铜的腐蚀电化学行为及应用综合实验设计

以纯铜为研究对象,采用开路电位、动电位极化曲线和交流阻抗谱（EIS）等电化学方法和扫描电镜（SEM/EDS）技术研究了铜在模拟海水中的腐蚀电化学行为和机理。本实验涉及电解质溶液、原电池和电解池的相关知识,同时还涉及表面形貌及成分分析等相关知识,并将这些知识应用于金属腐蚀研究中,综合性较强,可作为大学本科生二年级或研究生一年级的综合实验教学内容。     

部分土壤重金属可见-近红外反射光谱特征及机理研究

测量重金属化合物氯化铬(CrCl₃)、氯化铜(CuCl₂)、氯化锌(ZnCl₂)的可见-近红外反射光谱(VNIRS),将重金属反射光谱与重金属元素的核外电子排布式联系起来,观察重金属化合物的反射光谱特征;结合晶体场理论分析重金属的特征反射峰出现的波段位置和原因。以湖北大冶地区土壤样品为例,向土样中添加不同浓度梯度的CrCl₃,CuCl₂和ZnCl₂并测定其可见-近红外反射光谱,研究不同种类不同浓度的重金属对土壤反射光谱的影响。对样本的反射光谱进行不同光谱预处理,探究重金属浓度与土壤反射光谱之间的线性相关关系及显著相关(p<0.05)波段出现的位置和潜在机理。结果表明,重金属化合物CrCl₃,CuCl₂和ZnCl₂在可见光-短波近红外波段范围内的反射光谱特征与重金属元素3d轨道上的电子填充状态有关。添加入土壤中的重金属化合物影响了土壤的可见-近红外反射光谱,其浓度与土壤反射光谱之间整体呈负相关,最大负相关系数分别为-0.788,-0.880和-0.824。样品反射光谱经不同预处理后,重金属浓度与土壤反射光谱之间的线性相关关系有所变化,显著相关波段信息更加丰富。研究表明,重金属的可见-近红外反射光谱与重金属的电子结构紧密相关,可见-近红外反射光谱技术可以检测到土壤中较高浓度重金属的存在,该技术在快速高效、无损低耗地预测土壤重金属元素含量方面拥有巨大潜力。基于部分重金属化合物的可见-近红外反射光谱特征,结合晶体场理论为土壤重金属的定性和定量反射光谱分析提供了理论依据和实验参考。     

综合型有机化学实验设计:N-苄氧基-2-氯-2-苯乙酰胺的合成与表征*

以苯甲醛和丙二腈为起始原料,经Knoevnagel缩合、环氧化、环氧化合物开环等3步反应,合成N-苄氧基-2-氯-2-苯乙酰胺,并对产物进行红外和核磁表征。实验内容与基础有机化学理论知识高度契合。结合产物分子结构的波谱分析,对于培养学生有机化合物多步合成能力和波谱解析能力,具有很好的教学效果。     

酞菁铁催化烯烃自由基膦叠氮化反应:利用叠氮快速转移合成膦叠氮的温和方法

含氮和磷原子的化合物是生命系统中不可缺少的组成部分,由于其独特的化学、生物和物理性质,已被广泛应用于农业化学、材料科学和制药学.如果一个有机化合物同时含有氮和磷原子,它可能因为胺和膦/磷酸盐基团的协同作用而具有额外的功能.2015年赵玉芬院士和唐果教授报道了一例自由基叠氮膦酰化的例子,该反应虽然有效,但因需使用化学剂量的氧化性自由基引发剂Mn(OAc)3·2H2O,因此,有必要发展一种更环保经济的方法.本文报道了铁催化烯烃的分子间自由基膦叠氮化反应.该方法使用了微量的催化剂,通过自由基接力与叠氮基团转移实现分子间自由基膦叠氮化反应.实验先进行条件筛选,考察了催化剂类型、催化剂用量、氧化剂类型、溶剂和温度对反应的影响,确定以酞菁铁为催化剂,叔丁基过氧化氢(TBHP)为引发剂,乙腈为溶剂,苯乙烯、叠氮基三甲基硅烷、二苯基膦酰为模板反应底物为最佳条件,实现了二苯基膦酰对烯烃的自由基膦酰基叠氮化反应.在最优条件下进行底物拓展,制备得到27种膦叠氮化合物,产率为23％～88％.以制得的膦叠氮产物为起始原料,通过叠氮还原和Click反应制备得到三种衍生物,产率为82％～97％,可作为药物合成中间体进行下一步研究.本文还进行了机理实验和理论计算.在自由基钟实验和自由基捕获实验中,通过两种不同速率的自由基开环反应与自由基捕获反应证实了反应的自由基路径.质谱检测到酞菁铁羟基(PcFeⅢOH)和酞菁铁叠氮(PcFeⅢN3)的存在.采用密度泛函理论计算了不同自旋态下的酞菁铁(PcFe),以确定可能的催化剂种类,并计算出三重态3pcFe最稳定.从三重态3pcFe开始计算铁催化叔丁基过氧化氢的单电子转移,并计算了从叔丁氧基自由基开始的自由基接力,证实了膦酰苄基自由基的形成是最有利的途径;研究结果发现膦酰苄基自由基能与4pcFe(N3)反应,发生叠氮基团转移生成目标产物.在叠氮基团转移计算中,考察了四种合理的途径,分别是苄基在三重态或五重态势能面接近叠氮基团的内部或端位氮原子(Ni和Nt).结果 表明,叠氮基团从叠氮基酞菁铁(Ⅲ)物种(PcFeⅢN3)转移到苄基自由基的活化能(4.8 kcal/mol)极低.据此催化循环机理可能为:酞菁铁首先与叔丁基过氧化氢发生单电子转移形成酞菁铁羟基中间体及叔丁氧自由基;然后,二苯基膦酰的氢原子被叔丁氧自由基攫取生成二苯基膦酰自由基,并加成至苯乙烯形成苄基自由基.同时,酞菁铁羟基中间体与HN3进行配体交换形成酞菁铁叠氮中间体,最后与苄基自由基进行叠氮基团转移生成产物,并重新生成酞菁铁(Ⅱ).本文证实了铁催化叠氮化反应的自由基基团转移机理(外球机理),因为很难想象如何在酞菁铁的同侧同时加成叠氮与苄基基团,通过生成高价铁物种(PcFe-N3·)的内球机理得到产物.该工作将有助于启发更多的金属催化机理研究.     

