指导本科生课外科研实践活动*——“我爱实验室”有感

由南开大学化学学院科技创新协会面向低年级本科生举办的“我爱实验室”活动,旨在拓宽学生的专业知识领域、使学生深入了解科研前沿方向、培养学生科研素养等。基于实验室的研究方向,学生自主调研文献选题、设计实验过程、参与组会沟通、交流并解决实验中遇到的问题。课外科研实践活动的开展不仅提高了学生的实验技能,而且拓宽了学生的知识领域,更重要的是培养和提高学生进行科学研究的素养和能力。     

热处理对钙钛矿锰氧化物La_(0.95)Sr_(0.05)MnO_3离子价态和磁结构的影响

对于磁性氧化物的磁有序,传统的观点用超交换相互作用(SE)和双交换相互作用(DE)模型进行解释,其出发点都建立在全部氧离子是-2价的基础上.例如,对于LaMnO_3,认为其中的La和Mn都处于+3价,用SE模型解释相邻Mn~(3+)离子间的反铁磁序;当以二价的Sr离子替代一部分La离子后,认为等量的Mn~(3+)离子变为Mn~(4+)离子,用DE模型解释相邻Mn~(3+)和Mn~(4+)离子间的铁磁序.然而,事实上在氧化物中存在一部分负一价氧离子.Cohen[Nature 358 136]利用密度泛函理论计算了BaTiO_3的价电子态密度,结果得到只有Ba离子的化合价与传统观点相同,为+2价;而Ti和0分别为+2.89价和-1.63价,不是传统观点的+4价和-2价,但是与多年来关于氧化物电离度的研究[Rev.Mod.Phys.42 317]和X射线光电子谱(XPS)的研究结果相符合.本文经过不同热处理条件制备了名义成分为La_(0.95)Sr_(0.05)MnO_3的三个样品,通过对样品的XPS分析,发现样品中不存在Mn~(4+)离子,只存在Mn2+和Mn~(3+)离子,平均价态随热处理程序的增加而升高.尽管三个样品有相同的晶体结构,但磁矩明显不同.对于这样的性能,不能用SE和DE模型解释其磁结构.利用本课题组最近在研究尖晶石结构铁氧体磁有序过程中提出的O 2p巡游电子模型解释了这种现象,利用样品在10 K的磁矩估算出的Mn离子平均价态变化趋势与XPS分析结果一致.O 2p巡游电子模型的出发点建立在氧化物中存在一部分负一价氧离子的基础上,这是其与SE和DE模型的根本区别.     

Nb掺杂调控CoSeS多级纳米结构用于增强析氢反应

电催化析氢(HER)是清洁制氢的一种有效途径,对于氢经济和氢能产业的发展具有重要意义.金属掺杂是提高电催化剂本征活性的有效方法,导电基底的采用也有利于电荷传输和催化性能的整体提高.尽管已有关于硒化物作为HER催化剂的相关报道,但是合成条件有限、导电性、本征活性的影响,其电催化性能仍有提升的空间.此外,在酸性电解液中的腐蚀和氧化极大限制了催化剂性能的发挥.基于此,本文以氮掺杂碳球为载体,采用金属Nb掺杂、非金属硫硒化物协同以及表面碳包覆的三重策略,将掺杂元素Nb和活性位中心元素Co封装到氮掺杂碳纳米球内并进行连续的硫硒化反应,成功构筑多级纳米结构(Nb-CoSeS@NC)以提高其电催化析氢性能.碳球可为活性位的生长和分散提供足够的空间,同时有效防止活性金属的腐蚀和分解,并阻止金属纳米颗粒的团聚.硫化过程实现了非金属硫元素的掺杂,对于提高硒化物的催化活性和导电性都有重要作用.通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)及电催化性能测试,详细研究了Nb-CoSeS@NC独特的纳米结构和电催化制氢性能,并分析了构效关系.XRD结果发现,引入Nb后Co9Se8和CoSe的特征峰移向更高的角度,表明其晶格体积的减小,有助于电荷传输.同时,氮掺杂碳球(NC)在26°可以观察到无定型碳的峰,而石墨碳的D带和G带强度比约为1.05,均表明NC中缺陷的存在,这可以进一步提高碳材料的导电性.SEM和TEM表征显示,催化剂为直径120 nm的均匀的纳米核壳结构,壳层约为30 nm,无明显的团聚和破碎,这是催化剂具有高稳定性的重要原因.表面的褶皱保证了大的活性比表面积,可以大大增加活性位点的数量.同时,催化剂与NC之间的紧密结合可以降低电子传输的阻抗进而改善其稳定性和析氢性能.分析高分辨率的TEM结果发现,Nb掺杂后,Nb-CoSeS@NC中Co₉Se₈的(222)晶面由0.301 nm减小至0.184 nm,与XRD结果相符.XPS表征揭示了引入Nb之后的电子效应.与CoSeS@NC相比,Nb的掺杂使Co 2p向更低的结合能移动,而Se 3d则移向高结合能移动,这是由于Nb导致了更强的电子相互作用.在0.5 M的H₂SO₄中测试催化剂的析氢性能,Nb-CoSeS@NC仅需115 mV的过电位便可以实现10 mA cm^-2的电流密度,Tafel斜率为43 mV dec^-1,优于CoSeS@NC等其他对比样品,且优于大多数掺杂型硒化物电催化剂.经过12 h稳定性测试,电流密度未见明显降低,表明该多级结构催化剂的优异稳定性.Nb-CoSeS@NC提高活性可归因为Nb的掺杂增强了催化剂的电子相互作用,有助于提高的其本征导电性.Nb、Co正离子可以形成氢化物-受体中心,可能会削弱S-H键和Se-H键,并促进H-H键的形成,因此,多元掺杂产生的协同效应可以有效促进HER过程.此外,坚固的氮掺杂纳米碳壳为活性位点的分散提供了足够的空间和优异的电荷传输性能,同时降低了金属活性位腐蚀的可能性.     

