载体表面酸碱性质对无碱水溶液中Au催化的甘油氧化反应产物选择性的调控作用

甘油(GL)是一种重要的生物平台分子,通过催化选择氧化反应将其转化为具有高附加值化学品是可持续发展化学化工的重要课题之一.以Au为催化剂的GL水相选择氧化反应可以生成甘油酸(GLA)、二羟基丙酮(DHA)、羟基丙二酸(TTA)、羟基乙酸(GCA)和乳酸(LA)等多种产物.通常,该反应需要碱(NaOH)存在时才能进行,产物往往以GLA为主(选择性40%-70%),副产物主要有GCA, TTA和草酸(OA).一般认为,可溶性碱(OH-)是通过夺取GL分子中羟基上的质子而诱发反应的.尽管在Au催化的反应体系中从未检测到有甘油醛(GLD)生成, GLD和/或DHA被认为是该反应的中间物种.本课题组前期工作表明,氧化物(TiO2, Al2O3, ZrO2, CuO等)负载的纳米Au催化剂能够在无碱(无外加OH-)水溶液中选择性催化GL氧化生成DHA(而不是GLA).因此, OH-的存在与否很可能会改变水溶液中Au催化剂上GL氧化反应的途径.本文试图回答当GL的水溶液中不存在NaOH时, Au催化剂载体的表面酸碱性质是否也会对GL氧化反应的选择性产生调控作用.我们选用Mg/Al比(x)不同的MgO-Al2O3样品为Au催化剂的载体,以尿素为沉淀剂,采用沉积沉淀法制备了相应的Au/MgO-Al2O3(x)催化剂样品.采用X射线衍射、电感耦合等离子体-原子发射光谱仪、透射电镜以及N2吸附-脱附等温线等对MgO-Al2O3(x)和/或Au/MgO-Al2O3样品的物相、元素组成、Au颗粒大小以及比表面积等进行了表征分析;采用NH3和CO2程序升温脱附(TPD)分别对MgO-Al2O3(x)载体表面的酸、碱性进行了测定. NH3-TPD和CO2-TPD结果表明,随着Mg/Al比x从0增加至4.8, MgO-Al2O3(x)的表面酸量从0.94降到0.20μmol/m2,而其表面碱量却从0.05剧增至0.80μmol/m2.因此,载体中MgO含量越多或Mg/Al比越大,其酸性越弱而碱性越强.在无碱水溶液中的催化反应结果表明, Au/MgO-Al2O3(x)上GL氧化反应的主要产物为DHA, GLA以及GCA等.随着x值(催化剂表面碱性)不断增大,产物DHA的选择性从约80%下降到10%左右,而GLA的选择性却从约4%增加至约50%.当载体为酸性最强的Al2O3(x =0)时,产物DHA的选择性为最高(80%).由此可见,载体表面的酸碱性质决定了无碱水溶液中Au催化剂上的GL氧化产物的分布. 此外,当保持Au粒子的尺寸基本不变(如3.1或6.6 nm左右),而改变载体的酸碱性质时, Au/MgO-Al2O3催化GL氧化反应的活性(TOF)可相差8-9倍.本文还通过改变Au/MgO-Al2O3样品焙烧温度,制备了表面酸碱性质相同而颗粒大小不同的三个Au/MgO-Al2O3(0.2)催化剂,考察了Au粒径对GL氧化反应选择性的影响.在这三个催化剂上, Au颗粒的平均尺寸分别为2.8,3.2和6.6 nm, GL氧化反应的产物选择性近乎相同(DHA和GLA的选择性分别为65%和15%左右),但平均尺寸为6.6 nm Au粒子的催化活性(TOF)是3.2 nm Au粒子的1.6倍,2.8 nm Au粒子的2.7倍.因此,本文建立了载体表面酸碱性质与无碱水溶液中GL氧化产物选择性之间的关系,通过改变载体表面酸碱性质实现了对无碱水溶液中Au催化剂上GL氧化反应选择性的调控.尽管载体酸碱性质和Au粒子尺寸都对Au/MgO-Al2O3催化剂的本征活性有重要影响,但载体酸碱性质的影响更显著.     

