甘氨酸水热液化原位拉曼光谱观测及反应动力学分析

随着社会经济的飞速发展,能源短缺问题在世界范围内日益突显。目前,开发利用可再生能源已被我国列为能源发展的优先领域。藻类植物蕴含丰富的生物质能,同时又具有光合效率高、固碳能力强、生长速度快、来源分布广等优势,是公认的可持续绿色清洁能源的发展方向。甘氨酸是藻类水热液化过程中的重要过程反应物,其液化过程中的热动力学性质是认识和优化藻类水热液化技术的基础要素,通过研究甘氨酸水热液化过程可为分析复杂的生物质水热液化反应奠定基础。研究基于熔融石英毛细管反应器（FSCR）高温高压可视反应腔,结合Linkam FTIR600控温台与Andor激光拉曼光谱仪联用,对甘氨酸水溶液在270~290 ℃（压力同于实验环境温度下水饱和蒸气压）条件下的液化过程运用拉曼光谱分析技术开展了原位研究。通过观测5 Wt%甘氨酸溶液中C—C伸缩振动峰（897 cm-1）、C—N 伸缩振动峰（1 031 cm-1）和COO-反对称伸缩峰（1 413 cm-1）在液化过程中的相对拉曼强度变化,深入分析了温度及反应时间对甘氨酸溶液各官能团热分解的影响。运用Avrami的反应动力学模型分析,获取了量化温度对甘氨酸分子中骨架碳链ν（C—C）的特征振动模式热解过程影响的活化能,357 kJ·mol-1,和不同实验温度下的反应速率常数k等一系列相关参数,定量地揭示了甘氨酸液化过程的热动力学性质。实验中发现,在设定相同的液化反应时间（10 min）内,当温度低于290 ℃时,降温后反应腔内能观测到甘氨酸水溶液中ν（C—C）,ν（C—N）,ν_as（COO-）的特征峰,而温度高于290 ℃时则不然,表明甘氨酸的完全液化温度约为290 ℃。该研究运用高温高压可视化实验技术,结合原位拉曼光谱分析技术,厘清了甘氨酸水热液化过程中的不同温度下特征官能团拉曼峰强的变化规律,为深入了解藻类水热液化过程机理、推进生物质能的开发利用提供必要的实验依据,具有重要的科学意义和现实意义。     

甲酸钠/甲酸锂溶液的拉曼光谱研究

结合实际晶体的生长条件,探讨了不同温度、不同过饱和度下的甲酸钠和甲酸锂水溶液的Raman光谱,对谱峰进行认定和Gaussian多峰值拟合。分析温度、浓度、过饱和度及阳离子效应对溶液结构的影响,并比较分析甲酸锂溶液结构和一水甲酸锂晶体结构的差异。结果表明：在实验的条件下, 浓度、温度、过饱和度对溶液结构影响微小;阳离子对谱峰位置影响显著。     

甲醇锂和乙醇锂拉曼光谱的密度泛函理论研究

前人研究证明在烷氧基锂(ROLi)中锂原子直接和氧原子相连而形成O-Li健,作者依此构造出甲醇锂和乙醇锂的分子构型.目前在实验和理论计算上都尚无对甲醇锂和乙醇锂分子的拉曼光谱的报道.文章用密度泛函珲论中的B3LYP混合泛函联合6-31G(d,p)基函数组进行了这两个分子的结构优化得到其平衡构型.基于此平衡构型计算出甲醇锂和乙醇锂的振动频率和拉曼光谱,对计算所得的振动频率进行了简正坐标分析,根据各频率的势能分布进行了全面的归属指认,旨在为用拉曼光谱技术研究和分析锂离子电池固体电解质膜(SEI膜)组分提供更多的理论依据.     

