二维金属-六亚氨基苯框架材料的气体吸附效应

利用密度泛函理论研究了气体分子(NH₃, H₂O, H₂S, NO₂)吸附在二维M₃(HIB)₂(M=Ni, Cu; HIB为六亚氨基苯)薄膜上体系的几何结构和电子结构的变化. 结果表明, 2种薄膜对气体分子的响应不同. 其中NH₃, H₂O和H₂S在M₃(HIB)₂薄膜表面的吸附较弱, 主要与薄膜的亚氨基形成氢键, 吸附能均小于-0.36 eV, 吸附对体系电子性质的影响很小. 但是 NO₂分子在薄膜表面形成化学吸附, 吸附能在-0.65~-1.72 eV范围内. 吸附NO₂分子使其电子结构发生明显改变, 如Cu₃(HIB)₂在费米能级处打开带隙, 由金属性质转变为半导体性质. 这是由于NO₂分子的p_z轨道与金属原子$d_{z}^{2}$ 轨道发生了强烈的轨道杂化. 此外, 研究发现高浓度的NO₂分子吸附能够使Ni₃(HIB)₂薄膜由非磁性变为磁性体系, 由普通金属性质变为半金属性质; 而高浓度的NO₂分子使Cu₃(HIB)₂薄膜由金属性质变为半导体性质, 薄膜电导率降低.     

金属有机骨架材料/聚酰亚胺混合基质膜的制备及气体分离性能

合成了3种不同结构、 粒径和气体吸附性能的金属有机骨架材料(MOFs): 微米级Cu₃(BTC)₂、 亚微米级ZIF-8和S-Cu₃(BTC)₂. 氮气吸附等温线分析结果表明, ZIF-8和Cu₃(BTC)₂具有较大比表面积(1653和1439 m²/g), S-Cu₃(BTC)₂的比表面积为171.4 m²/g. 用共混法将MOFs直接引入聚酰亚胺中制备了MOFs/聚酰亚胺混合基质膜(MMMs). X射线衍射(XRD)和全反射红外光谱(FTIR-ATR)分析结果表明, MOFs在混合基质膜中保持物理和化学稳定. 气体渗透测试结果表明, MOFs的加入使膜的气体渗透分离性能明显提高, S-Cu₃(BTC)₂使渗透系数增加了1.75倍; ZIF-8和Cu₃(BTC)₂使渗透系数增加了3倍左右; 同时, 膜的气体分离系数变化很小.     

Mg(NH2)2-2LiH储氢材料的研究进展

Mg(NH₂)₂-2LiH 材料是近年来发展起来的几种最具应用潜力的高容量储氢材料之一. 由于具有较合适的吸放氢热力学性能、相对较低的吸放氢操作温度、较高的可逆储氢容量和较优的吸放氢循环稳定性,Mg(NH₂)₂-2LiH 材料现已成为储氢材料研究领域的一个热点. 本文综述了Mg(NH₂)₂-2LiH 材料近年来的研究进展, 重点关注了材料的组分、晶体结构、颗(晶)粒尺寸和催化动力学改性等对材料储氢性能的影响及储氢机理,总结了Mg(NH₂)₂-2LiH 储氢材料存在的技术问题并指出了今后的研究方向.     

石墨烯吸附TiCl4分子的条件控制及光电性能的理论研究

为研究石墨烯吸附TiCl₄分子的影响因素及其光电性能,探索复合物应用于传感器及透明导电薄膜的可能性,采用第一性原理与蒙特卡罗方法研究TiCl₄气体分子在石墨烯表面的吸附条件控制与光电性能。结果表明：(1)石墨烯对TiCl₄气体分子具有较强的物理吸附作用,Cl原子吸附在其附近相距质心位置最远的碳原子顶位最稳定;(2)温度升高不利于TiCl₄气体分子吸附,气体逸度增加有利于吸附,TiCl₄气体分子插入石墨/双层石墨烯/多层石墨烯时宜将温度维持在TiCl₄沸点附近,并增加气体的压力;(3) TiCl₄的吸附对石墨烯的电子结构进行了调控,使费米能级附近的态密度显著提高,赝能隙减小,有效提高了导电性能;(4)在可见光区域,TiCl₄的吸附对体系的吸收性能影响不大,在提升透明导电薄膜导电性的同时未影响薄膜的光学性能。     

