绿色碳科学——化石能源增效减排的科学基础

尝试提出碳科学这一理念,就碳科学的定义、要点及碳原子经济性的涵义进行论述.在此基础上,以碳科学的理念探讨四个典型的碳资源转化过程中所涉及的相关科学和技术.     

“双碳”目标下“膜科学与技术”教学改革

在“双碳”目标下,国家对高性能分离膜和膜过程提出了更高要求,迫切需要培养符合“新工科建设”的多元化和创新型人才。针对国家对膜技术领域创新型和实践型复合人才培养的需求,笔者对本科生“膜科学与技术”课程进行教学改革探索,形成“教、学、研”一体的教学模式和“精讲启发、探索新知、线上线下相结合”的教学方法。教学内容紧跟膜技术的科技前沿,并展望未来的发展趋势和应用需求。此次教学改革以期能够锻炼学生的自主学习能力与创新能力,并让学生形成积极关注和主动思考科技前沿的思维习惯。     

碳点的制备及电化学能源应用进展

碳点是零维纳米碳材料的一种典型代表,由碳原子sp²/sp³杂化构成且尺寸通常小于10 nm.碳点独特的尺寸效应赋予其丰富的边缘活性位点和易于功能化调控等特性,在电催化、能源存储与转化等领域表现出广阔的应用前景.基于此,揭示碳点的形成机制及阐明其结构与性能的基本规律,以指导碳点的合成并获得优异的催化性能具有重要意义.本文在介绍碳点制备及调控策略的基础上,结合理论研究分析了碳点类催化材料活性的来源,并着重评述了碳点在电化学领域的最新应用进展,探讨了功能碳点材料未来发展的机遇与挑战.     

在"单质碳的化学性质"一课中引导学生感悟科学探究

选取单质碳的化学性质一节,创设情境,不仅让学生感悟到科学家进行科学研究的严谨态度及方法,还能搭好梯度,设置平台,引导学生自己提出假设、设计实验进行探究,并从中体验科学探究的乐趣.     

碳单质概念的发展史及其教育价值

通过对碳单质概念发展历程的考证可知，碳是古代已知的非金属元素。至17—18世纪，随着科学实验的兴起和元素观的发展，金刚石和石墨均被证明为碳的单质，碳单质概念初步形成；20世纪80年代C60的发现及之后碳纳米管、石墨烯和T-碳的发现使人们对碳单质概念有了新认识。在化学教育中，须让学生认识到碳单质概念的发展史是物质的发现史，也是科学思想的演进史和科学方法的发展史。     

从零维到三维的碳范式:碳单质概念的新发展

自18世纪石墨与金刚石的组成被确定为碳元素后,碳单质概念初步形成。然而,20世纪末期,包括C₆₀在内的富勒烯一族的发现突破了人们对碳单质的认识。随后,碳纳米管、石墨烯以及人工合成的T-碳的出现,重新诠释了碳单质的概念。碳单质的新发现,建立了从零维到三维的碳范式,掀开了对“碳单质”研究和应用的新篇章。     

元素化学“课程思政”教学设计与实践——以碳族元素为例

以碳族元素教学为例,介绍了元素化学“课程思政”教学设计与实践。深入挖掘课程蕴含的思想政治教育元素,充分发挥课程承载的思想政治教育功能,将科技前沿、唯物辩证法与科学认识论、爱国主义精神、生态文明思想、新时代中国“双碳”故事、化学元素发现史和科学伦理道德教育等有机融入课程内容设置和课堂教学等环节中,培养学生的创新精神、科学思维、爱国情怀、生态文明思想、探究精神、职业道德观等,实现“知识传授”和“价值引领”同步提升。     

纳米碳分子——合成化学的魅力

碳材料的发展极大地推动了人类科技的进步。碳材料通过碳原子之间不同的键合方式、结构和排列，使其具有丰富的性质，并且更多新型碳材料还不断地被发现或合成出来。作为新型碳材料的纳米碳分子由于其本身所拥有的潜在优良性质，在有机电子学、材料科学如生物材料等领域具有广阔的应用前景，因此被誉为是未来最有开发前景的材料。在过去的四十年里，新型纳米碳分子的发现和创造已彻底改变了碳材料的格局，打开了一扇通往全新科学领域的大门。本文重点介绍了近年来具有新颖拓扑结构的纳米碳分子的结构特征以及如何通过有机合成的手段对其进行精准构筑。     

