二维Ti2C与Ti3C2表面OH、O、F、Au的吸附活性

较高的比表面积与稳定性使得二维Ti₂C与Ti₃C₂结构在贵金属催化剂载体、锂离子电池、储氢材料等领域具有重要的应用前景. 研究Ti₂C、Ti₃C₂的表面吸附活性有助于认识其表面特征. 第一性原理计算研究显示:Ti₂C与Ti₃C₂对O、OH、F具有较强的吸附活性. 通过比较Ti₂C、Ti₃C₂、Ti(001)、TiC(001)的表面电子结构, 我们发现Ti₂C与Ti₃C₂较强的表面吸附活性来自于表面Ti 原子未极化的3d轨道. 这使得Ti₂C、Ti₃C₂表面通常覆盖有O、F、OH. 吸附了O、OH基团的Ti₂C与Ti₃C₂结构(Ti₂CO_2-2x(OH)_2x、Ti₃C₂O_2-2x(OH)_2x)对Au原子的吸附能随OH比例的增大而增大.     

铁基催化剂在COx加氢制高附加值烃反应中的应用

化石燃料的广泛使用导致大气中CO₂的排放量急剧增加,进而引起全球变暖和海洋酸化等一系列问题.CO加氢(费托合成)反应是利用非石油来源的原料生产液体燃料和化学品的一种重要途径.同时,利用可再生的H₂将CO₂转化为高附加值的产品有利于减少对化石燃料的依赖,减轻由于大气中CO₂浓度过高带来的负面影响.开发新型、高效、稳定的催化剂是费托合成和CO₂加氢制高附加值烃的关键因素之一.Fe基、Co基和Ru基催化剂是费托合成中常用的催化剂.而在CO₂加氢反应中,Co基和Ru基催化剂上主要发生甲烷化反应,几乎没有长链烃生成.Fe基催化剂在费托合成和CO₂加氢反应中均表现出优异的催化生成长链烃性能.同时,Fe储量丰富和价格便宜的特点也促进Fe基催化剂在两个反应中的广泛应用.一般认为,在Fe基催化剂上CO₂通过逆水煤气变换反应生成CO,CO通过费托合成反应继续加氢生成烃类.因此,CO₂加氢反应和费托合成反应有相似之处,同时也有较大的区别.本文从活性相、助剂和载体的角度综述了各组分在Fe基催化剂催化CO/CO₂加氢反应中的作用,总结了其中的区别与联系.催化剂在反应中会发生复杂的相变过程,形成多种铁物种;其中,碳化铁(χ-Fe₅C₂,ε-Fe₂C,Fe₇C₃和θ-Fe₃C)在费托合成反应中是C-C偶联的活性相,但对于θ-Fe₃C现还存在一些争议.在CO₂加氢反应中Fe₃O₄催化逆水煤气变换反应,碳化铁催化CO加氢反应.金属助剂对CO/CO₂加氢反应的促进作用较为相似,在两个反应中碱金属的促进作用最为明显.费托合成反应对载体有较强的适应性,而CO₂加氢反应对载体敏感性较强,Al₂O₃,ZrO₂和碳材料载体效果较好.本文还总结了近些年来基于对活性相、助剂和载体的深入理解设计制备的一些新型催化剂及其在费托合成和CO₂加氢反应中的应用,包括具有新颖结构的催化剂、金属-有机骨架衍生催化剂以及与沸石分子筛结合的双功能催化剂.最后,还分析了目前Fe基催化剂在费托合成和CO₂加氢反应应用中所面临的问题和挑战,并对未来的发展趋势进行了展望.     