Mg/Al物质的量比对Ce-La/MgAl2O4-x催化剂催化CO还原NO性能的影响

采用初始浸渍法制备了不同Mg/Al物质的量比的Ce-La/MgAl₂O₄-x催化剂,并通过低温N₂-吸附脱附、XRD、H₂-TPR和CO-TPR等手段对其进行了表征。结果表明,在Mg/Al物质的量比为0.5时,催化剂催化CO还原NO的性能最好。这主要是因为适量Mg的添加促进了CeO₂的分散和Ce-O-La固溶体的形成,从而使得表面Ce³⁺和氧空穴增加。两者的协同作用使得Ce-La/MgAl₂O₄-0.5表现出最佳的催化性能。另外,适量Mg的引入可以抑制Ce（SO₄）₂和Ce₂（SO₄）₃的形成,从而提高了Ce-La/MgAl₂O₄-0.5催化剂抗硫中毒能力。     

部分还原氧化石墨烯-Fe3O4对水中Mn(Ⅱ)的快速去除

采用改进的Hummers法制备了氧化石墨烯(GO), 继而用一步共沉淀法制备了部分还原氧化石墨烯-四氧化三铁复合物(PRGO-Fe₃O₄). 采用X射线衍射(XRD)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 X射线能量色散光谱(EDX)、 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、 选区电子衍射(SAED)及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术对其进行了分析表征; 考察了pH值、 接触时间、 吸附材料用量、 共存物质、 GO的还原、 循环使用次数等因素对Mn(Ⅱ)吸附行为的影响. 结果表明, PRGO-Fe₃O₄中Fe₃O₄颗粒分布均匀, 大小为15~20 nm, 剩磁和矫顽力均很小. 因Fe₃O₄颗粒的锚定作用, 石墨烯片层很薄, 使PRGO-Fe₃O₄对Mn(Ⅱ)表现出高效的吸附性能和良好的循环使用性能: 当pH=7、 PRGO-Fe₃O₄用量为500 mg/g时, 对201.3211 mg/L的Mn(Ⅱ)溶液仅3 min即达吸附平衡, 吸附率和吸附量分别为99.35%和404.49 mg/g, 磁分离仅需10 s, 经5次循环吸附后, 容量保持率为首次的78%. 机理与热力学研究结果表明, 吸附为吸热、 自发的单层化学吸附.     

多孔石墨烯分离CH4/CO2的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟CH₄/CO₂混合气体在多孔石墨烯分离膜中的分离过程, 分析了3 种纳米孔功能化修饰(N/H 修饰、全H修饰和N/―CH₃修饰)对分离过程的影响规律. 模拟结果表明气体分子会在石墨烯表面形成吸附层, CO₂分子的吸附强度高于CH₄分子. 纳米孔的功能化修饰不仅减小了纳米孔的可渗透面积, 还通过影响纳米孔边缘原子的电荷分布提高了气体分子的吸附强度, 进而影响了混合气体分子在多孔石墨烯分离膜中的渗透性和选择性. CO₂分子在多孔石墨烯中的渗透率能达到10⁶ GPU (1 GPU=3.35×10^-10 mol·s^-1·m^-2·Pa^-1), 远远高于传统的聚合物分离膜. 研究表明多孔石墨烯分离膜在天然气处理、CO₂捕获等工业气体分离过程中具有广泛的应用前景.     

Sc,Ti,V修饰B/N掺杂单缺陷石墨烯的储氢研究

3d过渡金属修饰是改善石墨烯储氢性能的最有效途径, 但仍存在金属团聚和H₂解离导致难以脱附的问题. 提出了B/N掺杂单缺陷石墨烯(BMG/NMG)的策略来避免以上两个问题. 密度泛函理论计算结果表明, N掺杂可以使Sc, Ti, V与石墨烯的结合能提高3~4倍, B掺杂可以将Sc与石墨烯的结合能提高3倍. Sc/BMG和Sc/NMG吸附的第一个H₂不会解离. Sc/BMG中Sc吸附5个H₂, 平均氢分子结合能为-0.18～-0.43 eV, 并且可以通过在同侧锚定多个Sc原子形成Sc/C₃B₂五元环增加H₂吸附位点. Sc/NMG中每个Sc吸附6个H₂, 平均氢分子结合能为-0.17～-0.29 eV, 还可以通过在异侧修饰形成Sc/N₃/Sc单元进一步提高储氢能力. 研究结果将为设计基于3d过渡金属修饰碳材料的储氢材料提供理论基础.     

