“非保护型”金属胶体纳米簇形成机理研究

碱-乙二醇法制备的"非保护型"金属及合金纳米簇由表面吸附的溶剂分子和简单离子实现稳定化,它们被广泛用于制备高性能复相催化剂和研究复相催化剂中的尺寸、组成、载体表面基团以及修饰剂对催化性能的影响。关于此类非保护金属纳米簇的形成过程及机理的认识尚有待进一步深化。本文采用原位快速扫描X射线吸收精细结构谱(QXAFS)、原位紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱、透射电子显微镜和动态光散射技术研究了碱-乙二醇法合成中非保护型金属胶体纳米簇的形成过程与机理。结果表明,在碱-乙二醇法合成非保护型Pt金属纳米簇的过程中,室温下即有部分Pt(IV)被还原至Pt(II)。随着反应温度的升高,OH-逐渐取代与Pt离子配位的Cl-,在Pt―Pt键形成之前,反应体系的UV-Vis吸收光谱中可观察到明显的纳米粒子的散射信号,原位QXAFS分析表明Pt纳米簇是由Pt氧化物纳米粒子还原所形成的;在Ru金属纳米簇的形成过程中,OH-首先取代了Ru Cl_3中的Cl~-,形成羟基配合物Ru(OH) _6~(3-),后者进一步缩合形成氧化钌纳米粒子,最终Ru金属纳米簇由乙二醇还原氧化钌纳米粒子形成。由于先形成了氧化物纳米粒子,后续的还原反应被限制在氧化物纳米粒子内,使最终得到的非保护型金属纳米簇具有尺寸小、分布窄的特点。本工作所获得的知识对发展高性能能源转化催化剂、精细化学合成催化剂、传感器等功能体系具有重要意义。     

三元Ho3+-TiO2/Bi等离子体复合纤维制备及其可见光催化产氢性能

以电纺Ho³⁺-TiO₂纳米纤维为基质,葡萄糖酸钠为还原剂,采用水热法制备Ho³⁺-TiO₂/Bi等离子体复合纤维光催化剂。 利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和瞬时光电流(IP)等分析测试手段对样品的物相、形貌和光电性能等进行表征。 以三乙醇胺为电子给体,研究了Ho³⁺-TiO₂/Bi光催化分解水产氢的反应过程。 结果表明:在水热过程中,Bi³⁺被葡萄糖酸钠还原成单质Bi纳米颗粒,复合在Ho³⁺-TiO₂纳米纤维表面形成肖特基结。 金属Bi通过局域表面等离子体共振效应结合稀土元素丰富的能级结构和4f电子跃迁特性,对TiO₂进行双重修饰改性,有效提高了TiO₂的光催化活性和稳定性,可见光下产氢速率最大为43.6 μmol/(g·h)。     

金属硫化物在可充电电池中的研究进展

低成本、长寿命、高安全性、高性能且易于大规模生产的锂/钠离子电池已被证实为重要的二次储能设备。 电极材料对锂/钠电池性能与循环寿命影响极大,金属硫化物由于具有高比容量和低电势而极具潜力成为锂/钠离子电池负极材料。 在电化学循环过程中,由于金属硫化物容易产生穿梭效应和体积变化,从而电极材料结构被破坏,进一步导致电池容量衰退、稳定性降低。 本文总结了多种金属硫化物的微观结构调控策略,从三维空间构建到与其它材料的复合,增强了电极的导电性和减缓体积变化带来的负面影响,进而获得性能优异的金属硫化物负极材料。 通过对金属硫化物的结构与性能的讨论,对其研究前景进行了积极的展望。     

一个各向异性磁稀释杂化钙钛矿系列[CH3NH3][CoxZn1-x(HCOO)3]

