第三族金属氧化物离子对二氧化碳转化的红外光谱研究

本文利用红外光解离光谱研究了第三族金属氧化物离子对二氧化碳分子的转化机制. 研究表明，对于[ScO(CO₂)_n]⁺体系，在n≤4时，形成了溶剂化结构；在n=5时，形成了碳酸盐结构，实现了二氧化碳的转化. 对于[YO(CO₂)_n]⁺体系，需要4个二氧化碳分子就可以实现二氧化碳的转化. 而在[YO(CO₂)_n]⁺体系中，只发现了溶剂化结构，没有观察到碳酸盐结构. 理论计算表明，[YO(CO₂)_n]⁺体系拥有最小的溶剂化结构向碳酸盐结构转化能垒，[LaO(CO₂)_n]⁺体系拥有最大的溶剂化结构向碳酸盐结构转化能垒. 本文从分子水平揭示了不同金属氧化物离子对二氧化碳分子转化的影响规律.     

阴离子-π复合物(I-·C6F6)的成键分析

最近Anst?ter, et al. 发表了对阴离子-π复合物(I^-·C₆F₆)的第一个定量谱学测量[J. Am. Chem. Soc. 141, 6132 (2019)]，认为成键作用中相关作用占41%，静电作用占23%，得出相关作用占主导的结论. 本研究表明，该文献的“静电作用”中混入了Pauli排斥作用，后者在数值上抵消了前者的作用. 在复合物I^-·C₆F₆中，发现静电作用是相关作用的两倍多，因而阴离子-π复合物中仍应是静电作用占主导.     

HC_(2n)O~+(n=3-6)正离子的红外光解离光谱以及理论计算研究（英文）

本文利用脉冲激光溅射-超声分子束载带离子源在气相中产生了HC_(2n)O~+(n=3～6)正离子.通过对贴附CO的络合物离子的红外光解离光谱实验获得了HC_(2n)O~+正离子在1600～3500 cm~(-1)范围内的红外光谱.通过比较实验光谱和理论模拟光谱确定了HC_(2n)O~+正离子具有端接氢和氧的直线型碳链衍生物结构,基态为三重态,单重态比三重基态能量高10～15 kcal/mol.成键分析表明HC_(2n)O~+中的碳链具有连烯的结构特征.     

臭氧修饰(001)晶面TiO2纳米片及其光催化降解甲苯研究

本文系统研究了臭氧修饰对(001)主导晶面锐钛矿型TiO₂光催化剂降解甲苯性能的影响. 利用自行搭建的光催化VOCs降解装置对催化剂光降解甲苯的性能进行了测试. 通过多种表征手段，结合原位DRIFTS和DFT计算研究了臭氧表面修饰及甲苯吸附和降解机理. 结果表明，用臭氧进行表面修饰可以显著提高(001)主导晶面TiO₂光催化降解甲苯的性能. (001)晶面上丰富的5c-Ti不饱和配位是臭氧分子的吸附位点，其解离后形成的Ti-O键与H₂O分子结合，在表面生成大量孤立的Ti_5c-OH. Ti_5c-OH 是甲苯分子的吸附位，它的形成显著提高了对甲苯分子的吸附能力. 在光照下Ti_5c-OH与光生空穴结合能形成·OH自由基. 通过臭氧解离产生的O₂也可以与光生电子结合形成超氧自由基. 这些具有强氧化性活性自由基的形成促进了对气相甲苯的光催化降解速率.     

[Co(CO_2)_n]~+团簇的红外解离光谱实验和理论研究（英文）

本文利用红外光解离光谱研究了一价钴阳离子与二氧化碳之间的相互作用.通过密度泛函理论计算得到[Co(CO_2)_n]~+团簇的几何结构,并且模拟了它们的振动光谱与实验数值进行比较.研究结果表明,在[Co(CO_2)_n]~+(n=2～6)团簇中,钴阳离子通过电四极矩静电作用以端点结合的方式与二氧化碳中的氧原子结合在一起.团簇的红外光谱都集中在二氧化碳反对称伸缩的波数附近,并且随着团簇尺寸的变化出现蓝移,最后把[Co(CO_2)_n]~+的红外光解离光谱与稀有气体贴附的[Co(CO_2)_n]~+-Ar的红外光解离光谱进行了比较.     