激光促进Pb和Bi磷酸盐表面上异丁烷氧化脱氢反应

采用沉淀法制备了Pb₃(PO₄)₂和BiPO₄固体材料,用XRD,IR,TPD和LSSR等手段对Pb₃(PO₄)₂和BiPO₄的晶体结构、表面构造、化学吸附性能和激光促进异丁烷氧化脱氢反应性能进行了研究.结果表明,固体材料表面由Lewis碱位P＝O和P-O-M(Pb或Bi)键中的O^2-及Lewis酸位Pb²⁺或Bi³⁺构成;异丁烷分子中两个甲基中的H分别吸附在两个相邻的Lewis碱位P＝O上,形成双位分子吸附态;在常压和200℃条件下,用一定频率的激光激发固体表面P＝O键,发生异丁烷氧化脱氢反应,产物异丁烯的选择性大于95%,在激光促进表面反应体系中,激光能量的利用率主要取决于固体材料的振动结构和对反应物分子的吸附能力,反应产物的选择性主要决定于反应物分子在固体表面上的吸附态.     

外电场对锂修饰氧化石墨烯结构储氢性能的影响

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,研究了外加电场对锂修饰氧化石墨烯结构(Li@GO)储氢性能的影响.考察Li@GO结构的稳定性及其对外加电场的响应,研究H_2-Li@GO结构的H_2分子吸附能、几何构型与外加电场的关系.研究结果表明,当外加电场方向垂直Li@GO平面向下(负电场)时,随电场强度增加,H_2分子的吸附能逐渐降低,H_2分子逐渐接近Li原子;当外加电场方向向上(正电场)时,随电场强度增加,H_2分子的吸附能逐渐升高,H_2分子逐渐远离Li原子,分波态密度(PDOS)分析表明:与无外加电场体系的PDOS相比,当对体系施加负电场时,H_2-Li的杂化峰向低能量方向位移,H_2分子与Li@GO结合更加紧密,提升了储氢稳定性;施加正电场时,H_2-Li的杂化峰向高能量方向位移,H_2分子与Li@GO作用减弱提升了氢气释放动力学性能.进一步计算表明,在无外加电场情况下,Li@GO结构最大储氢量在3.1%以上.     

A quadruple helicene with a rubicene core: synthesis,structural analyses and properties

We report the synthesis of a quadruple helicene with a rubicene core R1 by a Scholl reaction.Among the 10 stereoisomers including 4 pairs of enantiomers and 2 meso isomers,only 2 pairs of enantiomers and 1 meso isomer have been isolated.The sample structures were unambiguously determined by X-ray crystallography to be(P,P)₆-(P,P)₅/(M,M)₆-(M,M)₅-R1-A,which has a propeller-shaped structure,and(M,M)₆-(P,P)₅/(P,P)₆-(M,M)₅-R1-B and(M,P)₆-(P,M)₅-R1-C,which have saddle-shaped structures.The chiral resolutions of R1 were carried out by chiral HPLC,revealing two pairs of chiral stereoisomers(P,P)₆-(P,P)₅/(P,P)₆-(M,M)₅,(M,M)₆-(P,P)₅/(M,M)₆-(M,M)₅ as well as a meso isomer(M,P)₆-(P,M)₅,which were further characterized by CD spectroscopy and time-dependent density functional theory(TD-DFT)calculations.Surprisingly,the UV-vis absorption and emission spectra of these resolved stereoisomers and unresolved R1 were almost identical.In addition,the chemical oxidation of R1 led to the formation of radical cations and dications at room temperature.     

巯基乙酸酯官能团修饰的铁氢化酶模拟化合物的合成及表征

对铁氢化酶活性中心进行化学模拟将有可能产生出新型的产氢催化剂.本文利用Sonogashira偶联反应,合成了一种巯基乙酸酯官能团修饰的铁氢化酶活性中心模拟化合物[Fe₂(CO)₆(-μadt)C₆H₄C≡CC₆H₄O(CH₂)₅SC(O)CH₃-4](7),将巯基乙酸酯官能团引入到铁氢化酶活性中心,为进一步制备新型的固载化产氢材料奠定了基础.电化学研究表明,化合物7具有明显的催化产氢特征,在电化学条件下可以催化醋酸放出氢气.     

