用加脉冲梯度场的NMR自旋回波法测量高分子聚合过程中的自扩散系数

通过扩散系数的测量,可以了解高分子聚合反应整个过程的机理,进而控制聚合反应的进程。但能够测量高分子聚合过程中自扩散系数变化的仪器并不多。当前,加脉冲梯度场的自旋回波法被认为是最为有效和实用的方法^[1],此项研究围内尚未报道。     

电解质溶液自扩散系数的布朗动力学模拟

采用布朗动力学方法对电解质溶液进行了模拟,在传统布朗动力学的基础上综合考虑了流体力学的影响,并且引入SmartMonteCarlo方法的接受概率,避免了离子不现实的移动和位型重叠,这样不仅可以将模拟过程中的时间步长大幅度提高,而且还可使溶质在相空间的演化过程更接近实际.模拟过程以电解质溶液的原始模型为基础,将溶剂看作连续介质,溶质分子之间的相互作用采用软核加静电的势能函数模型,长程静电力采用Ewald加和的处理方法.模拟得到KCl和NaCl溶液的径向分布函数g+-(r),g++(r)和g--(r),并与文献中HNC计算以及模拟的结果进行比较,使用推广的Green-Kubo公式模拟计算溶液中各种离子的自扩散性质,计算结果与实验数据吻合良好.     

用渗流理论计算高分子溶液中溶剂的自扩散系数

基于微观渗流理论建立了溶剂小分子在高分子溶液中的自扩散模型,并据此模型对不同温度和浓度下的聚苯乙烯(PS)-苯、PS-甲苯、PS-乙苯和PS-四氢呋喃4个体系中小分子的自扩散系数进行了关联,计算出在不同温度下溶剂分子扩散所需的临界浓度。结果表明,在PS玻璃化温度以下,本模型对于温度和浓度具有很好的适用性和关联精度。     

甘油-水-氯化钠三元溶液中甘油浓度对甘油自扩散系数的影响

利用分子动力学模拟方法研究了浓度对甘油-水-氯化钠三元溶液中甘油自扩散系数的影响. 随着甘油浓度的增大, 甘油的自扩散系数逐渐减小. 氢键分析表明, 甘油自扩散系数的减小来源于其参与的甘油-水氢键数目的减少和甘油-甘油氢键数目的增加.     

化学与生物改性合成质子交换膜*

新型质子交换膜的研究主要集中在Nafion膜的化学或物理改性、化学合成材料的更新以及新型的生物材料燃料电池用质子交换膜的研发。本文对燃料电池用质子交换膜近3年的研究进展做了综述,并对PEMFC质子交换膜的发展前景进行了探讨与预测。     

质子交换膜燃料电池催化层化学稳定性研究

本文采用 Fenton 试剂离线加速衰减测试考察质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化层的化学稳定性. 在经100 h Fenton 试剂处理后,氟离子流失测试和傅里叶红外光谱表征（ATR-FTIR）证明催化层中全氟磺酸离聚物（Nafion）发生了化学降解;通过透射电镜（TEM）观察到催化层中发生了明显的 Pt 颗粒团聚和炭载体腐蚀,与TEM表征相一致,循环伏安测试（CV）表明电化学活性面积（ECSA）降低了58%,并伴随着双电层区域的明显减少;FTIR测试进一步表征了炭载体的表面状态,并没有观察到明显的含氧官能团的产生,减少的炭载体可能以CO₂的形式释放出去. 全电池测试表明,自由基攻击对催化层组成和结构造成了明显损坏,显著增加了催化层中的质子传导阻力和局部气体传输阻力,导致全电池性能大幅降低.     

磷酸掺杂的ab-PBI膜及其在高温质子交换膜燃料电池中的应用

以3,4-二氨基苯甲酸为单体合成了ab-聚苯并咪唑.研究了磷酸掺杂的该质子交换膜在80~200℃,不同湿度以及不同酸掺杂量下的质子电导率.该质子交换膜可作为燃料电池的膜电解质,在常压不增湿的条件下,可使电池运行温度达到200℃.     

基于扩散势能和自由体积的自扩散系数模型

A new model for self-diffusion coe±cients was proposed based on both the concepts of molecular free volume and activation energy. The unknown parameters of this model were clearly defined and compared with the Chapman-Enskog model. At the same time a new method for calculating activation energy was devised and applied to the new model. In addition, the free volume was defined by implementing the generic van der Waals equation of state, the radial distribution function of which was obtained by using the MorsaliGoharshadi empirical formula. Under the same conditions, the new model was better than the original free volume model.     

