固体酸催化剂及分子筛晶化过程的核磁共振研究

介绍了一些常规固体核磁共振的技术的发展状况, 并综述了固体核磁共振在多孔材料中的应用情况, 其中包括沸石分子筛酸性和结构表征以及目前在分子筛合成机理研究中的应用进展. 本文的主要内容是利用固体核磁共振结合其它表征技术研究了一类介孔固体酸催化材料的酸性以及两种微孔磷铝分子筛的合成晶化过程.  利用有机聚合物为模板剂合成出两种介孔复合氧化物MoO_x/ZrO₂与WOx/ZrO₂固体酸材料. 并对其进行了物理化学性质的表征. 研究发现它们在较高的焙烧温度下仍保持有较高的比表面积及规整的孔径. 利用固体核磁共振技术及DFT计算的方法发现在介孔WO_x/ZrO₂及MoO_x/ZrO₂表面存在两种类型的Br[AKo¨D]nsted酸位, 其酸强度强于传统的HZSM-5分子筛, 与典型的固体强酸硫酸锆相当, 但弱于100％的硫酸. 借助于理论计算清楚地揭示了酸性位的具体结构和酸强度信息, 且计算结果与实验结果符合得非常好. 除了弱酸性的Zr-OH基团外, 在介孔氧化锆表面存在大量的Lewis酸位（配位不饱和的Zr⁴⁺）. 在引入Mo或W物种后, Mo-OH或W-OH与不饱和的Zr⁴⁺配位产生作为Br[AKo¨D]nsted酸位的桥式Mo-OH-Zr(或W-OH-Zr)羟基, 并且导致氧化锆表面Lewis酸位的大量减少. 利用理论计算证实了单聚或多聚体形式的桥式Mo-OH-Zr(或W-OH-Zr)羟基是强Br[AKo¨D]nsted酸性位产生的根源, 同时提出了酸性位形成的机理. 利用水热晶化法合成了AlPO₄-5和MgAPO-36两种具有重要工业潜在应用价值的分子筛材料并用固体核磁共振技术结合X射线衍射、傅里叶红外、高分辨电子显微镜等技术研究了它们的详细晶化过程. 研究发现在HF存在条件下加热120 min后具有AFI类型的骨架晶化开始. 此时³¹P NMR谱中在δ -22与 δ -29处出现两个来源于骨架P-O-Al单元的信号, ¹⁹F NMR谱中在 δ -120处出现来源于骨架F-Al_pen-O-P单元的信号, 证实了晶体骨架开始形成. 另外, 凝胶中五配位Al（F-Al_pen-O-P）的出现是分子筛晶化开始的另一个标志. 利用²⁷Al→³¹P HETCOR、 ³¹P{²⁷Al} TRAPDOR及¹H→³¹P CP/MAS等双共振实验详细研究了初始凝胶相及晶化开始时凝胶相的结构, 在120 min加热凝胶中区分出具有不同化学环境的配位P原子, 提出了详细的晶化过程机理.  对于另一种具有高活性的镁取代的MgAPO-36分子筛催化材料, XRD发现在第二阶段423 K时, 加热1.5 h后骨架晶化开始. ³¹P NMR证实此时凝胶相中形成了P-O-Al及Mg-O-P骨架单元, 此后（2 h）凝胶相中出现半晶相的棒状颗粒. 并最终晶化为不规则球状的MgAPO 36晶体（18 h后）. 利用²⁷Al→³¹P HETCOR及¹H→³¹P CP/MAS分析了中间凝胶相的微观结构并利用³¹P{²⁷Al} TRAPDOR NMR技术研究骨架晶化开始时凝胶相中P(nAl) (n=1~4)的配位结构, 得出了5种具有不同配位状态的微观化学环境, 提出了详细的晶化过程机理.     

