NO2在NaCl表面的非均相反应研究

采用新的样品制备方法和气-固自由扩散的实验方式, 使用漫反射傅立叶转换红外光谱原位反应器, 结合离子色谱、X-射线光电子能谱、扫描电子显微镜等分析方法, 研究了NO₂在NaCl表面的非均相反应. 研究表明反应不只是发生在颗粒物表面, 体相也参与了反应; 颗粒物表面的活性点对反应起决定作用, 同时测定了反应级数为二级, 反应摄取系数为(1.54±0.70)× 10NO^−5.     

大气颗粒物对CS2催化氧化反应动力学研究

使用FTIR, XPS, BET, TG-DTG-DTA及原位XRD等方法研究了二硫化碳(CS2)在大气颗粒物表面多相催化反应历程及硫物种的转化过程. 结果表明, 在常温下, CS2能与大气颗粒物反应, 主要产物有羰基硫(COS)和正交α-S8, 少量硫物种被深度氧化, 在大气颗粒物表面形成正六价态硫. 反应体系中当氧气过量时, CS2在大气颗粒物表面多相催化反应遵循假二级反应动力学规律. 在296 K下, 该反应的表观速率常数为6.98×10-22 cm3*mol-1*s-1, 表观活化能为34.6 kJ/mol, 揭示了大气颗粒物具有消除CS2的重要作用以及深度氧化使颗粒物表面形成SO2-4的现象.     

甲醛在α-Al2O3颗粒物表面的非均相反应研究

使用漫反射傅里叶变换红外光谱(DRIFTS)原位反应器研究了273~333 K下甲醛与α-Al2O3颗粒物表面的非均相反应. 结果表明, 甲醛在α-Al2O3颗粒物表面生成产物主要为甲酸盐、二氧亚甲基以及少量多聚甲醛和吸附态甲醛, 甲酸盐是由中间产物二氧亚甲基进一步氧化生成的. 在293 K下, 甲醛在α-Al2O3颗粒物表面的反应级数为0.81±0.05, 以样品池几何面积计算的初始摄取系数γ0GEO为(2.3±0.5)×10-5, 以颗粒物BET面积计算的初始摄取系数γ0BET为(9.4±1.7)×10-9, 表观活化能为33.5 kJ/mol.     

SO_2在TiO_2颗粒物表面的非均相反应

使用漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)原位反应器研究了SO2在TiO2颗粒物表面的非均相反应.研究了氧气浓度、相对湿度(RH)及紫外光光照对反应的影响.结果表明,SO2在TiO2颗粒物上可转化为亚硫酸盐或被氧化为硫酸盐.水汽或者紫外光照可促进SO2在TiO2颗粒物表面的非均相氧化反应,在两者都存在的情况下,对促进硫酸盐的生成有协同效应.在干态无光照条件下和一定湿度(RH=40%)紫外光照条件下,以硫酸盐的生成来计算,SO2在TiO2颗粒物表面的反应级数分别为二级和一级;反应摄取系数γBET分别为1.94×10-6和1.35×10-5.TiO2颗粒物表面的羟基参与了反应,在紫外光照下表面生成的活性氧物种在反应中起重要作用.     

大气复合污染及灰霾形成中非均相化学过程的作用

城市和区域大气复合污染的特征为污染源排放的一次污染物通过大气中的化学反应生成高浓度的氧化剂(臭氧等)及细颗粒物等二次污染物,它们在静稳天气下积累,导致低能见度的灰霾现象并严重影响人体健康和气候.大气复合污染中同时存在高浓度的一次排放和二次转化的气态及颗粒污染物,这为细颗粒表面非均相反应提供了充足的反应物;而气态污染物在细颗粒表面的非均相反应可改变大气氧化性及颗粒物的化学组分、物化性质和光学性质,从而可能对大气复合污染和灰霾的形成起到促进的作用.利用漫反射红外傅里叶变换光谱和单颗粒显微拉曼原位在线技术,我们对大气气态污染物NO2、SO2、O3、甲醛在CaCO3、高岭石、蒙脱石、NaCl、海盐、Al2O3和TiO2等大气主要颗粒物表面的反应进行了系统的反应动力学和机制研究,我们发现反应主要产物为硫酸盐、硝酸盐或甲酸盐,它们可极大改变颗粒物吸湿性和消光性质.通过分析这些非均相反应的动力学过程,我们识别出NO2-颗粒物-H2O、SO2-颗粒物-O3、有机物/SO2-颗粒物-光照等三元反应体系的协同作用机制,这些协同机制对于阐明大气复合污染及灰霾形成的反馈机制和非线性过程提供了实验证据和理论依据.     