单原子催化剂M1/FeOx(M=Pt,Fe)的理论研究:CO氧化反应

负载型纳米贵金属催化剂是用于多相催化反应的重要的催化剂之一,也是各国催化科学与技术研发的重点,其工业应用也越来越广泛.理论和实验的研究结果均表明,当载体表面的金属粒子尺寸减小至亚纳米级乃至更小的低配位、不饱和的原子团簇时,它们常常成为诱发催化反应的活性中心,呈现更高的催化活性和选择性.将负载的金属尺寸由纳米量级减小至分散的金属团簇甚至单原子而使每个原子成为反应的活性位点已成为研究的重点.最近,由张涛等首次合成的单原子催化剂(SAC)Pt1/FeOx引起了国内外催化及表面科学工作者的极大关注.单原子催化剂作为连接均相催化剂和多相催化剂的桥梁,不仅具有非均相催化剂的稳定、易于与反应体系分离、易表征等优点,而且具有均相催化剂活性中心结构均一、活性中心原子利用率百分之百等优点.一方面,单原子催化剂给多相催化领域注入了新的活力,另一方面也更有利于运用量子与计算化学的研究方法建立与实验相匹配的理论模型并从原子水平上进一步理解多相催化反应的微观作用机理.实验和理论的研究结果表明,其它单原子催化剂如Ir1/FeOx,Au1/FeOx和Ni1/FeOx催化CO氧化反应表现出不同的活性.然而,底物FeOx中的Fe同样是第VIII族中的3d过渡金属,却在低温下对CO氧化反应没有催化活性.我们围绕这一问题,重点研究了底物FeOx在负载单原子Pt1前后催化CO氧化的反应机理和活性,解释了单原子催化剂Pt1/FeOx相比于底物FeOx为何具有如此高的催化活性的原因.我们采用Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)从头算模拟软件和密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)进行了理论计算.其中,选择PBE泛函描述体系的交换关联相互作用,用投影缀加波(PAW)赝势基组方法描述体系中的电子和离子实之间的相互作用,对Fe原子采用了DFT+U方法进行d电子强相关校正,并使用Dimer计算方法搜寻反应过渡态.研究结果表明,底物FeOx中氧空位的再生伴随第二个CO2分子从催化剂表面脱附的过程需要较高的活化势垒(1.09 eV),这一过程是整个CO氧化反应的决速步.与此相比较,Pt1/FeOx催化剂中,由于Pt原子代替了表面Fe原子,导致电子结构及性质的显著变化,有利于CO的活化、氧化和CO2的脱附.我们从电子能量态密度(DOS)和Bader电荷分析及模型分子团簇的轨道相互作用的角度进一步分析了两种催化剂存在差异的本质;揭示了单原子催化剂Pt1/FeOx中Pt1和底物FeOx之间的相互作用的机理及催化剂表面Pt单原子在催化反应过程中的关键作用.     

蚕丝基智能纤维及织物：潜力、现状与未来展望

纤维及织物因具有良好的柔性、透气性以及适宜的力学性能而成为人们日常生活必不可少的材料。随着柔性电子器件的快速发展,纤维及织物在其自身优势的基础上,开始被人们赋予智能化特征,使得智能纤维和织物逐渐在可穿戴领域占据一席之地。天然蚕丝具有产量大、机械性能优异和生物可降解的优势。近年来,面向智能应用的蚕丝基纤维与织物逐渐发展,被用于传感、致动、光学器件、能量收集和储能等领域。本文将首先介绍天然蚕丝的层级结构和性能,并介绍各种形貌结构的再生蚕丝材料;然后根据其在智能纤维及织物中应用领域的不同,详细阐述蚕丝基智能纤维及织物的制备方法、性能及工作机制;最后讨论进一步发展所面临的挑战与机会,并对未来前景进行展望。     

树枝状嵌段聚合物D-PCL-b-PS在不对称末端受限条件下的结晶行为

研究了树枝状嵌段聚合物聚(ε-b-己内酯)-b-聚苯乙烯(D-PCL-b-PS)的分子结构对PCL链段受限结晶行为的影响.首先,通过活性正离子开环聚合(ROP)合成了树枝状的嵌段聚合物D-PCL.在此基础上用原子转移自由基聚合(ATRP)的方法,合成了树枝状的嵌段聚合物D-PCL-b-PS,在结晶的PCL链段的两个末端...     