气体分子在二维石墨烯纳米孔中的选择性渗透特性

二维石墨烯纳米孔中气体分子的选择性渗透对多孔石墨烯分离膜非常重要。本文采用分子动力学方法研究了气体分子在氮氢修饰石墨烯纳米孔中的渗透特性,从分子的大小和结构、纳米孔的构型以及分子与石墨烯之间的作用强度等角度阐明了分子出现选择性渗透的原因。结果表明,不同分子的渗透率不同,即H₂O＞H₂S＞CO₂＞N₂＞CH₄。渗透率跟分子的质量和直径以及分子在石墨烯表面上的吸附密度有关;根据气体分子动理学理论,渗透率跟分子质量成反比关系;而分子在石墨烯表面上的高吸附密度对渗透起促进作用。对于H₂O和CH₄分子,分子直径起主导作用;H₂O分子直径最小,其渗透率最大;同理,CH₄分子的渗透率最小。对于H₂S和CO₂分子,H₂S分子的直径较大,但其与石墨烯之间的作用强度较大(吸附密度较高),导致渗透率较高;对于CO₂和N₂分子,CO₂分子的直径较小,并且与石墨烯之间的作用强度较大,渗透率较高。同时发现,分子在纳米孔中的渗透使得其在石墨烯表面的密度分布极不均匀。纳米孔左右两侧的功能化氮原子使CH₄分子容易从孔两侧区域穿过,而其它分子由于直径较小在纳米孔中心区域穿过的概率最大。分子与石墨烯之间的作用越强,导致分子在石墨烯表面区域内停留的时间越长,最终使其在渗透纳米孔的过程中所经历的时间越长。本文所采用的氮氢修饰石墨烯纳米孔中,分子渗透速率达到~10^-3 mol·s^-1·m^-2·Pa^-1,并且其它分子相对于CH₄分子的选择性也很高,说明基于该类型纳米孔的多孔石墨烯分离膜在天然气处理等工业气体分离领域具有很好的应用前景。     

Co3(HCOO)6@rGO 作为锂离子电池负极材料的研究

MOFs材料作为一类新型的锂离子电池电极材料而受到广泛关注和研究. 作者通过溶液扩散法将Co₃(HCOO)₆原位负载在 rGO（还原氧化石墨烯）上制备出Co₃(HCOO)₆@rGO复合材料. 将Co₃(HCOO)₆@rGO作为锂离子电池负极材料,以500 mA·g^-1的电流密度恒电流充放电循环 100 周后,仍然保持有 926 mAh·g^-1 的比容量,亦表现出很好的倍率性能. 循环伏安和X-射线光电子能谱测试表明,Co₃(HCOO)₆@rGO材料上的Co²⁺和甲酸根在充放电过程中均发生可逆的电化学反应. 对比同样采用溶液扩散法合成的 Co₃(HCOO)₆ 的测试结果发现,rGO起到活化甲酸根的电化学反应的作用,同时也改善了Co₃(HCOO)₆的倍率性能. 将MOFs材料与rGO复合为优化 MOFs 材料的电池性能提供了一个新思路.     

Mn3O4/石墨烯复合材料的制备与电化学性能研究

本文以氧化石墨烯（GO）溶液为氧化剂,采用水热法使GO直接氧化Mn(Ac)₂制备Mn₃O₄/石墨烯复合材料,并通过在制备过程中加入氨水提高了复合材料中GO的还原程度与Mn₃O₄颗粒的分散性. 制得的Mn₃O₄/石墨烯复合材料表现出优异的电化学性能. 在0.5 A·g^-1的电流密度下复合材料质量比容量可达到850 mAh·g^-1,0.5 A·g^-1时充放电循环测试200周容量保持率为99%.     

Ni3(HCOO)6/还原氧化石墨烯复合电极材料的制备及电容性能

以氧化石墨烯(GO)为前驱体, Ni(NO₃)₂·6H₂O为镍源, 甲酸为配体, N,N-二甲基甲酰胺为溶剂, 通过一步溶剂热法制备了Ni₃(HCOO)₆/rGO复合电极材料. 研究结果表明, 通过金属镍离子和配体在氧化石墨烯表面超分子自组装成核, 形成了“三明治”式的夹心复合结构; 不同的GO浓度对复合材料的物相结构、 晶体尺寸大小、 形貌及电化学性能有很大的影响; 当GO的浓度为8 mg/mL时, 在100 ℃下反应24 h得到的Ni₃(HCOO)₆/rGO复合材料在电解液为1 mol/L KOH, 5 mV/s下比电容高达940 F/g, 经过500次充放电循环后电容的保持率为96.28%.     