具有高电催化活性的g-C3N4-ZnS-DNA纳米复合材料的制备及应用

g-C3N4作为丰富的可见光光催化剂,具有独特的二维结构,优异的化学稳定性和可调的电子结构;但因其激子结合能高和结晶度较低,导致其光催化过程量子效率偏低,限制了光催化剂的推广应用.根据g-C3N4独特的可调电子结构,将其与半导体材料进行耦合,形成异质结构,通过调控半导体的能带结构,优化其光吸收能力,促进光生电子-空穴对的快速分离,从而抑制光生载流子的复合,提高其光催化效率.目前,人们已发展了许多g-C3N4与窄禁带和宽禁带半导体耦合形成的二元纳米复合材料,广泛应用于光催化降解污染物、光催化水解产氢和光催化还原将温室气体CO2转换成有用的碳氢燃料等方面,但关于g-C3N4基的三元复合光催化剂,尤其与天然纳米材料DNA复合,研究其电催化性能的却鲜有报道.近年来,随着环境污染日益严重,被称为环境激素的五氯酚(PCP)、壬基酚(NP)等一系列环境激素在水体和土壤等环境介质中长期残留,难以降解,且容易聚集在生物体内,通过空气循环和食物链等方式进入人体,对环境和人体产生极大的危害,所以越来越多的人致力于环境激素的高效筛选和检测的研究.常规的分析方法已经很难满足人们对环境激素的高灵敏检测的要求,而电化学方法因其操作简单、成本低廉、选择性好、灵敏度高、样品前处理简单等特点而备受关注.本文成功设计和制备了g-C3N4-ZnS-DNA三元纳米复合材料.首先,采用水热法制备了ZnS半导体纳米片,采用热解法制备了g-C3N4纳米片,接着将它们与DNA复合,成功制备了g-C3N4-ZnS-DNA纳米复合材料,通过苯胺聚合法修饰到玻碳电极表面,成功构建了NP和PCP环境激素新型的电化学传感器.通过透射电镜、X射线衍射、紫外-可见漫反射光谱和X射线光电子能谱等对其形貌、结构及组分进行了表征.采用CHI660C仪器对新型的电化学传感器的电催化性能进行了系统研究.通过循环伏安法(CV)和示差脉冲伏安法(DPV)研究了NP和PCP在g-C3N4-ZnS-DNA-GCE修饰电极的上的电化学行为.电化学阻抗谱表明,g-C3N4-ZnS-DNA纳米复合材料大大促进了修饰电极的电子传递能力,与g-C3N4膜相比,ZnS和DNA共掺杂的g-C3N4膜对NP和PCP的电化学响应明显提高,峰电流是g-C3N4膜的2倍,电催化活性明显增强.在最优化条件下,NP和PCP检测的线性范围分别为2.0×10–5–1.0×10–8和1.0×10–5–1.0×10–8 mol L–1,检出限均为3.3×10–9 mol L–1.将g-C3N4-ZnS-DNA-GCE修饰电极用于湖水中NP和PCP的测定,其回收率均高于90%,证明g-C3N4-ZnS-DNA纳米复合材料修饰电极可应用实际水样中痕量环境激素的测定.同时,我们分析了电催化活性增强的原因:(1)DNA分子通过C-O-C键连接到g-C3N4表面,导致ZnS纳米片组装成线性超结构,形成稳定的g-C3N4-ZnS-DNA纳米复合材料;(2)由于DNA和PCP或NP之间的相互作用使得电极表面上的PCP和NP的浓度增加;(3)纳米复合材料聚苯胺膜可促进电子转移和加速PCP或NP向电极表面的扩散;并提出了Z型g-C3N4-ZnS-DNA纳米复合材料的电子转移路径,以及PCP和NP的可能的电催化氧化机理.     