NMR研究溶液中正十四烷基硫酸钠/正十四烷基聚氧乙烯醚(3)表面活性剂之间的相互作用

采用¹HNMR弛豫、自扩散系数和二维相敏(2DNOESY)实验研究了正十四烷基硫酸钠[n-CH₃(CH₂)₁₃OSO₃Na(STS)]和正十四烷基聚氧乙烯醚(3)[n-CH₃(CH₂)₁₃O(C₂H₄O)₃H(C₁₄E₃)]在溶液中的自聚集以及二者混合后的相互作用.结果表明,STS与C₁₄E₃混合后存在相互作用,并形成混合胶束;弛豫实验表明,混合胶束中STS疏水链质子运动更加受阻,C₁₄E₃的α-(4″)和β-CH₂(3″)处链堆积紧密.C₁₄E₃的亲水端(CH₂CH₂0)₃链卷曲紧贴在疏水壳表面外链堆积较紧密处.自扩散系数测量表明,混合胶束比单一阴离子表面活性剂形成的胶束大.单一非离子型胶束和混合胶束的亲水端(CH₂CH₂0)₃(5″)链构成相应较软和松散的外壳.单一C₁₄E₃在极性溶剂氯仿溶液中,质子运动比在水中自由度大,但2DNOESY谱中出现了少量分子间的交叉峰,也可能形成了一些小的聚集体.     

化学稳定的磺化聚酰亚胺质子交换膜的合成及其表征

质子交换膜存在的最大问题是膜的水稳定性问题(包括水解稳定性、尺寸稳定性和溶解稳定性),对于磺化聚酰亚胺膜来说,由于存在酰亚胺环,因此他最大的问题是水解稳定性问题.基于这些问题,本文合成了一系列的化学稳定的(水、氧化和热稳定)磺化聚酰亚胺用做质子交换膜材料,所有的聚合物都表现出良好的成膜性、机械性能和热稳定性.首先,联萘二酐(BTDA)的引入,大大的提高膜的水解稳定性,例如Ia-90在90℃的水中1000 h还能保持原有的机械性能,而以NTDA为基础的膜24 h就失去了原有的机械性能.同时,在分子链中引入碱性的二胺基团,例如,苯并咪唑等;碱性的基团和磺酸基团形成聚合物盐,增强了链间的相互作用,降低了膜的吸水率,提高了尺寸稳定性.例如Ia-90和Ic-90具有相近的IEC值,但是由于聚合物中碱性基团和磺酸形成的分子间作用力,Ia-90的吸水率(65%)低于Ic-90(79%);吸水率的降低,同时也降低了膜的甲醇透过率.在保持这些优良性能的同时,为了提高膜的氧化稳定性和质子导电率,以新型的全芳香结构的磺化二胺(2,2'-BSBB)合成了一系列的不同磺化度的磺化聚酰亚胺(Ⅱ),所得聚合物具有良好的成膜性,在保持良好的机械性能、高热稳定性等的前提下,由于全芳香磺化二胺的引入,大大的提高了膜的氧化稳定性;尤其是Ⅱa-6110膜,开始溶解的时间大于40 h,远大于其它类型的SPI膜(＜30 h);由于2,2'-BSBB的刚性结构和大的侧链基团,Ⅱ膜具有较高的质子导电率;Ⅱa-80的质子导电率在20℃条件下为0.112 S/cm,在相同测试条件下,大于Nafion 117的0.09 S/cm,也远远大于相似IEC值的Ic-70的0.044 S/cm.因此,该膜有望作为一种新型的性能优良的质子传输膜材料应用于燃料电池.     

表面活性剂在水溶液中性质的质子核磁共振研究

综述了质子核磁共振的几种方法在表面活性剂水溶液研究中的应用.自从上世纪六十年代以来的许多研究表明核磁共振的各种技术是研究表面活性剂溶液的有效手段.它可以提供表面活性剂在水溶液中的cmc、胶束的结构、尺寸、水化、加溶性质和位置，不同表面活性剂胶束之间的相互作用，以及胶束与生物分子和高聚物的相互作用.化学位移已经成为惯常方法，弛豫测量提供动态信息，自扩散系数测量是研究胶束尺寸的很好手段.近来由于核磁共振技术的不断发展，用于研究生物大分子的2D NOESY和HOESY也逐渐应用到研究表面活性剂聚集结构中.由此可以得到有关表面活性剂在水溶液中行为的分子水平信息，是其它谱学方法所不能及的.     