氨基络合物制备氨硼烷及放氢性能研究

以NaBH₄为硼源、氨基络合物Ni(NH₃)₆Cl₂为氨源制备高储氢容量的氨硼烷(NH₃BH₃, Ammonia Borane, AB)及其放氢性能研究. 通过XRD, FTIR, ¹¹B NMR, ICP等手段分析表征了所制备产物的组成和纯度, 在此基础上探究了原料比例、反应温度、时间和溶剂等因素对产物的影响. 同时, 对不同原料比制得氨硼烷的热解放氢性能进行了研究. 实验结果表明: 当物质的量NaBH₄∶Ni(NH₃)₆Cl₂＝2∶1经过10 h的反应, 得到了纯度非常高的氨硼烷(纯度＞99%)|以NaBH₄∶Ni(NH₃)₆Cl₂＝3∶1得到的氨硼烷, 当以2 ℃/min进行升温时, 氢气释放主要集中在第一步, 并且没有硼烷和硼嗪等杂质气体的产生. 另外, 在产物中得到了金属Ni纳米颗粒, 经洗涤干燥后其粒径大小可控制在10 nm左右, 在催化氨硼烷等材料的水解放氢方面具有潜在的应用价值.     

钇对石墨烯储氢性能的影响

应用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究过渡金属钇（Y）修饰对石墨烯储氢性能的影响。考虑Y原子在石墨烯上易形成团簇,采用B原子掺杂有效阻止了团簇形成。通过模拟计算得到的改性体系稳定、储氢性能优异,可吸附6个H₂分子,平均吸附能范围为-0.539到-0.655 eV （per H₂）,理论上满足理想的氢吸附能范围。经Bader电荷初步计算和基于Y/B/graphene （G）体系吸附H₂分子的电子态密度及电荷差分密度图分析得,Y原子与石墨烯间通过电荷转移产生结合,与H₂分子则发生典型的Kubas型相互作用。Y原子改变了H₂分子与石墨烯基的电荷分布,成为连接两者电子云的桥梁,从而增强了H₂分子的吸附能。改性石墨烯体系吸附的均为氢分子,有利于在环境温度和压力条件下进行循环控制,是具有良好发展前景的储氢材料之一。     

氢氧化镍纳米线/三维石墨烯复合材料的制备及其电化学性能

采用水热法制备了氢氧化镍纳米线/三维石墨烯复合材料及作为比较的三维石墨烯、氢氧化镍纳米线、还原氧化石墨烯和氢氧化镍纳米线/还原氧化石墨烯, 通过X射线衍射、扫描电镜、热失重分析和氮气吸脱附表征了材料的形貌、结构和组成, 并采用循环伏安法和恒电流充放电测试了复合材料的电化学性能. 结果表明: 氢氧化镍纳米线/三维石墨烯复合材料中直径为20-30 nm的氢氧化镍纳米线和三维结构的石墨烯紧密结合, 相互交联形成网状结构, 其比表面积达到136 m²·g^-1, 孔径分布20-50 nm, 氢氧化镍纳米线的含量达到88% (w,质量分数). 在6 mol·L^-1的KOH电解液中, 复合材料的比电容在1 A·g^-1电流密度下达到1664 F·g^-1, 在1 A·g^-1电流密度下循环3000 次后的比电容保持率为93%. 将复合材料的比电容和循环性能与氢氧化镍纳米线、氢氧化镍纳米线/还原氧化石墨烯、三维石墨烯和还原氧化石墨烯的性能进行比较, 发现三维石墨烯较还原氧化石墨烯具有更高的比表面积和三维多孔结构, 可以更大地提高活性物质的利用率, 进而提高复合材料的比电容和稳定性.     

水热法合成氧化亚钴纳米粒子/石墨烯复合材料及其储锂性能研究

针对目前的锂离子电池负极材料存在比容量低、循环稳定性差等问题,本工作发展了简单、有效的方法合成氧化亚钴纳米粒子与石墨烯的复合材料（CoO/RGO）.采用氧化石墨（GO）和Co（NO₃）₂作为原料,先用水热路线制备了前驱体,再将其在氮气气氛下热处理,最终得到CoO/RGO复合材料.存在于石墨烯表面的CoO纳米粒子可以有效地阻止石墨烯片层的聚集,同时石墨烯片层的相互连接能够形成三维的空间网络,提高复合材料的导电性.将合成的CoO/RGO复合材料作为负极,以锂片作为正极,组装成纽扣电池.电化学测试表明,在电流密度为100 mA·g^-1的条件下,初始比容量放电比容量高达1312.6 mAh·g^-1,在10000 mA·g^-1的大电流密度下,经过300圈循环后,其比容量仍然可以达到557.4 mAh·g^-1.这表明CoO/RGO复合材料具有高的比容量、优异的倍率性能及循环稳定性,这归因于3D网状结构能够避免在锂离子的嵌入/脱出过程中材料的结构被严重破坏.