铈锰/硅基气凝胶载体的制备及其在合成碳酸二苯酯中的应用

分别采用原位合成法、浸渍法制备不同组成的铈锰/硅基气凝胶载体,利用XRD、BET、TEM、EDS、FT-IR等手段对其结构进行表征.结果表明:采用浸渍法制备的铈锰/复合硅基气凝胶,铈锰金属氧化物为纳米尺寸颗粒,孔道保留较为完整.以苯酚催化氧化羰基化合成碳酸二苯酯反应,考察了铈锰/硅基复合气凝胶载体载钯催化剂的催化性能,结果表明以浸渍法制备组分为m(Ce+Mn)/m(SiO_2)=20%载钯催化剂,在反应压力5 MPa、反应温度75℃、反应时间6 h时,碳酸二苯酯单程收率可达21.58%,选择性为99.27%.     

4-吡啶-NH-1,2,3-三唑构筑的两个Zn(Ⅱ)配合物的合成、结构和荧光性质（英文）

以4-吡啶-NH-1,2,3-三唑(L)为配体与ZnCl_2·H_2O分别在溶剂热和室温挥发条件下得到了配合物[Zn_2(L)_2Cl_4](1)和[Zn(L)_2Cl_2]·2H_2O(2),并进行了红外、元素分析、单晶衍射、粉末衍射等表征。2个配合物中,超分子相互作用对于配合物的结构有很大影响。其中,配合物1由氢键和π-π相互作用形成3D堆积结构,配合物2通过氢键作用形成堆积结构。同时,在常温下研究了配体以及2个配合物的固体和液体荧光性质。     

三个双肼桥连金属配合物的合成,结构和磁性

采用水热合成方法得到3个新的双肼桥连过渡金属化合物：[M（N₂H₄）₂Cl₂]_n（M=Mn（1）,Ni（2））,{[Co_1.5（N₂H₄）₃PO₄（H₂O）]·H₂O}_n（3）,用单晶X射线衍射方法对其晶体结构进行表征。化合物1是以2个肼分子桥联金属Mn和Ni形成1D链状结构,而粉末XRD显示1与2是同构的。化合物3是以2个肼分子桥联金属Co形成1D链,不同的1D链再通过磷酸根PO₄^3-进一步堆积形成3D结构。磁性测试表明肼桥在磁性中心之间传递反铁磁耦合作用。     

光催化与现代测试技术应用于物理化学实验的探索——以锑掺杂氧化铋的制备及光催化性能测试为例

以一个掺杂型复合催化剂的制备与催化性能测试为实例,尝试了将光催化和现代测试技术应用于物理化学实验教学。采用溶剂热法合成锑掺杂氧化铋纳米材料,并通过X射线粉末衍射和扫描电子显微镜对其成分和形貌进行表征。选取罗丹明B作为模拟有机污染物,对可见光条件下锑掺杂前后氧化铋纳米材料光催化性能进行评价。结合材料光学性质和光电性质分析探讨锑掺杂提高氧化铋纳米材料光催化性能的机制。通过开设该实验,可让学生获取化学学科的前沿知识,了解光催化反应以及各种现代测试技术的基本原理,掌握新的实验操作技能和数据处理方法,加深对物理化学基础知识的理解,对提高学生的综合实验能力,培养创新型、复合型人才具有重要意义。     

两个一维配位聚合物的合成、晶体结构、电化学及光学性质

合成了2个新的Robson大环配位聚合物{[Mn₂L¹(1,4-bix)₂](ClO₄)₂·5H₂O·DMF}_n(1)和{[Cu₂L²(1,4-bix)](ClO₄)₂}_n(2)(H₂L¹和H₂L²分别为1,3-丙二胺与2,6-二甲酰基-4-氟苯酚和2,6-二甲酰基-4-氯苯酚通过[2+2]缩合的产物)。2个配合物通过1,4-二(1,2,4-三唑-1-甲基)苯(1,4-bix)桥连大环单元形成一维链状结构。配合物的HOMO-LUMO能带间隙通过循环伏安法、紫外-可见漫反射光谱进行了测定,结果表明有较低的能带间隙。