海南制浆树种中主要成分的近红外分析与模型优化

为提高制浆树种的利用效率,缓解国内制浆造纸原料短缺的现状,降低行业污染与总体成本,尝试将近红外光谱技术用于海南省制浆树种的成分含量分析,以期根据实时所得成分含量相应调整工艺参数。用结构简单、易改装的全息光栅分光近红外光谱仪采集了海南省常见的适龄制浆树种（尾细桉、尾巨桉、尾叶桉、马占相思和粗果相思）共205个样本的近红外光谱,按传统实验室方法分析其主要成分--综纤维素和木质素的含量。选择合适的预处理方法与偏最小二乘法结合,建立了两种分析模型,并通过遗传算法剔除不相关的变量,筛选出特征波段,明确综纤维素和木质素的特征吸收,优化了模型。其中综纤维素分析模型建立时采用Savitzky-Golay 13点3倍平滑、矢量归一化和一阶导数预处理原始光谱,1 150.3～2 362.0 nm波段参与建模。筛选出的波段包含了1 188～1 196 nm之间CH₃中C-H伸缩振动的二级倍频吸收,1 742～1 633 nm区间内O-H伸缩振动的一级倍频,2 112 nm附近O-H变形振动、O-H伸缩振动的合频等纤维素的特征吸收;也包含了1 470～1 495 nm之间O-H伸缩振动的一级倍频,1 906和1 911 nm附近C═O伸缩振动的二级倍频等聚戊糖的特征吸收。模型RMSEP值为0.55%,绝对偏差范围为-0.91%～0.87%。木质素分析模型建立时采用Savitzky-Golay 13点3倍平滑、多元信号校正和二阶导数预处理原始光谱,1 137.6～1 872.5和2 131.0～2 424.1 nm波段参与建模。筛选出的波段包含了1 143 nm附近苯环C-H伸缩振动的二级倍频吸收和CH₃的C-H伸缩振动的二级倍频吸收,1 670～1 684 nm处苯环C-H伸缩振动的一级倍频,2 205 nm附近C-H、C═O伸缩振动的合频等木质素的特征吸收。模型RMSEP值为0.45%,绝对偏差范围为-0.76%～0.79%。两个模型的RPD值分别为4.71和3.47,均能满足制浆树种主要成分在线快速分析测定的工业需求。同时,本研究为制浆树种近红外表征体系的建立提供了理论依据,对近红外技术助力制浆造纸工业由自动化向智能化转变具有较为显著的意义。     

锂/钠离子电池材料的固体核磁共振研究进展

固体核磁共振技术是一种定量分析固体材料结构与组成的强有力手段,结合固体核磁共振和常规x-射线衍射(XRD)、 x-射线吸收谱(XAS)等表征方法可对锂/钠离子电池材料在电化学反应中的结构演化过程进行全面的分析. 例如通过固体核磁共振研究, 可获得不同合成与修饰条件下, 锂/钠离子电池电极和电解质材料体相以及电极/电解质界面层的化学组成、局域结构和离子扩散动力学等信息,为高性能电池材料的设计和研发提供重要的基础数据. 本文结合本课题组的研究工作,综述了近三年来国内外固体核磁共振技术在锂/钠离子电池电极、电解质材料以及固体电解质界面膜（SEI）研究中的应用和进展.     

基于二维压电材料功能性器件的设计、构筑与性能研究

二维压电材料由于具有机械强度高、 性质多样、 柔性透明等特点, 吸引了广大科研人员的研究兴趣. 基于二维压电材料的柔性电子器件、 纳米传感器以及光电子器件等功能性器件也展现出了良好的性能和应用前景. 对此类器件的构筑和应用需要系统的设计和性能研究. 本综述围绕功能性的二维压电器件, 系统地论述了压电效应在(光)电子器件中的性能调控机制, 并总结其设计和制备流程以及如何实现多种功能性应用, 以期对此类器件的设计和研究提供参考.     

