多级孔芳香骨架材料的合成及固载硫脲催化剂的研究

合成了一种多级孔芳香骨架材料(PAF-70); 使用由氨基修饰过的单体, 应用该合成策略得到了同样具有窄分布介孔的含有氨基活性位点的PAF材料, 并通过硫脲单体与其氨基活性位点的反应, 将硫脲基团引入PAF-70材料中, 获得了含有硫脲催化位点的材料(PAF-70-thiourea). 氮气吸附-脱附测试结果显示, PAF-70存在孔径分布较窄的介孔, 介孔孔径为3.8 nm, 与模拟计算值(约3.7 nm)吻合. 热重分析结果表明, PAF-70具有很高的热稳定性. PAF-70在大多数溶剂中可以稳定存在, 具有良好的化学稳定性. 将PAF-70-thiourea作为催化剂, 应用在N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)氧化醇类的反应中, 其表现出较高的催化活性、 较高的稳定性和广泛的底物适用性. 与含有相同硫脲催化位点的金属有机框架(MOF)材料(IRMOF-3-thiourea)作为催化剂对比, 进一步证实PAFs材料非常适合作为催化有机反应的固载平台.     

一种通过梯形PPMgLN波导倍频实现带宽可调谐光源的理论研究

本文设计了一种梯形的周期极化掺镁铌酸锂(PPMgLN)波导,并通过在传播方向上引入温度梯度来拓宽其倍频(SHG)过程的泵浦光源可接收带宽。通过有限差分的光束传输法,计算波导的有效折射率,并进行波导尺寸的设计。结果表明,通过改变梯形波导不同位置的温度,使其形成一个温度梯度,可拓宽泵浦光源的波长可接收带宽。本文所设计的PPMgLN波导最大泵浦光源可接收带宽为C波段,即1 530~1 565 nm,该波导可倍频C波段,得到输出波段带宽为765~782.5 nm,温度调谐范围为30~150 ℃。     

1,3-丁二烯选择性加氢催化剂的设计策略以及构效关系

催化裂化是石油化工的核心单元之一.从催化裂化尾气中分离出来的碳四馏分富含许多的不饱和烯烃,如1-丁烯、顺、反式-2-丁烯以及少量的1,3-丁二烯,这些不饱和烯烃可以通过后续聚合反应,生成合成橡胶和工程塑料的重要原料,具有重要的应用价值.上述工艺过程对原料中1,3-丁二烯的含量(<100~200 ppm)有严苛的要求.采用选择性加氢技术对碳四馏分中的1,3-丁二烯进行选择性加氢,将其转化为更高附加值的单烯烃是一个理想的解决方案.然而,1,3-丁二烯加氢反应得到的单烯烃可能发生深度加氢得到副产物丁烷.因此,开发高效选择性加氢催化剂对碳四资源的利用具有重要的现实意义.另一方面,1,3-丁二烯加氢反应可以作为模型反应,用来考察选择性加氢催化剂的性能.基于此,该反应无论在工业界还是学术界均受到广泛关注.尽管如此,有关1,3-丁二烯加氢催化剂研究进展方面的综述极少.仅有关于1,3-丁二烯加氢作为模型反应的综述报道.本文对过去半个世纪以来1,3-丁二烯加氢反应中不同催化剂的发展历程进行系统综述,特别是包括Pd,Pt和Au等的单一贵金属催化剂.重点介绍以下内容:(1)固体催化剂构效关系,包括活性金属尺寸效应、晶面和形貌效应以及载体效应(晶相、孔道和酸碱性);(2)高性能催化剂的设计新策略,如单原子催化剂、核壳结构催化剂、金属-离子液复合催化体系以及载体的形貌调控;(3)催化剂的反应机理和失活机理.提出了1,3-丁二烯选择性加氢高性能催化剂开发面临的挑战,并对潜在的发展方向进行了展望.本文认为随着纳米技术和金属纳米材料合成方法的快速发展,对贵金属活性组分进行原子层面上的调控(包括形貌、尺寸以及单原子配位环境等)已成为可能.这将有助于研制出一类新型高性能选择性加氢催化材料,从而实现高转化率条件下高附加值单烯烃的定向转化.此外,载体的酸碱性和孔道结构的调控有助于进一步调节催化剂的抗积炭性能,也是未来发展的一个重要方向.     