几种高分子材料的域结构、分子动力学和相互作用的固体NMR研究

聚3-羟基丁酸酯(PHB)是微生物细胞在其生长的特定时期在胞内合成的具有相应生物功能的聚羟基烷酸酯类物质, 是一种具有潜在的广泛应用前景的生物可降解的高分子材料. 由于天然的PHB其较高的结晶度和较窄的温度处理范围,它在应用过程中受到较大的局限性. 人们将结构相似的单体3-羟基戊酸(HV)与3-羟基丁酸(HB)共聚形成共聚物(PHBV)以后, 显著改善了PHB的物理机械性能,譬如:冲击强度和韧性有所增加，而硬度脆性有一定程度的下降. 人们虽然在这些降解高分子材料的开发、制备和物理机械性能以及这些材料的应用等方面有很多研究，但是有关分子水平的问题并未得到系统的探索. 因此，针对这些分子基础问题(结构域特征和分子动力学等)做了一些初步的研究.  全氟磺酸树脂(Nafion)是杜邦公司生产的一种燃料电池电极薄膜材料，其较低的使用温度(<100℃)严重地限制了它的应用范围. 人们发现，当把层状硅酸盐(蒙脱土)和Nafion合成为有机无机纳米复合材料之后，在一定程度上提高了它的使用温度. 虽然这种复合材料很容易合成出来并且已经运用到了实际工业应用之中，但是这种热稳定性提高的原因却不甚清楚. 通过固体NMR等分析方法从微观相互作用方面来认识这种宏观性能改善的原因.  使用固体¹³C CP MAS、¹³C SPE MAS NMR以及XRD方法测定了PHB和两种PHBV的结晶度(X_c)，发现随着HV的引入它们的X_c 逐渐减小. 研究同时发现在测量X_c 的这几种方法中¹³C SPE MAS NMR误差较小. 实验中我们利用质子弛豫诱导谱编辑(PRISE)、质子自旋扩散(Spin-diffusion)等固体NMR技术研究了PHB以及不同含量HV的PHBV的结构域特征和相应结构域的运动性. 实验结果表明随着HV含量的增加，它们的非晶相结构域尺寸增大，晶相结构域尺寸减小，可以看出HV的引入导致PHB的结构域特征的变化是其宏观性能改善的原因.  进一步通过低分辨固体NMR测量了PHB和PHBV的变温质子弛豫时间(T₁, T_1ρ, T₂), 然后通过理论拟合获得了它们不同运动状态的分子运动相关频率(τ_c)和分子活化能(E_a)等动力学信息，研究发现随着HV含量的增加，分子运动加快，活化能减小，在分子水平上认识了HV的引入使得PHB宏观性能改善的微观原因.  通过溶胶凝胶法合成了燃料电池电极薄膜(Nafion)和层状硅酸盐(蒙脱土)纳米复合材料来提高Nafion的使用温度，FT-IR和²⁹Si MAS NMR实验结果表明在杂化材料中虽然质子化的十二烷基胺修饰的蒙脱土(MMT)的引入没有导致MMT的骨架结构发生明显变化，而且Nafion也没有插入到MMT的层间，但是TGA分析表明杂化材料中的Nafion的热稳定性比纯的Nafion高. 通过一系列固体NMR技术包括¹⁹F MAS、¹H-¹³C CP MAS NMR和¹H-¹³C HETCOR 2D NMR实验初步证实了这种材料的热稳定性的提高可能是由于MMT表面吸附的NH⁺₃与Nafion侧链上的SO^-₃之间存在较强的静电相互作用，初步可以认为这种相互作用是导致电极材料性能改善的原因.     

用固体核磁共振方法研究CeO2-γ-Al2O3混合氧化物中的Al状态

用固体核磁共振技术研究了CeO₂-γ-Al₂O₃ 混合体系中CeO₂ 和 γ -Al²O₃两相间的相互作用. 在混合物的²⁷Al MAS NMR 中,除了四配位和六配位的Al位外,有一个尖锐的位于37处的,这个峰在高场处有一宽的肩峰. 实验证实： 位于高场的宽峰来自于 γ-Al₂O₃中的五配位Al,而位于37处的尖峰则是由CeO₂ 和 γ-Al₂O₃两相间的相互作用产生的,即Al取代了CeO₂晶格中八配位的Ce. 定量研究表明,这种Al取代的量是极其有限的,整个CeO₂晶格只有1%的Ce能被Al取代.     