铁基催化剂在COx加氢制高附加值烃反应中的应用

化石燃料的广泛使用导致大气中CO₂的排放量急剧增加,进而引起全球变暖和海洋酸化等一系列问题.CO加氢(费托合成)反应是利用非石油来源的原料生产液体燃料和化学品的一种重要途径.同时,利用可再生的H₂将CO₂转化为高附加值的产品有利于减少对化石燃料的依赖,减轻由于大气中CO₂浓度过高带来的负面影响.开发新型、高效、稳定的催化剂是费托合成和CO₂加氢制高附加值烃的关键因素之一.Fe基、Co基和Ru基催化剂是费托合成中常用的催化剂.而在CO₂加氢反应中,Co基和Ru基催化剂上主要发生甲烷化反应,几乎没有长链烃生成.Fe基催化剂在费托合成和CO₂加氢反应中均表现出优异的催化生成长链烃性能.同时,Fe储量丰富和价格便宜的特点也促进Fe基催化剂在两个反应中的广泛应用.一般认为,在Fe基催化剂上CO₂通过逆水煤气变换反应生成CO,CO通过费托合成反应继续加氢生成烃类.因此,CO₂加氢反应和费托合成反应有相似之处,同时也有较大的区别.本文从活性相、助剂和载体的角度综述了各组分在Fe基催化剂催化CO/CO₂加氢反应中的作用,总结了其中的区别与联系.催化剂在反应中会发生复杂的相变过程,形成多种铁物种;其中,碳化铁(χ-Fe₅C₂,ε-Fe₂C,Fe₇C₃和θ-Fe₃C)在费托合成反应中是C-C偶联的活性相,但对于θ-Fe₃C现还存在一些争议.在CO₂加氢反应中Fe₃O₄催化逆水煤气变换反应,碳化铁催化CO加氢反应.金属助剂对CO/CO₂加氢反应的促进作用较为相似,在两个反应中碱金属的促进作用最为明显.费托合成反应对载体有较强的适应性,而CO₂加氢反应对载体敏感性较强,Al₂O₃,ZrO₂和碳材料载体效果较好.本文还总结了近些年来基于对活性相、助剂和载体的深入理解设计制备的一些新型催化剂及其在费托合成和CO₂加氢反应中的应用,包括具有新颖结构的催化剂、金属-有机骨架衍生催化剂以及与沸石分子筛结合的双功能催化剂.最后,还分析了目前Fe基催化剂在费托合成和CO₂加氢反应应用中所面临的问题和挑战,并对未来的发展趋势进行了展望.     

基于一氧化碳、二氧化碳和氧气分子吸附为探针的碳化钼、碳化钨、氮化钼和氮化钨的表面化学性质：密度泛函理论分析

作为具有吸引力的电极材料,过渡金属碳化物与氮化物被应用在许多电化学储能及能量转换领域. 本工作中,通过密度泛函理论计算,以及一氧化碳 （CO）, 二氧化碳（CO₂）和 氧气（O₂）分子的吸附来表征钼和钨的碳化物及氮化物,如碳化钼（Mo₂C）、碳化钨（W₂C）、氮化钼（Mo₂N）和氮化钨（Mo₂C）的表面化学性质. 这些探针分子可为研究钼和钨的碳化物及氮化物表面在酸性/碱性的氧化还原性质提供衡量方法. 计算结果表明,CO₂分子的吸附发生在路易斯碱位,其碱性降低顺序为α-W₂C(001) > α-W₂N(001) > β-Mo₂C(001) > γ-Mo₂N(100). 此外,CO和O₂分子吸附可用于评估上述碳化物及氮化物的还原能力,其还原性减小顺序为β-W₂C(100) > α-Mo₂C(100) > α-W₂N(001) > α-W₂C(001) > β-Mo₂C(001) > γ-Mo₂N(100). 由于还原本性,使得上述这些碳化物和氮化物成为在各种催化反应中有可能取代贵金属的良好候选材料.     