高温原位拉曼光谱研究BiFeO3陶瓷反应烧结相变过程

多铁性材料BiFeO3(BFO)由于具有潜在的磁电耦合效应而备受关注,但纯相陶瓷的制备始终是一个难点,部分原因在于对其反应烧结相变规律的认识尚不充分。高温原位拉曼光谱技术(HT-Raman)是表征复杂的固体相变及反应的有力手段。首次利用HT-Raman,研究了不同配比(1∶1, 1.03∶1和1.05∶1)的Bi2O3-Fe2O3在不同升降温速率(10和100℃·min-1)下的反应烧结相变过程,以及降温时反应产物的收缩效应。结果表明:Bi2O3-Fe2O3反应烧结生成BiFeO3的过程中,会产生中间过渡相Bi2Fe4O9和Bi25FeO39∶Bi2O3-Fe2O3配比为1.03∶1、升降温速率较快时,产物中杂相含量最少,可见Bi过量及较快的升降温速率能有效抑制杂相的生成。降温过程中,发现BFO的A1-1峰位随着温度降低发生蓝移,且二者呈良好的线性关系,这说明降温过程中BFO仅因温度变化产生晶格收缩,并没有结构相变。此外,还利用二维X射线衍射(2D-XRD)及背散射电子衍射(EBSD),表征了烧结产物的相组成及形貌。XRD结果也显示Bi过量时杂相含量较少,与拉曼结果一致。结合2D-XRD和EBSD的结果可知, Bi过量时烧结产物晶粒尺寸较大且均一,可见快速升降温有利于晶粒的成核与生长。研究结果可帮助进一步认清反应烧结规律,并指导纯相BiFeO3基陶瓷的制备。     

异硫氰基-孔雀石绿的拉曼光谱计算及分析

异硫氰基-孔雀石绿(malachite green isothiocyanate,MGITC)是应用于细胞探测,生物组织成分分析和细胞成像等方面的拉曼探针分子.本文首先给出了MGITC分子的结构图,并用密度泛函(DFT)算法对其进行了空间结构优化;然后分别用Hartree-Foek(HF)和MP2两种算法基于STO-3G基组计算了它的拉曼光谱与红外光谱,给出光谱强度图;并对比了两种算法的拉曼光谱图和其实验光谱图,结果显示了很好的一致性;本文还给了MGITC分子中的各个原子键长,键角等空间结构参数;并对MGITC分子在550～4 200cm-1区间的振动谱做了指认.这些工作将促进MGITC作为探针分子在生物学领域的应用.     

高压下正戊醇的拉曼光谱原位研究

在室温(23℃)高压条件下,利用立方氧化锆压腔研究了正戊醇在波数800~3 000 cm-1范围内的拉曼光谱。拉曼谱峰随着压力的增大变得越来越尖锐,C—H伸缩振动峰在高压下不易被分离。在0.1 MPa~1.75 GPa,其C—H伸缩振动峰均随着压力的增大向高波数方向线性移动,拉曼频移与压力的线性拟合方程分别为:P(MPa)=69.652 65.(Δνp)single,T=23℃+105.806 93,0(Δpν)single(cm-1)≤23;P(MPa)=77.974 04.(Δpν)2 960,T=23℃+95.390 5,0(Δνp)2 960(cm-1)≤21;P(MPa)=126.956 39.(Δpν)2 863,T=23℃-110.648 09,0(Δpν)2 863(cm-1)≤13。正戊醇的C—H伸缩振动单峰拟合的波数随压力的变化关系为(sνingle/P)T=(14±1)cm-1,适合用来标定体系压力。在压力为1.75 GPa时,正戊醇的拉曼谱峰有明显跳跃,同时镜下观察到其液-固相转变。液-固相转变过程中的摩尔体积变化为ΔVm=1.84×10-6m3.mol-1。     

