阴离子插层镁铝水滑石结构及相互作用的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)计算了MgAl-LDHs层板与无机阴离子(F^-、Cl^-、NO₃^-、CO₃^2-、SO₄^2-)和有机阴离子(水杨酸根离子([HO(C₆H₄)COO]^-)、苯甲酸根离子([(C₆H₅)COO]^-)、对二甲氨基苯甲酸根离子([p-(CH₃)₂N(C₆H₄)COO]^-)、十二烷基磺酸根离子[C₁₂H₂₅SO₃]^-、己烷基磺酸根离子[C₆H₁₃SO₃]^-、丙烷基磺酸根离子[C₃H₇SO₃]^-)间的相互作用,获得稳定超分子几何结构及相互作用能。层板主体与客体间存在较强的超分子作用,包括主客体间静电作用和氢键等。主、客体间相互作用能数值大小顺序为CO₃^2- > SO₄^2- > F^-> Cl^-> NO₃^-;[p-(CH₃)₂N(C₆H₄)COO]^-> [(C₆H₅)COO]^-> [HO(C₆H₄)COO]^-和[C₁₂H₂₅SO₃]^-> [C₆H₁₃SO₃]^- > [C₃H₇SO₃]^-。另外,还采用自然键轨道(NBO)计算和分析了LDHs 层板与阴离子间作用机理,从二阶微扰理论计算得到的稳定化能变化趋势与相互作用能数据基本吻合。     

CO2在α-U(001)表面的吸附和解离

采用广义梯度密度泛函理论研究了0.25ML覆盖度下CO₂在α-U（001）表面上的吸附和解离,得到了CO₂的稳定吸附构型和吸附能,确定了CO₂的解离过渡态和解离能垒,探讨了CO₂与表面U原子的相互作用本质.结果表明CO₂趋向以C（O）-U多键结合方式在α-U（001）面发生强化学吸附,吸附能为1.24-1.67 eV;C-O键的活化程度依赖于表面电子向CO₂发生转移的程度.CO₂与表面U原子的相互作用主要来自于U原子电子向CO₂最低空轨道（LUMO）2π_u转移,以及CO₂π_u/1π_g/3σ_u-U 6d轨道间杂化而生成新的化学键.以形成3个C-U键和6个O-U键模式在穴位1和穴位2上发生吸附的CO₂（H1-C₃O₆和H2-C₃O₆）的解离吸附能分别为3.15和3.13 eV,解离能垒分别为0.26和0.36 eV,预示着吸附CO₂分于易于解离形成CO分子和O原子.     

电喷雾串联质谱中苯乙酰苯胺衍生物去质子化离子裂解产生阴离子自由基的机理研究

电喷雾串联质谱中偶电子负离子裂解产生阴离子自由基是一种违反偶电子规则的异常碎裂反应, 但是这种碎裂反应也常常被观察到, 其机理传统上一直被认为是共价键的简单均裂. 针对苯乙酰苯胺及其衍生物(R¹C₆H₄CH₂CONH- C₆H₄R²)的去质子化离子([M-H]^-)裂解生成阴离子自由基这一特殊的碎裂反应提出了一个新颖的反应机理, 即离子/中性复合物介导的单电子转移反应机理. 以化合物3 (R¹＝H, R²＝NO₂)为模型提出的反应机理为, 首先氮上负电荷诱导CH₂—CO键异裂生成[苄基负离子/4-硝基苯异氰酸酯]复合物中间体, 然后复合物中发生单电子转移反应产生4-硝基苯异氰酸酯阴离子自由基. 通过取代基效应研究(电子亲和势分析)、与文献报道的双分子电子转移反应比较和密度泛函理论计算等方法, 新反应机理得到了证明.     

BMIMBF4中2-氨基-3-氯-1,4-萘醌电化学捕获CO2的机理

利用循环伏安法（CV）和现场红外光谱电化学技术研究了2-氨基-3-氯-1,4-萘醌（ACNQ）在1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（BMIMBF₄）中电化学捕获CO₂的机理.研究结果表明,当体系中不存在CO₂时,ACNQ在BMIMBF₄中经历可逆的两步一电子过程;当体系中引入CO₂时,电化学还原过程中形成的二价阴离子（ACNQ^2-）作为亲核试剂,可攻击CO₂的亲电子碳中心,形成稳定的CO₂加合物.对电化学捕获CO₂的化学计量进行了评估,结果表明,1摩尔的ACNQ^2-可捕获1摩尔的CO₂.结合B3LYP方法在6-311++G^**水平上计算分析了反应中CO₂加合物可能的结构.     