N-取代乙基吡唑热消除反应的量子化学研究

用MINDO/3方法研究了N-取代乙基吡唑热消除反应H₃C₃N₂CH₂CH₂X→H₄C₃N₂+H₂C=CHX(反应Ⅰ～Ⅲ,对应X=H,CH₃,F)的机理,结果表明,甲基的超共轭效应以及F的强吸电子作用和邻基参与使得反应Ⅱ和反应Ⅲ的活化势垒降低,比反应Ⅰ更易进行。     

Cr2O3气相催化1,1,2-三氯乙烷脱HCl性能

采用沉淀法制备了不同焙烧温度的Cr₂O₃催化剂,用于1,1,2-三氯乙烷(TCE)气相脱氯化氢制备二氯乙烯的反应。 采用X射线衍射(XRD)、氢气程序升温还原(H₂-TPR)、氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)表征手段,研究了Cr₂O₃催化剂气相催化裂解TCE脱氯化氢反应及其反应机理。 结果表明,Cr₂O₃催化剂上TCE气相脱氯化氢反应的转化率随着催化剂焙烧温度的升高逐渐降低,然而顺-1,2-二氯乙烯(cis-DCE)的选择性先增大后减小。 400 ℃焙烧的Cr₂O₃催化剂催化性能最好,TCE转化率为70.8%,顺-1,2-二氯乙烯的选择性为90.0%。 然而,催化剂的单位面积反应速率随着焙烧温度升高先提高后下降,400 ℃焙烧催化剂的单位面积反应速率为0.801×10^-2 μmol/(s·m²)。 催化剂的单位面积反应速率和顺-1,2-二氯乙烯(cis-DCE)的选择性与催化剂表面Cr₂O₃物种具有很好的对应关系,表明催化剂表面Cr₂O₃物种有利于脱氯化氢反应。 以酸中心为活性中心计算得到的转换频率(TOF)变化趋势与单位面积反应速率相一致,400 ℃焙烧的催化剂的TOF为2.82×10^-5 s^-1,表明Cr₂O₃催化剂Cr物种合适的平均价态(~3.20)有利于脱氯化氢反应。     

二(β-羟亚胺)二氯化钛配合物的合成及催化乙烯聚合

报道了3个β-羟亚胺配体(2,6-^emPr₂C₆H₃)N＝C(Ph)CH₂CH(Ph)OH(1a), (2,6-^emPr₂C₆H₃)N＝C·(Ph)CH₂C(Ph)₂OH(1b)和(2,6-^emPr₂C₆H₃)N＝C(Ph)CH₂C(C₁₂H₈)OH(1c)及其二(β-羟亚胺)二氯化钛配合物[(2,6-^emPr₂C₆H₃)N＝C(Ph)CH₂CH(Ph)O]₂TiCl₂(2a), [(2,6-^emPr₂C₆H₃)N＝C(Ph)CH₂C(Ph)₂O]₂·TiCl₂(2b)和[(2,6-^emPr₂C₆H₃)N＝C(Ph)CH₂C(C₁₂H₈)O]₂TiCl₂(2c)的合成, 并对其结构进行了表征. 在助催化剂甲基铝氧烷(MAO)作用下, 以化合物2b为主催化剂, 研究了Al/Ti摩尔比、 反应时间、 温度和聚合压力等对乙烯聚合的影响, 发现该催化体系在较宽的反应条件下均可得到很高分子量的聚乙烯, 熔点均在140℃左右. 以化合物2a~2c为主催化剂对乙烯进行催化聚合, 发现在β碳位上取代基的立体位阻对催化剂活性有很大影响. 当化合物2b上引入2个苯基取代基时, 催化剂显示出最佳催化活性.     

