基于密度泛函理论计算的CO2在SrTiO3(100)表面的吸附

通过密度泛函理论的第一性原理,模拟了CO2分子在SrTiO3(100)表面TiO2-和SrO-位点上的吸附行为,获得了CO2在几种不同吸附模型下的结构参数及表面吸附能,进而研究了吸附机理和结构稳定性.计算结果表明,当CO2的C原子吸附在SrTiO3(100)表面SrO-及TiO2-位点的氧原子上时,吸附结构较稳定,尤其是C、O原子共吸附在TiO2-位点时最稳定,而其余吸附模型则不稳定.对吸附稳定模型的Mulliken布局数及态密度分析显示:CO2分子在SrTiO3(100)表面吸附主要是由于SrTiO3(100)面的电子跃迁至CO2分子,CO2分子得到电子形成弯曲的CO2-阴离子结构,并伴随着C-O键的伸长,从而达到吸附活化CO2的目的.     

1,2-亚苯基二硫桥[FeFe]-氢化酶模拟物选择性光催化还原CO2至CO

利用基于非贵金属的分子催化剂通过光驱动催化CO2还原生成CO是将太阳能储存为化学能和缓解CO2温室效应的有效途径之一,具有重要的科学意义和潜在的应用前景.已报道的非贵金属分子催化剂,大多数对于光驱动CO2还原表现出缓慢的催化反应速率和/或对CO产物的低选择性,反应常常伴随着质子还原产氢反应,只有很少几种非贵金属分子催化剂对光催化CO2还原生成CO表现出高催化反应速率(>100 h?1)和高选择性.研究表明,双核过渡金属配合物由于分子中邻近的两个金属中心的协同催化作用,对于CO2还原生成CO的催化活性明显高于相应的单核配合物.因此,具有两个邻近的金属离子的非贵金属双核配合物有望作为CO2选择性还原的高效分子催化剂.我们最近的研究发现,具有刚性、共轭亚苯基二硫桥结构的[FeFe]-氢化酶模拟物[(μ-bdt)Fe2(CO)6](1,bdt=苯-1,2-二巯基)能够高活性、高选择性地光化学还原CO2至CO,而与其类似的模拟物[(μ-edt)Fe2(CO)6](2,edt=乙烷-1,2-巯基)则不具有光催化还原CO2活性,表明铁铁氢化酶模拟物中硫-硫桥的结构是影响模拟物的催化性能的重要结构因素之一.可见光照射1/[Ru(bpy)3]2+/BIH(BIH=1,3-二甲基-2-苯基-2,3-二氢-1H-苯并[d]-咪唑)体系4.5 h,1催化生成CO的循环数(TON)为710,在初始1 h的转化率(TOF)为7.12 min^-1,CO的选择性达到97%,内量子效率为2.8%.有趣的是,向体系中加入TEOA时可以调节1的催化选择性,光化学反应能够在CO2还原产生CO和质子还原产生H2之间进行切换.此外,采用稳态荧光和瞬态吸收光谱研究了光催化体系中的电子转移,提出可能的光催化反应机理.该研究结果揭示了刚性硫-硫桥结构的氢化酶模拟物对光化学CO2还原至CO的特殊催化活性,拓展了铁铁氢化酶模拟物的催化多功能性.     

PVP调控花状碳酸铈堆积过程的分子动力学模拟

采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为模板剂,利用Material Studio软件研究Ce2 (CO3)3· 8H2O晶体陈化堆积过程的生长机制.通过对Ce2(CO3)3·8H2O各晶面间Ce3+间距和PVP分子链上不同酮基间间距进行分子动力学模拟,解释PVP在Ce2(CO3)3·8H2O各晶面间的吸附识别过程.在模拟的水环...     

基于离子液体固定二氧化碳的研究进展

综述了不同种类离子液体吸收固定CO2的研究进展,从离子液体的结构和分子模拟结果探讨了离子液体吸收CO2的机理及特征,展望了功能化离子液体在固定CO2方面的应用前景并分析了其在工业应用中存在的问题.     