[Co(CO2)n]+团簇的红外解离光谱实验和理论研究

本文利用红外光解离光谱研究了一价钴阳离子与二氧化碳之间的相互作用. 通过密度泛函理论计算得到[Co(CO₂)_n]⁺团簇的几何结构，并且模拟了它们的振动光谱与实验数值进行比较. 研究结果表明，在[Co(CO₂)_n]⁺(n=2∽6)团簇中，钴阳离子通过电四极矩静电作用以端点结合的方式与二氧化碳中的氧原子结合在一起. 团簇的红外光谱都集中在二氧化碳反对称伸缩的波数附近，并且随着团簇尺寸的变化出现蓝移，最后把[Co(CO₂)_n]⁺的红外光解离光谱与稀有气体贴附的[Co(CO₂)_n]⁺-Ar的红外光解离光谱进行了比较.     

原位拉曼光谱与X射线吸收光谱研究能源转换电催化反应

近年来,水分解、氧气/二氧化碳还原等电化学能源转换技术为解决全球能源短缺及环境问题提供了新的思路和方向.然而,对这些能源转换技术的反应机理及其催化剂的活性位点目前仍缺乏深刻的认识和理解,这限制了高效、稳定催化剂的开发,以致阻碍该类电化学技术的进一步发展.原位光谱技术的快速发展为解决上述问题提供了坚实的基础,其中拉曼光谱是检测含氧物种的有效技术,X射线吸收谱则是揭示催化剂配位环境和价态变化的有力工具.鉴于此,本文详细介绍了原位拉曼光谱和X射线吸收光谱在电化学领域的最新应用.重点分析了一些代表性的例子,主要包括:(1)揭示了不同Pt单晶以及Pt基催化剂表面的具体氧还原路径;(2)明确了过渡金属-氮-碳催化剂的真实氧还原位点;(3)解析了碱性条件下OH?离子对于氢氧化反应的作用;(4)揭示了氢析出反应中非Pt催化剂的活性位点;(5)检测到了氧析出和二氧化碳还原过程中催化剂的相变过程.上述例子表明原位表征技术的确可以有效监测电化学催化过程,捕捉中间产物,揭示反应机理以及表征催化剂的相变过程,可为合理的设计和制备高效催化剂提供可靠依据.然而,目前的原位表征技术还存在较多问题,比如拉曼光谱往往需要借助增强基底来增强其信号,从而限制其在表征实际催化剂中应用.而基于同步辐射光源的X射线吸收光谱其能量较高,可能会引发催化剂发生相变甚至损坏催化剂,而且它是一种体相敏感的表征技术,很难精确反映催化剂表面过程.除了这些原位技术的本身局限性之外,仍有许多问题阻碍对电催化过程的深入认识.例如,应将原位研究转化为工况研究,尤其要考虑电解质的作用.另外,缺乏有效的时间分辨技术来揭示不同电位下活性物种的动态变化.因此,需要不断发展新技术以及新策略,使得表征技术可以更精确真实地揭示电催化的原位过程,更有效地指导催化剂的设计开发.     