水对氩气中催化法分解甲烷制备单壁碳纳米管的影响

用"柠檬酸法"制备W-Fe-MgO和Mo-Fe-MgO催化剂,以Ar为载气,在1273 K催化分解CH₄制单壁碳纳米管(SWCNTs),发现原料气中加水和不加水对产物的影响极大.不加水时,产物中SWCNTs含量极低,以无定形碳和多壁碳纳米管(MWCNTs)为主;加少量水时,产物绝大部分是直径在1～3 nm左右SWCNTs形成的管束.在1273 K下,H₂O分压在0.67～2.0 kPa时得到SWCNTs含量较高的产物,100 mg催化剂上的碳产量为40～52 mg.进一步增加原料气中的水分压到2.7 kPa,则无碳产物生成.通过对比实验、粗产物XRD分析和对反应尾气质谱检测,可得如下结论:在Mo-Fe-MgO和W-Fe-MgO催化剂中的金属氧化物和碳化物是CH₄分解为无定形碳的活性相,Fe-Mo合金相是CH₄分解得SWCNTs的主要活性相.当反应气中无水时,CH₄在催化剂中的氧化物和碳化物上生成的无定形碳起决定作用,而Fe-Mo合金上生成SWCNTs的反应相对减少,使产物中SWCNTs含量很低;反应气中有少量水时,水抑制了催化剂中氧化物和碳化物上无定形碳的生成,使CH₄在Fe-Mo合金上分解生成SWCNTs成为主反应,此时产物中SWCNTs含量较高;水量过大时,催化剂中氧化物不能被还原为金属,故无SWCNTs生成,而此时水也抑制了无定形碳的生成,因而无任何碳产物生成.     

硅卡宾铁(0)氮气配合物催化的炔烃选择性硼氢化反应

硅卡宾（R₂Si：,silylene）是卡宾的相似体,可以作为配体与金属形成配合物.由于硅的原子半径比碳大,硅卡宾可与Lewis碱配位形成三配位甚至四配位的化合物同时保持很强的配位能力.因此,硅卡宾兼具卡宾和膦配体的结构特征,在稳定新颖的金属配合物及均相催化领域或具有更大的调控空间.本工作报道硅卡宾铁氮气配合物[PhC （t-BuN）₂SiCH₂C （t-Bu） NAr]FeN₂（D,Ar＝2,6-（i-Pr）₂C₆H₃）催化的炔烃的选择性硼氢化反应.研究发现,该配合物对炔烃的硼氢化反应具有很好的区域及立体选择性,主要生成E式构型产物并表现出很好的官能团耐受性.该研究表明,硅卡宾对过渡金属催化具有很好的调控作用,具有很好的研究潜力.     

碳化钼改性二氧化硅的制备及其电化学性能

采用硅酸四乙酯、钼酸铵和蔗糖分别作为硅源、钼源和碳源,通过溶胶?凝胶法制备了碳包覆二氧化硅（SiO₂）和碳化钼（Mo₂C）颗粒的SiO₂/Mo₂C/C复合物,并借助X射线衍射仪、透射电子显微镜等仪器对复合物的物相组成、形貌结构等进行了表征测试,同时研究了复合物作为锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明,当硅酸四乙酯、钼酸铵和蔗糖的质量比为3∶1∶2（记为SiO₂/Mo₂C/C 2）用作锂离子电池的负极材料时具有较好的电化学性能。在电流密度为100 mA/g,首次充电和放电比容量分别为662和896 mA·h/g,经过200次循环后,可逆容量仍可达625 mA·h/g。即使在2 A/g的大电流密度下,可逆容量仍可达272 mA·h/g。该复合材料表现出良好的倍率性能和循环稳定性,这主要归因于Mo₂C具有良好的稳定性和较高的导电性,提高了SiO₂的导电性,同时碳包覆层可以保护核心材料直接与电解液反应生成副产物,还可以作为缓冲层减缓SiO₂的体积膨胀,因此在进行充放电的过程中,材料的电化学性能得到显著的提升。在此提出利用过渡金属碳化物改善SiO₂导电性和循环性能的新思想,可以为其它负极材料的改性提供新的研究思路并扩宽研究方向。     

Interface diffusion and chemical reaction of PZT layer/Si (111) sample during the annealing treatment in air

