红外光谱研究大气痕量气体在α-Al_2O_3表面上的协同反应

利用傅里叶变换显微红外光谱仪(micro-FTIR)研究SO2/O3,SO2/NO2在α-Al2O3颗粒物上的协同反应。结果表明,O3和NO2都可以氧化SO2在α-Al2O3矿尘上反应形成硫酸盐。比较生成的硫酸盐峰面积随反应时间的变化可以发现,O3/SO2在颗粒物表面的反应速率较NO2/SO2快。     

碳酸钙粒径对SO_2非均相反应的影响研究

利用DRIFTS研究了SO_2在CaCO_3颗粒物表面O_3氧化的非均相反应,对常温(298K)且干燥条件下(相对湿度1%)CaCO_3粒径对SO_2非均相反应的影响做了初步探究。研究结果表明,在相同反应时间里,生成的硫酸盐的红外积分面积随粒径增加而降低,说明碳酸钙粒径越小,越有利于生成硫酸盐。     

原位红外光谱法研究大气颗粒物表面非均相反应

大气污染物之间可能发生协同作用,造成严重的二次污染,产生次生环境问题.本实验通过原位红外光谱分析方法研究气态污染物和碳颗粒物之间的吸附过程,发现大气中CO2和NO极易在颗粒物表面发生吸附;CO2在颗粒物表面达到吸附平衡时间很短,NO的吸附平衡时间较长;CO2和SO2会影响NO在颗粒物表面的吸附,CO2在颗粒物表面的吸附几乎不受NO和SO2的影响.     

傅里叶变换显微红外光谱技术研究大气SO2/NO2与MgCl2单液滴的非均相氧化反应

硫酸盐是我国大气PM_(2.5)的重要成分之一,当前大气化学模型普遍严重低估雾霾期间大气硫酸盐的浓度,说明我们对SO_2大气转化机制的认识仍然不足。SO_2与NO_2在气溶胶微液滴内的协同氧化,被认定是一种硫酸盐颗粒物的关键额外来源。然而,在变化氛围(反应气体摩尔比、相对湿度)条件下,SO_2/NO_2与微液滴反应的关键动力学参数,目前仍然得不到准确的测定。本研究利用傅里叶变换显微红外光谱技术,在变化SO_2/NO_2摩尔比的条件下,原位测定了海盐气溶胶MgCl_2液滴中SO_4^(2-)与NO_3(2-)与NO_3^-浓度的时间演化。我们发现：MgCl_2单液滴与SO_2/NO_2反应生成了SO_4-浓度的时间演化。我们发现：MgCl_2单液滴与SO_2/NO_2反应生成了SO_4^(2-)和NO_3(2-)和NO_3^-,并且在SO_2/NO_2摩尔比为1∶5时SO_4-,并且在SO_2/NO_2摩尔比为1∶5时SO_4^(2-)的生成速率最快。本研究将为大气模型提供可靠参数,为制定有效的PM_(2.5)防控政策提供支撑。     

乙二醛在沙尘颗粒物表面吸附与转化的红外光谱研究

乙二醛是大气中一种重要挥发性有机物.它在大气中气相、水相及二次无机酸性颗粒物表面反应均可生成二次有机气溶胶(SOA).然而乙二醛与沙尘非均相反应研究却未见报道.本研究选取二氧化硅(SiO2)和三氧化二铝(α-Al2O3)颗粒作为实际沙尘模型,探讨了乙二醛与沙尘颗粒非均相吸附与转化机理.利用透射傅里叶变换红外光谱(T-FTIR)原位跟踪反应进程,再结合色谱和质谱分析了反应产物.结果发现,在无光照和无氧化剂参与条件下,乙二醛在以上两种沙尘组分颗粒表面吸附后均生成了低聚物,在α-Al2O3上还能生成有机酸；水汽能促进颗粒对乙二醛摄取,并有利于低聚物生成,但会抑制有机酸生成.这些发现对于认识大气乙二醛与沙尘非均相反应生成SOA具有重要意义.     

T-FTIR研究大气颗粒物表面非均相反应

大气颗粒物表面发生的非均相反应已成为目前大气科学领域的研究热点.由于现有的研究手段存在很多不足,目前人们对大气中痕量气体物质在颗粒物表面非均相反应动力学和机理了解得还很有限.文章开发了基于透射傅里叶变换红外光谱(T-FTIR)的研究颗粒物表面反应的方法,可以从分子水平观测颗粒物表面的物理化学变化.通过对一个大气模型反应体系即常温常压下甲基丙烯醛(MAC)在二氧化硅颗粒物表面反应的表征,验证了该方法可以有效地定性和定量表征颗粒物上的非均相反应过程.研究结果显示,反应过程的红外谱图信号清晰,表征灵敏;红外光能量较低,不会损害样品,可以实现对反应的原位观测.经HPLC分析结果证明,T-FTIR表征结果的重现性和准确性好,即使在湿度存在条件下其定性和定量也是可靠的.该方法为实验室模拟研究实际大气条件下的非均相反应提供了一种有效手段.     