甲醛在TiO_2颗粒物表面的非均相反应

使用漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)原位反应器研究了甲醛在TiO2颗粒物表面的非均相反应,结合离子色谱定量分析了反应的主要产物甲酸盐,甲酸盐是由中间产物二氧亚甲基进一步氧化生成.研究了温度和紫外光照对反应的影响,结果表明升高温度和紫外光照可提高反应速率,推测了暗反应和紫外光照下甲醛在TiO2表面的非均相反应机制.结果表明常温下甲醛在TiO2颗粒物表面的反应级数接近2级,初始反应摄取系数为(0.5～5)×10-8([HCHO]:1×1013～2×1014molecule·cm-3),是甲醛浓度的一次函数,同时测定了表观活化能.     

海盐颗粒物表面的NO_2非均相反应

为了深入理解沿海城市大气环境中NO2和海盐颗粒物的非均相反应规律,本研究使用漫反射红外傅立叶变换光谱(DRIFTS)比较研究了0%和20%相对湿度(relative humidty,RH)下NO2在湿海盐颗粒物表面的非均相反应.动力学测量表明硝酸盐的生成对NO2是二级反应,并且0%和20%相对湿度条件下,NO2分子浓度为1.96×1015molcules·cm-3时,反应增长阶段反应摄取系数分别为(5.51±0.19)×10-7和1.26×10-6.结果还显示相对湿度在30%以下时,海盐表面MgCl2·6H2O、CaCl2·2H2O所在点位通过释放结合水和吸附水汽,在海盐表面形成液态水的斑点,增强了反应持续能力.因此氯化钠表面非均相反应的研究可能会低估海盐颗粒物的非均相反应活性.     

SO_2在ZnO颗粒物表面的非均相反应

使用原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)研究了SO2在ZnO颗粒物表面的非均相反应,考察了相对湿度(RH)及紫外光光照对反应的影响.结果表明:无紫外光光照条件下,SO2在ZnO颗粒物表面反应的主要产物为亚硫酸盐,RH与生成的亚硫酸盐量呈负相关关系;有紫外光光照条件下,SO2在ZnO颗粒物表面反应的主要产物为亚硫酸盐和硫酸盐,随着相对湿度和紫外光照强度的增加,亚硫酸盐向硫酸盐转化.光照和水汽对SO2在ZnO颗粒物上的氧化反应起到协同促进作用.以亚硫酸盐生成量计算,干态无光条件下反应对SO2的级数为1.6,接近二级反应;在RH为40%且紫外光光照条件下,反应对SO2的级数为0.91,接近一级反应;使用BET比表面积作为反应有效面积,反应初始摄取系数在干态无光照条件和RH=40%且紫外光照条件下分别为4.87×10-6和2.29×10-5.     