Inorganic-organic or hybrid perovskite materials, which are the complementary counterparts of pure inorganic perovskites, can provide many new opportunities in the researches of phase transitions, critical phenomena, and relevant properties, as they combine the characteristics of inorganic and organic components. Therefore, the hybrid perovskites of ammonium metal formate framework are very promising, and their properties have been found to be strongly dependent on the characteristics of the constituent metal ions and/or ammonium ions. Herein, we used solid solution strategies, borrowed from solid state chemistry, to investigate the anisotropic diluted magnetic hybrid perovskite system of [CH₃NH₃][Co_xZn_1-x(HCOO)₃], wherein the B-sites are occupied by the mixed metal ions of Co²⁺ and Zn²⁺. The solid solution compounds of this series in the range x = 0–1 (or the molar percent Co% = 0–100%) were successfully prepared using conventional solution chemistry methods. The resulting compounds were demonstrated to be iso-structural by using both single-crystal and powder X-ray diffraction analyses. The solid solution crystals belong to the orthorhombic space group Pnma, with the cell parameters being a = 8.3015(2)–8.3207(3) Å, b = 11.6574(4)–11.6811(5) Å, c = 8.1315(3)–8.1427(4) Å, and V = 787.89(5)–790.98(7) ų. The perovskite structure consists of a simple cubic anionic metal-formate framework and CH₃NH₃⁺ cations which are located in the framework cavities, with N―H···O hydrogen bonds formed between the framework and the cation. The members of this series showed negligible changes (< 0.4%) in their respective lattice and structural parameters. Thus, the prepared solid solution compounds constitute good molecule-based examples for the study of magnetic dilution under almost the same structural parameters and molecular geometries. Upon dilution, the magnetization per mole of Co at low temperatures and low fields was suppressed by the magnetic anisotropy of Co²⁺ and gradual destruction of the large spin canting between coupled Co²⁺ ions, in contrast to the magnetization enhancement observed in the isotropic diluted system of [CH₃NH₃][Mn_xZn_1-x(HCOO)₃] with the same perovskite structure. The percolation limit was estimated as (Co%)_P = 27(1)% (or x_P = 0.27(1)) from the magnetic data, which was slightly lower than that predicted by the percolation theory for a simple cubic lattice (31%); this trend was due to the strong magnetic anisotropy of the present system. In addition, rare incommensurate phase transitions were primarily detected below ~120 K for the pure Co and Zn members, which may also affect the magnetic properties of the materials.     

纳通道的物质传输特性及应用

近年来,随着材料科学、微纳加工技术和微纳尺度物质传输理论的发展,纳通道技术得到了越来越多的研究和关注。纳通道包括生物纳通道和人工纳通道,其孔径通常为1~100 nm。在这一尺度下,通道表面与通道内物质之间的作用概率大大增强,使得纳通道表现出许多与宏观体系不同的物质传输特性,例如通道表面电荷与通道内离子之间的静电作用产生了离子选择性,通道内电化学势的不对称分布产生了离子整流特性,物质传输过程中占据通道产生了阻塞脉冲特性等。纳通道中的这些物质传输特性在传感、分离、能源等领域具有广泛应用,例如通过对纳通道进行功能化修饰可以实现门控离子传输;利用亚纳米尺度的通道可以实现单分子传感;利用通道与传输物质之间的相互作用可以实现离子、分子、纳米粒子的分离;利用纳通道的离子选择性可以在通道内实现电荷分离,将不同形式的能量（如光、热、压力、盐差等）高效转化为电能。纳通道技术是化学、材料科学、纳米技术等多学科的交叉集合,在解决生物、环境、能源等基本问题方面具有良好的前景。该文综述了近10年来与纳通道物质传输理论以及纳通道技术应用相关的前沿研究,梳理了纳通道技术的发展过程,并对其在各个领域的应用进行了总结与展望。     

钛酸锶光催化剂的改性研究进展

钛酸锶（SrTiO3）光催化剂是一种钙钛矿型三元氧化物,具有较强的氧化还原能力、良好的物理化学稳定性及环境友好等特点,在光催化各领域得到了广泛应用,如制氢/降解/光电催化等。SrTiO3对太阳光的利用率较低,且其本征光催化活性受光生载流子分离效率等因素限制,阻碍了实际应用。针对以上问题,将围绕国内外SrTiO3改性研究的现状进行综述,主要从掺杂、负载、复合改性等方面进行陈述。最后,对高效稳定SrTiO3光催化剂的未来发展趋势进行展望。     

炭材料负载金属催化剂催化硅氢加成反应进展

炭材料具有比表面积大、孔径可调、取材广泛等优点,以其为载体负载金属活性组分制备硅氢加成催化剂极具发展前景.我们详细总结了近20年不同炭材料如活性炭、石墨与石墨烯、碳纳米管、富勒烯、卡宾等在硅氢加成反应中负载金属催化剂的制备方法、催化性能以及可能的催化机理,并对有望应用到该反应的新型炭材料载体进行了对比与展望.认为未来硅氢加成炭负载型催化剂的研究可聚焦于(1)探寻新型双金属活性组分以进一步提高催化活性;(2)研发更具优势的金属配体,明晰配体与载体、配体与金属之间的相互作用关系以提高催化选择性与稳定性;(3)结合科学可靠的催化机理研究,以期研发出更符合可持续发展要求的炭负载型硅氢加成金属催化剂,可使硅氢加成反应基本实现原子经济性.     