二苯并噻吩及其氧化物与离子液体相互作用的理论研究

采用密度泛函理论方法比较了DBT/DBTO₂和[BMIM]⁺[PF₆]^-/[BMIM]⁺[BF₄]^-的相互作用。对最稳定的[BMIM]⁺[PF₆]^-、[BMIM]⁺[PF₆]^--DBT、[BMIM]⁺[PF₆]^--DBTO₂、[BMIM]⁺[BF₄]^-、[BMIM]⁺[BF₄]^--DBT、[BMIM]⁺[BF₄]^--DBTO₂进行了NBO和AIM分析。结果表明,DBT和[BMIM]⁺[PF₆]^-/[BMIM]⁺[BF₄]^-中的咪唑环彼此相互平行,NBO和AIM分析表明它们之间发生了π-π相互作用。H1'和H9'形成的F…H氢键有利于π-π堆积作用的形成。DBTO₂倾向于趋近C2-H2和甲基基团形成O…H相互作用;DBTO₂优先吸附在[BMIM]⁺[PF₆]^-/[BMIM]⁺[BF₄]^-。在模拟油中,[BMIM]⁺[PF₆]^-和[BMIM]⁺[BF₄]^-离子液体对DBTO₂的萃取能力大于DBT,其原因是可能是DBTO₂具有较大的极性和O…H与F…H的氢键作用。     

气相离子-分子反应B2H3-+CS2——B2H3S-+CS的理论研究

用密度泛函方法B3LYP/6-311++G(d,p)和高级电子相关的偶合簇法CCSD(T)/6-311++G(d,p)研究了气相离子-分子反应B₂H₃^-+CS₂B₂H₃S^-+CS的机理.结果表明,B₂H₃最可能进攻CS₂中碳原子形成三元环中间体,随后通过氢迁移和最终消除CS的反应步骤形成硫原子转移产物H₃BBS^-+CS,反应大量放热且不需要活化能.B₂H₃直接对CS₂中硫原子进攻夺取硫原子的反应方式存在一定能垒阻碍.计算结果有助于深入了解B₂H₃,B₃H-6和B₄H₇^-等缺电子硼氢负离子的反应行为.     

多孔石墨烯分离CH4/CO2的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟CH₄/CO₂混合气体在多孔石墨烯分离膜中的分离过程, 分析了3 种纳米孔功能化修饰(N/H 修饰、全H修饰和N/―CH₃修饰)对分离过程的影响规律. 模拟结果表明气体分子会在石墨烯表面形成吸附层, CO₂分子的吸附强度高于CH₄分子. 纳米孔的功能化修饰不仅减小了纳米孔的可渗透面积, 还通过影响纳米孔边缘原子的电荷分布提高了气体分子的吸附强度, 进而影响了混合气体分子在多孔石墨烯分离膜中的渗透性和选择性. CO₂分子在多孔石墨烯中的渗透率能达到10⁶ GPU (1 GPU=3.35×10^-10 mol·s^-1·m^-2·Pa^-1), 远远高于传统的聚合物分离膜. 研究表明多孔石墨烯分离膜在天然气处理、CO₂捕获等工业气体分离过程中具有广泛的应用前景.     

基于机器学习和第一性原理计算构建双电子转移通道加速CO2光还原(英文)

光催化还原CO₂技术可以将CO₂转化为高附加值化学品,在解决日益严重的环境污染和能源危机方面具有巨大潜力.然而,CO₂分子较高的C=O键键能(750 kJ mol^-1)为其活化和还原带来了挑战.因此,构建具有新型电子转移路径的光催化剂具有重要意义.与传统的单电子传输通道相比,层状材料的多电子传输通道在改善载流子传输能力方面具有明显的优势.然而,设计具有合适参数的多电子通道光催化剂模型仍是重要挑战.本文首先采用理论计算预测了具有双电子转移通道、参数匹配的三元异质结BiOBr-Bi-g-C₃N₄;然后,通过机器学习探讨了各种实验参数对双电子传输通道的光催化活性影响的线性规律,优化了实验参数,制备了光催化活性较高的BiOBr-Bi-g-C₃N₄催化剂;最后,结合第一性原理计算和实验表征结果揭示了其光催化机理.理论计算结果表明,BiOBr-Bi-g-C₃N₄异质结具有最佳的吉布...     

