过氧化氢生产与利用的新进展

过氧化氢既可用作环境友好的绿色氧化剂,也可用作燃料电池中的太阳能燃料,因而受到越来越多的关注.本文综述了太阳能驱动分子氧氧化水制备过氧化氢及其作为绿色氧化剂和燃料的研究进展.利用太阳能将水的e^-和4e^-氧化与分子氧的e^-还原相结合,使光催化生产过氧化氢成为可能;本文讨论了与e^-和4e^-水氧化选择性及e^-和4e^-氧还原选择性相关的催化反应控制.由于光催化e^-氧化水和e^-还原分子氧的过程都产生过氧化氢,因此该组合的催化效率较高.太阳能光驱动水氧化及分子氧还原生产过氧化氢与过氧化氢催化氧化底物相结合,在该过程中分子氧用作最环保的氧化剂.     

轨道对称性匹配:MXene基体上的单原子催化以实现优异的氮还原反应

氨作为一种可被植物直接吸收用以合成其他有机物的重要成分,在化学化工及含氮化合物的生产当中起着至关重要的作用.传统工业生产氨气采用Haber-Bosch工艺,将空气中丰富的氮气转化为氨气,但该工艺需要较高的压强和温度来促进氮气分解,因此会消耗大量能源.近年来,电催化反应发展迅速.在电催化工艺中,通过控制操作电位及电解质便可提高生产效率,降低能源消耗.基于这种策略,各种针对能源环境的催化研究应运而生,如二氧化碳还原、水分解反应等.其中,对于氮还原的催化研究尤其是电催化设计领域研究相对较少.研究发现,在电催化剂中,异构掺杂及原子尺度的调控可以极大地影响催化剂的催化活性.其中,单原子催化(SAC)因其在催化活性和催化选择性上的优势受到广泛关注.MXene是一种二维过渡金属碳化物或氮化物,其优异的化学性能和稳定的表面构型可以对单原子起到良好的锚定与支撑作用,是一种更具潜力的单原子催化基体.本文基于上述思想,利用密度泛函第一性原理等模拟软件,设计并研究了以MXene为基体的28种过渡金属单原子催化体系,计算并分析了各SAC@MXene体系对氮还原反应的催化效果,从限制电势、催化路径、反应机制等方面探索了其催化性能.并对体系进行了态密度、晶体轨道哈密顿量、差分电荷密度等电子结构分析,找到了适用于MXene体系的单原子催化设计原则.通过对限制电势的计算表明,Ni@MXene和Co@MXene体系具有很低的限制电势(-0.13和-0.17 V),说明这些体系在较低的启动电压下即可发生氮还原反应.研究发现了一种新型适用于SAC@MXene氮催化体系的酶促-远端反应机制.电子结构分析得到SAC原子与MXene基体的Ti原子在催化过程中存在一种协同作用.态密度及晶体轨道哈密顿量也显示出SAC原子与MXene基体Ti之间的一种轨道对称性匹配关系,揭示了这种协同作用对催化反应的积极作用.计算的氢析出反应(HER)结果也显示,在相同化学环境下,SAC@MXene体系氮还原反应相对于氢析出反应更易发生.     