高稳定性的氮掺杂氧化钽光催化甲醇C−H活化和直接C−C偶联制乙二醇

乙二醇是非常重要的基础化学品,不仅可以作为合成聚合物(如聚对苯二甲酸乙二醇酯)的重要单体,也可以用作防冻剂和燃料添加剂等,具有广泛的用途.乙二醇的年产量超过2500万吨,目前主要的工业合成路线是由石油衍生的乙烯通过环氧化制环氧乙烷,环氧乙烷再水解制乙二醇.甲醇是一种清洁的平台化合物,不仅可以由天然气和煤炭通过传统的合成气过程生产,也可以由生物质和CO2直接合成.直接以甲醇为原料是合成乙二醇的理想过程,但目前热催化还未实现该过程.通过太阳能驱动的C?H活化和C?C偶联过程,可以实现甲醇直接偶联制乙二醇的理想反应过程.光催化甲醇制乙二醇可以在十分温和的条件下进行,目前已报道的甲醇制乙二醇光催化剂均为硫化物半导体材料,如CdS,ZnS和Zn2In2S5,但硫化物存在的光腐蚀和毒性等问题迫使我们去发展一种更加稳定和环境友好的光催化剂.氧化物基半导体材料,如Ta2O5,TiO2,ZnO和WO3等,是一类相对硫化物半导体材料更加稳定的光催化材料,然而目前还没有氧化物基半导体光催化剂用于光催化甲醇制乙二醇的报道.本文率先将金属氧化物光催化剂Ta2O5,用于甲醇制乙二醇的光催化反应,实现了乙二醇的选择性合成.在单纯的Ta2O5催化剂上,乙二醇选择性可达73％.Ta2O5十分独特,可以实现甲醇的光催化C?C偶联制乙二醇,而其他金属氧化物光催化剂(如TiO2,ZnO,WO3和Nb2O5)光催化转化甲醇只生成甲醛和甲酸等C1产物.进一步通过简单、方便的氨气焙烧法,制备了一系列不同氮掺杂量的氧化钽(N-Ta2O5)催化剂.在未经助催化剂修饰的氮含量为2.3％的2％N-Ta2O5光催化剂上,乙二醇选择性为71％,生成速率可达4.0 mmol gcat?1 h?1,约为Ta2O5的9倍,同时显著高于已报道的未经助催化剂修饰的CdS催化剂性能.通过光电流、表面光电压谱和理论计算等方法系统地研究了氮掺杂氧化钽具有高的光催化甲醇制乙二醇性能的重要原因,发现氮掺杂氧化钽高的电荷分离能力是决定其具有高活性的关键因素.另一方面,氮掺杂氧化钽表现出了非常高的反应稳定性,在超过160 h的循环测试过程中,乙二醇的生成速率基本保持不变,这是目前已报道的金属硫化物光催化剂所未能实现的.在长达60 h的反应过程中,未经助催化剂修饰的2％N-Ta2O5催化剂上乙二醇生成量基本随时间线性增长,收率可达3.6％.进一步研究发现,钽基半导体材料(Ta2O5和N-Ta2O5)可以在保持甲醇羟基不变的情况下优先活化甲醇C?H键,生成羟甲基自由基(?CH2OH),随后羟甲基自由基经C?C偶联生成乙二醇.钽基半导体光催化剂是一种环境友好且十分稳定的甲醇光催化偶联制乙二醇的优异催化剂,未来基于该类催化剂不仅有希望发展出更加高效、稳定的甲醇制乙二醇光催化剂,还有希望为更广的羟基存在下的C?H键选择性活化反应过程设计高效稳定的催化剂提供借鉴和指导.     

双功能TiSn-Beta分子筛限域的串联Lewis酸催化烯烃生成1,2-二醇

1,2-二醇主要由环氧化合物水合产生、广泛用于防冻剂,聚酯树脂和医药等化学品中间体的生产.研究表明,具有Lewis酸性的含锡沸石分子筛在环氧化物的水合反应中表现出优异的催化性能.环氧化合物是众所周知的碳亲电体之一,主要由烯烃环氧化生成.含Ti(Ⅳ)沸石,如Ti-Beta和TS-1,是烯烃环氧化反应的高效催化剂.串联催化可以将多步反应整合为一次反应,无需分离中间体,有效缩短合成路线,提高生产效率.因此,双功能Ti和Sn分子筛有望应用于烯烃制二醇的串联催化反应中,即烯烃在Ti活性位点上发生环氧化反应,随后在Sn位点上发生水合反应,进而串联一步生成1,2-二醇.在沸石分子筛中产生孤立的多功能活性位点是将多步反应整合成串联催化反应的一种有吸引力的设计策略.本文通过简单且可规模制备的后合成路线构建了双功能TiSn-Beta分子筛,并用于烯烃串联催化制1,2-二醇反应.一方面,该反应中的过氧化氢溶液既能提供氧化剂(如H2O2)用于烯烃环氧化反应,又能提供环氧化合物水合反应的亲核试剂(如H2O);同时TiSn-Beta作为一种高效双功能催化剂,孤立的Ti和Sn活性中心可以有效地将烯烃环氧化反应和环氧化物水合反应串联在沸石微反应器中,实现烯烃一步转化为1,2-二醇.另一方面,沸石的限域效应较好地保证了烯烃环氧化和环氧化物水合的高串联速率和目标产物的高选择性,在最优的反应条件下,1,2-二醇选择性高达90%以上,收率接近70%.本文结果表明沸石分子筛是构筑多功能孤立活性位点的理想载体,为其他串联反应催化剂的设计提供了良好的借鉴.     

