单原子催化的最新进展（英文）

单原子催化剂由于其自身兼具均相催化剂的"孤立活性位点"和多相催化剂易于循环使用的特点,近年来受到了广泛关注.本综述概括了2015至2016年单原子催化领域的重要进展,重点介绍了新的催化剂制备方法、单原子金催化剂在CO氧化中的进展、单原子钯/铂催化的选择性加氢反应以及铂或非贵金属单原子催化剂在电化学中的应用等.在催化剂的合成方面,用传统的湿化学方法制备的单原子催化剂通常金属负载量较低,使得催化剂的常规表征比较困难.最近发展的一系列新型合成方法例如原子层沉积法、高温蒸汽转移法、光介还原法以及热解法等制备M-N-C等非贵金属催化剂等,尽管有不同程度的局限性,但均可以成功制备高负载量的单原子催化剂.单原子催化剂的载体得到了拓展,除传统的金属氧化物外,金属有机框架材料和二维材料等均被用于单原子催化剂的制备.在单原子催化剂的应用方面,金由于较高的电负性和与氧的弱相互作用能力,因而与氧化物载体作用较弱,不易形成单原子催化剂.但近期报道了成功制备的单原子金催化剂,在CO氧化反应、乙醇脱氢和二烯加氢反应中都有不错的进展.本文还介绍了铂和钯单原子(合金)催化剂在加氢反应中的优异活性及选择性,表明了单原子催化剂在选择性上的优势.将一种金属掺杂到另一种金属基底中制备的单原子合金催化剂也因其特异的性能备受关注.此外,对于化工生产中典型的均相催化反应,如氢甲酰化,单原子催化剂在无外加膦配体的情况下表现出高活性的同时还能很好地控制化学选择性,甚至达到令人满意的区域选择性,从实验上证明了单原子催化剂有望作为沟通均相催化和多相催化的桥梁.单原子催化剂在电催化和光催化中也得到了快速发展.铂单原子催化剂因其高原子利用率和高稳定性,在析氢反应和氧还原反应中有着良好的应用前景.另一方面,非贵金属特别是Co单原子催化剂在光电催化中因其优异的活性和巨大潜力得到了较深入的研究.除了上述进展,单原子催化领域还有许多基本问题需要继续深入研究,对单原子催化剂更加全面透彻的认识将为设计发展新型催化体系,扩展单原子催化领域提供指导和借鉴.     

密度泛函理论计算研究表面应力对钯催化乙炔选择性加氢活性与选择性的影响（英文）

在石油催化裂解过程中,除了生成乙烯、丙烯及丁烯等烯烃,还会产生部分炔烃.目前工业上通常采用炔烃选择性加氢转化为对应的单烯烃,以除去其中炔烃.由于产品烯烃中的炔烃等杂质含量需极低,这就对用于加氢催化剂的活性和选择性提出了很高的要求,即催化剂需要选择性吸附炔烃并加氢,而不损失其中的烯烃.经过前期大量的基础研究工作,目前工业中炔烃选择性加氢应用最广泛的催化剂是负载型钯基催化剂.然而,单独的钯金属选择性并不理想,因而对其选择性以及活性进行调控成为了当前关注的研究课题.本文采用密度泛函理论计算结合微观反应动力学模拟手段,研究了钯金属表面应力存在条件下的活性与选择性,以及形成次表层物种的可能性和形成后的活性与选择性.研究发现,改变钯金属的晶格参数与表面应力,反应物、表面反应中间体和产物的吸附能都会产生相应的变化,且吸附能与晶格参数的变化存在线性关系,晶格参数越大,吸附越强.利用表面反应过渡态能量与初始态能量之间的线性关系,相应的乙炔加氢生成乙烯的反应速率可以通过微观反应动力学模拟得到.结果显示,不同晶格参数的钯催化剂催化乙炔加氢生成乙烯的反应活性位于相应火山型曲线的强吸附侧,即减弱乙炔和氢的吸附强度可提高乙烯的生成速率.在此基础上,本文研究了不同表面应力的钯催化剂在次表面吸附不同覆盖度碳原子和氢原子的情况,发现晶格参数越大越有利于碳原子和氢原子在次表面的吸附.同时,研究发现在次表面碳掺杂的条件下,不同表面应力条件下的钯催化剂的活性均有所增强.此外,由于乙烯在所有研究的钯催化剂表面脱附比进一步加氢容易,因而乙烯都可以选择性生成.     

钯铂核壳纳米催化剂颗粒中的原子扩散（英文）

铂原子单层的核壳结构催化剂因其高效的铂原子利用率和优异铂质量活性而广泛应用于燃料电池领域.在该系列材料中,钯@铂核壳催化剂具有更优于纯铂的氧还原(ORR)催化活性,因而拥有较好的应用前景.但由于钯原子在热力学上更倾向于富集到材料表面,钯@铂核壳催化剂的催化稳定性及原子扩散的途径需要更深入的研究.本文探究了热处理条件对钯@铂核壳结构稳定性的破坏,并确定了原子扩散对催化活性的影响.原位扫描透射电子显微镜-电子能量损失谱(STEM-EELS)证明了在250 oC的氩气氛围中,钯@铂纳米颗粒中原本清晰可见的1–2原子铂壳层已经消失,并伴随着颗粒表面钯铂合金化的形成.因钯金属可以吸收氢气而导致晶格间距的展宽,钯@铂核壳结构的破坏也可以通过氢气氛围中的原位X射线衍射谱中(111)衍射峰的展宽和位移进行判断.对钯@铂核壳纳米催化剂进行一系列温度的热处理结果显示,核壳结构的破坏在200 oC左右开始,并于200–300 oC之间急剧发生.一氧化碳电化学氧化脱附实验表明,热处理之后的核壳催化剂表面的一氧化碳氧化峰位置发生了明显的正移,也证明了热处理之后催化剂表面电子结构的变化.核壳结构改变对催化活性的影...     