原子电性作用矢量用于呋喃糖核磁共振碳谱化学位移计算

从分子二维拓扑结构出发, 借助用于描述原子所处分子微观化学环境的原子电性作用矢量(Atomic Elementary Electronegativity Interaction Vector, AEIV)对25种呋喃单糖中共计148个等价共振碳原子进行了表征,并以此建立起用于模拟单糖分子¹³C NMR化学位移的两参数多元线性回归方程, 所得模型的复相关系数R_cum、交叉检验Q_LOO及均方根误差RMS分别达到0.907、0.901和6.757,并采用对半划分样本集交叉验证的方法来测试模型的稳定性能和预测能力. 结果表明AEIV能够很好的模拟糖类物质¹³C化学位移值.      

卤代甲烷核磁共振谱化学位移的QSSR研究

利用描述电子效应的诱导效应指数（ΣI）、原子的平衡电负性（X_E）和反映核外电子云变形程度的总电子数（Σ_e）、各取代基到中心原子的化学键键长总和（Σ_d）以及各取代基电负性的和差值（ΔX）等参数对45个卤代甲烷化合物中的碳原子结构进行表征,并与其¹³C NMR谱化学位移建立了优良的定量结构-波谱关系模型：δ_Ｃ＝ -7403.8022-47.1765ΣI＋4290.0270X_E－3.3067ΔX－163.4672Σd－4.5153Σe＋22.9851Σe／Σd＋15.2597Σe／X_E－890.2521Σd／X_E．所建多元线性回归方程复相关系数R²及留一法（leave-one-out,LOO）交互验证（cross validation, CV）的复相关系数R²_CV分别为0.09951和0.9950．结果表明所建模型不仅能比现有文献更好地揭示卤代甲烷¹³C NMR谱化学位移与其分子结构信息之间的关系,同时也提供一种计算卤代甲烷¹³C NMR谱化学位移的新方法．     

有机双过氧钒化合物的合成及其与小分子相互作用研究

在过去的20年里,双过氧钒化合物的合成及其与小分子相互作用一直是化学和生物学研究的热点之一．本文在合成并表征数种双过氧钒化合物的基础上,利用多核（¹H、¹³C、¹⁴N、¹⁵N和⁵¹V）、多维（¹H-¹H COSY、¹³C-¹H COSY和DOSY）和变温NMR等谱学手段,结合ESI-MS技术和理论计算,系统研究了相互作用前后体系中各物种的溶液结构,对一些实验现象进行了解释,探讨了相互作用的模式和规律．主要结果总结如下：  1. 在合成草酸双过氧钒的基础上,利用多种NMR谱学手段研究了双过氧钒和组氨酸类化合物的相互作用,在溶液中观察到His和Carns等有机配体主要以其咪唑环上的ε-N与中心金属钒配位,这和从海洋生物 Curvularia inaequalis 分离出来的氯过氧化物酶(Chloroperoxidase)的活性中心His496有着相同的配位方式．理论计算表明溶剂效应对该配位方式起着关键的作用．此外,利用ESI-MS技术结合理论计算,通过比较体系在溶液和气相中行为的异同,对气相中物种[OV(O₂)₂(L)₂]-（L为配体）可能的结构给予了解释,认为中心金属钒与溶液中一样还是6配位而不是Conte等人认为的7配位,第二个配体分子通过氢键与物种[OV(O₂)₂(L)₂]-结合在一起． 2. 在合成数种双过氧钒化合物的基础上,利用多种NMR技术结合ESI-MS等谱学方法系统研究了双过氧钒化合物和咪唑、吡啶、取代吡啶、精氨酸、皮考啉酯以及皮考啉酰胺等有机配体的相互作用,建立了一套适合研究过氧钒化合物与有机小分子相互作用的谱学方法．利用核磁共振中扩散排序（DOSY）技术,实现了混合物中各组分在样品管中的“虚”分离,并利用谱图编辑技术得到混合物中各组分的化学位移即结构信息．由于DOSY的使用避免了繁琐的分离,因此它是一种非常有应用前景的研究混合物的谱学方法． 3. 在相互作用体系NH₄VO₃/H₂O₂/2-(2′-Py)Imi中合成了一种新的双过氧钒化合物．经NMR、IR、X-ray衍射和元素分析等谱学方法或分析手段确定其组成[NH₄{OV(O₂)₂{2-(2′-Py)-Imi}·4H₂O}]和结构,其⁵¹V的化学位移在单核双过氧钒化合物中是最大的．目前已报道双过氧钒化合物的晶体结构约为10个,本文所合成的为第一个具有不对称双氮双齿配体的双过氧钒化合物．     