甲基过氧化氢的紫外光解反应机理

甲基过氧化氢(CH₃OOH)是大气中一种主要的有机过氧化物,它的生成和去除过程将影响大气自由基的浓度水平。文章利用长光路傅里叶变换红外光谱(LP-FTIR) 原位跟踪技术,实验室模拟研究了CH₃OOH在常温和常压大气条件下的紫外光解反应,发现光解产物为HCHO,HC(O)OH,CH₃OH,CO和CO₂,此外实验中还观测到OH自由基的生成。根据分析结果推测了反应机理,并讨论了其大气化学意义。     

光镊技术观测悬浮单液滴中过渡金属离子催化的SO2界面氧化反应动力学

硫酸盐是大气气溶胶中重要的二次无机组分,其生成与我国雾霾污染的演化过程密切相关。近年来,发生在气溶胶颗粒中的非均相催化氧化反应被认为对大气硫酸盐的生成具有重要贡献^[1]。然而,有关大气中二次硫酸盐生成的主导机制问题,目前依旧存在争议^[2-4]。研究发现,发生在气溶胶颗粒表面的过渡金属离子(TMI)催化SO₂氧化过程可能是大气硫酸盐生成的一种重要潜在途径。然而,不同环境条件对硫酸盐生成的贡献如何,目前尚未有定论。原因在于,气溶胶颗粒中的硫酸盐生成途径会受到颗粒内物理化学条件的限制,如反应场所、颗粒pH、离子强度、氧化剂供给等。因此,不同途径在不同环境条件下的反应速率可能会存在数量级的差别。SO₂转化为硫酸盐的过程作为大气中气粒转化的代表性问题,目前已经成为大气化学、大气气溶胶物理化学领域的热点问题。     

SO_2与过渡金属离子在Soot上的非均相反应

应用FTIR-ATR研究了过渡金属离子与SO_2在Soot颗粒物表面的非均相反应,研究了在不同相对湿度(RH)环境且有Fe~(3+)和Mn2+存在条件下,SO_2在Soot颗粒表面发生的非均相反应过程。发现Fe~(3+)和Mn2+对于SO_2的非均相氧化反应有着显著的催化效应,并且随着RH的增加,硫酸盐的生成速率逐渐增大。该研究加深了对SO_2的迁移转化规律及其致霾效应的理解。     

碳结构锯齿形边缘对SO2的催化氧化机制研究

利用多孔碳实现SO2脱除和高值资源化具有耗水少、吸附剂可循环等优点,是当前重要技术方向,探究SO2在碳材料纳米空间中的吸附转化机制是该技术的理论基础。前期研究表明O2存在的条件下,碳材料中SO2会被催化氧化形成SO3,但具体的吸附催化位点和氧化路径有待进一步研究。本文采用密度泛函理论计算了SO2碳材料锯齿形不饱和碳原子处的吸附和催化氧化路径,发现:SO2和O2在不饱和碳原子处发生化学吸附。当O2在不饱和碳原子处优先吸附时,SO2会与活化的O2反应生成SO3和化学吸附态的O;当SO2在不饱和碳原子处优先吸附时,O2会在S原子附近活化,活化后的O2会与SO2反应生成气相SO3、化学吸附态SO3。本文计算结果为用于硫资源化的高性能碳材料合成提供了理论指导。     