分子端基效应对聚(L-乳酸)球晶环带结构形成的影响

通过活性正离子开环聚合的方法,以苯甲醇或月桂胺引发L-丙交酯聚合合成了一系列分子量可控的聚(L-乳酸)(PLLA).研究发现,端基刚、柔性的变化,改变了PLLA环带球晶的生成条件和环带周期结构,因此可以通过改变端基的结构来调控PLLA所形成的环带结构.分子量相近而端基不同的PLLA,在相同温度下结晶时,刚性引发剂苯甲醇...     

二维有机组装体的可控制备

二维有机组装体是一类具有特殊形貌和性质的有序结构, 有可能带来新功能和光电子领域的潜在应用, 但如何实现二维有机组装体的可控制备是尚待解决的问题. 针对这一问题, 我们通过对构筑基元的理性设计, 调控分子间的相互作用, 发展了三种可控制备二维有机组装体的新方法: (1)利用疏水有机阴离子作为Bola型两亲分子的抗衡离子, 能够削弱亲水头基间的静电排斥作用, 从而诱导两亲分子的组装结构从一维向二维转变; (2)基于非共价键形成超两亲分子, 通过设计和控制超两亲分子的拓扑结构, 简便有效地实现二维组装体的制备; (3)通过共价修饰或引入新的非共价键, 以限制三维结构在某一方向上的生长, 从而降低三维结构的维度, 也能实现二维组装体的可控制备. 未来, 上述研究有望进一步拓展, 并实现功能二维有机组装体的构筑.     

被称为“月亮”的元素——硒

介绍了硒元素的发现历程及其研究现状,重点介绍了含硒高分子的生物医用及自修复材料相关的研究。     

DNA-树状聚脂肪醚杂化体的合成及组装性能研究

通过半固相合成方法得到一类新型的具柔性骨架的树状聚脂肪醚(PMDC)与DNA的嵌段共聚物, 也称为DNA-树状聚脂肪醚杂化体, 其结构通过了MALDI-TOF MS、HPLC和聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)表征. 研究证明, 通过调节DNA-树状聚脂肪醚杂化体的结构和组装的溶剂体系, 可以得到各种不同的有序聚集体(球形胶束、纳米纤维等), 这些组装形貌均通过透射电镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)和动态光散射(DLS)进行表征; 荧光包裹实验和DNA互补配对实验不仅证明了疏水树状聚脂肪醚位于组装体内核、DNA处于外壳的组装机理, 也说明这类DNA-树状聚脂肪醚杂化体将在疏水药物运输和纳米技术等领域具有潜在的应用.     

反胶束法制备直接甲醇燃料电池Pt-Sn/C催化剂及其表征

在水/AOT/环己烷反胶束体系中, 制备了Pt-Sn/C催化剂, 研究了不同ω (反胶束溶液中水与表面活性剂的物质量之比)值对Pt-Sn粒径的影响. 并采用TEM, XRD, XPS, 循环伏安等技术对其进行表征. TEM结果表明合成的Pt-Sn纳米颗粒为球形, 在碳载体表面均匀分布, 粒径分布窄, 平均粒径为2.7 nm. Pt-Sn颗粒尺寸随着ω的增加而增大. XRD结果表明该催化剂中Pt具有面心立方结构且没有与Sn形成合金. XPS结果表明在该催化剂中, Pt主要以零价态存在. 在甲醇溶液中的循环伏安扫描结果表明, 甲醇氧化峰电位和峰电流随着ω的增加而减小, 说明反胶束方法可以通过控制颗粒尺寸, 从而影响催化剂的电氧化活性. 相对于商用Pt-Ru/Vulcan XC-72 (20 wt%, E-TEK公司), 该催化剂具有较低的峰电势以及较高的I_f/I_b (循环伏安曲线中正向扫描峰电流与反向扫描峰电流的比值), 这表明用此方法制备的Pt-Sn/C催化剂具有较好的抗中毒能力.     

全固态有机太阳能电池

从全固态有机太阳能电池的历史发展情况和研究现状出发,对现阶段全固态有机太阳能电池的结构和性能作了介绍和评估,并从材料等方面分析了它们的优势和不足之处,讨论了全固态有机太阳能电池研究的未来发展。