Cr2O3/C@TiO2核壳型复合材料的设计合成及其光催化产氢性能

随着社会经济的快速发展,能源危机和环境污染问题成为世界各国关注的焦点.通过光催化剂将太阳能用于污染物降解、分解水产氢、CO2还原及有机物合成等领域,是解决上述问题的理想途径.过渡金属氧化物TiO2因其稳定性高、催化活性好、制备简单等优点,被认为是最理想的光催化材料.然而,TiO2带隙较宽、光响应范围窄、光量子效率低等缺点限制了其实际应用.将碳或Cr2O3与TiO2结合形成复合结构已被证明可以有效提升其光催化性能.另一方面,金属离子的掺杂可以有效提高氧化钛的可见光响应.本文利用具有高比表面积的金属有机骨架材料MIL-101(Cr)纳米材料作为模板、镉源和碳源,首先在MIL-101(Cr)表面可控生长TiO2纳米颗粒,获得MIL-101(Cr)@TiO2复合结构;然后在氮气保护下碳化形成Cr2O3/C@TiO2核壳型复合材料.碳化后,制备的复合材料具有模板的八面体形貌和高比表面积,MIL-101(Cr)中的Cr元素一部分会形成Cr2O3,一部分会掺杂到TiO2中,使得TiO2的吸收边红移.此外,Cr2O3/C@TiO2中的C有利于光的吸收和载流子的分离.这种独特的纳米结构赋予Cr2O3/C@TiO2复合材料优异的光催化性能.在300 W氙灯照射下,该复合材料光解水产氢的速率为446μmol h?1 g?1,约为纯TiO2的4倍.在可见光照射下,Cr2O3/C@TiO2分解水产氢的速率为25.5μmol h?1 g?1.将获得的粉体催化剂制备成光电极发现,Cr2O3/C@TiO2在全幅光照射下的光电流密度在0.4 V(vs.Ag/AgCl)下达到2.3 mA/cm2,约为纯TiO2的3.5倍.Cr2O3/C@TiO2光催化产氢活性的提高一方面是由于Cr掺杂到TiO2中使得其具有可见光响应,另一方面MIL-101碳化获得的Cr2O3/C有效促进了光生载流子的分离.     

