钛副族金属氧化物催化合成气转化性能的研究

将超临界法制备的钛副族纳米金属氧化物（TiO₂、ZrO₂、HfO₂）分别与ZSM-5分子筛和石英砂混合得到双功能催化剂（Ti/HZ、Zr/HZ、Hf/HZ）和金属氧化物催化剂（Ti/Si、Zr/Si、Hf/Si）。研究了金属氧化物的晶体结构、表面氧空位和合成气吸附性能对金属氧化物催化剂和双功能催化剂催化CO加氢性能的影响。结果表明,双功能催化剂可以直接催化合成气制芳烃。金属氧化物表面氧空位浓度、氧空位电子性质和金属氧化物的H/C比（CO和H₂吸附量之比）共同决定着金属氧化物表面中间体产物的种类。ZrO₂表面的碳氢氧（CH_xO^*）中间体产物有利于Zr/HZ获得芳烃高选择性（71.15%）,而TiO₂和HfO₂中的CH₃^*则导致Ti/HZ和Hf/HZ的催化产物CH₄选择性较高。     

溶剂热合成可调控氧空位的Bi2MoO6纳米晶及其光催化氧化制喹啉和抗生素降解

近年来,半导体光催化在环境净化和有机合成领域的研究引起了广泛的重视.其中,在有机合成领域中,光催化技术已经应用在醇类、环己烷以及芳香族化合物的选择性氧化研究.而另一类具有特殊结构的有机物——N-杂环芳烃,在药物化学和材料科学中具有重要意义.而传统用于合成N-杂化芳烃的脱氢催化氧化反应通常需要高温高压的苛刻环境,传统方法通常还需要使用贵金属催化剂,这也增加了N-杂化芳烃的合成成本;另外,如果合成是均相催化过程,则催化剂难以实现回收利用.因此,开发室温常压条件下的非贵金属多相光催化技术具有巨大的应用前景.本文以能够被可见光驱动的钼酸铋半导体为催化剂,利用氧缺陷策略来提升钼酸铋的光催化氧化性能.不同于传统氧缺陷制备方法(氢气还原热处理、离子掺杂等),本文采用一种低成本的乙二醛辅助溶剂热的方法合成具有可调控的含氧空位Bi₂MoO₆催化剂(OVBMO).通过X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜、透射电镜、紫外可见漫反射吸收光谱、氮气物理吸附脱附、X射线光电子能谱(XPS)、电子自旋共振光谱、光致发光光谱及电化学测试等技术对制备的OVBMO材料进行了物理化学性质及能带研究.XPS,XRD,Raman和FT-IR结果表明,氧空位存在于[Bi₂O₂]²⁺和MoO₆八面体的层间.紫外可见漫反射结果表明,随着氧空位的引入,Bi₂MoO₆的光吸收范围扩大,带隙变窄.结合莫特肖特基和VBXPS分析获得OVBMO的能带位置,发现氧空位的存在不仅会导致禁带中出现缺陷带能级,还会导致价带顶位置上移,促进光生空穴的迁移.PL和电化学结果表明,氧空位的存在使得载流子浓度、载流子的分离能力与界面电荷迁移能力都有较大提升,这是因为氧空位引入的缺陷能级可以浅势捕获电子,抑制光催化剂中的电子与空穴的复合,改变化学反应的速率.同时,氧空位有助于捕获分子氧,分子氧与捕获的光生电子发生反应,产生更多的超氧自由基(·O₂)和空穴(h⁺),从而极大地提升光催化剂的氧化性能.因此,OVBMO在1,2,3,4-四氢喹啉脱氢氧化产生喹啉及系列抗生素(环丙沙星、四环素、盐酸土霉素)的降解反应中,表现出较好的光催化氧化性能.结合多种表征分析,本文还进一步阐明了OVBMO催化剂将1,2,3,4-四氢喹啉脱氢氧化为喹啉的自由基参与的多相催化反应机理.     

锰氧化物中氧空位的构建及其催化氧化苯系物作用机制研究进展

作为一种过渡金属氧化物,锰氧化物以其多晶型、储/释氧能力强、蕴含丰富氧物种、结构缺陷可控等优点被广泛应用于苯系物的热催化氧化。其中,具有众多特性的氧空位能有效促进苯系物的完全催化氧化,因而成为各界研究的焦点。我们综述了常见的氧空位构建方法及表征技术,并总结了在苯系物催化氧化过程中,锰氧化物中氧空位的几种重要作用机制对催化活性和抗水性能的积极影响。最后文章对氧空位构建新方法、形成机理、具体过程及其在锰氧化物热催化氧化苯系物领域中的应用进行了总结和展望。     