拉曼-荧光联合光谱水下原位探测技术研究

深海热液环境中存在着巨大的化学和热梯度,快速剧烈的混合和生物过程产生了多种多样的矿物过程,并培养了大量的化学合成微生物。激光拉曼光谱非常适合于深海热液环境矿物过程的探测,然而要对矿物与微生物作用过程进行研究,还需要与荧光光谱技术进行联合,针对此需求开展了原理验证实验研究。在实验室搭建了一套拉曼-荧光联合光谱探测桌面系统,利用一台双波长激光器同时作为拉曼光谱和荧光光谱的激发光源,其中拉曼光谱采用532 nm波长,荧光光谱采用266 nm波长,双波长激光器发出的光束经分光镜分为两路,经过后向散射光路收集的两路信号分别进入两个小型光纤光谱仪进行分光探测,拉曼光谱采用QE65000光谱仪,荧光光谱采用USB2000光谱仪,通过软件可以方便的分别设置两个光谱仪的参数。利用搭建的实验系统对海水和拟菱形藻样品进行探测,分别获得了海水样品的SO2-₄拉曼光谱和可溶性有机物(CDOM)荧光光谱,拟菱形藻样品的类胡萝卜素拉曼光谱和类蛋白、叶绿素等荧光光谱,实验结果证明了研制小型拉曼-荧光联合光谱探测装置的可行性,并为发展原位联合光谱探测装置提供了技术参考。     

甘氨酸二聚体在银团簇表面吸附的结构和表面增强拉曼光谱

利用密度泛函理论DFT-B3LYP方法和6-31++G**基组优化了甘氨酸二聚体(Gly2)的结构及其银复合物,并对它们的电子性质和拉曼振动光谱进行了理论研究.计算结果表明,复合物Gly2-Ag2中的O-Ag键表现了较强的吸附键位,致使结构上更为稳定.通过计算的HOMO-LUMO能隙研究也发现,银金属团簇影响了Gly2的电子特性,使得电子结构发生重排.我们对Gly2及其复合物的拉曼光谱特性进行了比较,并对主要振动模式进行了归属,其中一些特征峰位置发生了明显红移;由于银金属表面的诱导,致使复合物中某些特征拉曼峰被增强.这些研究对解释一些实验现象和SERS增强机理提供了理论参考.     

拉曼光谱研究苯乙烯热聚合反应

利用拉曼光谱研究了苯乙烯的热聚合反应。根据苯乙烯烯键1632cm~(-1)谱带在热聚合反应中振动强度的变化,以苯环1002cm~(-1)谱带的强度为内标,测试了反应体系中单体浓度随时间的变化,并与经典的化学方法所得结果作了比较。发现两种方法有一定的平行误差,很好地遵从Arrenhnius关系,求得的活化能分别为18.9和19.5 kcal/mol,与文献结果一致。     

甘氨酸二聚体在银团簇表面吸附的结构和表面增强拉曼光谱

利用密度泛函理论DFT-B3LYP方法和6-31++G**基组优化了甘氨酸二聚体(Gly2)的结构及其银复合物,并对它们的电子性质和拉曼振动光谱进行了系统地理论研究。计算结果表明,复合物Gly2-Ag2中的O-Ag键表现了较强的吸附键位,致使结构上更为稳定。通过计算的HOMO-LUMO能隙研究也发现,银金属团簇影响了Gly2的电子特性,使得电子结构发生重排。我们对Gly2及其复合物的拉曼光谱特性进行了比较,并对主要振动模式进行了归属,其中一些特征峰位置发生了明显红移;由于银金属表面的诱导,致使复合物中某些特征拉曼峰被极大地增强。这些研究对解释一些实验现象和SERS增强机理提供了重要的理论参考价值。     

叠氮化钠原位高压拉曼光谱研究

在室温条件下,利用金刚石对顶砧高压技术对叠氮化钠进行了原位高压拉曼光谱研究,采用红宝石荧光压标测压,实验的最高压力为37.7GPa。实验压力范围内拉曼光谱随压力增加发生了丰富的变化。由于多处拉曼峰的出现和消失并伴随频移有拐点,我们判断叠氮化钠在0~0.4GPa时发生了第一次结构相变,在相变过程中叠氮根的天平振动模式(Eg)出现了振动模式分裂为Ag和Bg,并且伴随着叠氮根离子之间的电荷转移。随着压力继续增加,在14.1GPa和27.3GPa分别发生了第二次和第三次结构相变。压致相变的路径为β-NaN_3→α-NaN_3→γ-NaN_3→δ-NaN_3。我们的拉曼散射研究,证实了此前的XRD研究。此外,结合计算,我们对常压下β-NaN_3的拉曼振动进行了指认。     