MIL-53(Al)衍生的Rh单原子催化剂在间氯硝基苯选择性加氢制间氯苯胺反应中的应用

卤代苯胺是化学工业中重要的中间体,主要用于制造药物、聚合物、染料等含氮化学品,用多相金属催化剂催化卤代硝基芳烃加氢制备卤代苯胺是一种高效,绿色和可持续发展的生产工艺.该过程需要选择性加氢硝基基团,同时避免卤素基团的脱卤副反应发生.然而,化学选择性加氢存在巨大的挑战,难点在于催化剂的精准设计,一方面要求具备对硝基基团合适的加氢能力,另一方面要阻止对卤素基团的脱卤副反应发生.基于此,研制高效多相金属催化剂用于卤代硝基芳烃选择性加氢制备卤代苯胺反应引起了高度关注.近年来,单原子金属催化剂受到越来越多的关注,并在卤代硝基芳烃选择性加氢制备卤代苯胺反应中显现出极大的潜力.本文通过在金属有机骨架材料MIL-53(Al)自组装的过程中将金属Rh原位嫁接其骨架结构中,继而通过限域热解的方法制备了Rh@Al2O3@C单原子催化剂,其在间氯硝基苯(m-CNB)加氢制间氯苯胺(m-CAN)反应中显现了高效催化选择性.球差校正高角度环形暗场模式的透射电镜,CO作为探针分子的红外光谱和X射线光电子能谱等结果发现,Rh是以单原子的形式均匀的分布在Al2O3上并被无定型碳包覆,且Rh化学价态呈正价.而27Al固体核磁共振与密度泛函理论计算的结果则进一步确定Al2O3@C载体中存在的五配位的Al物种(AlV)是锚定Rh单原子的主要位点,AlV的不饱和的配位结构可以有效地稳定Rh单原子,对形成Rh位点的单原子分散至关重要.在间氯硝基苯选择性加氢制间氯苯胺反应中,与等体积浸渍法制备的Rh/C和Rh/γ-Al2O3纳米催化剂相比,Rh@Al2O3@C单原子催化剂表现出优异催化性能:其在313 K,氢气压力为20 bar的温和条件下转换频率(TOF)高达2317 molm-CNB·molRh-1·h-1,优于已报道的多相金属催化剂,是目前的最高值.此外,该催化剂展现出极佳的稳定性能,经过五次循环后,该催化剂对m-CAN的选择性仍旧保持在98％左右.Rh@Al2O3@C单原子催化剂的优异催化性能源自于金属单原子结构的形成对于金属位点电子结构的有效调节,进而调控催化剂加氢性能并实现对加氢脱卤副反应的抑制;与此同时,Rh@Al2O3@C催化剂增进了酸位点的可及性,从而促进了其串联步骤中包含的脱水反应的发生,进而有效提高催化剂的反应活性.     

MIL-53(Al)衍生的Rh单原子催化剂在间氯硝基苯选择性加氢制间氯苯胺反应中的应用

卤代苯胺是化学工业中重要的中间体,主要用于制造药物、聚合物、染料等含氮化学品,用多相金属催化剂催化卤代硝基芳烃加氢制备卤代苯胺是一种高效,绿色和可持续发展的生产工艺.该过程需要选择性加氢硝基基团,同时避免卤素基团的脱卤副反应发生.然而,化学选择性加氢存在巨大的挑战,难点在于催化剂的精准设计,一方面要求具备对硝基基团合适的加氢能力,另一方面要阻止对卤素基团的脱卤副反应发生.基于此,研制高效多相金属催化剂用于卤代硝基芳烃选择性加氢制备卤代苯胺反应引起了高度关注.近年来,单原子金属催化剂受到越来越多的关注,并在卤代硝基芳烃选择性加氢制备卤代苯胺反应中显现出极大的潜力.本文通过在金属有机骨架材料MIL-53(Al)自组装的过程中将金属Rh原位嫁接其骨架结构中,继而通过限域热解的方法制备了Rh@Al2O3@C单原子催化剂,其在间氯硝基苯(m-CNB)加氢制间氯苯胺(m-CAN)反应中显现了高效催化选择性.球差校正高角度环形暗场模式的透射电镜,CO作为探针分子的红外光谱和X射线光电子能谱等结果发现,Rh是以单原子的形式均匀的分布在Al2O3上并被无定型碳包覆,且Rh化学价态呈正价.而27Al固体核磁共振与密度泛函理论计算的结果则进一步确定Al2O3@C载体中存在的五配位的Al物种(AlV)是锚定Rh单原子的主要位点,AlV的不饱和的配位结构可以有效地稳定Rh单原子,对形成Rh位点的单原子分散至关重要.在间氯硝基苯选择性加氢制间氯苯胺反应中,与等体积浸渍法制备的Rh/C和Rh/γ-Al2O3纳米催化剂相比,Rh@Al2O3@C单原子催化剂表现出优异催化性能:其在313 K,氢气压力为20 bar的温和条件下转换频率(TOF)高达2317 molm-CNB·molRh-1·h-1,优于已报道的多相金属催化剂,是目前的最高值.此外,该催化剂展现出极佳的稳定性能,经过五次循环后,该催化剂对m-CAN的选择性仍旧保持在98％左右.Rh@Al2O3@C单原子催化剂的优异催化性能源自于金属单原子结构的形成对于金属位点电子结构的有效调节,进而调控催化剂加氢性能并实现对加氢脱卤副反应的抑制;与此同时,Rh@Al2O3@C催化剂增进了酸位点的可及性,从而促进了其串联步骤中包含的脱水反应的发生,进而有效提高催化剂的反应活性.     