高催化活性M-BHT(M=Co， Cu)电催化还原CO2为CH4的密度泛函理论研究

具有独特电子结构和丰富催化位点的二维金属有机框架材料是具有高活性的CO₂还原反应的电催化剂. 本文基于密度泛函理论(DFT)计算, 发现单层Co-BHT(BHT=benzenehexathiol, 苯六硫醇)将CO₂还原为CH₄时具有很高的催化活性. 吉布斯自由能变化计算结果表明, 在Co-BHT上将CO₂还原成CH₄的最佳反应路径为CO₂→^*COOH→^*CO→^*CHO→^*CHOH→^*CH→^*CH₂→^*CH₃→CH₄; 整个反应的速度控制步骤为^*CO→^*CHO; 速度控制步骤的吉布斯自由能变化(ΔG_L)为0.66 eV, 比在二维Cu-C₃N₄(ΔG_L=0.75 eV)和传统的Cu(211) 表面(ΔG_L=0.74 eV) 将CO₂还原为CH₄的吉布斯自由能变化都小. 而在单层Cu-BHT表面的反应路径和速度控制步骤 (CO₂→^*COOH)与Co-BHT均不同, 且ΔG_L为0.76 eV. 与Cu-BHT相比, Co-BHT将CO₂还原为CH₄的ΔG_L更低, 这可能归因于Co-BHT的d能带中心高于Cu-BHT, 导致Co-BHT与中间体的相互作用更强.     

利用Nafion薄膜-水溶液界面提高铂络合物和紫精间的光致电荷分离态的寿命

研究了铂络合物PtL₁ L₂²⁺(L₁=4 甲氧基苯基 6 苯基 2,2’ 联吡啶,L2 =吡啶)和磺酸丙基紫精(PVS⁰)在Nafion膜中进行的光致电子转移和电荷分离.Nafion膜被水溶胀后形成类似反胶束的结构,其空腔表面带有负电荷.将带有正电荷的电子给体PtL₁ L₂²⁺吸附到膜中,电中性的受体PVS⁰ 溶于水中,采用带有正电荷的N,N’ 四亚甲基 2,2’ 联吡啶(DQ²⁺)作为电荷载体,并且也被吸附到膜内.激发PtL₁ L₂²⁺导致与DQ²⁺发生电子转移,生成的DQ^+· 迁移到Nafion膜 水溶液界面并将电子传给受体PVS⁰,生成的PVS^+·被Nafion膜表面负电荷排斥从而阻止电荷回传.电子转移产物PtL₁ L₂³⁺位于膜中,PVS^+·位于溶液中,两者隔离,电荷分离状态的寿命可长达几天.     

离子液体介导CO2化学转化研究进展

The efficient utilization of carbon dioxide (CO₂) as a C1 feedstock is of great significance for green and sustainable development. Therefore, the efficient chemical conversion of CO₂ into value-added products has recently attracted a lot of research attention in recent years. The transformation of CO₂ generally requires high-energy substrates, specific catalysts, and harsh reaction conditions due to its high thermodynamic stability and kinetic inertness. Consequently, several efforts have been dedicated toward the development of high-performance catalysts and new reaction routes for CO₂ conversion over the last few decades. To date, many routes of convert CO₂ into value-added chemicals have been proposed, together with the development of heterogeneous and homogeneous catalysts. Among the advanced catalysts reported to date, ionic liquids (ILs) have been widely investigated and show great potential for the efficient, selective, and economical conversion of CO₂ into highly valuable products under mild conditions, even under ambient conditions. Some task-specific ILs have been designed with unique functional groups (e.g., —OH, —SO₃H, —NH₂, —COOH, and —C≡N), which can act as the solvent, absorbent, activating agent, catalyst, or cocatalyst to realize the transformation of CO₂ under metal-free and mild conditions. In addition, a variety of catalytic systems composed of ILs and metal catalysts have also been reported for the transformation of CO₂, in which the combination of the IL and metal catalyst is responsible for CO₂ conversion with high efficiency. In this review article, we summarize the recent advances in IL-mediated CO₂ transformation into chemicals prepared via C—O, C—N, C—S, C—H, and C—C bond forming processes. ILs that can chemically capture CO₂ with high capacity are first introduced, which can activate CO₂ via the formation of IL-based carbonates or carbamates, thus realizing the transformation of CO₂ under metal-free and mild conditions. Recent progress in IL-mediated CO₂ transformations to form carbonates and various kinds of N- and S-containing compounds (e.g., oxazolidinones, ureas, benzimidazolones, formamides, methylamines, benzothiazoles, and other chemicals) as well as CO₂ hydrogenation to give formic acid, methane, acetic acid, low-carbon alcohols, and hydrocarbons has been summarized in this review with a focus on the reaction routes, catalytic systems, and reaction mechanism. In these reactions, ILs can simultaneously activate the substrate via strong H-bonding in addition to activating CO₂, and the cooperative effects among the ionic and molecular species and metal catalysts accomplish the reactions of CO₂ with various kinds of substrates to afford a wide range of value-added chemicals. Finally, the shortcomings and perspectives of ILs are discussed. In short, IL-mediated CO₂ transformations provide green and effective routes for the synthesis of high-value chemicals, which may have great potential for a wide range of applications.     