The interface diffusion and chemical reaction between a PZT (PbZrxTi1-xO3) layer and a Si(111) substrate during the annealing treatment in air have been studied by using XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) and AES (Auger Electron Spectroscopy). The results indicate that the Ti element in the PZT precursor reacted with residual carbon and silicon, diffused from the Si substrate, to form TiCx, TiSix species in the PZT layer during the thermal treatment. A great interface diffusion and chemical reaction took place on the interface of PZT Si also. The silicon atoms diffused from silicon substrate onto the surface of PZT layer. The oxygen atoms, which came from air, diffused into silicon substrate also and reacted with Si atoms to form a SiO2 interlayer between the PZT layer and the Si (111) substrate. The thickness of SiO2 interlayer was proportional to the square root of treatment time. The formation of the SiO2 interlayer was governed by the diffusion of oxygen in the PZT layer at low annealing tempera     

不锈钢基底上TiO2薄膜型光催化剂的制备和化学结构

采用钛酸正丁酯作为前驱体,通过溶胶-凝胶法在不锈钢基片上制备了TiO2纳米薄膜。利用俄歇电子能谱(AES)和紫外反射光谱等研究手段,对TIO2薄膜的化学结构及基底材料界面相互作用进行了系统研究。结果发现,在不锈钢基底上形成的TiO2薄膜与基底材料发生了明显的界面扩散反应。在TiO2薄膜的形成过程中,不锈钢中Fe元素向TiO2薄膜层扩散,并与从大气氛中扩散到界面的氧发生化学反应,形成铁氧化物界面过渡层。界面氧化过程,导致了Fe向样品表面的偏析和扩散。在高温热处理过程中,Fe可以扩散到TiO2薄膜的表面。薄膜催化剂的紫外反射光谱表明,界面扩散反应导致了Fe扩散进入TiO2薄膜的晶格,从而改变了薄膜催化剂的光吸收性能。     

Interface characteristics in diffusion bonding of Fe3Al with Cr18-Ni8 stainless steel

Fe3Al and Cr18-Ni8 stainless steel were diffusion-bonded in vacuum and a Fe3Al/Cr18-Ni8 interface with reaction layer was formed. Microstructure in the reaction layer at Fe3Al/Cr18-Ni8 interface was analyzed by means of scanning electron microscope (SEM) and electron probe micro-analyzer (EPMA). The growth of reaction layer with heating temperature (T) and holding time (t) was researched. The results indicate that FeAl, Fe3Al, Ni3Al, and alpha-Fe (Al) solid solution are formed in the reaction layer. These phases are favorable to promote the element diffusion and to accelerate the formation of the reaction layer at Fe3Al/Cr18-Ni8 interface. The growth of reaction layer obeys the parabolic law and its thickness (X) is expressed by X2 = 7.5 x 10(-4)exp(-83.59/RT)(t - t0).     

焙烧温度对二甲醚水蒸气重整制氢 Cu/ZnO/Al2O3/Cr2O3+H-ZSM-5双功能催化剂性能的影响

采用共沉淀耦合机械混合法制备了Cu/ZnO/Al₂O₃/Cr₂O₃+H-ZSM-5双功能催化剂,并用于二甲醚水蒸气重整制氢反应,结合热重、傅里叶红外光谱、XRD、BET、H₂-TPR表征,考察了焙烧温度对Cu/ZnO/Al₂O₃/Cr₂O₃催化剂物理化学性质及双功能催化剂催化性能的影响。研究结果表明,400℃焙烧时,析出CuO粒子的同时伴有尖晶石相,进而在反应过程中对金属铜粒子起到良好的隔离作用。而焙烧温度较低时,催化剂分解不完全,催化剂活性位较少。焙烧温度大于500℃时,CuO粒子发生二次团聚,同时尖晶石相大量生成,造成催化剂活性位减少,活性较低。合适的焙烧温度为400℃,此时二甲醚转化率为92.9%,氢气收率可达到76.5%,具有较好的反应效果。     