CO2电化学还原研究进展

综述了利用电化学方法研究CO2在水溶剂，非水溶剂中的转化情况和机理，以及将CO2固定在有机络合物中或用光电化学，光催化还原CO2及仿光合作用转移CO2的最新研究情况，旨在寻求一种合理，高效的CO2转化方法以缓解温室效应。     

碱金属阳离子对铁卟啉电催化CO2还原的影响

电催化CO2还原反应(CO2RR)可以有效地将温室气体转化为燃料或高附加值的化学品,从而缓解目前人类所面临的环境问题和能源危机,其中开发高效的电催化剂是至关重要的环节.近年来,研究者设计了多种高效的过渡金属配合物(包括Mn,Fe,Co,Ni和Cu)用作CO2RR分子电催化剂,并研究了其中的构效关系,例如,在分子内修饰质子给体取代基或电荷取代基可以显著提高CO2RR的催化效率.而电催化CO2RR的实际应用要在含有碱金属阳离子(例如,Na+和K+)的电解质水溶液中进行,但在已有报道中,很少有关于碱金属阳离子对CO2RR的影响.在众多的分子催化剂中,铁卟啉可以以较高的催化活性和选择性实现CO2到CO的转化.重要的是,卟啉环的刚性结构、稳定的配位环境及其骨架上官能团的易于修饰性成为研究CO2RR的构效关系的理想分子模型.基于以上考虑,本文以铁卟啉配合物为分子模型,研究了碱金属阳离子Na+和K+对电催化CO2RR的影响.首先,本文合成了简单的A4型铁卟啉化合物四-(3,4,5-三甲氧基苯基)-铁卟啉(FeP).并采用核磁共振、质谱分析、单晶衍射等表征手段对化合物进行了表征,在含有电解质的DMF溶液中测试其电催化CO2还原性能.实验结果表明,FeP可以实现高效的电催化CO2还原,催化电流随FeP的浓度呈线性增加,说明催化反应速率与催化剂浓度呈一级反应速率关系.较长时间的恒电压电解实验以及电解前后化合物的紫外-可见光谱证实了FeP的稳定性.通过气相色谱对产物进行分析,CO为主要产物,法拉第效率为95％.以上结果均表明,FeP是一个优良的分子催化剂.在此基础上,本文还发现加入Na+和K+均可以显著提升催化活性,而K+的加入使催化电流的提升更加显著,这可能是由于K+在溶液中的迁移速度比Na+更快.基于此实验现象,本文通过在FeP的第二配位层修饰1-氨-18-冠-6-醚官能团(N18C6),合成了N18C6-FeP化合物.结果表明,由于N18C6与Na+/K+之间的配位作用,使得N18C6-FeP比FeP具有更好的电催化CO2RR活性.研究表明,催化活性的提升归因于碱金属阳离子能够通过静电相互作用稳定Fe-CO2中间体.1H NMR谱证实了N18C6基团的确能够螯合碱金属阳离子.本文研究证明了碱金属阳离子对改善电催化CO2RR的积极作用,对于进一步深入了解CO2RR催化反应机理和未来合理的设计高效催化剂也都具有重要意义.     

Au-2n(n=1,2)催化CO氧化反应机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP方法研究了金团簇阴离子Au-2和Au-4催化CO氧化反应的详细机理.计算结果表明,O2分子比CO分子更容易吸附剑金团簇上.第二分子CO能有效降低较强O-O键断裂所需能量.CO氧化反应过程需要两个CO分子协同进行.Au-2和Au-4催化CO氧化反应均通过碳酸根中间体进行,活化能分别为0.607和0.658 eV.Au-4和Au-2都能在常温下有效催化CO氧化反应,这些结果与以前的实验和理论研究一致.     

双核过渡金属络合物引发氮分子活化研究

将自然界资源丰富但化学性质上极其惰性的氮气分子在温和条件下转化为氨及其他含氮化合物,具有非常重要的意义。过渡金属络合物引发氮分子的活化及官能化已成为现代工业固氮的一大研究热点。本文回顾了氮分子与双核过渡金属络合物结合的键型模式,总结了影响氮分子活化的诸多因素如配体调变效应、金属调变效应等,对双核过渡金属络合物引发的双氮裂解、双氮官能化及CO/CO2协助双氮活化官能化等反应的实验与理论研究现状和进展进行了简要综述,并对未来过渡金属络合物在氮分子固定的应用发展作了展望。     