FLPs催化烯胺还原活性研究及反应机理探讨

对不同的路易斯碱、 不同取代的氢化硅烷以及不同结构的烯胺进行了研究. 结果表明, 无论在何种光照条件下, 硅氢化反应都不是主要反应; 根据用氘代硅烷试剂对反应机理进行相应的同位素效应研究结果推测, 反应按照自由基机理进行的可能性最为合理. 本文研究结果对探索受限路易斯酸碱对(FLPs)体系的催化方式及进一步拓宽其应用领域具有重要意义.     

高性能AlPO4-14分子筛膜的制备及气体分离性能

制备了高性能的AlPO₄-14分子筛膜. 首先通过控制反应溶胶中水和模板剂的含量制备了形貌均一的AlPO₄-14分子筛, 分子筛的尺寸为15~18 mm; 然后采用晶种法即在反应凝胶中加入分子筛作为晶种进一步调控分子筛的大小, 使得AlPO₄-14分子筛的尺寸从15~18 mm减小到2~3 mm, 得到形貌均一的纯相片状晶体, 同时有效缩短了制备时间; 最后以多孔管状莫来石为支撑体, 采用二次生长法制备AlPO₄-14分子筛膜. 考察了2种不同大小的晶种对膜形貌和性能的影响, 发现以大尺寸的分子筛(15~18 mm)作为晶种制备的分子筛膜的分离层存在较多缺陷, 而采用小尺寸的晶种(2~3 mm)制备的膜层较均一致密. AlPO₄-14分子筛膜经高温脱除模板剂后仍然保持着纯相的AlPO₄-14晶型, 表明二次生长法促进了AlPO₄-14晶体在膜层中的生长且使其具有更高的结晶度和热稳定性. 在25 ℃, 100 kPa下, AlPO₄-14分子筛膜对H₂/CH₄, CO₂/CH₄和H₂/CF₄的理想分离因子分别为28, 40和1047, 且H₂和CO₂的渗透速率分别为6.3×10 ^-7和9×10 ^-7 mol·(m ²·s·Pa) ^-1; 对等摩尔CO₂/CH₄混合气体的分离因子为81.5, 且CO₂的渗透速率为8.8×10 ^-7 mol·(m ²·s·Pa) ^-1.     

1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体与含氮化合物相互作用的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氢盐离子液体[Bmim]HSO_4与氮化物喹啉和吲哚分子的相互作用,并进行了NBO和AIM分析。[Bmim]HSO_4离子对最稳定结构表明,[HSO_4]~-阴离子中的氧原子与咪唑环中正电性较大的C14-H20之间有较强的氢键作用。在分子水平上,NBO和AIM分析证实了喹啉和吲哚分子与[Bmim]HSO_4的阴离子之间有较强的相互作用,其中,喹啉分子中的氮原子与阴离子[HSO_4]~-中氢原子之间的作用以及吲哚分子中N-H的氢原子与[HSO_4]~-中氧原子之间的作用是该离子液体能够有效脱除氮化物的主要动力。     