“双碳”背景下能源关键元素暴露的神经效应研究进展

为了实现“双碳”目标,能源关键元素(Energy-critical elements, ECEs)在全球范围内的应用将显著增加,增加了人群暴露风险,但是其健康效应尚未明确。ECEs主要为金属元素,如锂、钴及稀土元素。为了解金属ECEs的潜在健康效应,重点关注其神经危害或风险,为其在可持续发展过程中可能产生的健康问题提出干预策略。回顾了与金属ECEs相关的毒理学、职业安全和健康问题以及流行病学调查的文献报道,主要在分子和细胞水平、实验动物和人群流行病学研究等方面对上述金属ECEs神经效应的综述。目前,金属ECEs健康效应的研究面临一些挑战：现有的人群研究数量有限,亟需更多的研究为建立有关健康、环境影响和安全的监测系统提供科学依据,为绿色能源行业建立一个可持续、安全和健康的职业环境,助力实现“双碳”目标。     

近年碳环核苷类似物的合成研究进展

碳环核苷是呋喃糖环部分被碳环基团取代的核苷类似物.作为天然核苷的类似物,许多碳环核苷具有良好的抗病毒、抗肿瘤活性.同时,由于不存在典型的糖苷键,碳环核苷较天然核苷对于磷酸化酶和水解酶具有更高的代谢稳定性.因此,对碳环核苷类似物进行设计与合成,并筛选出安全有效的抗病毒试剂成为近年来药物化学家们研究的重点.按照碱基种类的不同综述了近5年来碳环核苷的合成研究进展,分为嘌呤类碳环核苷、嘧啶类碳环核苷以及碳环C-核苷等三部分,重点介绍了嘌呤类碳环核苷的合成研究,并对碳环核苷未来的研究趋势进行了展望.     

基于碳材料的纳米发电器件研究进展

如何解决能源危机已经成为全人类亟待解决的重大挑战之一,而日益严峻的环境污染问题更驱使着人们对清洁能源的迫切需求。近年来,研究人员利用微纳加工技术制备不同维度的碳基材料以捕获周围环境所蕴藏的能量,被视为是一种开发可再生清洁能源的有效途径。本文主要从不同的能量利用形式出发,介绍了不同维度的碳材料用于纳米发电器件的研究进展,同时简要阐述了碳材料纳米发电器件在可穿戴器件、传感器等领域的潜在应用。     

碳量子点的制备及其在能源与环境领域应用进展

碳量子点(carbon quantum dots,CQDs)作为碳纳米材料家族的新成员引起了科学家广泛关注和极大的研究兴趣。 CQDs具有优良的光学特性、生物相容性及微弱的细胞毒性,在生物医药、生物传感器及光电子设备、环境及能源等领域中具有重要的应用。 本文从CQDs的制备方法出发,介绍了近年来发展的新型制备方法,讨论了其优缺点以及对所得CQDs在组成、结构和性质等方面的影响;基于CQDs独特的光学及电化学性能,重点介绍了CQDs在环境与能源领域的应用。 此外,对CQDs研究过程中存在的若干挑战进行了分析,提出了未来发展的一些思考和建议,为拓展CQDs多方面应用提供重要参考。     

美国"国家科学教育标准"中的科学素养探微

培养未来公民的科学素养已成为世界各国理科课程改革的首要目标。本文试图以美国“国家科学教育标准”中的“科学内容标准”为依据探讨科学素养的基本含义和内容。文章讨论了该文件中的科学素养与一般科学教育目标的关系,并在以下6个方面对科学素养的内容作了介绍和分析：作为探究的科学、科学学科内容、科学和技术、个人和社会视野的科学、科学的历史和本质、统一的科学概念和过程。     

中空碳材料用于钠离子电池负极的研究进展

实现钠离子电池等储能设备的大规模应用对于能源的可持续发展以及完成“碳达峰碳中和”目标具有重要意义.开发高性能的负极材料可提升钠离子电池的能量密度和循环稳定性,是实现钠离子电池大规模应用的关键性因素.中空碳材料因其独特的结构而具有优异的倍率性能与循环稳定性,作为钠离子负极材料具有广阔的应用前景.本文从多角度出发,综合评述了中空碳材料的合成方法,以及其形貌、杂原子修饰策略与储钠性能之间的关系,并对其未来发展方向进行了展望.     