C60Pt(CO)(Pph3)配合物的合成及氧化还原性能研究

采用配体取代法,即在惰性气氛下以C60取代Pt(CO)2(Pph3)2中的CO及Pph3,合成了C60Pt(CO)(Pph3)富勒烯金属配合物,利用元素分析、红外光谱、紫外可见光谱、光电子能谱等手段对产物进行鉴定和表征,结果表明,C60以σ-π配位方式与Pt形成了稳定的η2型C60配合物.由于该分子存在超共轭作用,分子内电子流动性大,因而该配合物可能具有良好的光电转化性能及催化性能.氧化还原性能研究表明,C60在与金属有机基团Pt(CO)(Pph3)形成配合物后,其还原电位向负方向发生了移动.     

无金属参与的CO_2催化转化的研究进展

CO2既是导致全球变暖的主要温室气体,又是来源丰富廉价易得的可再生C1资源,因此CO2的资源化利用是绿色化学的重要研究方向之一.本文作者分别从无金属参与的CO2催化转化制备五元环状碳酸酯、噁唑啉酮以及CO2还原等几个方面对其催化转化进行综述,并对CO2有机催化转化进行了展望.     

CO_2-甲醇和CO_2-乙醇体系的界面性质

在交叉缔合的均相状态方程的基础上,结合密度梯度理论(density gradient theory,DGT),建立了适用于CO2-甲醇和CO2-乙醇二元体系界面性质研究的状态方程,对CO2-乙醇体系表面张力的关联结果与实验值吻合良好.阐明了CO2分子与甲醇分子和乙醇分子之间的交叉缔合作用对二元体系表面张力计算结果的影响,以及界面相中CO2与醇羟基之间的交叉缔合与温度和压力之间的关系.     

甲烷在熔融碱金属碳酸盐中的还原行为研究

针对CH4在熔融碳酸盐中转化的新体系,研究了CH4在熔融碳酸盐介质中的还原行为.对CH4与熔融碳酸盐(Li2CO3、Na2CO,、K2CO3)的反应产物组分作了热力学分析,进行了实验研究,并对反应机制进行民探讨,研究结果表明,气体产物中CO、CO2的含量随反应温度的升高而增加;随反应时间的增加而降低;反应活性大小变化规律为:Li2CO3>Na2CO3>K2CO3,实验结果与理论分析相符.混合熔融盐具有更高的CO选择性,并且气体产物中CO、CO2浓度及CH4转化率随反应时间增加降低较快,较纯组分更适合作CH4转化反应介质.反应机制的推测表明H2、CO、CO2的产生分别来自于CH4裂解及裂解C与熔融碱金属碳酸盐的反应.     

水对二氧化碳插入TpRu(PPh3)(CH3CN)H生成甲酸根配合物的影响

分别研究了在干燥THF及H2O/THF条件下CO2与TpRu(PPh3)(CH3CN)H(Tp=Hydrotris(pyrazolyl)borate)的反应, 发现水对CO2插入TpRu(PPh3)(CH3CN)H的反应具有显著促进作用. 原位高压NMR研究显示, 在水存在下, CO2插入Ru-H键形成水合甲酸根配合物TpRu(PPh3)(CH3CN)(η1-OCHO)H2O, 其中甲酸根配体与溶剂中水分子形成分子间氢键. B3LYP水平的理论计算表明, CO2插入TpRu(PPh3)(CH3CN)H 中Ru-H键的能垒由于水的存在而显著降低; 在过渡态, CO2分子中碳原子的亲电性由于其氧原子与水分子形成氢键而得到增强. TpRu(PPh3)(CH3CN)(η1-OCHO)*H2O很快转化为另一甲酸根配合物TpRu(PPh3)(H2O)(η1-OCHO), 并与之达成平衡. 后者由于甲酸根配体与水分子配体间形成分子内氢键而稳定.     

