基于分子间相互作用的纳米尺度分子传递

纳米尺度下的分子传递是以纳米先进材料为导向的材料化学工程学科所面临的关键科学问题之一.借鉴分子热力学的建模研究思路研究分子传递,从分子之间相互作用出发,结合分子模拟技术,有望最终建立理论模型,实现分子传递的定量预测.本文通过几个研究实例初步探索了如何从分子间相互作用出发开展纳米尺度下分子传递的研究,利用分子模拟手段解析纳米尺度下特殊的微结构,并以此为基础进而实现对分子传递行为的调控和预测,指导具有丰富纳米结构的膜材料以及催化材料的设计和应用.     

介孔TiO2晶须担载Au的热稳定性（英文）

以二钛酸钾晶须为前驱体,通过固相烧结工艺制备了介孔TiO2晶须,然后使用沉积沉淀法将Au纳米颗粒担载于其上,并采用低温N2吸附-脱附、X射线衍射及透射电镜等技术对催化剂的形貌和结构进行了表征,以NaBH4还原对硝基苯酚(PNP)为探针反应,评价了催化剂的活性及稳定性.结果表明,500°C热处理前后,介孔TiO2负载的Au纳米颗粒的平均粒径变化不大,且催化PNP还原活性得到了很好的保持.这主要与介孔TiO2晶须独特的双晶构型及介孔结构有关.     

新型Ni/TiO_2催化剂用于对硝基苯酚催化加氢

以介孔氧化钛晶须为载体,采用等体积浸渍法制备了Ni/TiO2催化剂,通过扫描电镜、X射线衍射、N2吸附脱附、热重分析和程序升温还原技术对催化剂及其前驱体进行了表征,考察了催化剂中Ni含量及焙烧和还原温度对催化剂催化对硝基苯酚加氢反应性能的影响.结果表明,Ni/TiO2催化剂不仅具有晶须状形貌和高结晶度的锐钛晶型,还保持了高比表面积和介孔结构.随着Ni/TiO2催化剂中镍负载量的增加,对硝基苯酚转化率逐渐增加,当镍负载量超过10%时,催化剂活性和选择性没有明显变化.当镍负载量为10%,焙烧和还原温度分别为500和450 ℃时,Ni/TiO2催化剂的加氢活性最佳,是Raney Ni的4倍.该催化剂循环使用7次后未发现明显失活.     

新型介孔SO4^2-/TiO2固体酸的制备及其催化酯化性能

以无定形高比表面积水合钛酸(H2Ti2O5·xH2O)为载体,采用等体积浸渍法制备了新型晶须状介孔SO42-/TiO2固体酸催化剂,利用X射线衍射、N2吸附-脱附、扫描电镜、红外光谱、热重和氨程序升温脱附等技术考察了催化剂的结构特征和表面酸性及其对乙酸与正丁醇液相酯化反应的催化活性.结果表明,SO42-/TiO2同体酸催化剂不仅具有纳米级晶粒、晶须状形貌、高比表面积和介孔结构,还保持了完善的锐钛矿晶型、较强的酸性和较高的热稳定性;当焙烧温度高于500℃时,催化剂表面结合的SO42-逐渐流失,酸中心数逐渐减少.在m(催化剂)=0.2 g、n(正丁醇)/n(乙酸)=1.5和反应时间3 h条件下,500℃焙烧的催化剂活性最高,正丁醇转化率达94%,乙酸正丁酯选择性为100%,且催化性能和分离沉降性能均优于SO42-/P25催化剂.     

纳米受限下溶质水化结构的分子模拟

利用分子动力学模拟研究了五种不同种类的溶质分子(K+, Mg2+, Cl-, K-和K0)在直径为0.60-1.28 nm的纳米碳管内的水化结构. 模拟结果揭示了单电荷溶质、双电荷溶质和中性溶质在受限条件下具有不同的水化行为. 单价溶质的配位数只有在直径不大于0.73 nm的纳米碳管内才会明显减少. 和带有电荷的溶质不同, 中性溶质的配位数对纳米碳管直径的改变非常敏感, 并且随着管径的减小而迅速减少. 模拟结果还表明带单价正电荷的溶质(K+)第一配位层水分子的取向结构会随着纳米碳管直径的改变发生变化, 而其他溶质配位层取向结构在本文所涉及的纳米碳管内都几乎和体相中一致. 在直径大于1.0 nm的纳米碳管中, K+的配位层取向结构有序度随着管径的减小而单调下降, 但是在直径小于1.0 nm的纳米碳管中, 随着碳管管径的减小而迅速上升. 在两个最窄的纳米碳管内, 其结构有度甚至高于体相. 双电荷溶质的水化结构在本文所研究的碳管直径范围内和体相完全一致, 即使在直径只有0.6 nm的碳管内也无任何改变.     