Mo的引入方式对CeO2脱硝性能的影响

固定源排放的氮氧化物(NOx)导致了严重的环境污染问题,NH3选择性催化还原(NH3-SCR)被认为是目前控制NOx排放的最有效技术,已广泛应用于电力行业的烟气排放治理.然而,我国非电行业的NOx减排仍然面临着重大挑战,因为其排放的废气温度通常低于300oC,且含有一定量的SO2,传统的钒基SCR催化剂因活性温度(300～400oC)较高而无法有效发挥作用.因此,亟待开发新型的高效低温SCR催化剂.铈基催化剂由于氧化铈(CeO2)的优异储氧能力(OSC)和良好的氧化还原能力而显示出较好的低温(80～300oC)脱硝性能,如Mn-Ce,W-Ce,Ta-Ce,Cu-Ce和Nb-Ce等.但这些铈基催化剂易被烟气中的SO2毒化而导致催化活性降低.因此,提高铈基SCR催化剂抗硫中毒能力是其产业化应用的关键.已有研究发现,通过构筑结构保护层或添加另一种金属来保护活性组分是提高SCR催化剂抗硫性能的一种可行策略.氧化钼(MoO3)通常被用做传统V2O5/TiO2催化剂的促进剂以提高其水热稳定性和表面酸性.研究表明,在V/Ti催化剂中引入钼物种不仅可以提高其SCR活性,而且提高了V/Ti催化剂的抗SO2性能,这是由于VMo/Ti表面较少的V–O–V键削弱了对SO2的氧化作用.Tang等开发了一种Fe2O3/MoO3纳米片催化剂,显示出比纯Fe2O3更好的抗SO2能力,主要是由于层状结构的MoO3能阻止NH4+在硫酸氢铵中的沉积.目前关于Mo的引入方式即催化剂的制备方法对铈基催化剂物化性能和NH3-SCR催化性能(特别是抗SO2能力)的影响的研究还比较少.本文分别采用浸渍法和沉淀法在CeO2中引入钼物种,制备了Mo-CeO2和MoCe-cp催化剂来探究制备方法对MoCe催化剂的脱硝性能及抗SO2中毒能力的影响.结果表明,引入Mo可以显著地提高CeO2的低温脱硝性能,其中Mo-CeO2催化剂在150 oC即可达到80％以上的脱硝效率,同时抗SO2中毒性能也得到了显著提高.对催化剂结构、氧化还原能力、表面酸度和反应物分子的吸附脱附性质进行了表征,并与MoCe催化剂脱硝性能和抗硫性能相关联.结果表明,Mo-CeO2和MoCe-cp催化剂的物理化学性质和脱硝性能有明显区别.首先,Mo-CeO2中的钼物种主要存在于CeO2表面,而MoCe-cp中的钼物种主要存在于CeO2体相,其为Mo-CeO2表面带来大量的Br?nsted酸位并抑制了硝酸盐的吸附,促使NH3-SCR反应按照Eley-Rideal机理进行,进而表现出优于MoCe-cp的低温活性.其次,Mo-CeO2表面更多的Mo物种抑制了SO2的吸附,从而使Mo-CeO2表现出更好的抗SO2性能.本文为具有实际应用前景的铈基NH3-SCR催化剂的设计提供了参考.     

B改性钒钛催化剂低温NH_3-SCR还原NO_x

选择性催化还原(SCR)技术是降低柴油机NO_x排放的常用技术,其核心部件为催化剂.目前最广泛使用的催化剂为V_2O_5/TiO_2催化剂,但其存在一些缺点,如低温活性不佳、活性温度窗口较窄等.为了解决该催化剂存在的上述一系列问题,我们对V_2O_5/TiO_2催化剂进行改性处理.采用溶胶-凝胶法和浸渍法制备了B改性的V_2O_5/TiO_2催化剂,在标准工况下,在催化剂活性测试平台上对B改性后的催化剂进行活性测试实验,采用XRD、BET和NH_3-TPD对催化剂结构进行表征.实验结果表明B改性能有效增大催化剂的比表面积和孔容,使催化剂表面弱酸量增加,进而表现出较高活性和稳定性.此外,研究了空速、氧气浓度、氨氮比以及SO_2和H_2O(g)对催化剂选择性催化还原NO_x的影响.结果表明,改性催化剂具有较好的抗硫、抗水中毒能力.     

“蓝瓶子”实验再探究*

利用SPSS 25.0统计软件对“蓝瓶子”实验进行正交实验设计,通过统计学分析得出最佳实验条件。利用氧化还原传感器(ORP)对“蓝瓶子”振荡体系的电极电势变化曲线进行分析,并针对蓝色的产生和消失过程设计3组对比实验深入探究,阐明其反应原理,意在引导学生深刻理解趣味实验现象背后的微观反应本质。     

CBS还原合成手性1-苯乙醇实验设计*

将学科热点之一催化不对称合成策略引入实验教学中,通过CBS还原制备手性醇。实验以苯乙酮为原料,还原得到粗产物手性1-苯乙醇,经制备色谱仪分离提纯,气相色谱和自动旋光仪表征产物的光学性质。实验为综合型有机化学实验,通过此实验,学生在掌握手性醇合成原理与方法的同时,进一步学习手套箱、气相色谱、制备色谱仪、自动旋光仪等新技术,以提升学生综合科研素质。     