射干异黄酮的NMR波谱研究

为研究中药射干(Belamcanda chinensis)的化学成分,应用多种柱色谱方法对其乙醇提取物进行分离和纯化,并得到了11个异黄酮化合物,通过¹H NMR、¹³C NMR及HMBC、HSQC、¹H-¹H COSY、NOESY等波谱手段解析化学结构,发现一个新化合物,命名为异野鸢尾苷. 对这些化合物的¹H NMR和¹³C NMR进行了完全归属,并探讨了取代基对¹H、¹³C化学位移的影响.     

4-[(E)-2-(3, 4-二甲氧基苯基)乙烯基]苯氧基乙酸乙酯的合成及其NMR研究

以对硝基甲苯、3, 4-二甲氧基苯甲醛为起始原料,经过缩合,还原,重氮化水解,亲核取代反应,最终合成了新的化合物4-[(E)-2-(3, 4-二甲氧基苯基)乙烯基]苯氧基乙酸乙酯,用¹H 和¹³C NMR及多种二维核磁共振谱确定了该化合物的结构,完成了¹H 和¹³C NMR的归属,给出了分子中各氢,碳原子的准确化学位移.     

脂肪族醚类化合物核磁共振碳谱模拟

利用原子电性作用矢量(atomic electronegativity interaction vector, AEIV)对脂肪族醚类化合物中碳原子局部化学微环境进行表征, 并结合γ-效应参数与其核磁共振碳谱(¹³C NMR)建立定量构谱相关(QSSR)模型,建模计算值和留一法(leave-one-out, LOO)交互校验(cross-validation, CV)预测值的复相关系数(R)分别为0.995 7和0.994 2. 进一步使用外部样本对所得模型稳定性能进行检验,其外部校验相关系数(Q_ext)为0.996 3,结果表明： AEIV、γ-效应参数与¹³C NMR谱化学位移显著相关.     

表面官能化碳纳米管13C NMR参数的理论研究

碳纳米管表面化学修饰是当前研究的一大热点,修饰后由于极性基团的存在,碳纳米管在极性溶液环境中的分散度得到明显改善,这在很大程度上扩展了纳米管研究的应用范围. 本文采用C₈₀ H₂₀模型来表示（10,0）碳纳米管,基于此模型计算了一系列氮烯、卡宾和氟化的单壁纳米管的结构、偶极矩,以及核磁共振参数. 研究表明高精度的密度泛函理论（DFT）计算能够用来预测纳米管的¹³C化学位移,理论研究的结果揭示了氮烯、卡宾以及1,2和1,4氟化的单壁纳米管的若干¹³C信号特征化学位移值,为实验NMR谱图的归属提供了一定的依据,并且可通过与实验相结合来监测表面官能化碳纳米管加成反应是否发生以及确认其加成方式.     