介孔TiO2的水热法制备及其光催化性能

以二钛酸钾(K2Ti2O5)经离子交换得到的无定形水合二钛酸(H2Ti2O5·xH2O)为原料,与葡萄糖溶液在220℃下进行水热反应,再在空气中520℃焙烧,制备出介孔TiO2.用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、N2吸附、透射电子显微镜(TEM)等技术对样品进行了表征.结果表明,该介孔TiO2具有微米级棒状或针状形貌,晶粒大小为12.3 nm,比表面积为106 m2·g-1,孔容为0.31 cm3·g-1,孔径为8.06 nm,焙烧处理后晶型仍是锐钛矿相.水热生成的碳抑制了晶粒的团聚生长和晶型的转变,提高了介孔TiO2的热稳定性.甲基橙降解实验评价了介孔TiO2的光催化性能,结果发现其活性与商用TiO2催化剂P25相当,而其较大的粒径更容易回收再利用.以碘化钾为探针反应,表明介孔TiO2的光催化机制以光生空穴氧化为主.     

电解质溶液界面结构的分子动力学模拟研究

电解质溶液界面结构的研究不仅具有重要的理论意义, 而且具有一定的实用价值. 采用分子动力学模拟研究了LiCl, LiBr, LiI, NaI, KI, CsI水溶液中阴阳离子在1×105 Pa和300 K下的气液界面分布情况, 探讨离子水化与电解质溶液界面结构的关系, 并分析阳离子水化能力的强弱对共存阴离子在界面富集分布的影响. 通过对模拟结果的分析发现, 离子的水化能力越强, 就越能形成稳定的水化结构而处于本体相中, 水化能力越弱, 则越易在界面富集. 该机理合理地解释了离子在界面的分布现象, 阳离子水化能力一般较其共存阴离子强而处于本体相, 阴离子则趋向在界面处富集; 不同阴离子在界面的密度分布也与阴离子的水化能力相关, 阴离子水化能力越弱, 其在界面富集程度越高, 不同阴离子在界面的富集趋势为Cl－＜Br－＜I－; 阳离子水化能力的强弱也影响其共存阴离子在界面的富集程度, 阳离子的水化能力越弱, 其共存阴离子在界面的富集程度就越低.     

强电解质混合溶剂体系的电导法分析

在生产和科研中经常需要同时测定强电解质浓度和混合溶剂的比例。本文在研究强电解质+水+醇三元溶液电导特性的基础上,建立了两参数经验性电导工作方程,将溶液电导率的测量与电导滴定相结合,可以方便准确地定出此类三元溶液的组成。     

烷烃在丝光沸石型分子筛中吸附和扩散行为

采用巨正则系综蒙特卡罗(grand canonical Monte Carlo, GCMC)与分子动力学(molecular dynamics, MD)相结合的方法, 研究烷烃分子在丝光沸石(MOR)型分子筛中的吸附和扩散性质. 采用GCMC 方法研究温度为300 K、330 K时, MOR型分子筛中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的吸附. 研究表明, 随着压力的增加吸附量增加, 随温度的升高吸附量有所降低. 饱和吸附量从大到小依次为: 甲烷>乙烷>丙烷>丁烷. 由模拟所得到的单组分吸附等温线, 通过理想吸附溶液理论(IAST)计算二元混合物的吸附平衡相图, 模拟结果与计算结果一致. 采用分子动力学方法, 研究乙烷、丙烷在MOR分子筛上的扩散性质, 结果表明各个方向上的扩散系数不同, z方向上的扩散系数最大.     

物理法COD减排理论极限能耗的热力学分析

首先针对系统的可持续性发展提出了三点本质要求,在此基础上提出了基于减排过程节能机制的热力学框架,并根据热力学第一、第二定律建立了计算物理法脱除有机污染物理论极限能耗的热力学分析方法.此外,以典型有机污染物的脱除为例,分别计算了封闭体系中298.15K和1.01325×105Pa下不同初始浓度、不同种类以及不同COD减排量的有机污染物脱除的理论极限能耗.本文的计算结果表明,废水中有机污染物的减排需要很高的能耗,脱除相同量有机污染物所需的理论极限能耗随着初始浓度的减小而显著增加,且不同种类污染物处理的难易程度和能耗高低相差很大,这充分说明减排与节能有着密不可分的联系,充分考虑污染物的种类、物理化学性质、毒性和浓度将有助于减排政策的科学制定.