多种纳米结构Fe掺杂TiO2光热耦合水分解制氢研究

氧空位是材料缺陷工程的重要组成. 基于光生氧空位的直接热利用, 实现纯水分解制氢的光热耦合实验, 被认为是太阳能综合利用的有效途径. 以多种制备方法合成的TiO₂纳米材料为基础, 研究了多种形貌纳米TiO₂及其Fe掺杂改性材料的光热耦合反应能力. 通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 X射线衍射(XRD)和电子顺磁共振(EPR)对晶体特征进行表征, 利用漫反射光谱(DRS)、 光致发光(PL)和三电极测试法表征了材料的性能, 并结合密度泛函理论(DFT)计算了产氢反应路径. 研究结果表明, 溶胶-凝胶法制备的纳米颗粒相比水热法制备的纳米片及纳米线, 体相内缺陷较多, 载流子强度高, 光热耦合产氢效果较差. Fe掺杂改性扩展了光响应, 增强了载流子分离和寿命, 降低了电子传输阻抗, 利于光反应过程中光生氧空位的形成, 克服了制氢反应中的关键能垒. 同时, 纳米材料中的缺陷促进了Fe离子的有效掺杂, Fe掺杂TiO₂纳米颗粒的光热耦合平均产氢量为9.73 μmol/g, 性能提升达13倍.     

金刚石纳米线氮空位色心的表面与尺寸效应

使用大规模自旋极化密度泛函理论计算研究了表面修饰和尺寸对金刚石纳米线(DNs)中氮空位(NV)色心的几何结构、 电子结构、 磁性和稳定性的影响. 理论上设计了几种不同的DNs, 这些DNs具有不同的表面修饰(干净、 氢化和氟化), 并且直径达数百个原子. 实验结果证明, 中性(NV⁰)和带1个负电荷(NV^-)的NV色心的电子结构不受半导体表面修饰和DNs直径大小的影响, 但NV色心的稳定性对这两个因素具有不同的响应. 此外, 研究中还发现, 由于DNs中存在圆柱形表面电偶极子层, 对DNs中掺杂的NV^-色心的稳定性, 表面改性诱导了不依赖尺寸的长程效应. 特别地, 对于n型氟化金刚石表面, 掺杂在DN中的NV^-色心可以稳定存在, 而对于p型氢化表面, NV⁰则相对更稳定. 因此, 表面修饰为控制金刚石纳米线中的NV色心的电子结构和稳定性提供了一种精确有效的调控方法.     

DNA G-四链体的结构完整性对催化性质的影响

DNA酶中的G-四链体-血红素(G4-hemin)DNA酶结构具有较高的设计性和化学稳定性,因此格外受研究者关注.G-平面作为辅酶因子hemin的结合位点,不仅提供大π平面与hemin结合,而且其平面上的G碱基还可以充当近端配位基团与hemin进行配位.因此,研究G-平面完整性在G4-DNA酶体系中的作用具有重要意义.本文设计了一系列含有空位的G4(G-vacancy,GV)及G-三链体,通过“鸟嘌呤类似物插入”策略实现G-平面完整性以及DNA酶催化活性的恢复.结果表明,末端G-平面完整性是G4-DNA酶具有催化活性的必要条件,且其能够充当近端配位基团与末端碱基协同激活G4-DNA酶.考虑到hemin会选择性地结合于G4的3’-端平面,本文以含有3’-端空位的G4以及G-三链体为模型进行DNA酶的构建.结果表明,相较于末端完整的G4-hemin DNA酶,末端不完整的G4结构所形成的DNA酶催化活性很低.为了进一步验证该平面完整性的重要性,本文提出了“鸟嘌呤衍生物插入”策略,即将鸟嘌呤衍生物(无环鸟苷和鸟苷)插入G-空位以恢复G-平面的完整性.通过圆二色光谱和紫外熔解实验,发现末端平面完整性的缺失会使圆二色特征峰信号和G4结构热稳定性下降,而鸟嘌呤碱基类似物的加入则可以使特征峰信号以及热稳定性得到一定程度的恢复,表明鸟嘌呤碱基类似物的加入确实使G-平面完整性得到恢复.与此同时,随着鸟嘌呤碱基类似物浓度的增加,G4-hemin DNA酶活性逐渐增强,最终恢复至与完整G4一样的活性.在以G-三链体为模型的实验中,本文通过另一条富G序列与G-三链体进行结合,形成复合的(3+1)型G4结构,最终实现了DNA酶活性的恢复.同时,在3’-G-平面末端增加了激活碱基(dA或dTC),结果表明,即使G-平面不完整,末端碱基依旧能够激活DNA酶,但酶活性整体弱于完整G4时的活性.同样,“鸟嘌呤衍生物插入”策略可以使酶活性得到恢复.本文系列实验充分说明了末端碱基可与G-平面形成协同作用,与hemin的铁中心共同形成六配位关系,加速催化中间体生成,进而增强催化活性.有趣的是,通过设计Holliday junction结构研究发现,“鸟嘌呤衍生物插入”策略仅适用于平行G4结构.G-空位的存在不仅降低了G4结构的稳定性,而且降低了其与hemin间的亲和力,二者均是造成G4-DNA酶催化能力下降的主要因素.总之,本文证明了3’-端G-平面的完整性是G4-DNA酶实现其催化能力必不可少的因素,对理解末端G-平面在G4-DNA酶中的作用具有重要的参考意义.     