新石器时期石斧拉曼光谱原位无损研究

本文采用显微拉曼光谱技术对云南省永仁县菜园子两件新石器时期古石斧的表面和截面进行测试分析 ,结合矿物拉曼谱 ,初步确定了其成分。分析表明 ,拉曼谱还给出了石斧埋葬的年代和周围环境变化的信息 ,其具体细节还有待于进一步探讨。     

拉曼光谱原位表征在有机光电器件中的应用

拉曼原位表征(Raman in situ characterization)就是在不破坏样品的情况下利用拉曼光谱实时监测变化过程,以表征样品在真实环境下的结构性能变化或记录样品在整个过程中的实时信息。在器件的工作时,原位检测化学结构、物理结构的变化,有利于深入了解器件微观结构与光电性能间的关系,帮助我们优化器件结构,提高器件性能。本文主要针对有机光电器件,总结原位观察生长、老化、带电状态的特点和规律,探讨了原位拉曼光谱在有机光电器件原位表征中的应用和发展潜力。     

腺苷在银电极上的原位拉曼光谱

本文利用原位表面增强拉曼光谱电化学技术研究了DNA理论水解产物之一腺苷在银电极上吸附行为,光谱数据表明在0.4～-0.2V电位区间内腺苷的腺嘌呤部分在电极上是平躺构型。     

3.3′二乙基硫醛三碳菁化碘拉曼光谱研究

给出了3.3′二乙基硫醛三碳菁化碘(DTTC)分子的自然拉曼光谱、表面增强拉曼光谱(SERS)、以及理论计算拉曼光谱。SERS谱的增强基底是直径60 nm的金球和50 nm长的金棒,外包附一层硫基聚乙二醇(thiol-polyethylene glycol,简称Mpeg-SH)做为稳定层。同时,采用密度泛函(DFT)方法计算了DTTC分子的拉曼光谱,计算基于B3LYP/6-31G基组。经过仔细对比,计算光谱和两种实测光谱特征峰位有很好的一致性。对于不一致的部分,分析原因可能是由于金纳米粒子表面等离子体波对于不同的峰位,其增强程度不同所引起的。这项工作将有利于基于DTTC分子的红外波段拉曼光谱技术在生化领域的应用。     

Li_2O-WO_3二元系熔融钨酸盐原位拉曼光谱研究

本文利用原位高温拉曼光谱技术并结合量子化学从头计算方法研究了Li2O-WO3二元系钨酸盐熔体中稳定存在的结构单元随成分变化的趋势,给出了其在不同成分下微结构的具体模型,并对其主要振动模式进行了归属。研究表明成分不同会导致四面体基团聚合形成不同长度的链状,且Li2O与WO3摩尔比越小,也即WO3的含量越多,其链的长度越长;结合量子化学从头计算理论分析,认为当熔体的摩尔比为1∶1、1∶2、1∶3以及1∶4时,对应的阴离子基团模型分别为[WO4]2-、[W2O7]2-、[W3O10]2-和[W4O13]2-,其中[W2O7]2-、[W3O10]2-和[W4O13]2-分别由两个、三个、四个[WO4]2-以共顶形式连接而成。     

原位低温拉曼光谱技术在储层流体包裹体分析中的应用

准确获取流体包裹体中盐的类型一直是包裹体研究的重要问题。采用原位低温拉曼光谱技术对民丰洼陷深部天然气储层流体包裹体进行了分析。常温拉曼光谱综合分析表明,包裹体中流体为含甲烷的盐水溶液。在—180℃下对包裹体进行了原位低温拉曼光谱分析,结果显示包裹体中含有NaCl,CaCl_2,MgCl_2等盐类,其中以NaCl为主,CaCl_2含量很少,MgCl_2含量极少。根据沉积成岩过程分析了包裹体中流体的成因,解释了储层成岩作用的机理。研究结果表明,原位低温拉曼光谱是获取储层包裹体中流体性质的一种有效方法。在包裹体原位低温拉曼光谱分析技术基础上,结合沉积成岩过程,可以给储层的成岩作用类型和成岩反应机理给出重要证据。