水合物CH4-CO2置换的双重机理:空位辅助与竞争

过去的CO2置换甲烷水合物的微观机理研究,主要集中在客体分子(CH4、CO2)之间的交换、占据状态,孤立地研究分解过程或生成过程,忽视主体-客体之间的作用、主体分子(H2O)的空位辅助和客体分子的多重竞争通道。本文基于水合物分解的过冷水及其水空位辅助,以及水合物生成的串滴链及其客体分子竞争的研究,进一步评论水合物CH4-CO2置换的双重机理。然后,对微观机理的动态性和未来研究的相关问题进行讨论。通过综述和评论,文章得出以下初步结果:过冷水通过水空位推动客体分子的跳跃、扩散,实现置换过程的自组装;CO2分子在分解前沿形成一个有序结构的CO2串滴链,其动态性伴随水的组织到获取包合物笼的结构,以及非晶形包合物转变成晶形包合物的生长过程;CO2和CH4在中晶穴中必然产生竞争,并且存在多种竞争类型;成核过程中,不稳定簇导致竞争结构,且有多重竞争通道。最后,结果表明水合物的CH4-CO2置换机理具有双重性,即主体分子的空位辅助和客体分子的竞争,是分解过程和生成过程的自然统一。     

Au2n-(n＝1, 2)催化CO氧化反应机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP方法研究了金团簇阴离子 和 催化CO氧化反应的详细机理. 计算结果表明, O2分子比CO分子更容易吸附到金团簇上. 第二分子CO能有效降低较强O—O键断裂所需能量. CO氧化反应过程需要两个CO分子协同进行. 和 催化CO氧化反应均通过碳酸根中间体进行, 活化能分别为0.607 和0.658 eV. 和 都能在常温下有效催化CO氧化反应. 这些结果与以前的实验和理论研究一致.     

气相金属催化反应综述

金属催化剂在工业、环境、能源以及生物等过程具有重要的应用.设计具有特定活性、环境友好型以及室温下具有反应活性的催化剂,需要在分子水平对金属催化剂的基元步骤,活性位点的结构以及催化反应微观机理有充分的认识.然而,由于宏观催化剂表面结构异常复杂,催化反应常受到溶剂、压力、金属颗粒团聚、催化剂表面缺陷等因素的干扰,利用现有实验仪器,从微观角度探索金属催化反应机理仍具有较大挑战,因此,对金属催化剂活性位的结构以及反应微观机理的认识还不十分清楚.质谱方法结合现代量子化学理论计算,提供了在气相条件下实验探索化学反应微观机理的有力工具,团簇反应可在隔离外界条件、可控以及可重复条件下进行,可以排除一些难以控制因素的干扰,可在化学键和分子结构水平认识金属活性位的结构以及催化反应的微观机理.气相金属团簇离子可用多种实验方法制备,与反应物分子反应后可利用多种质谱仪器探测,根据实验上所得的具有反应活性的团簇,结合现代量子化学理论模拟,得到金属催化反应的基元步骤以及微观反应机理信息,所得反应机理信息为宏观催化剂的设计提供重要理论研究基础.本综述总结了团簇实验上已经探测到的金属单原子离子、金属团簇、金属氧化物团簇和金属化合物催化的气相反应.反应物分子囊括了大量的无机和有机分子,包括CO,H2,CH4,C2H2,C2H4,C6H6,CH3OH,HCOOH,CH3COOH等.本综述主要介绍了以下三类催化反应:(1)CO催化氧化;(2)CH4催化转化;(3)催化脱羧反应,并重点关注贵金属单原子掺杂团簇独特的催化反应性.单原子催化剂可最大限度地利用有限的贵金属.在化学反应方面,单原子催化剂具有特异的反应活性,选择性以及稳定性.本综述对气相团簇反应中报道的两个重要的贵金属单原子掺杂团簇的催化反应进行了详细介绍:(1)金原子掺杂的AuAl3O3-5+团簇为首次报道的可以利用分子氧催化氧化CO的团簇单原子催化剂,我们对Au原子起催化作用的本质原因进行了介绍:(2)铂原子掺杂的PtAl3O5-7-团簇能利用分子氧催化氧化CO,该研究提出了"电负性阶梯"效应来解释Pt原子催化的微观机理,且此效应有望对大部分贵金属适用.此外,本综述对CO催化氧化反应和CH4催化转化反应的研究现状以及尚未解决的问题进行了剖析.相比CO的催化氧化反应,科学家对CH4催化转化反应机理的认识还不够深入,还需要进一步实验研究,而团簇单原子催化剂有望在此领域有所突破.     