NO_2在MgO颗粒物表面的非均相反应

氧化镁(MgO)是大气中矿物气溶胶的重要组分之一,对二次污染物的形成有着重要影响.本研究采用原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)与离子色谱(IC)技术,研究了二氧化氮(NO2)在MgO颗粒表面的非均相反应.探讨了无光照、紫外光照、臭氧(O3)、温度及相对湿度(RH)等对该反应的影响机制,建立了新的测定摄取系数的方法.结果表明,无光照时,NO2在MgO颗粒表面生成的主要产物为硝酸盐和亚硝酸盐;在NO2-MgO-O3和NO2-MgO-hv两种反应体系中主要产物均为硝酸盐,生成的硝酸根峰面积分别是无光照条件下的1.54倍和3.04倍,O3和紫外光照对硝酸盐的生成均具有促进作用;在紫外光照条件下,NO2在MgO颗粒物表面生成硝酸根的初始速率随温度的升高而呈单峰变化,40℃时初始速率最大;影响NO2与MgO颗粒物反应的敏感因素为紫外光照和臭氧,其次为相对湿度和温度.在25℃,RH为5%时,无光照条件和紫外光照条件下反应初始摄取系数分别为9.01×10-4和5.65×10-3.     

黑碳颗粒物表面SO2的非均相臭氧氧化

采用漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)结合离子色谱(IC)、 X射线光电子能谱(XPS)研究了常温常压下SO2与O3在黑碳颗粒物(以Printex U为代表, 简称UBC)表面的非均相反应. 研究发现, 在O3和水气存在的情况下, 体系的反应产物主要是SO42-, 反应在一定时间内持续进行. UBC可提供反应活性位点, 促进SO2在其表面的臭氧氧化. O3是关键的氧化剂, 能显著提高SO2非均相氧化生成SO42-的速率. 水气的存在有利于表面活性位点再生, 使反应持续发生. 当SO2和O3的浓度为1014~1015 molecule/cm3、 相对湿度为40%时, SO2在UBC(1: 400, 以NaCl为稀释剂稀释400倍)表面非均相反应生成SO42-的稳态摄取系数(γBET)为1~6×10-6, SO42-的生成速率为1014~1015 ion·s-1·g-1.     

大气中SO2和HCOOH在CaO表面的耦合相互作用

矿物气溶胶表面非均相反应由于可以改变气溶胶理化性质以及大气痕量气体平衡而成为大气化学的研究热点. 然而目前关于痕量气体在矿物气溶胶表面的共同吸附研究却很有限. 本研究中采用原位漫反射红外光谱研究了大气中SO₂和HCOOH在CaO表面的耦合相互作用. 通过分析红外光谱以及获取动力学曲线发现SO₂和HCOOH在CaO颗粒物表面非均相反应相互抑制, 同时通入两种气体时表面产物甲酸盐和亚硫酸盐都减少. 通过分步实验发现SO₂和HCOOH在CaO表面的耦合相互作用主要分为两个方面. SO₂共同存在时可供吸附的反应活性位点变少从而抑制HCOOH在颗粒物表面反应, 导致产物甲酸盐生成量减少. 另一方面对于SO₂在CaO表面的非均相反应而言, HCOOH会阻止SO₂在颗粒物表面的非均相反应, 使得表面生成亚硫酸盐减少.     

纳米晶稀土复合氧化物Dy~1~-~xSr~xCoO~3~-~y 3: 固相反应 动力学的研究

依据固相反应动力学模型,研究了纳米晶Dy~1~-~xSr~xCoO~3~-~y的固相反应过程。结果表明,纳米晶稀土复合氧化物Dy~1~-~xSr~xCoO~3~-~y的固相反应是扩散控制过程,反应活化能为120kJ.mol^-^1,从823-973K温度,其反应速率常数在0.302×10^-^6～4.50×10^-^6之间。通过固相反应在700℃获得了粒径在5-15nm的纳米晶粉体,这源于纳米晶的表面和界面效应。     

纳米晶稀土复合氧化物Dy~1~-~xSr~xCoO~3~-~y 3: 固相反应 动力学的研究

依据固相反应动力学模型,研究了纳米晶Dy~1~-~xSr~xCoO~3~-~y的固相反应过程。结果表明,纳米晶稀土复合氧化物Dy~1~-~xSr~xCoO~3~-~y的固相反应是扩散控制过程,反应活化能为120kJ.mol^-^1,从823-973K温度,其反应速率常数在0.302×10^-^6～4.50×10^-^6之间。通过固相反应在700℃获得了粒径在5-15nm的纳米晶粉体,这源于纳米晶的表面和界面效应。     