锌活化Fe/Co/N掺杂的生物质碳基高效氧还原催化剂

为了推动清洁能源-燃料电池的广泛应用, 迫切需要研发成本低、 原料来源广泛的过渡金属基高效氧还原反应(ORR)催化材料, 来替代目前使用的贵金属铂基催化材料. 本文以铁和钴等非贵金属离子作为催化材料的主要活性位点, 通过金属-羧基/羟基螯合键原位预锚定在具有三维(3D)孔道结构、 富含羧基和羟基以及极易在水溶液中形成凝胶网络的海洋生物质材料海藻酸钠上, 经冷冻干燥得到气凝胶; 然后通过高温碳化, 得到活性位点均匀分布在具有多级孔结构的碳骨架中的高活性、 高稳定的Co/Zn/Fe/N@bio-C-2氧还原催化剂材料, 该催化剂包含2种不同的铁基活性材料(Fe₂O₃和Fe)以及2种不同的钴基活性材料(CoO和Co).利用硝酸锌作为活化剂来改善催化材料的孔道结构, 使制备碳材料的总面积从149.3 m²/g增加到325.3 m²/g. 通过一系列对比实验发现, Fe/Co双活性位点与合适比表面积的协同作用使得Co/Zn/Fe/N@bio-C-2获得了最佳的ORR催化活性.其在0.1 mol/L KOH溶液中起始电位达到0.99 V, 半波电位可达0.87 V.     

气相色谱法辅助分析环状1,3-二羰基化合物的去对称对映选择性还原反应机理

建立了一种利用气相色谱(GC)检测1,3-环戊二酮化合物去对称对映选择性还原反应转化率和产物含量的方法,作为一种重要辅助手段,用于磷中心手性膦酰胺催化环状1,3-二酮类化合物的去对称对映选择性还原反应机理的研究.样品经DB-WAX色谱柱(30 m×0.25 mm,0.25μm)分离,以标准化合物比对的方法,采用GC进行定性及定量分析,可简便、快速、准确测定在不同反应时间剩余原料和生成的不同产物的量.采用本方法对无添加剂和催化剂、只加入添加剂、只加入催化剂以及同时加入添加剂和催化剂4种情况下的反应进程进行了检测.结果表明,相比其它3种反应体系,同时加入添加剂N,N-二异丙基乙胺(DIPEA)和催化剂的反应体系的原料转化速度快,在5 min内反应转化率达到80％以上,单还原目标产物的含量接近70％.对照实验结果表明,加入DIPEA可大幅提高产物的对映选择性.本研究结果有助于深入理解相关反应的机理,即胺类添加剂的加入可促进手性活性催化物种的生成.     

精确可控串联策略触发高效的氧还原活性

探索高效、经济的非金属氧还原(ORR)电催化剂已成为电化学能源体系的关键.科学界最具挑战性的目标之一是通过合理地验证和精确地调节活性位点来设计结构明确、性能优异的催化剂材料.本文提出一种精确和可控的串联协同作用的活性位点策略,以提高MFCOFs的ORR催化活性.以亚胺-N、噻吩-S和三嗪-N等作为结构单元,通过精确的串联策略合成了三种MFCOFs,分别为亚胺-N构建的TFPB-TAPB-COF、亚胺-N和噻吩-S构建的BTT-TAPB-COF以及亚胺-N、噻吩-S和三嗪-N三种活性中心构建的BTT-TAT-COF.将三种MFCOFs置于超临界二氧化碳中活化处理后,采用傅里叶变换红外光谱仪、X射线衍射、交叉极化结合魔角旋转技术¹³C核磁共振法和热重分析法、氮气吸脱附曲线等表征手段对其进行了测试,并在含有0.1 M KOH的电解液中测试其ORR催化活性.结果表明,与BTT-TAPB-COF相比,BTT-TAT-COF展现出更优异的ORR催化性能;而BTT-TAPB-COF的催化性能优于TFPB-TAPB-COF.具体表现为,BTT-TAT-COF的半波电位(0.77 V)和起始电位(0.87 V)均高于BTT-TAPB-COF(0.71 V,0.80 V)和TFPB-TAPB-COF(0.65,0.73 V).此外,BTT-TAT-COF表现出较低的塔菲尔斜率和接近于4电子的ORR过程,说明其具有较高的反应速率.DFT计算结果表明,在费米能级附近,BTT-TAPB-COF比TFPB-TAPB-COF具有更窄的带隙,而BTT-TAT-COF具有最窄的带隙.因此,与TFPB-TAPB-COF和BTT-TAPB-COF相比,BTT-TAT-COF可以更有效地激发电子转移,增强ORR活性.此外,利用三种结构的吉布斯自由能图分析了ORR的过电位.结果表明,当亚胺-N、噻吩-S和三嗪-N结构被引入骨架后,相同位点的过电势降低.由此可见,亚胺-N、噻吩-S和三嗪-N作为催化活性位点诱导了正的ORR过程.此外,BTT-TAT-COF中部分碳原子(BTT-TAT-5,9,10)的过电势均低于BTT-TAPB-COF和TFPB-TAPB-COF中所有位点的过电势,表明多活性位点发挥了协同催化的作用.本文证明了精确串联协同催化的多活性位点策略提高ORR性能的可行性,并为构建高效的COF基非金属ORR催化剂提供新的见解.