Nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs) were successfully synthesized using rice residue and glycine as carbon and nitrogen sources by one-step hydrothermal method. High quantum yield (23.48%) originated from the effective combination of nitrogen with various functional groups (CO, NH, CN, COOH and COC). The N-CQDs showed a fluorescence with the wavelength varied from 420 to 500 nm and the maximum emission wavelength being at 440 nm. N-CQDs have been importantly applied as probe to detect Fe3+ and tetracycline (TCs) antibiotics with remarkable performance. Using the linear relationship between fluorescence intensity and Fe3+ concentration, the N-CQDs could be employed as a simple, efficient sensor for ultrasensitive Fe3+ detection ranging from 3.32 to 32.26 µM, with a limit of detection (LOD) of 0.7462 µM. The N-CQDs showed the applicability to detect TCs. The detection limits of tetracycline, terramycin and chlortetracycline were 0.2367, 0.3739 and 0.2791 µM, respectively. The results of TC by fluorescence method in real water samples were in good agreement with standard Ultraviolet-visible (UV-vis) method. The N-CQDs have various potential applications including sensitive and selective detection of Fe3+ and TCs, and cellular imaging with low cytotoxicity, good biocompatibility and high permeability.

High absorption capacity and broad absorption bandwidth electromagnetic wave (EMW) absorption materials (namely, EMW absorbers) are highly desirable due to the interference with electronics and harms on human beings’ health. In search for rational design on nanostructured absorbers, we have synthesized and demonstrated the rod-shape composites with Fe-containing magnetic nanoparticles (Fe3O4, Fe3C and Fe NPs) embedded into nano-porous carbon (NPC) through pyrolysis of Fe-based metal-organic frameworks (MOFs). The morphologies, compositions, and graphitization degree of the Fe-MOFs derived magnetic NPC nanorods can be effectively controlled via adjusting the pyrolysis temperatures. The graphitization level has a significant influence on the permittivity of the composites upon variation of pyrolysis temperatures, thereby a tunable electromagnetic wave (EMW) absorption is observed. Consequently, the resulting magnetic NPC nanorods obtained at pyrolysis temperature of 600 and 700 °C exhibit the most remarkable EMW absorption performance with a strong reflection loss of −52.9 dB and broad effective bandwidth (fe) of 4.64 GHz at 3.07 mm. With a thickness of 3.5 mm, the fe for the magnetic NPC nanorods at 600 °C covers the whole X-band from 7.92 to 12.48 GHz. The noticeable EMW absorption performances have been greatly enhanced compared to those reported Fe3O4 based absorbers, owing to the synergy of multiple components and the porous structures inherited from MOFs.

Metacomposites with negative electromagnetic parameters can be promising substitute for periodic metamaterials. In this paper, we devoted to fabricating flexible metacomposite films, which have great potential applications in the field of wearable cloaks, sensing, perfect absorption and stretchable electronic devices. The conductivity and the complex permittivity were investigated in flexible polydimethylsiloxane (PDMS)/multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) membranous nanocomposites, which were fabricated via in-situ polymerization process. With the increase of conductive one-dimension carbon nanotubes concentration, there was a percolation transition observed in conduction due to the formation of continuous networks. The dielectric dispersion behavior was also analyzed in the spectra of complex permittivity. It is indicated that the conduction and polarization make a combined effect on the dielectric loss in flexible PDMS/MWCNTs composites. The negative permittivity with a dielectric resonance was obtained, and was attributed to the induced electric dipoles.

Nitrogen-doped porous hollow carbon spheres were fabricated via hydrothermal pre-carbonization and pyrolysis carbonization using yeast cell templates. After that, the MnO2 nanowires were deposited by the in-situ hydrothermal reaction. By controlling the reaction concentration, various MnO2 nanostructures with different morphologies and electrochemical properties were obtained. The as-prepared sample exhibited an ultrahigh specific capacitance of 255 F g-1 at a current density 1 A g-1 in 1 M Na2SO4 electrolyte. The MnO2/HCS-30 material was used as the positive electrode, and the HCS was used as the negative electrode to assemble the asymmetric supercapacitor. The maximum energy density operating at the 2.0 V voltage window is 41.4 Wh kg−1 at a power density of 500 W kg−1 and still maintains 23.0 Wh kg−1 at a power density of 7901 W kg−1. Moreover, it displayed excellent cycle stability, retained approximately 93.9% of the capacitance after 5000 cycles. This work innovatively combines biomass and energy, provides an environmentally benign strategy and new insights for the preparation of electrode materials.