离子对UIO-66-2OH光催化性能的影响

实际废水中存在的离子会对有机污染物的光催化降解产生影响。以ZrCl₄和2,5-二羟基对苯二甲酸为原料,通过水热合成法成功制备了金属有机骨架材料UIO-66-2OH。通过红外（IR）、X射线粉末衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对UIO-66-2OH的结构进行表征。利用水中常见的金属阳离子和无机阴离子,探索UIO-66-2OH的光催化性能。研究发现,金属阳离子Fe³⁺和无机阴离子HCO₃^-、CO₃^2-可以加快光催化降解的速度。然而,金属离子Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺和无机阴离子Cl^-、SO₄^2-、PO₄^3-会抑制光催化性能,且离子价态越高,抑制效果越明显。     

尖晶石铁氧体TixNi1-xFe2O4中阳离子分布和Ti离子磁矩的实验研究

采用固相反应法制备了系列样品Ti_xNi_1-xFe₂O₄ (x=0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4). 室温下的X射线衍射谱表明样品全部为(A)[B]₂O₄型单相立方尖晶石结构, 属于空间群Fd3m. 样品的晶格常数随Ti掺杂量的增加而增大. 样品在10 K温度下的比饱和磁化强度σ_S随着Ti掺杂量x的增加逐渐减小. 研究发现, 当Ti掺杂量x≥ 0.2时, 磁化强度σ随温度T的变化曲线出现两个转变温度T_L和T_N. 当温度低于T_N时, 磁化强度明显减小; 当温度达到T_N时, dσ/dT具有最大值. σ-T曲线的这些特征表明, 由于Ti掺杂在样品中出现了附加的反铁磁结构. 这说明样品中的Ti离子不是无磁性的+4价离子, 而是以+2和+3价态存在, 其离子磁矩的方向与Fe和Ni离子的磁矩方向相反. 利用本课题组提出的量子力学方势垒模型拟合样品在10 K温度下的磁矩, 得到了Ti, Fe和Ni三种阳离子在(A)位和[B]位的分布情况, 并发现在所有掺杂样品中, 80%的Ti离子以+2价态占据尖晶石结构的[B]位.     

Nd:YAG陶瓷与单晶4F3/2–4I13/2跃迁的弱谱线多波长激光性能对比

报道了基于半导体激光端面抽运Nd:YAG的⁴F_3/2–⁴I_13/2 跃迁的弱谱线多波长激光输出. 实验对比了透明陶瓷与单晶材料的激光输出特性, 表明透明陶瓷和单晶材料荧光谱强度的略微差异, 导致了多波长输出时相同两个波长之间的激光强度比在两种材料中的差异. 基于两种耦合输出镜片, 激光阈值都在2 W左右. 在13.5 W的抽运功率下, 基于Nd:YAG透明陶瓷获得了输出功率4.05 W、强度比1 :2的1338与1356 nm双波长激光和输出功率3.65 W、强度比13 : 1的1356与1414 nm 双波长激光, 斜率效率分别达33.9% 和31.9%.     

取向比对椭球气溶胶粒子散射特性的影响

利用T矩阵和离散坐标法研究了取向比对椭球粒子散射特性的影响, 计算了小尺度范围内椭球粒子的散射特征参量, 包括消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率、散射相矩阵及双向反射函数(BRDF). 结果表明, 椭球粒子的散射特性与取向比密切相关, 粒子取向比会影响散射参量的振荡频率和振幅, 与球形粒子散射参量的相对差异也呈周期振荡趋势. 研究还发现, 某些特殊粒子尺寸的散射参量与粒子取向比基本无关. 在多次散射条件下, 分析不同取向比粒子群的BRDF随反射角和光学厚度的变化特性. 结果显示: 不同取向比粒子群的BRDF随反射角的变化趋势基本一致, 球形粒子群比非球形粒子群的BRDF曲线波动振幅更大; 球形-非球形粒子的BRDF相对差异随光学厚度和取向比的增大而减小, 随入射角的增大而增大.