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.     

Nb掺杂调控CoSeS多级纳米结构用于增强析氢反应

电催化析氢(HER)是清洁制氢的一种有效途径,对于氢经济和氢能产业的发展具有重要意义.金属掺杂是提高电催化剂本征活性的有效方法,导电基底的采用也有利于电荷传输和催化性能的整体提高.尽管已有关于硒化物作为HER催化剂的相关报道,但是合成条件有限、导电性、本征活性的影响,其电催化性能仍有提升的空间.此外,在酸性电解液中的腐蚀和氧化极大限制了催化剂性能的发挥.基于此,本文以氮掺杂碳球为载体,采用金属Nb掺杂、非金属硫硒化物协同以及表面碳包覆的三重策略,将掺杂元素Nb和活性位中心元素Co封装到氮掺杂碳纳米球内并进行连续的硫硒化反应,成功构筑多级纳米结构(Nb-CoSeS@NC)以提高其电催化析氢性能.碳球可为活性位的生长和分散提供足够的空间,同时有效防止活性金属的腐蚀和分解,并阻止金属纳米颗粒的团聚.硫化过程实现了非金属硫元素的掺杂,对于提高硒化物的催化活性和导电性都有重要作用.通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)及电催化性能测试,详细研究了Nb-CoSeS@NC独特的纳米结构和电催化制氢性能,并分析了构效关系.XRD结果发现,引入Nb后Co9Se8和CoSe的特征峰移向更高的角度,表明其晶格体积的减小,有助于电荷传输.同时,氮掺杂碳球(NC)在26°可以观察到无定型碳的峰,而石墨碳的D带和G带强度比约为1.05,均表明NC中缺陷的存在,这可以进一步提高碳材料的导电性.SEM和TEM表征显示,催化剂为直径120 nm的均匀的纳米核壳结构,壳层约为30 nm,无明显的团聚和破碎,这是催化剂具有高稳定性的重要原因.表面的褶皱保证了大的活性比表面积,可以大大增加活性位点的数量.同时,催化剂与NC之间的紧密结合可以降低电子传输的阻抗进而改善其稳定性和析氢性能.分析高分辨率的TEM结果发现,Nb掺杂后,Nb-CoSeS@NC中Co₉Se₈的(222)晶面由0.301 nm减小至0.184 nm,与XRD结果相符.XPS表征揭示了引入Nb之后的电子效应.与CoSeS@NC相比,Nb的掺杂使Co 2p向更低的结合能移动,而Se 3d则移向高结合能移动,这是由于Nb导致了更强的电子相互作用.在0.5 M的H₂SO₄中测试催化剂的析氢性能,Nb-CoSeS@NC仅需115 mV的过电位便可以实现10 mA cm^-2的电流密度,Tafel斜率为43 mV dec^-1,优于CoSeS@NC等其他对比样品,且优于大多数掺杂型硒化物电催化剂.经过12 h稳定性测试,电流密度未见明显降低,表明该多级结构催化剂的优异稳定性.Nb-CoSeS@NC提高活性可归因为Nb的掺杂增强了催化剂的电子相互作用,有助于提高的其本征导电性.Nb、Co正离子可以形成氢化物-受体中心,可能会削弱S-H键和Se-H键,并促进H-H键的形成,因此,多元掺杂产生的协同效应可以有效促进HER过程.此外,坚固的氮掺杂纳米碳壳为活性位点的分散提供了足够的空间和优异的电荷传输性能,同时降低了金属活性位腐蚀的可能性.     

石榴石固体电解质Li3BO3界面改性研究

石榴石固体电解质由于其高的离子电导率,对锂金属稳定等优点成为了下一代高性能锂电池的重要研究方向之一。但锂金属负极界面浸润性与锂枝晶问题限制了其应用。本文通过简单的液相沉积结合高温烧结的方法,在石榴石固体电解质片表面构建了一层稳定的硼酸三锂(Li₃BO₃)修饰层。研究表明,Li₃BO₃修饰层可以有效改善石榴石固体电解质与锂金属负极界面接触,促进锂的均匀沉积/溶出,从而抑制锂枝晶生长,提高界面稳定性。Li₃BO₃修饰后石榴石电解质片与锂金属之间紧密结合,Li/石榴石界面阻抗由修饰前的1780 Ω·cm²降低至58 Ω·cm²。得益于界面接触的改善,Li₃BO₃修饰后的LLZTO电解质组装的对称电池可以在0.1 m·cm^-2的电流密度下稳定工作超过700 h。而未修饰的对称电池在0.05 mA·cm^-2的电流密度下短时间工作即出现微短路现象。     