NH3与Cl2在y-Al2O3颗粒物表面的非均相反应

使用离子色谱分析了常温、常压、湿润和氧气存在条件下,NH₃和Cl₂在γ-Al₂O₃颗粒物表面非均相反应的产物及其受NH₃浓度、反应时间等的影响;并定量分析了NH₃、Cl₂、SO₂和NO₂单独及共存条件下,γ-Al₂O₃表面Cl^-、NO₃^-和SO₄^2-等二次无机颗粒物的生成总量.结果表明：NH₃和Cl₂在γ-Al₂O₃表面具有协同作用,2 h后Cl^-的生成总量可达589.65 μg,其生成量随时间延长而不断增加.表面氯化物的生成量在NH₃浓度为400 ppm时达到峰值,且随NH₃浓度的增加呈先增加而后减少的趋势.活性氯存在下,NH₃对颗粒物表面Cl^-、NO₃^-和SO₄^2-的生成有促进作用,且四种气体共存时复合正反馈效应最明显.同时,本研究对NH₃和Cl₂在颗粒物表面的非均相反应机理及活性氯和氨的排放对大气中二次无机颗粒物的贡献进行了探讨.     

新不对称偶氮羧衍生物的合成及其与钙离子的β型显色反应

我们合成了五种新的不对称偶氮羧衍生物,并研究了它们与钙离子之间的一种特殊反应—β型反应,考察了试剂分子结构与反应性能的关系.着重探讨了对羧基偶氮羧与钙离子的β型反应行为,在柠檬酸介质中,钙离子与该试剂形成组成比为1:2的灵敏的稳定配合物,最大吸收波长为718nm(△λ=157nm),表观摩尔吸光系数ε=1.51×10~5L·mol~(-1)·cm~(-1),测定条件下,1—13μgCa/25mL 符合 Beer 定律,采用小体积显色,反应可在15分钟内进行完全,配合物可稳定4小时不变.动力学研究结果表明,对羧基偶氮羧与钙离子只发生β型反应,反应级数为2.     

显微拉曼光谱用于研究大气单颗粒表面非均相反应

大气单颗粒表面的非均相反应研究因更接近大气实际条件,避免了堆积态研究中人为引入的误差,能够得到真实的反应过程与机理,获得反映大气实际条件的动力学参数.本研究建立了使用显微拉曼光谱研究大气单颗粒非均相反应的研究方法,并初步用于研究NO2与单颗粒CaCO3的非均相反应.研究结果表明显微拉曼光谱可同时获得颗粒物的化学组成和形貌变化,并能得到化学环境如相态的信息,对于研究反应过程很有帮助;而颗粒物沉降在基质上得到的拉曼光谱因不受形貌共振影响,有利于获得高质量的光谱.此外,将拉曼光谱研究单颗粒的方法与其他单颗粒非均相反应的研究方法进行了综合比较,表明显微拉曼光谱技术在单颗粒非均相反应研究中具有重要的特点和应用价值.     

NaCl与Fe2O3混合物对SO2的有效吸收

采用DRIFTS和XPS等方法研究了SO2在NaCl和α-Fe2O3混合物表面的复相反应, 并计算了反应的吸附常数. 结果表明, 反应生成物主要为硫酸盐、硫酸氢盐以及少量的亚硫酸(氢)盐; SO2与NaCl和α-Fe2O3混合物的反应符合零级反应动力学规律; NaCl的含量对反应有影响, 随着混合物中NaCl含量的增加, BET吸附常数呈现先上升而后再下降的变化规律, 当NaCl的质量分数达到70%左右时, BET吸附常数达到最大(4.62×10-6), 是纯α-Fe2O3(5.72×10-7)的8.08倍; 反应生成的FeCl2-SO3-中间体作为SO2的储存库, 促进了更多的硫酸盐生成.     