含氮原子桥联吡咯基稀土金属双核配合物的合成及催化ε-己内酯的开环聚合反应

RE(CH2SiMe3)3(THF)2和1.5 equiv.(C4H3NHCH2)2NCH3(1)反应合成得到含氮原子桥联吡咯基稀土金属双核配合物[η1∶η1∶η1-(C4H3NCH2)2NCH3]RE{μ-η5∶η5∶η1-(C4H3NCH2)2NCH3}RE[η1∶η1∶η1-(C4H3NCH2)2NCH3](THF)[RE=Y(2),Er(3),Yb(4)],所得配合物经过核磁共振、红外和元素分析表征,配合物2和4经单晶X-Ray进一步确认结构.同时研究了稀土配合物作为单一组分催化剂催化ε-内酯的开环聚合反应.     

过渡金属表面上水生成经典Horiuti-Polanyi机理与非Horiuti-Polanyi机理选择的总体趋势（英文）

在非均相催化加氢反应中,氢气(H2)一直被公认为是通过两步基元步骤参加还原反应的,包括第一步的分子解离和之后的反应物与原子氢键合,即所谓的Horiuti-Polanyi(HP)机理.直到我们研究组在Ag或Au催化丙烯醛加氢还原反应理论研究中发现非HP机理加氢路径存在时,新的机理才被提出,并引起广大研究者的浓厚兴趣.考虑到表面羟基(OH)和氧(O)在非均相催化体系中广泛存在,如常见的过渡金属催化的费托合成、甲烷重整、水汽转化及氨氧化等反应,基于第一性原理的密度泛函理论计算方法,我们对OH/O在一系列过渡金属催化作用下还原生成水的微观机理进行了系统全面的探究.研究发现,不同金属对应于不同的催化氢化反应活性,以及不同的催化反应机理.在某些金属上H2以分子形式进攻反应物种的非HP机理有利,而在其它金属上经典的H2解离后参与氢化还原反应的HP机理更容易发生.详细分析显示, H2的解离活性决定了反应机理的种类:在对H2解离具有催化活性的金属(如Pt、Ni)表面,不论是(211)台阶面还是(111)平面, H2解离几乎都是无能垒过程,且伴随氢原子的强吸附,反应放热明显,导致活泼金属上HP机理更容易发生;与之相反,在不活泼的催化剂表面, H2解离很难发生,原子吸附也相当微弱,相比于断键裂解, H2更倾向于发生分子氢化的非HP机理.另外,本文还定义了一个新的结构描述符(η)来帮助理解两种机理发生的结构因素差异.η是衡量分子氢化过渡态结构(TS)中H–H键解离程度的参数,根据其定义上下限数值分别设定为H2在各催化剂表面解离过渡态的键长(Ddis)和游离分子态的键长(DH2).结果显示,易发生非HP机理的催化剂表面的TS结构对应的η参数普遍低于0.4,即H–H原子对的确是以近分子形式参与氢化反应;相反发生经典HP机理的催化剂表面,η参数普遍在0.5–0.8,即H–H即使以分子形式参与反应也是处于近解离状态,这预示了以解离吸附氢参与反应的优选性.     

金属配合物和一氧化碳的反应

一氧化碳是发展可持续化学经济的重要原料。人们希望能够将一氧化碳催化转变成高附加值化学品,从而减少石油等化石资源对人类的束缚。研究均相金属配合物与一氧化碳的反应能够使人们了解一氧化碳转变及利用机理,并开发新催化剂高效地利用一氧化碳资源。本文从金属配合物与一氧化碳反应的活性点出发,分别讨论不同类型的金属配合物与一氧化碳的反应,以求让人们在分子水平上了解一氧化碳的基本反应原理;并总结了该领域存在的难点问题,展望了未来,希望更多的科研工作者投入其中,从而实现利用一氧化碳合成出各种各样的化学品和材料。