钼改性页硅酸镍催化剂催化顺酐加氢性能

通过蒸氨法合成了一系列钼改性的页硅酸镍催化剂, 考察了钼含量对催化剂结构及其催化顺酐液相加氢性能的影响. 采用氮气物理吸附-脱附、 X射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)、 透射电子显微镜(TEM)、 氢气程序升温还原(H₂-TPR)、 氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)、 吡啶吸附红外光谱(Py-IR)和原位X射线光子能谱(XPS)等手段对催化剂的结构和形貌等进行了表征. 结果表明, 助剂Mo的引入对催化剂结构形貌及其催化性能影响显著. Mo的引入提高了活性金属Ni的还原度, 增加了催化剂表面金属Ni⁰的数量, 金属Ni在还原过程产生氢溢流, 溢流氢将部分MoO₃还原为具有酸性的MoO_x物种, 由于金属Ni⁰与具有Lewis酸(L酸)特性的MoO_x及Ni^σ+的协同效应, 显著提高了催化剂对顺酐C≡C和C≡O的加氢活性. 当Mo含量(质量分数)为3%时, 其催化活性最高, 在160 ℃和5 MPa H₂气条件下, 反应3 h顺酐的转化率为100%, 产物γ-丁内酯的选择性为27%.     

单原子铂催化剂的制备及其低温催化氧化一氧化碳

以氧化石墨烯为载体，单原子铂（Pt）为活性组分，利用化学还原法制备了单原子Pt/rGO催化剂，用在催化氧化一氧化碳（CO）反应中。通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜、球差电镜、傅里叶红外光谱仪对单原子Pt催化剂进行表征。考察了金属负载量、反应温度对催化剂性能的影响，利用气相色谱对CO氧化反应性能进行评价。此次实验包含催化剂的制备、表征和性能测试，实验难度适中，贴近科研前沿，可以让学生体验一个综合的科研过程，激发学生的科研兴趣，培养学生的科研能力。     

钒钨酸盐-CdS纳米粒子复合膜的制备与电致变色性能

通过层-层自组装方法制备了由Dawson结构三钒取代型钨酸盐1-K₉P₂W₁₅V₃O₆₂·18H₂O(P₂W₁₅V₃)与CdS纳米粒子构筑的复合膜材料, 研究了CdS纳米粒子添加和复合膜层数对P₂W₁₅V₃多酸复合膜材料电致变色性能的影响. 采用UV, XRD, SEM和循环伏安等测试手段对复合材料的结构和性能进行了表征; 将电化学工作站和紫外-可见吸收光谱联用, 在-1.0~+1.0 V的电压范围内, 对不同层数、 有无CdS纳米粒子复合的的膜材料的电致变色性能进行研究. 研究结果表明, 20层的复合膜材料性能最佳, 光反差为38.05%, 着色时间为3.57 s, 褪色时间为6.94 s, 最大着色效率达到94.04 cm²/C, 实现了从无色、 蓝色到蓝紫色, 再到无色的可逆颜色变化, 相对于单独P₂W₁₅V₃膜, 光反差提高46.07%, 着色效率提高96.53%, 电致变色性能显著提高.     

氧离子传导型固体氧化物电解池燃料电极的研究进展

固体氧化物电解池可高效地电解H₂O/CO₂制备燃料,越来越受到人们的重视. 本文对近年来在燃料电极（阴极）材料方面的研究进展进行了全面综述,指出各种阴极材料的优缺点及发展趋势,强调亟待解决的关键科学与技术问题.     

非晶态固体的结构可以决定性能吗?

晶态固体的力学性能与塑性变形主要由结构缺陷,比如位错的运动决定.而在非晶态固体中结构如何决定性能,仍然是固体力学、材料学和凝聚态物理学共同关心但尚未解决的核心问题之一.传统材料学研究的经典范式为"结构决定性能".遵循这一信条,已经有大量的实验表征与理论、模拟研究,尝试将非晶态固体的某种结构特征与性能建立一一对应关系.但是,科学界对于非晶固体结构-性能关系成立与否,以及背后隐藏的规律知之甚少.本文针对非晶态固体的变形机制以及其微结构特征,基于分子动力学模拟,定量评估短程简单结构与中长程复杂结构在决定非晶态固体动力学性能方面的效用.通过海量抽样每种具体玻璃结构的激活能(标识激发难易程度),尝试将结构参数与激活能建立定量关系,从而揭示出非晶态固体结构-性能关系的隐藏主控因素为结构的空间关联,受限比几何结构本身更关键.只有某种结构在空间上呈现亚纳米级的空间关联长度,这种完备结构才有可能有效地决定非晶态固体的力学性能,而短程简单结构则无效.进一步,给出了评价非晶态固体结构预测性能有效性的普适定量方法,为建立广义无序物质的结构-性能关系提供了筛选准则.