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.     

单烃基苯/正庚烷模型柴油的实验研究

通过发动机台架试验,研究EGR工况下单烃基苯/正庚烷模型柴油的燃烧与排放特性,并与实际柴油对比。结果发现：与实际柴油相比,模型柴油滞燃期较长,其放热率峰值、缸内压力峰值、CO、THC和NO_x排放均高于实际柴油,Soot和颗粒排放低于实际柴油。在所有模型柴油中,正丁基苯/正庚烷模型柴油的燃烧性能和颗粒排放与实际柴油最接近,说明具有长支链的芳烃对颗粒影响较大。因此,在构建模型柴油过程中,需要考虑加入具有长支链的芳烃。     

双通道符合计数光子外差探测系统仿真构建与研究

本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中,将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统,能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数,提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应,以及光子符合计数原理,本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能,利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标,结果表明,双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加,两种计数模式的信噪比能够相差2～3 dB。针对该方法,又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明,随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大,系统信噪比先增大后减小,在kL=3附近时达到最大;背景噪声越大,饱和信号光子数越大,饱和信噪比越低;探测时长越长,饱和信噪比提高幅度越大;而在探测带宽之内,中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能,为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。     

采用GAF-D3Net深度学习网络的水下目标有源识别方法

提出一种基于格拉姆角场(GAF)和卷积神经网络(CNN)的水下目标有源识别方法。该方法利用GAF将目标回波信号编码为二维图像,使用空洞卷积构建轻量级的卷积神经网络GAF-D3Net实现对目标的特征提取与分类识别。实验表明,与基于传统图像特征的分类方法相比,所提方法的分类精度有显著提高,达到99.65%。在泛化性测试中,对比了经典CNN使用声呐图像的迁移学习方法,本文方法的曲线下面积(AUC)达到89%,具有更好的泛化性能以及抗干扰能力,为实现水下目标有源识别提供了一种可靠方法。     

超声全矩阵数据联合稀疏重构的多测量向量模型应用

针对单测量向量模型(Single Measurement Vector,SMV)等传统压缩感知方法处理超声全矩阵数据时,存在重构精度低和重构耗时长等问题,本文研究了多测量向量模型(Multiple Measurement Vectors,MMV)应用的可行性。针对铝合金试块中不同深度的φ2 mm横通孔,分别使用MMV模型中的多测量稀疏贝叶斯(Multiple Sparse Bayesian Learning,MSBL)算法和SMV模型中的稀疏贝叶斯(Sparse Bayesian Learning,SBL)算法进行超声全矩阵数据重构,并实施全聚焦成像。随后,引入归一化均方误差和阵列性能因子评价图像和信号的重构效果。实验结果表明,SBL算法在25%采样率时的归一化均方误差为1.9%,而MSBL算法仅需15%采样率即可达到相似效果且耗时更少。     

铱单原子和纳米粒子在N2O分解反应中的协同催化

原子捕获法是在高温条件下制备高热稳定单原子催化剂的有效方法之一. 但该方法制备的单原子催化剂通常面临着催化活性低、 反应适用范围窄的问题. 因此, 拓展这类单原子催化剂的应用是亟待解决的难点. 本文采用高温捕获法制备的铱(Ir)单原子催化剂在氮氧化物分解反应中的催化活性较低, 但是在继续负载纳米粒子后, 单原子与纳米粒子之间表现出显著的协同催化作用. X射线光电子能谱(XPS)和CO吸附的原位漫反射红外光谱(CO-DRIFTs)表征结合反应动力学分析揭示了反应的活性中心是金属态的Ir纳米粒子. 虽然氧化态的Ir单原子不能直接活化N₂O分子, 但是可以改变Ir纳米粒子的电子结构和吸附性能. 氧气程序升温脱附(O₂-TPD)实验证实, 单原子的存在可以促进O₂从Ir纳米粒子上脱附, 从而提高催化剂的反应活性.     