ZIF-8衍生的具有可控氧空位的ZnO对光催化去除NO的增强及毒性NO2形成的抑制

氧化锌作为一种半导体材料,具有合适的能带结构位置,高催化效率,低成本和环境可持续性,因而广泛用于光催化领域.然而,由于氧化锌的宽带隙,可见光吸收能力差以及光生电子-空穴对的快速复合,极大地影响了其光催化效率.通过引入氧空位调控光催化剂的结构被证明是一种可以改善光生载流子的分离,从而提高光催化性能的有效方法.本文以ZIF-8为前驱体,采用两步煅烧法合成了具有不同浓度氧空位分布的ZnO纳米光催化剂,通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、X射线光电子能谱(XPS)、电子顺磁共振(EPR)、荧光光谱仪(PL)等手段系统地分析了合成的光催化剂的理化性质,并评价了它们在可见光下光催化氧化去除NO反应性能.EPR结果表明,样品中氧空位的浓度取决于温度处理的过程.通过两步煅烧法得到氧化锌中氧空位的含量高于一步直接煅烧法所得的样品.此外,随着煅烧温度升高,合成的氧化锌晶格越完好,其氧空位含量越少.UV-Vis DRS结果表明,两步煅烧法合成的ZnO与商业的ZnO及一步法直接煅烧合成的ZnO相比,其吸光范围从紫外光拓展到了可见光,表现出了更加优异的吸光性能.光催化反应结果表明,与商业氧化锌和一步直接煅烧法所得样品相比,两步煅烧法合成的样品表现出了更优异的光催化去除NO性能,并抑制了中间产物毒性NO2的产生,促进了NO的深度氧化.具体反应路径为:在光照过程中,光生电子很容易被氧空位俘获,与O2反应产生更多的超氧自由基(·O2^-),从而将NO氧化成最终的产物硝酸盐.尤其有趣的是,先在350 ℃煅烧2小时再400℃煅烧1小时的两步法样品Z 350-400的NO去除效率分别比一步法样品Z 400(400℃煅烧)和商用ZnO高出1.5和4.6倍.这表明以MOF材料衍生的具有适当量氧空位的金属氧化物为一种高效去除NO的光催化剂具有很好的应用前景.     

Ir(111)表面石墨烯中缺陷的原子结构确认

识别和解析石墨烯中缺陷的精确原子结构是研究不同类型缺陷的物化特性, 实现石墨烯物性调控的前提, 可以为在原子尺度研究石墨烯缺陷的构效关系提供重要的实验依据. 本文结合扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)确认了在Ir(111)表面生长的石墨烯中自发形成的缺陷, 以及通过离子轰击方法在石墨烯中引入的多种缺陷结构, 包括单空位缺陷、 非六元环拓扑结构以及石墨烯层下的基底缺陷.     

快冷Fe-Al合金中的原子缺陷弛豫

在多功能内耗仪上用自由衰减和强迫振动方法研究了不同Al含量淬火Fe-Al合金中的两个弛豫型内耗峰.结果显示：P1(180℃)和P2(340℃)两个内耗峰只出现在淬火样品的加热过程中，而在随后的冷却过程中不出现.P1峰是由在α和β(或γ)点阵上的空位组成的最近邻双空位偶极子在应力诱导下的重新取向产生的，其弛豫强度随Al含量非单调地变化，在大约25% Al(原子百分比，以下同)处出现最大值.Al含量较低的Fe-Al合金无     

NiAl中空位迁移机制的计算机模拟

运用分子动力学方法采用F-S多体势函数从原子尺度上模拟了NiAl金属间化合物中单空位的迁移运动行为，认为空位随成分的变化而采取不同的迁移方式：成分在理想化合比附近空位迁移主要以六步循环方式进行，其中V_Al主要以直型［100］六步循环方式迁移，V_Ni以［110］型六步循环方式占优势；当成分偏离时在富Ni一侧空位迁移则以ASB方式占很大的优势.计算所得NiAl金属间化合物中单空位迁移激活能与实验值相符，从微观上合理地解释了NiAl金属间化合物淬火实验中较高淬火温度对 关键词：