固体表面填隙H的化学活性起源于泡利排斥效应

各类固体表面常对外来原子(离子)施加泡利排斥作用. 它明显改变了表面填隙或者替位原子(离子)的物理性质. 本文首先说明泡利排斥作用广泛存在于各类固体表面. 并引进`泡利穴''的概念, 用来定量计算固体表面低凹处填隙位置上的外来原子在泡利排斥作用下性质的改变. 重点讨论了多相催化中最重要的过渡金属表面的`泡利穴''. 然后简短介绍我们已经发表的工作, 即泡利穴中H原子薛定谔方程的解析解. 进一步, 将填隙H的基态波函数和基态能与自由H原子做比较, 显示其性质的改变. 由此详细论证, 填隙H化学活性增加的两个关键的物理原因是, 填隙H电离能的明显降低及诱导电矩的存在. 我们把这种激活方式简称为`固体表面填隙H的泡利激活'', 并讨论它对加氢反应的贡献. 同时, 对近年来催化研究中一个令人困惑的实验结果给出我们自己的解释. 实验明确表明, 对加氢反应起关键作用的是过渡金属`表面下的H原子'', 它们在加氢反应中非常活跃. 而`表面H原子''没有参与加氢反应. 我们论证, 过渡族金属`表面下的H原子''正是被泡利激活的填隙H. 本文限于讨论多相催化问题(固体表面填隙H原子的催化). 但是`泡利激活''原则上可以推广到均相催化中. 因为在均相催化中经常使用的催化剂通常也具有类似的泡利穴结构. 本文只限于讨论泡利穴中填隙H的催化. 但是原则上不难推广到其他元素. 例如用类似方法探讨石墨烯表面填隙锂原子的泡利激活. 近来的天文观测中发现, 很多有机分子云团中(例如H$_{2}$O, CH$_{4}$, C$_{2}$H$_{2}$, C$_{2}$H$_{4}$ $\cdots$等云团), 同时存在一些尺寸约约$0.001-10~\mu$m 的尘埃物质(如C颗粒, SiO$_{2}$颗粒等等). 两者的并存使我们猜测, 或许这些尘埃物质(包括纳米颗粒)本身就是多相催化剂, 其表面存在的`泡利穴''可能对分子的形成有重要贡献.     

CS2与大气颗粒物的多相催化反应研究

利用原位FTIR,XRD,XPS,BET,质谱和连续微量反应等手段研究了大气颗粒物及部分氧化物样品上CS₂多相催化反应,确认了反应产物,并对催化剂的晶化状况和比表面积等进行了考察.结果表明,CS₂在氧化物和大气颗粒物样品上发生氧化反应,生成COS及单质硫,部分样品上生成CO₂,活化状态下的[S]在大气颗粒物表面上能被进一步氧化为六价态硫.收集所得到的大气颗粒物样品成分主要是Ca(Al₂Si₂O₈)·4H₂O;CS₂在氧化物或大气颗粒物样品上催化生成COS是催化剂表面吸附氧的作用之故.     

Co/ZrO2/SiO2催化剂上费-托合成反应动力学研究Ⅰ. 反应途径分析

 采用单位键指标-二次指数势(UBI-QEP)方法对模型催化剂Co(0001)晶面进行了费-托(F-T)合成反应的反应能学分析,发现以不含氧的CxHy,s 作为中间体的表面碳化物机理在能量上较为合理,而CH2,s 作为链增长单体的链增长方式是能量上最有利的F-T合成反应途径. 在Co/ZrO2/SiO2催化剂上的非稳态实验研究中发现,在F-T合成的操作温度范围内,H2O的生成是主要的表面O的移去方式; CO解离和表面碳物种Cs加氢可能是F-T合成中的重要速控步骤; 链增长过程是F-T合成反应中较快的基元反应步骤; 甲烷的生成具有多种不同活性的表面前驱体,导致生成的甲烷严重偏离经典的ASF分布规律. 结合F-T合成表面反应的研究结果,初步确定了F-T合成动力学研究中需要考虑的机理模型的范围是以CO解离和表面碳物种Cs加氢为速控步骤,以CH2,s 插入为链增长途径的表面碳化物机理. 该结果缩小了待选动力学模型的范围.