异原子配位结构碳基单原子电催化剂结构与性能相关性的研究进展

单原子催化剂是一类以相互孤立的单个金属原子作为催化活性中心的、 具有高原子经济性及高活性的负载型催化剂, 被广泛应用于能源电催化领域. 近年来, 通过使用两种或两种以上原子与活性中心金属原子配位, 构建具有异原子配位结构的单原子材料, 展现了优异的电催化性能. 研究发现, 这种不对称的配位结构有效调控了中心金属原子的电子结构, 优化了催化反应的吸附和脱附能量, 提高了电催化的性能. 本文综合评述了具有异原子配位结构碳基单原子电催化剂的合成策略、 表征技术与方法, 以及在前沿能源电催化应用中的催化剂性能与结构之间的构效关系, 并展望了异原子配位结构碳基单原子电催化剂的研究前景.     

单原子材料类酶催化及生物医学应用研究进展

纳米酶因其经济、 稳定、 性质可调和可循环利用等诸多优势, 成功地克服了天然酶在实际应用中的不足. 单原子材料的出现使得对纳米酶的研究迈入原子水平, 其较高的原子利用率、 独特的配位环境和较强的金属-载体相互作用为揭示纳米酶构效关系及调控类酶活性提供了可能. 本文总结了近年来单原子材料类酶催化的研究进展, 重点讨论了单原子材料类酶活性的调控策略和催化机理, 概述了单原子类酶材料在癌症治疗、 抗氧化治疗、 抗菌以及生物传感等方面的应用, 并对单原子类酶材料的发展前景进行了展望.     

单原子催化剂在电化学中的研究进展

目前单原子催化剂的研究呈现爆发式增长, 已然成为材料科学和催化领域的明星材料和研究热点. 前期报道的单原子催化剂研究主要针对某一个应用方向进行探讨, 较少研究催化剂的双功能或多功能应用. 近年来, 为了拓展单原子催化剂在更多领域和方向的应用, 具有双功能甚至多功能的单原子催化剂的设计开发备受关注. 本文综合评述了近年来具有双功能活性的单原子催化剂的研究进展, 重点介绍了其在电化学领域中的最新应用研究. 最后, 对具有双功能活性的单原子催化剂发展研究中存在的问题进行了简要分析, 并对未来发展前景进行了展望.     

热稳定单原子催化剂的理性构筑:从原子级结构到实际应用

80%以上的工业生产过程涉及催化,如化工生产、能源转换、制药和废物处理等等.催化剂的使用显著提高了生产效率,降低了生产成本,为国民经济、地球环境和人类文明的可持续发展做出了很大贡献.为了满足日益增长的生产需求和最大的经济效益,开发高效、稳定、低成本的新型催化剂已成为当务之急.金属中心负载在载体上的负载型金属催化剂因其较好的催化活性和相对较低的金属用量而受到广泛关注.研究发现,负载型结构可增强传热和传质并增加活性金属中心的分散度,从而影响催化性能.此外,负载金属的颗粒尺寸对催化剂的性能有很大影响.迄今为止,科学家们一直在通过减小金属颗粒尺寸和提高原子利用效率来提高催化剂的活性.原子级尺寸的颗粒通常表现出与大尺寸颗粒显着不同的物理和化学性质,而当活性位点的尺寸缩小到单个原子时,单原子催化剂的概念应运而生.对于单原子催化剂,金属原子中心通过配位被载体中的缺陷锚定,从而调整金属原子的电子云分布.这种配位调整使得单原子催化剂拥有与传统催化剂不同的性能.作为催化领域的新前沿,单原子催化剂已经在许多催化反应中表现出前所未有的活性和选择性.然而,许多报道的单原子催化剂在高温环境或长期催化应用中容易受到奥斯特瓦尔德熟化过程的影响,从而导致催化剂烧结和失活.而烧结的原因在于金属原子和载体之间较弱的相互作用.失活催化剂的再生和回收将大大增加工业生产的时间和经济成本.因此,开发具有优异热稳定性的单原子催化剂以满足工业需求是十分必要的.本综述首先总结了近年来关于热稳定型单原子催化剂合成方法的基础研究,并从原子尺度上分析了这些方法所构建的金属中心的结构形态和配位环境.此外,结合近些年的研究中新的表征技术与理论计算手段解释了热稳定性的来源.重点讨论了热稳定单原子催化剂的实际催化应用.分析了热稳定单原子催化剂在热催化应用中的独特作用机理、并尝试为确定催化过程中真正的活性中心以及通过原子级调控手段进行高活性热稳定单原子催化剂的合成提供理论指导.最后总结了热稳定单原子催化剂发展的主要问题,并简要分析了单原子催化领域的研究挑战和发展前景.