金属有机框架材料在催化领域的研究现状与展望（英文）

金属有机骨架材料(MOF)又称多孔配位聚合物(PCP),是一类由金属团簇和有机配体通过配位作用形成的新型晶态多孔材料.近30年, MOF材料在催化领域受到了广泛的关注和研究.MOF的多孔结构和高比表面积可以实现催化位点的空间分离并促进物质传输,从而提高催化活性.MOF可以像均相催化剂一样在原子精度进行灵活剪裁和调控,同时具有非均相催化剂易分离回收的优势.通过结合均相和非均相催化剂的优点, MOF表现出了诸多优于传统催化材料的独特性质.本文首先简要介绍了MOF基催化材料设计的基本原理和MOF应用于催化的独特性,其次对MOF在催化中面临的瓶颈和局限进行了论述,最后指出了MOF在未来催化领域中潜在的独特应用前景.MOF材料中金属节点、有机配体和孔空间都可以进行灵活功能化,从而赋予催化活性.金属节点上的不饱和配位点可作为路易斯酸催化中心.配体可以通过修饰不同功能基团从而赋予催化活性.此外,金属节点和有机配体还可以通过接枝外来催化位点进行功能化.更重要的是, MOF孔空间可以限域客体活性单元,极大扩展了活性位的来源.MOF还可以作为前驱体通过化学转化获得多孔碳、金属化合物及其复合材料.MOF的高...     

将铂(Ⅱ)-四(4-羧基苯基)卟啉组装到光捕获金属有机框架中增强可见光驱动的产氢效能

氢气析出反应的分子催化剂因能够将其整合到用于光催化水分解的光捕集复合物中而受到广泛关注.研究者期望通过构建吸光网络,提高分子催化剂的光催化产氢效能.本文报道了以[(TCPP)Pt^Ⅱ][TCPP=meso-四(4-羧基苯基)卟啉]络合物作为光催化产氢的分子催化剂.采用氯冉酸(CA)作为电子牺牲剂可以很好地稳定光催化剂,使CA被氧化为[CA-H·]自由基.当使用三乙醇胺作为电子牺牲剂时,[(TCPP)Pt^Ⅱ]分解形成Pt纳米颗粒.电化学循环伏安实验结果表明,光催化产氢的第一步是质子偶联电子转移,以获得[(TCPP)Pt+H]0.然而,第二个电子转移-1.02 V的氧化还原电位不随添加三氟乙酸而位移,表明该电子转移未与质子转移耦合,得到[(TCPP)Pt+H]-.此外,第二次电子转移的峰值处产生催化波,表明氢气是由[(TCPP)Pt+H]-的质子化生成,然后再生[(TCPP)Pt^Ⅱ]并释放氢气.密度泛函理论计算结果表明,[(TCPP)Pt^Ⅱ]分子催化剂光催化产氢的机理可能先经过质子耦合电子转移反应,形成[(TCPP)Pt^Ⅰ]-NH,然后依次经过电子注入和质子化形成[(TCPP)Pt^Ⅱ-H]-NH中间体,最终释放H2.由于整个催化循环过程涉及多个电子的注入,光捕获网络的引入有助于提供多个光电子.因此,本文通过将[(TCPP)Pt^Ⅱ]掺杂生长到主要由[(TCPP)Zn^Ⅱ]构筑的金属有机框架中,构筑了与分子催化剂连接的光捕获网络,从而将其活性提高了约830倍.纳秒瞬态吸收光谱和时间分辨的磷光光谱表明,向[(TCPP)Pt^Ⅱ]均相溶液中加入氯冉酸会因电荷转移而缩短3[(TCPP)Pt^Ⅱ]*寿命.同样现象在金属有机框架体系中也被观察到.然而,在磷光猝灭后,瞬态吸收光谱观察到均相溶液中[(TCPP)Pt+H]0及[CA-H·]自由基信号迅速衰减,在微秒时间尺度上衰减为0,表明大部分还原的[(TCPP)Pt+H]0迅速与氧化后的[CA-H·]复合,限制了光催化氢气析出的光量子效率.然而,在金属有机框架体系中,磷光猝灭后纳秒瞬态吸收光谱在较长时间尺度观察到残留吸收带,表明随后消耗CA,向反应体系中注入电子,推动了反应的完成.本文研究了能量转移对光催化H2析出的影响,并强调了光捕获网络在多电子注入中的重要性.