第一性原理研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面吸附

基于密度泛函理论的第一性原理方法模拟研究H_2O在CaCO_3(104)表面的吸附特征.首先,研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面的顶位、桥位(短桥位、长桥位)和穴位上垂直和平行表面两种类型下的8种高对称吸附结构模型,结合吸附能和稳定吸附构象确定最优吸附位.而后,基于H_2O/CaCO_3(104)最优吸附结构模型,研究吸附前后H_2O和CaCO_3(104)表面的物理结构、电子结构(Mulliken电荷布居数、态密度、电子局域函数)的特征,分析H_2O/CaCO_3(104)表面之间的相互作用以及成键机理.研究结果:吸附能和体系稳定构象显示H_2O分子/CaCO_3(104)表面的最稳定吸附结构为穴位-平行.在穴位-平行位吸附后,H_2O分子的O-H键长和H-O-H键角均发生改变; CaCO_3晶体平行和垂直(104)表面方向上原子位置均发生改变,表面层变化最大;即吸附作用对H_2O分子和CaCO_3晶体的物理结构均产生较大影响; H_2O/CaCO3(104)最优吸附体系的Mulliken电荷布居数、电子态密度、电子局域函数的研究均说明H_2O分子与CaCO3(104)之间存在电子的转移形成化学键.其中,Ca-O(H_2O)形成离子键,H(H_2O)-O(CaCO_3)之间存在氢键作用.本文研究揭示了方解石表面水湿性的原因,同时为方解石润湿性的深入研究奠定基础.     

乙烯渣油沥青基活性炭纤维和粘胶基活性炭纤维的表面性质与脱硫活性

研究了在Ｏ２和Ｈ２Ｏ存在下,乙烯渣油肝基活性炭纤维（ＥＴＰ ＡＣＦ）和粘胶基活性炭纤维（Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ＡＣＦ）的脱硫活性,结果表明,在比表面积相近的情况下,ＥＴＰ ＡＣＦ的脱硫活性明显低于Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ＡＣＦ,官可归因于后者具有较强的吸附和催化氧化ＳＯ２能力及较大的吸水量,尤其是具有较强的催化氧化Ｓ２的能力,这些能力又珉春表面含有含氮官能团以及某些含氧官能团有关,因此ＡＣＦ的表面官能团     

原位DRIFTS研究CH4部分氧化和CO2重整的耦合

8%Ru-5?/γ-Al2O3催化剂对于甲烷的低温活化具有较好的催化活性,在500℃下甲烷、二氧化碳和氧气的耦合反应中,吸热反应二氧化碳重整和放热反应甲烷部分氧化进行耦合强化,使得耦合反应中的甲烷转化率为38.8%。用原位漫反射傅里叶红外光谱法对钌系催化剂耦合甲烷部分氧化和二氧化碳重整反应体系机理进行研究。CO在8%Ru-5?/γ-Al2O3上吸附,表明CO在催化剂表面上波数为2 167 cm-1(2 118 cm-1)和2031 cm-1(2 034 cm-1)处形成孪生态Ru(CO)2和Ce(CO)2吸附物种,而且高温下CO吸附物种很容易从催化剂表面脱附出来。原位漫反射红外实验结果表明甲烷部分氧化反应时催化剂表面上有吸附物种碳酸根、甲酰基(甲酸盐)和一氧化碳的形成,其中表面的甲酰基和甲酸盐物种是甲烷部分氧化反应的主要活性中间物,这些中间活性中间体由甲烷吸附态CHx和催化剂表面的氧吸附态结合而形成的,随后这种中间物种再分解为CO产物;甲烷和二氧化碳重整反应时没有新的吸附物种产生,由此提出重整反应的机理是吸附态的甲烷和二氧化碳在催化剂活性中心上进行活化解离而生成合成气;甲烷、二氧化碳和氧气耦合反应过程中出现新的羟基物种(桥式羟基Ru-(OH)2),耦合反应机理复杂可能是由部分氧化和重整两类反应机理的复合,其中桥式羟基Ru-(OH)2参与了反应的进行。     

利用甲醇氧化烟气中NO的实验研究

对利用甲醇氧化烟气中NO的反应开展了系统的实验研究。研究了反应时间、反应温度、甲醇用量比例、烟气中O2、SO2及夹带的固体颗粒对NO氧化率的影响。结果表明,在一定的条件下,甲醇能够氧化烟气中的NO;NO氧化率受反应时间和反应温度的综合影响,随着反应时间的增加,有效反应温度区域向低温方向移动,最大NO氧化率降低;随着甲醇用量比例的增加, NO氧化率增加;O2浓度增加可促进NO氧化;烟气中的SO2对反应有催化作用,可显著提高NO氧化率;烟气中固体颗粒的存在阻碍了自由基反应的进行,显著降低了NO的氧化率。     