Unambiguously distinguishing Si[3Si,1Al] and Si[3Si,1OH] stuctural units in zeolite by 1H/29Si/27Al triple resonance solid state NMR spectroscopy

We present an experimentally feasible triple-resonance NMR method that establishes the correlation among three different nuclei, avoiding the difficulty to directly explore the weak coupling between two NMR nuclei, such as (29)Si and (27)Al. Using this method, we are able to give an unambiguous assignment to the various peaks in (29)Si CP NMR spectrum of MCM-22 zeolite and discriminate (29)Si signals from SiOHAl and SiOH groups. In addition, in combination with (1)H/(27)Al double-resonance technique, the (1)H/(27)Al/(29)Si triple-resonance experiment suggests the presence of two different kinds of Br?nsted acid sites in H-MCM-22 zeolite.     

Influence of oxygen pressure on structural and optical properties of Al2O3 optical waveguides prepared by pulsed laser deposition

Pure and europium doped alumina waveguides have been prepared by Pulsed Laser Deposition using a KrF excimer laser at oxygen pressures in the range from 10^-7 to 0.1 mbar. The composition of the films and the doping ion concentration were determined by Rutherford Backscattering Spectroscopy. From X-ray diffraction measurements, a progressive growth of %-Al₂O₃ crystallites is observed as the oxygen pressure decreases. After annealing treatment, the alumina films are constituted of !-Al₂O₃ crystallites while europium doped alumina films remain constituted of %-Al₂O₃ crystallites. The films have optical waveguiding properties. The mean refractive index of the film increases as oxygen pressure decreases.     

Structural and electrical properties of La0.5Sr0.5CoO3 films on SrTiO3 and porous a-Al2O3 substrates

Films of La_0.5Sr_0.5CoO₃ (LSCO) have been deposited on specially treated TiO₂-terminated (001) SrTiO₃ substrate surfaces and on macroporous polycrystalline !-Al₂O₃ substrates, having a mean pore diameter of 80 nm, by pulsed laser deposition. The films deposited on SrTiO₃ are good conducting, (001) textured, and exceptionally smooth (1-2 Å for 100 nm thick films). LSCO films deposited on porous !-Al₂O₃ are polycrystalline and exhibit good crystallographic and electrical properties despite the large substrate roughness and the differences in lattice parameters and crystal structure between the film and the substrate. Different growth modes have been observed on the porous !-Al₂O₃ substrates depending on the oxygen pressure during film deposition. Films grown at an oxygen pressure of 10^-1 mbar are macroporous, whereas films grown at 10^-2 mbar completely cover the substrate pores. In the latter case, strain effects lead to film cracking.     

The fluorescence and thermoluminescence characteristics of α-Al2O3:C ceramics

This paper reports that polycrystalline α-Al₂O₃:C ceramics are fabricated by conventional ceramics process. The excitation, emission spectra, thermoluminescence (TL) and optical stimulated luminescence (OSL) of α-Al₂O₃:C polycrystalline ceramics are investigated. There exists 410nm maximum emission peak which is caused by recombination of an electron with F⁺ centre to produce an excited F centre. The samples show three clear TL glow peaks at 405, 493 and 610K. The attenuation constant of exponentially decaying fast component (τ₁) and slow component(τ₂) of OSL curve are 8.43s and 41.73s, respectively. Those fluorescence and thermoluminescence characteristics are similar with α-Al₂O₃:C crystal.     

Electronic Curves Crossing in Methyl Iodide by Spin--Orbit Ab Initio Calculation

An ab initio investigation of electronic curve crossing in a methyl iodide molecule is carried out using spin-orbit multiconfigurational quasidegenerate perturbation theory. The one-dimensional rigid potential curves and optimized effective curves of low-lying states, including spin-orbit coupling and relativistic effects, are calculated. The spin-orbit electronic curve crossing between ^3Qo＋ and ^1Q1, and the shadow minimum in potential energy curve of ^3Qo＋ at large internuclear distance are found in both sets of the curves according to the present calcu- lations. The crossing position is in the range of Re-1 = 0.2370 3：0.0001 nm. Comparisons with other reports are presented.     