牛血清白蛋白水热法一步合成氮掺杂碳点荧光检测2,4,6-三硝基甲苯

本文以含氮丰富的水溶性蛋白(牛血清白蛋白)为碳源,经水热法一步合成水溶性好、pH稳定性好、耐高离子强度的氮掺杂碳点(N-CDs)。以N-CDs为荧光探针,于B-R缓冲溶液(pH=12)中,与2,4,6-三硝基甲苯(TNT)形成Meisenheimer络合物产生荧光猝灭,TNT浓度在2.6×10~(-6)～8.0×10~(-4) mol/L范围内,与荧光猝灭程度呈现良好的线性关系(R~2=0.9950),检出限为5.1×10~(-6) mol/L。     

纤维素-三(4-甲基苯甲酸酯)手性固定相的制备及其在拆分叔丁基亚磺酰胺对映体中的应用

分别在自制的纤维素-三(3,5-二甲基苯基氨基甲酸酯)(CDMPC)和纤维素-三(4-甲基苯甲酸酯)(CTMB)涂覆型固定相上对叔丁基亚磺酰胺对映体进行手性拆分,并考察了流动相中异丙醇的含量对手性拆分的影响。结果表明,叔丁基亚磺酰胺在CTMB固定相上的分离效果更佳。随着异丙醇含量的减少,叔丁基亚磺酰胺对映体在两根色谱柱上的分离度和保留时间均随之增加。对CTMB固定相进一步探究柱温的影响,结果表明较低的温度有利于对映体保持稳定的手性构型,更易于与固定相反应。     

双功能改性的T型分子筛膜用于有机溶剂脱水

将3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）引入到T型分子筛膜表面,用以修饰多晶膜合成过程中产生的缺陷。X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、X射线光电子能谱和FT-IR等方法的表征结果显示,APTES通过“键合”的形式被成功地修饰到膜表面上。APTES层起到2个作用：一是提高膜的亲水性;二是减少膜层的缺陷。将修饰后的膜应用在348 K、90%的异丙醇水溶液的脱水时,该膜表现出比较高的分离因子和通量。该方法重复性良好,5个修饰后的膜样品的选择性平均增加了大约8倍（从359±23增加到2 934±183）,而渗透通量仅仅从（3.52±0.10） kg·m^-2·h^-1降低到（3.06±0.14） kg·m^-2·h^-1（减少13.07%）。在363 K下,修饰的膜经过100 h的连续测试,膜渗透测得的水含量均可达到99.50%以上,表明修饰后的膜性能较稳定。     

含三苯胺基团的菲咯啉铁(Ⅱ)配合物电致变色材料的合成及性质

以4-甲酰基三苯胺和1,10-菲咯啉-5,6-二酮为原料,经过缩合、甲基化等反应合成了配体N-甲基-2-(4-二苯胺基苯基)咪挫并[4,5-f][1,10]-菲咯啉(TPAPhen),再与Fe~(2+)配位得到配合物[Fe(TPAPhen)_3](BF_4)_2,最后经过电化学聚合在ITO玻璃表面制备了新型电致变色材料poly-Fe(TPAPhen)_3。在外加电压作用下,poly-Fe(TPAPhen)_3聚合物薄膜表现出多种颜色变化和良好的电致变色性能,尤其是在721 nm处的光学对比度高达86%,着色效率高达971 cm2·C~(-1),并且表现出较快的响应速度(着色时间:2.6 s,褪色时间:5.3 s)。     

含羟基基团取代的氮氧自由基构筑的三个双核稀土化合物的结构及磁性表征

以三氟乙酰丙酮(tfac)为共配体的稀土配合物分别与5-溴-2-羟基苯取代的自由基配体和5-硝基-2-羟基苯取代的自由基配体进行反应,合成3个稀土-自由基配合物[Ln2(tfac)4(NIT-5Br-2PhO)2](Ln=Gd (1),Dy (2))和[Dy2(tfac)4(NIT-5NO2-2PhO)2](3)(NIT-5Br-2PhOH=2-(2′-hydroxy-5′-bromophenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3-oxide,NIT-5NO2-2PhOH=2-(2′-hydroxy-5′-nitrophenyl)-4,4,5,5-tetra-methylimidazoline-1-oxyl-3-oxide)。单晶结构分析表明这3个化合物中的稀土离子均通过自由基配体上的羟基氧基团连接为双核的结构。配合物1的直流磁化率表征揭示了Gd(Ⅲ)离子间的反铁磁耦合对其磁行为起主要作用。