(VO)2P2O7催化剂上正丁烷选择氧化反应路径的原位瞬态DRIFTS研究

在钒磷复合氧化物(VO)2P2O7催化剂上,运用脉冲反应和反应物组成序贯切换的瞬态反应技术,对正丁烷和C4烯烃(1-丁烯、1,3-丁二烯)选择氧化制顺酐过程进行了瞬态原位DRIFTS研究,考察了正丁烷选择氧化反应体系的反应网络和基元过程序列结构。获得了含羰基的非环状饱和与不饱和物种都可能是正丁烷选择氧化制顺酐过程的中间物的证据,在1-丁烯和1,3-丁二烯的原位瞬态DRIFTS研究中检测到了呋喃。推断中间物呋喃在生成顺酐前可能经历了开环形成含羰基的非环状不饱和物种的过程。基于实验结果及与文献的比较,提出了正丁烷在VPO催化剂上选择氧化可能的反应路径。     

不同酸催化条件下Ta2O5气凝胶的制备

采用溶胶-凝胶技术,以乙醇钽为前躯体,乙醇为溶剂,分别以盐酸、硝酸、硫酸为催化剂,结合CO2超临界干燥技术制备了Ta2O5气凝胶。研究发现:硫酸作催化剂的体系,其胶凝时间远远小于其他体系,且溶剂交换及超临界干燥过程中的收缩开裂现象明显改善;扫描电镜分析结果显示,硫酸为催化剂制备的Ta2O5气凝胶骨架颗粒间存在较严重的团簇现象,比表面积约167 m2/g,明显低于以盐酸、硝酸为催化剂的体系。X射线光电子能谱测试结果显示,Ta2O5气凝胶中无相应的Cl元素或N元素残留,而S元素则基本上滞留在Ta2O5气凝胶中。说明S元素进入了Ta-O-Ta交联结构,正是因为这种结构的引入,Ta2O5气凝胶的收缩龟裂现象得以明显改善并呈现出相对较高的力学性能。     

煤基化学链燃烧过程中硫的演变

在双阶段流化床反应器内,基于溶胶凝胶法制备的Fe2O3/Al2O3氧载体研究了褐煤化学链燃烧过程中燃料硫的迁移路径及分布特性,并讨论了温度、过氧系数对燃料硫释放分布的影响.结果表明:所有工况下,氧载体均未出现被硫化的现象;在热解气化学链燃烧阶段,气相含硫物质以SO2和H2S为主,煤焦气化气化学链燃烧阶段绝大部分为SO2气体,部分来源于煤焦中CaSO4的分解。另外,部分燃料硫被碱金属固定于煤灰中。同时,提高温度和过氧系数都能导致SO2/H2S值和SO2释放量增大。     

蒸馏-高分辨连续光源原子吸收光谱法测定果脯中二氧化硫

硫在富燃空气-乙炔火焰中可以形成CS双原子分子。CS双原子分子的吸收轮廓与原子光谱吸收类似,因此可以利用原子吸收光谱方法进行定量分析。建立了高分辨连续光源原子吸收光谱法分析果脯中二氧化硫含量的方法。果脯中的二氧化硫经酸化、蒸馏、过氧化氢氧化等过程转变为硫酸根,通过连续光源原子吸收光谱法检测。对影响二氧化硫检测灵敏度的乙炔流量、火焰高度等仪器参数进行了优化,并考察了样品中硫酸根、硫代硫酸根等不同形态硫对二氧化硫分析的干扰。优化条件下,在257.961nm波长的检出限为52.4mg·kg~(-1);相对标准偏差小于10%。应用于北京市售果脯样品二氧化硫含量测定,平均回收率在85.7%~115.7%之间。该方法具有准确快速、干扰少等优点,拓宽了原子吸收光谱法的应用范围。     

亚纳米厚的氧化铝包裹层可以显著提高负载型金纳米颗粒催化剂的热稳定性

负载型金纳米颗粒催化剂在许多催化反应中展现出非常好的催化活性,但是金纳米颗粒在高温等反应条件下容易烧结团聚,极大地限制了金催化剂的应用。利用原子层沉积技术在Au/TiO₂催化剂表面分别精确沉积了一层超薄的二氧化钛和氧化铝包裹层,并对比研究了包裹层对金纳米颗粒的热稳定性影响。原位红外漫反射CO吸附和x-射线光电子能谱数据证实了氧化物包裹层的存在。发现亚纳米厚的氧化铝包裹层能够在600 C完全避免金纳米颗粒的团聚;相反,二氧化钛包裹层对金纳米颗粒稳定性的提高没有明显效果。通过CO氧化探针反应的活性测试,发现随着煅烧温度的升高氧化铝包裹的Au/TiO₂ 催化剂的活性逐渐提高,表明高温处理可以促进被包裹金原子的暴露并表现出催化活性。提供了提高金纳米颗粒稳定性的有效方法,为拓展金催化剂在条件苛刻的反应中的应用奠定了技术基础.