Cu-Al尖晶石的合成及非等温生成动力学分析

以程序升温碳化法合成β-Mo₂C载体,采用原位沉淀法制备负载量不同的Au/β-Mo₂C催化剂,利用XRD、STEM和氮气吸附-脱附等手段对Au在载体表面的分散性、微观形貌及孔结构等进行表征,并在逆水煤气变换(RWGS)反应中对其高温热稳定性进行了研究。XRD表征结果表明,在34.44°、38.02°、39.44°、52.12°、61.53°、69.62°和74.65°处出现了β-Mo₂C对应的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)和(200)晶面的X射线特征衍射峰;同时,未出现Au物种的特征吸收峰,说明Au负载量较低的0.1%和0.5%的催化剂上Au纳米粒子的分散性较好。STEM表征结果也显示,当负载量较低(0.5%、1.0%和2.0%)时,金纳米粒子以2 nm左右的原子簇形式均匀分散并锚定在β-Mo₂C载体上。氮气吸附-脱附表征结果表明,催化剂具有良好的介孔结构。反应评价结果表明,0.2%Au/β-Mo₂C催化剂在RWGS反应中具有较好的催化活...     

1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐和水组成的混合电解液中三价铬电沉积铬的研究

本文在[BMIM]OAc-H₂O电解液中研究了Cr³⁺的电沉积反应. 经循环伏安研究表明,Cr³⁺的还原属于受扩散控制的分步还原过程, 即Cr³⁺ + e →Cr²⁺和Cr²⁺ + 2e → Cr⁰. 在40℃下通过Rendle-Sevcik方程计算得到Cr³⁺的扩散系数为1.2×10^-8 cm²/s. 采用计时电流法探讨了Cr的三维瞬时成核机理. 对沉积的铬镀层进行了XRD、SEM表征, 结果表明经600℃氩气保护下煅烧后的镀层由Cr和Cr₂O₃纳米球状颗粒聚集而成, 其平均粒径为0.48μm. 对40℃,-3.0V条件下所得镀层进行EDX检测,发现Cr与O的能级峰十分明显,其中Cr的质量分数为83.8%. 通过在[BMIM]OAc、[BMIM]BF₄和[BMIM]PF₆三种离子液体体系中电镀得到的Cr镀层质量的比较, 表明OAc-的确有利于Cr的电沉积.     

Cr3+水解聚合作用的研究(Ⅷ)-反丁烯二酸存在下的过渡态

本文研究究了Cr(NO₃)₃与四种浓度的反丁烯二酸共存时Cr³⁺在水溶液中的聚合状态,采用LEMIT程序计算了在四种配体浓度下存在的同一粒子(离子或分子),其水解常数不但彼此吻合,且和高、低浓度区的结果一致。     

Cr-AlN界面的二次离子质谱研究

采用电子束蒸发的方法在２００℃抛光的氮化铝（ＡｌＮ）陶瓷衬底上淀积２００ｎｍ的Ｃｒ膜，并在高真空中退火。利用ＭＣｓ＋－ＳＩＭＳ技术（在Ｃｓ＋一次离子轰击下检测ＭＣｓ＋型二次离子）对样品进行了深度剖析，给出了界面组分分布随退火温度与时间的变化关系。结果表明，ＭＣｓ＋－ＳＩＭＳ技术是研究金属－陶瓷界面扩散与反应的有效方法。     

钛酸锌高温煤气脱硫剂再生行为的研究

在热天平装置上研究了再生反应温度、反应气体中氧气体积分数、脱硫剂颗粒粒径对钛酸锌高温煤气脱硫剂再生行为的影响。实验结果表明,较高的反应温度和氧气体积分数,较小的颗粒粒径有利于提高脱硫剂的再生反应速率。由于二次反应的影响,脱硫剂再生过程中有硫酸盐生成,提高反应温度或降低反应气体的氧气体积分数可以减少硫酸盐的生成。利用收缩核模型对其动力学行为进行了分析,结果表明,脱硫剂的再生过程存在动力学控制步骤的转移。脱硫剂再生转化率较低（<65%）时,再生过程主要受化学反应控制;再生转化率较高（>75%）时,再生过程主要受颗粒内扩散控制。表观化学反应速率常数的指前因子为8.01×10－2 m/s,活化能为19.11 kJ/mol;有效扩散系数的指前因子为3.12×10－4 m2/s,扩散活化能为48.84 kJ/mol。