翅目黑色蝴蝶翅膀转化复制为相应碳素材料，在蝶翅种类筛选与深入表征蝶翅及其碳素材料多尺度分级构造基础上，聚焦研究蝶翅碳素材料分级构造与其减反特性之间的关联，借鉴大自然之杰作，借助"碳素材料材质本身与蝶翅分级构造的耦合"途径，实现碳素材料的超黑性能，并揭示其结构辅助超黑机制。项目的开展具有重要科学理论意义和实用价值：一方面有利于发现新现象，为碳素超黑材料的结构设计提供直接启迪，另一方面为人工仿生制造碳素超黑材料提供广泛的结构构型、原理验证与技术原型，有利于提出具有创新构型的材料制造新原理和新工艺。

从蝶翅结构辅助光捕获的超黑减反构造入手，项目采用场发射扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、X射线光电光谱、 紫外可见吸收、显微拉曼光谱等试验方法，及三维时域有限差分法、菲涅尔公式和比尔-兰伯特定律等理论解析等手段，对多种蝶翅分级构造及其碳素材料进行了结构表征、理论建模、性能测试，并对其结构辅助超黑减反、超黑光功能转换及超黑分级构造功能拓展进行了实验和理论研究。主要结果如下：.(1). 发现蝶翅反V型脊、脊+纳米孔超黑构造能够在超薄厚度下实现超黑减反，并揭示其结构辅助超黑机制；.(2). 发现了蝶翅构造超黑碳膜，揭示了蝶翅脊孔超黑非晶碳构造各结构要素减反过程中的作用，并提出了其结构辅助超黑机制；.(3).发现蝴蝶复眼乳突阵列结构通过影响入射光在水平和垂直方向的能量分布来提高光吸收率和降低光反射率。乳突高度决定其获得最低反射率的波长范围，合适的阵列周期、乳突直径及小倾斜角度是获得良好减反性能的关键；.(4). 对比研究緑霓德凤蝶和蓝草德凤蝶鳞片光学结构，发现了一种超黑减反增强光致发光的光学复合结构，并揭示其原理；.(5).发现红绿鸟翼蝶翅鳞片极化敏感结构色效应源于上层脊状结构引起的相位差及下层多层结构的选择性反射和选择性超黑；通过探究六种具有脊状结构蝶翅鳞片极化敏感效应的结构起源，揭示了脊形状、高度、宽度对入射偏振光旋转和转换、光捕获和超黑减反机理；.(6). 以蝶翅碳素材料为模板，构筑反V型AgBr/TiO2、脊/纳米孔阵列CdS/Au/TiO2 仿生光功能转换体系，利用超黑减反结构提高其光功能转化和催化效率；.(7). 以蝶翅碳素材料为模板，利用碳化-沉积石墨/贵金属等方法将蝶翅转化为碳、铂、金、银，用于甲醇电催化氧化、葡萄糖电化学传感检测等，并通过扩散域模型模拟分析其传质与扩散行为，揭示了结构辅助传质扩散从而提高其电催化和传感性能的机理，拓展了蝶翅分级构造碳素材料的应用。.项目先后在材料科学进展, 能源与环境科学等发表SCI文章14篇， 美国ACS年会、美国TMS等国际重要学术会议上作主题和邀请报告6次，项目负责人获上海市自然科学一等奖、国家杰出青年基金、上海市优秀学术带头人，项目骨干获全国优博和上海市科技启明星。培养硕士3名，博士2名，1名获上海优秀研究生成果（学位论文）奖，1名获教育部学术新人奖，3名获CSC资助赴美、德等攻读博士或联合培养。