Adsorption of NO and N2O on Fe-BEA and H-BEA zeolites

FT-IR (Fourier-transform infrared) spectroscopy and density function theory (DFT) methods have been applied to the investigation of the interaction of NO and N₂O with Fe³⁺ species in a beta zeolite (BEA). The geometries for H-BEA and Fe-BEA represented as 10T cluster, and NO and N₂O adsorption on them in η¹-O and η¹-N modes have been completely optimized. The results show that NOx could be adsorbed on Fe³⁺ species and Brønsted acid sites in two modes, but NOx is mainly bonded by N to H or Fe atom and the iron site is preferred. NOx adsorbed on Fe³⁺ species is more stable than on Brønsted acid sites. Adsorption energies for N₂O and NO follow the order of NO > N₂O, predicating that the affinity of NO molecule on BEA zeolite is much stronger than N₂O molecule on BEA zeolite.     

Sol-gel法制备Er3+-Yb3+共掺杂Al2O3粉末光致发光特性

采用异丙醇铝[Al(OC₃H₇)₃]为前驱体,溶胶-凝胶(Sol-gel)法制备Er³⁺-Yb³⁺共掺杂Al₂O₃粉末.实验结果表明:900 ℃烧结的粉末为固溶Er³⁺、Yb³⁺的γ-(Al,Er,Yb)₂O₃相和少量θ-(Al,Er,Yb)₂O₃相的混合物.Er³⁺-Yb³⁺共掺杂Al₂O₃粉末具有中心波长为1.533 μm的光致发光(PL)特性.1 mol % Er³⁺和1 mol% Yb³⁺共掺杂的Al₂O₃粉末的PL强度较1 mol % Er³⁺掺杂提高2倍,半峰宽从53 nm增加到63 nm.随泵浦功率的提高,PL强度呈线性增加后渐呈饱和趋势.     

Quantitative ferroelectric characterization of single submicron grains in Bi-layered perovskite thin films

The local polarization state and the electromechanical properties of ferroelectric thin films can be probed via the converse piezoelectric effect using scanning force microscopy (SFM) combined with a lock-in technique. This method, denominated as piezoresponse SFM, was used to characterize at the nanoscale level ferroelectric SrBi₂Ta₂O₉ and Bi₄Ti₃O₁₂ thin films, grown by pulsed laser deposition. Two types of samples were studied: polycrystalline films, with grains having random orientations, and epitaxial films, consisting of (100)_orth- or (110)_orth-oriented crystallites, 100 nm to 2 7m in lateral size, which are embedded into a (001)-oriented matrix. The ferroelectric domain structure was imaged and the piezoelectric response under different external conditions was locally measured for each type of sample. Different investigation procedures are described in order to study the ferroelectric properties via the electromechanical response. A distinct ferroelectric behavior was found for single grains of SrBi₂Ta₂O₉ as small as 200 nm in lateral size, as well as for 1.2 7m쏿 nm crystallites of Bi₄Ti₃O₁₂. By probing separately the crystallites and the matrix the investigations have demonstrated at the nanoscale level that SrBi₂Ta₂O₉ has no spontaneous polarization along its crystallographic c-axis, whereas Bi₄Ti₃O₁₂ exhibits a piezoelectric behavior along both the a- and c-directions. The electrostriction coefficients were estimated to be 3᎒^-2 m⁴/C² for polycrystalline SrBi₂Ta₂O₉ and 7.7᎒^-3 m⁴/C² for c-orientedBi₄Ti₃O₁₂. Quantitative measurements at the nanoscale level, within the experimental errors give the same values for remanent polarization and coercive field as macroscopic ferroelectric measurements performed on the same samples.