Macroscopic three-dimensional (3D) free-standing porous all-graphene aerogel with ultralight density and high compressibility is successfully fabricated through a mild in-situ self-assembly and thermal annealing processes. The formed interconnected 3D porous graphene network, high thermal stable all-graphene composition and large porosity of aerogels made it possible to remove heat quickly during combustion, exhibiting a conspicuous fire-retardancy. Meanwhile, excellent recoverable compressibility with high strain levels of up to 75% endowed the aerogel with high sensitive strain-responsive characteristic in volume electrical conductivity, thereby opening a new way for realizing the adjustment of internal free space and electrical conductivity of 3D architecture. Based on the results, the microwave absorption performance of the graphene aerogel was effectively self-adjusted via a simple mechanical compression. The optimal absorbing value was up to 61.09 dB with a broad qualified bandwidth of 6.30 GHz at the thickness of 4.81 mm when the compression strain ratio of the sample was controlled to be 30%.

Fibrillar and particulate structure magnetic carbons (MCFs and MCPs) were prepared from the same precursor (polyacrylonitrile and Fe(NO3)3·9H2O) by using a different method, displaying a significant morphology dependence on wastewater treatment. TEM, SEM, XPS, TGA, etc. were systematically carried out to characterize the carbon samples to verify the morphology difference between these two kinds of carbon adsorbents. The results demonstrated that, along with the increase of the Fe(NO3)3·9H2O loading in the precursor from 10 to 40 wt %, the fibrillar nanoadsorbents displayed an improved activity from 12.6% to 51.4% Cr(VI) removal percentage with the initial Cr(VI) concentration at 4 mg/L. For the maximum removal capacity, the fibrillar sample (MCFs-40) demonstrated 3 times higher removing capacity (43.17 mg/g) than that of particulate nanoadsorbents (MCPs-40, 15.88 mg/g) for the Cr(VI) removal with pH at 1, demonstrating that the fibrillar sample was more favorable for the wastewater treatment than particulate sample. This enhanced removal was mainly attributed to higher specific surface area of the fibrillar sample, leading to more active sites for the adsorption of Cr(VI) and produced Cr(III) ions. The chemical adsorption of Cr(VI) ions over two kinds of adsorbents were disclosed in this removal process. There was a good stability of 5 recycles for the Cr(VI) removal in the neutral solution over MCFs-40 (about 1.4 mg/g) and MCPs-40 (about 0.41 mg/g) with initial Cr(VI) concentration at 4 mg/L. This work can provide an understanding for the rational design of adsorbent in wastewater treatment.

Heterostructured TiO2/SnO2 fibrillar nanocomposites were synthesized by using electrospinning technology with the setup composed of a syringe pump with two parallel syringes on it and a rotating collector. The heterojunctions were formed between TiO2 and SnO2 nanofibers fast and efficiently on a large scale, after the fiberizing carrier polyvinylpyrrolidone (PVP) on the as-spun composite nanofibers was burnt away at 500°C. The samples were characterized by scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), UV-vis diffuse reflection spectroscopy (DRS), and photoluminescence spectra (PL), respectively. The results indicated that two kinds of small nanofibers with different diameters were interconnected to form heterojunctions. Photocatalytic tests displayed that the heterostructured TiO2/SnO2 nanofibers exhibited a much higher degradation rate of methylene blue (MB), rhodamine B (RhB), and 4-chlorophenol (4-CP) than that of bare TiO2 nanofibers or Evonik P25 under UV light irradiation. The enhanced photocatalytic activity could be attributed to the effective charge separation derived from the coupling effect of TiO2 and SnO2 nanocomposites.