CeO2(110)表面上CO氧化反应的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论系统研究了O2与CO在CeO2(110)表面的吸附反应行为. 研究表明, O2在洁净的CeO2(110)表面吸附热力学不利, 而在氧空位表面为强化学吸附, O2分子被活化, 可能是重要的氧化反应物种. CO在洁净的CeO2(110)表面有化学吸附与物理吸附两种构型, 前者形成二齿碳酸盐物种, 后者与表面仅存在弱的相互作用. 在氧空位表面, CO可分子吸附或形成碳酸盐物种, 相应吸附能均较低. 当表面氧空位吸附O2后(O2/Ov), CO可吸附生成碳酸盐或直接生成CO2, 与原位红外光谱结果相一致. 过渡态计算发现,O2/Ov/CeO2(110)表面的三齿碳酸盐物种经两齿、单齿过渡态脱附生成CO2. 利用扩展休克尔分子轨道理论分析了典型吸附构型的电子结构, 说明表面碳酸盐物种三个氧原子电子存在离域作用, 物理吸附的CO及生成的CO2电子结构与相应自由分子相似.     

孤岛渣油超临界水-合成气中悬浮床加氢裂化反应研究 Ⅱ. 不同氢源下的加氢裂化反应

为了研究替代氢源加氢的有效性,对孤岛渣油以磷钼酸为催化剂,在不同氢源(CO+H2/H2O、CO/H2O、H2/H2O、H2)中悬浮床加氢裂化反应进行了研究。结果表明,超临界水中现场发生的水-气转化反应提供的加氢氢源是一种具有高加氢活性的原子态氢。在适宜的反应条件下,孤岛渣油在超临界水-合成气中的加氢裂化反应过程在抑制生焦、反应产物分布等方面与对应的分子氢存在下孤岛渣油加氢裂化反应结果几乎一致,反应体系中水的存在主要作用是提供水-气转化反应的条件,在没有水-气转化发生的体系中,水的存在对加氢过程有抑制作用,总之、利用现场发生水-气转化反应为加氢提供氢源的孤岛渣油超临界水-合成气中悬浮床催化加氢裂化是一项有效的渣油加氢改质技术。     

二氧化碳/环氧丙烷/γ-丁内酯三元共聚物结构与载药性能的分子模拟

基于Compass力场,利用Materials Studio工作站对二氧化碳/环氧丙烷/γ-丁内酯三元共聚物(PPCG)分子的微观结构与宏观性质间的关系进行了分子模拟研究.通过模拟可知,PPCG分子链为柔性线形分子,易水解的碳酸酯和羧酸酯基团分布于PPCG单元的外部,并且PPCG单元中存在微相分离结构.通过对PPCG与药物分子咖啡因相互作用的分子模拟和计算,进一步了解咖啡因分子是选择性地分布到CO2结构单元的区域中,而在GBL区域无分布.因此可利用PPCG的微相分离结构实现药物分子的自组装,这一研究结果对此类载体中药物分子的自组装行为研究奠定了理论基础.模拟研究结果不仅与实验结论相符合,为分子微观结构与宏观性质间的关系提供了清晰的阐述,而且为进一步探讨载体与药物分子间的相互作用奠定了理论基础.     

脉冲电晕放电-催化转化CO2为CO

在常温、常压下，较系统地研究了CO2在脉冲电晕等离子体条件下的活化与转化，考察了反应器参数、脉冲成形电容、应用电压、气体流量、电晕极性对二氧化碳转化的影响。在本实验条件下，最佳反应器的有效长度为125mm,内径为22mm。二氧化碳转化率和一氧化碳产率随应用电压的增加而增加。另外，随着应用电压的增加，脉冲反应器的能量利用效率反而降低。随着气体流量的增大，二氧化碳的转化率及一氧化碳的产率下降。γ-Al2O3的存在大大促进了二氧化碳的转化，CO2的最高转化率达23％。由于γ-Al2O3在物化性质方面的特性，γ－Al2O3的存在对二氧化碳的转化有重要的作用。研究表明：脉冲电晕放电－催化转化CO2为CO是可行的。