碳在锂离子电池硅碳复合材料中的作用

随着低比容量硅碳复合材料(<500 mAh/g)在锂离子电池中的商业化应用,硅基负极材料也从实验室研究走向了产业化发展。近年来的研究工作中,许多方法被用来解决硅在循环过程中体积变化(>300%)所带来的一系列问题。在材料结构方面,从最初的硅材料纳米化、硅与其他材料复合等技术手段转变到了硅碳复合材料二次颗粒的结构设计、表面包覆层设计等方法;在应用性能方面,除了早期文献报道的材料比容量、循环性能等参数外,还增加了材料比表面积、振实密度、首次及循环库仑效率等更符合电池实际应用要求的性能参数研究,从而极大地推动了硅基负极材料的商业化应用进程。本文首先综述了近年来硅碳复合材料组成、结构设计的发展脉络,进一步分析了由石墨、软碳、硬碳、碳纤维和石墨烯等碳源合成的硅碳复合材料的结构特点,并对其电化学性能进行分析对比,总结了碳在硅碳复合材料结构及其性能上发挥的作用。最后,对硅碳复合材料制备过程中的结构设计要求和碳材料的选择进行了分析和展望。     

荧光碳点的制备及应用

荧光碳点是继富勒烯、碳纳米管及石墨烯之后最热门的碳纳米材料之一。这种纳米材料克服了传统量子点的某些缺点,不仅具有优良的光学性能与小尺寸特性,而且具有良好的生物相容性,易于实现表面功能化,在生化传感、成像分析、环境检测、光催化技术及药物载体等领域具有很好的应用潜力。本文就近年来人们对荧光碳点的研究进行了综述,简述了碳点的特性,重点介绍了荧光碳点应用的最新进展,对碳点发展过程中尚待解决的问题进行总结并对未来发展方向进行了展望。     

荧光碳点的制备及应用研究进展

荧光碳点是一种新型的荧光纳米材料。它不仅具有优良的光学性能,而且具有良好的生物相容性,易于实现表面功能化,在生物传感、荧光探针等领域具有很好的应用潜力。本文就近几年来荧光碳点的研究进行了综述,简述了碳点的特性,着重介绍了荧光碳点制备和应用的最新进展,对碳点发展过程中尚待解决的问题进行了总结,并对未来的发展方向进行了展望。     

线型碳的化学法合成研究进展

线型碳是碳的一种新的同素异形体,可望应用于生物医学和材料科学。线型碳的合成方法主要包括物理法和化学法。近年来,基于利用有机小分子或各种聚合物为原料的化学合成法发展迅速,本文主要综述其研究新进展。     

单一金属氧化物同时催化去除碳颗粒和NOx

制备了系列金属氧化物催化剂, 研究了富氧条件下单一金属氧化物同时催化去除碳颗粒和NOx的活性, 考察了碳颗粒与催化剂之间的接触方式对催化活性的影响, 并分析了碳颗粒和NOx催化同时去除的路径. 结果表明, Cr、Mn、Co和Ni金属氧化物催化剂对碳颗粒和NOx同时去除具有较高的催化活性, 并且在催化剂与碳颗粒之间“松散接触”方式下依然具有较高的活性; 其同时催化去除碳颗粒和NOx的路径为, 催化剂催化NO氧化成NO2, NO2促进碳颗粒氧化去除, 而碳颗粒氧化的中间物CO还原NO, 促进NOx还原去除.     

基于环己酮氧化脱氢构建碳-碳与碳-杂键

环己酮是一种廉价易得的大宗有机化工产品,被广泛用作有机合成反应的原料和中间体。脱氢芳构化是合成功能化芳烃的有效途径,使用环己酮作为反应底物,经过亲核加成、脱水和催化脱氢可以将非芳香的有机分子转化为芳香化合物。与传统的芳基化反应相比,该策略避免了苛刻的反应条件和含卤化合物的生产,克服了化学和区域选择性难以控制的难题,为功能化芳烃的合成提供了一条温和、环保的途径。本文就近年来以环己酮为原料,进行氧化脱氢、直接构建碳-碳和碳-杂键,及通过碳-杂键的形成合成杂环化合物的研究现状进行介绍。