NMR自扩散研究脂肪酸与α-环糊精的相互作用

用脉冲梯度场NMR测量自扩散系数的方法研究了乙酸、丙酸和丁酸与α-环糊精在低于临界浓度条件下的相互作用.研究发现,3种脂肪酸的扩散系数均随着环糊精含量增加而减小,其减小趋势与烷基的大小有关,烷基越大,其扩散系数减小越快.利用测得的扩散系数计算出3种脂肪酸和环糊精形成复合物的平衡常数,发现平衡常数随烷基链增长而增大,该结果与2D-ROESY(RotatingFrameOverhauserEffectSpec-troscopy)谱均表明,在脂肪酸与α-环糊精相互作用过程中,烷基与环糊精内腔的疏水相互作用起主导作用,不同脂肪酸和α-环糊精的结合比均为1:1.     

含活泼质子水溶性化合物的核磁共振结构解析

利用核磁共振对在水溶剂易溶且含活泼质子的化合物的结构进行解析.实验中将待测样品直接溶解于二次去离子水中,并利用外标进行锁场.这样既保证了核磁共振实验的正常进行,同时避免了实验中氘代试剂对活泼质子的置换效应,为化合物中活泼质子的定位提供了直接的依据.为了保证外标锁场实验核磁共振谱图的质量,本工作采用了溶剂峰压制的核磁共振实验技术,获取了一组高质量的1D、2D谱图,并在此基础上顺利完成了对头孢米诺盐的结构确定.     

多孔离子交换树脂内Eu3+离子的分步扩散

用同位素交换法研究了Eu³⁺离子在D72和D751树脂内的扩散过程.应用分步孔道扩散方程将粒内有效扩散系数D_e分解为孔道扩散系数D_p和固相扩散系数D_g,表明该方程可用于描述多孔树脂内的动力学过程.实验表明,D_e、D_p、D_g均随反应温度的升高而增大.计算了实验条件下的Eu³⁺的自扩散活化能;D72树脂的D_p和D_g对温度的响应比D751树脂大,其D_e、D_p、D_g值亦均大于D751树脂;Eu³⁺在溶液中的自扩散系数D_s＞D_p,说明离子在树脂孔道内的自扩散不能完全等同于其在溶液中的自扩散.     

Diffusion Measurements To Understand Dynamics and Structuring in Solutions Involving a Homologous Series of Ionic Liquids

The self-diffusion coefficients of each of the components in mixtures containing pyridine and each of the homologous series 1-alkyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imides in acetonitrile were determined using NMR diffusometry (i. e., Pulsed Gradient Spin Echo). The nature of solvation was found to change significantly with the proportion of salt in the mixtures. Increased diffusion coefficients (when corrected for viscosity) for the molecular components were observed with increasing proportion of ionic liquid and with increasing alkyl chain length on the cation. Comparison of the molecular solvents suggests increased interactions in solution of the pyridine with other components of the mixture, consistent with the proposed interactions shown previously to drive changes in reaction kinetics. Discontinuities were seen in the diffusion data for each species in solution across different ionic liquids between the hexyl and octyl derivatives, suggesting a change in the structuring in solution as the alkyl chain on the cation changes and demonstrating the importance of such when considering homologous series.     

Water Dynamics in Highly Concentrated Salt Solutions: A Multi-Nuclear NMR Approach

Living cells often contain compartments with high concentration of charged biomolecules. A key question pertinent to the function of biomolecules is how water dynamics are affected by interaction with charged molecules. Here, we study the dynamical behavior of water in an extreme condition, that is, in saturated salt solutions, where nearly all water molecules are located within the first hydration layer of ions. To facilitate disentangling the effects of cations and anions, our study is focused on alkali chloride solutions. Following a multi-nuclear NMR approach enabling direct monitoring of protons and the quadrupolar nuclei ⁷Li, ¹⁷O, ²³Na, ³⁵Cl, ⁸⁷Rb and ¹³³Cs, we investigate how the translational and rotational mobility of water molecules, chloride anion and corresponding cations are affected within the constrained environment of saturated solutions. Our results indicate that water molecules preserve a large level of mobility within saturated alkali chloride solutions that is significantly independent of adjacent ions.