一维链状氢键型甘氨酸超分子化合物[(Gly)2+ (18-crown-6)2(MnCl4)2‒]的合成、 结构及介电性质

以甘氨酸(Gly)、 18-冠醚-6、 二氯化锰(MnCl₂)和盐酸为原料, 通过蒸发法获得一种新型相变一维链状氢键型甘氨酸超分子化合物[(Gly)₂⁺ (18-crown-6)₂(MnCl₄)^2?](1). 通过元素分析、 变温X射线单晶衍射和介电测试等手段对其进行了表征和解析. 实验结果表明, 该晶体属于单斜晶系, 空间群从P2₁/c(100 K)转化为C2/c(293 K). 随着温度升高, [MnCl₄]^2?呈现无序状态的共棱双四面体结构. 质子化甘氨酸分子和分子内羟基(—OH)发生动态摆动, 引起O—H…Cl型一维氢键链产生明显伸缩运动, 导致化合物1在一定温度范围内出现结构相变及介电异常.     

均相催化剂催化氧气氧化生物质制备甲酸

甲酸是一种重要的化工原料,以可再生生物质为原料,通过催化氧气氧化制备甲酸具有重要意义。对于不溶于水的生物质原料的转化,采用可溶于水的均相催化剂体系证明是有效的。本文总结了均相催化剂体系(包括含钒杂多酸、含钒杂多酸+H₂SO₄、含钒杂多酸基离子液体、NaVO₃+H₂SO₄、VOSO₄、NaVO₃-FeCl₃+H₂SO₄、FeCl₃+H₂SO₄等)在催化氧气氧化生物质(包括生物质模型化合物、纤维素、木材、秸秆和玉米芯等)制备甲酸方面的研究,分析了其转化的过程和机理。最后,指出了目前催化氧化生物质制备甲酸存在的问题和挑战。     

Gaseous nitryl azide N4O2: A joint theoretical and experimental study

Gaseous nitryl azide N₄O₂ is generated by the heterogeneous reaction of gaseous ClNO₂ with freshly prepared AgN₃ at −50 °C. The geometric and electronic structure of the molecule in the gas phase has been characterized by in situ photoelectron spectroscopy (PES) and quantum chemical calculations. The experimental first vertical ionization energy of N₄O₂ is 11.39 eV, corresponding to the ionization of an electron on the highest occupied molecular orbital (HOMO) {4a″(π_{nb(N4–N5–N6)})}⁻¹. An apparent vibrational spacing of 1600 ± 60 cm⁻¹ (ν_asO1N2O3) on the second band at 12.52 eV (π_{nb(O1–N2–O3)}) further confirms the preference of energetically stable chain structure in the gas phase. To complement the experimental results, the potential-energy surface of this structurally novel transient molecule is discussed. Both calculations and spectroscopic results suggest that the molecule adopts a trans-planar chain structure, and a five-membered ring decomposition pathway is more favorable.     

电中性团簇MCu2Ox(M=Cu2+,Ce4+,Zr4+)上甲烷和二氧化碳直接合成乙酸的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法研究了电中性团簇MCu₂O_x(M=Cu²⁺, Ce⁴⁺, Zr⁴⁺; x=3, 4)的特性及其对甲烷和二氧化碳直接合成乙酸反应的影响. 结果表明, 团簇催化的反应由甲烷C—H活化、 二氧化碳插入引起C-C偶联、 CH₃COO转向和氢迁移4步构成. 前两步为关键步骤, C—H和C-C各自与团簇活性位点间形成四中心结构并推动反应进行. 电子自甲烷流出到团簇, 再流入二氧化碳, 使甲烷的C—H和二氧化碳的C=O得以活化, 继而驱动C-C偶联. Ce, Zr引入至氧化铜团簇中后, 团簇由原有的六元环结构衍变为六元环Ⅰ、 掺杂原子分别位于中心和端末的双四元环Ⅱ和Ⅲ 3种结构. 团簇结构和电子自旋均会影响反应的进行. 低自旋团簇有利于甲烷 C—H活化, 而高自旋团簇则有利于C-C偶联; 在3种掺杂团簇结构中, 处于三重态的结构Ⅲ团簇可以较好地兼顾C—H活化和C-C偶联. 通过比较相同结构发现, Ce, Zr掺杂调变了氧化铜团簇活性位点的局域电荷, 虽使其对甲烷C—H活化的能力略有下降, 但却显著降低了C-C偶联反应的活化自由能垒, 从而促进了反应的进行. 掺杂原子Zr的助剂作用比Ce要大.