金属纳米结构的氧化刻蚀调控与催化性能优化

金属纳米结构的可控合成,对其性能优化和高效应用至为关键．氧化刻蚀作为金属纳米晶可控合成中的新兴有效调控手段之一,受到越来越多的关注．本文以本课题组近期的研究工作为例,说明了氧化刻蚀对金属纳米晶的形貌、尺寸、结构及组成等合成参数的有效调控作用．由此总结认为,在金属纳米晶可控合成的一般过程,尤其是成核和生长过程中,氧化刻蚀的本质是有效调控“两个速率”和“两个力学”,即减缓原子的生成速率与晶种的形成速率、选择性接受反应热力学和反应动力学的控制作用．我们将通过氧化刻蚀法调控合成得到的具有独特结构的Pd,Pt纳米晶,用于氧活化和电催化这两个重要的催化体系,获得了理想的催化结果,表明氧化刻蚀在金属纳米晶的功能改性和应用拓展方面,具有令人称奇的广阔应用前景．     

合成氨钌催化剂的晶体和形貌敏感性

哈伯-博施法合成氨反应是高温高压的耗能过程,因此降低该过程的能量消耗及开发温和条件下合成氨反应催化剂具有重要意义. 金属钌是合成氨反应中最有前途的催化剂之一,一直备受广泛关注. 确定金属钌催化剂的结构敏感性并提高其比质量活性是多相催化中亟待解决的重要问题. 氮气(N₂)活化是合成氨反应中的关键步骤. 本文通过第一性原理理论计算和微观动力学模拟方法系统研究了具有六方密排和面心立方晶体结构的钌催化剂上N₂活化过程和N₂解离反应速率. 理论计算研究表明,在六方密排Ru形貌中,{2130}晶面具有最高的N₂解离活性,其次是{0001}台阶面,它们比六方密排Ru其他表面上N₂解离反应速率高3个数量级以上;在面心立方Ru形貌中,{211}和{311}表面上N₂解离活性最高. 这些结果都表明台阶面/台阶位对氮气活化至关重要. 虽然六方密排Ru {2130}晶面具有最低的N₂解离能垒,然而由于面心立方Ru上可以暴露更高密度的活性位点,使得面心立方Ru比六方密排Ru具有更高的N₂转化速率. 本研究深入理解了N₂解离过程中,金属Ru 催化剂形貌和晶相结构敏感性,这为设计和优化高活性的合成氨Ru催化剂提供了理论基础.     

气相金属原子特定量子态反应动力学的先进技术综述

现代分子反应动力学主要研究内容之一是描述“量子态到量子态”基元化学反应过程,其中激发态分子反应动力学的相关研究有助于检验现代化学理论的有效性,并提供化学反应控制的有效方法. 本文综述了近年来用于研究气相金属原子反应动力学的实验技术. 通过这些技术,可以获得新生产物的内能分布、角分布或三维立体动力学反应性等信息. 特别是通过制备具有特定激发态或轨道排列的金属原子,不同电子态的反应性可以丰富金属反应动力学中电子转移机制的相关认识.     

稀土簇基金属有机框架的合成、结构及磁学性质

通过溶剂热法合成出了两种稀土簇基金属有机框架材料:{[Ln_7(OH)_8(HOCH_2COO)_8(H_2O)_3]·Cl_5·3H_2O}_n(Ln=Gd(1),Dy(2))。磁性研究表明,化合物1在低温下具有较大的磁热效应,在3 K、7 T时磁熵变值高达44.4 J/(kg·K),化合物2在不加直流场的情况下具有明显的频率依赖性,表明化合物2具有缓慢弛豫的性质。此外,粉末衍射结果发现,化合物1和2具有非常高的化学稳定性,其可稳定存在于pH值1~14的水溶液及沸水中。结果表明,稀土簇基金属有机框架材料在低温磁制冷方面具有潜在的利用价值。