固态锂电池中正极/电解质界面的密度泛函计算研究（英文）

锂离子电池的广泛应用对储能器件的能量密度、安全性和充放电速度提出了新的要求.全固态锂电池与传统锂离子电池相比具有更少的副反应和更高的安全性,已成为下一代储能器件的首选.构建匹配的电极/电解质界面是在全固态锂电池中获得优异综合性能的关键.本文采用第一性原理计算研究了固态电池中电解质表面及正极/电解质界面的局域结构和锂离子输运性质.选取β-Li_3PS_4(010)/LiCoO_2(104)和Li_4GeS_4(010)/LiCoO_2(104)体系计算了界面处的成键情况及锂离子的迁移势垒.部分脱锂态的正极/电解质界面上由于Co-S成键的加强削弱了P/Ge-S键的强度,降低了对Li+的束缚,从而导致了更低的锂离子迁移势垒.理解界面局域结构及其对Li+输运性质的影响将有助于人们在固态电池中构建性能优异的电极/电解质界面.     

用于纳米催化肿瘤治疗的异核双金属原子催化剂（英文）

癌症是威胁人类健康的重大疾病之一.目前,化疗、放疗和手术治疗是三大常规治疗癌症手段,虽然这些治疗技术成熟,但都存在不足,且治疗成本高昂,并使得患者在治疗过程中承受痛苦.因此,开发活性位点丰富、催化效率高、肿瘤组织识别准确的新型抗肿瘤催化材料,利用有限的治疗资源,以最低的毒性取得最佳的治疗效果,成为癌症治疗的研究新前沿.随着纳米材料的快速发展,异核双原子催化剂(HDACs)在保留单原子催化剂的最大原子利用率,活性位点分布均匀,孤立单原子的不饱和配位环境和有利于电荷转移的电子结构等优点的基础上,其两种不同金属原子不仅能提供更丰富的反应活性位点,两者之间还具有独特的协同作用,可以有效突破单原子催化剂的线性限制并优化活性中间物种的吸附能垒和构型,显著提高催化活性和选择性从而获得满意的治疗效果,在纳米催化肿瘤治疗领域展现出巨大的实际应用潜力.本文对HDACs的表征手段、制备方法及其近年来在纳米催化肿瘤治疗领域的应用进行了系统的综述.首先简要介绍了原子水平活性位点的各种表征方法,特别是原位技术,讨论了它们应用的侧重点,并比较了各自的优缺点.其次,由于反应原子的高表面自由能、难以调控的动力学行为以及...     

HZSM-5催化甲苯和甲醇烷基化反应机理的密度泛函理论研究（英文）

对二甲苯(PX)是重要的有机化工原料,主要用于生产对苯二甲酸(PTA)和对苯二甲酸二甲酯(DMT),PTA和DMT可经缩聚生产化纤、合成树脂和塑料等聚酯产品.PX主要通过甲苯歧化、二甲苯异构化或甲苯与C9芳烃烷基转移等方式生产.由于三种二甲苯和乙苯的沸点接近,需要经过吸附分离或深冷分离才能得到高纯度的PX,传统工艺物料循环量大,设备庞大,操作费用高.而通过甲苯和甲醇烷基化反应直接高选择性生成PX,可大大降低成本,具有非常高的经济效益和研究价值.自1970年代以来,国内外众多科研院所对甲苯和甲醇烷基化催化剂进行了广泛研究,但催化剂选择性和稳定性仍需进一步提高.为了加深对甲苯和甲醇烷基化反应的认识,指导催化剂开发,有必要对甲苯和甲醇烷基化生成二甲苯的反应机理进行深入研究.当前甲苯和甲醇烷基化机理研究主要存在以下问题:(1)计算得到的能量多为电子能,而非自由能;(2)所采用的模型多为团簇模型,使用ONIOM方法,对长程作用力描述不充分;(3)认为甲苯只有一种吸附状态;(4)没有考虑偕烷基化反应.本文采用周期性模型,通过密度泛函理论研究了HZSM-5分子筛上甲苯和甲醇烷基化反应机理,通过计算熵得到了反应自由能,并考虑了偕烷基化反应.由于甲基的存在,在甲苯的吸附态中,甲基会伸向孔道的不同方向,因此我们认为甲苯有多种吸附态,而不同的吸附态会生成不同的二甲苯.结果表明,甲苯可以在对位、间位、邻位和偕位上通过协同机理或分步机理发生烷基化反应.在协同机理中,甲苯在对位、间位、邻位和偕位发生烷基化反应的自由能垒分别为167,138,139和183 kJ/mol.在分步机理中,甲醇脱水生成甲氧基的自由能垒为145 kJ/mol,是决速步骤;而甲苯和甲氧基对位、间位、邻位和偕位烷基化的自由能垒分别为127,105,106和114 kJ/mol.两种机理中PX的生成能垒均比MX和OX高,与文献报道的结果不同.文献均认为,PX的生成能垒最低.一方面这可能是由于所采用模型的不同,本文采用周期性模型,能更充分考虑长程作用力的影响;另一方面可能是由于对甲苯吸附态的不同处理,我们认为甲苯有多种吸附态,不同的吸附态会生成不同的二甲苯,而文献均只考虑了一种甲苯吸附态.但是,在实验中,PX选择性最高.这可能是由于:(1)PX在HZSM-5孔道的扩散速率比MX和OX高2–3个数量级;(2)甲苯和甲醇烷基化生成的MX和OX迅速发生异构化反应生成PX,异构化反应速率高于甲苯烷基化速率.两种机理中,C_8H_(11)~+都是重要的中间物种,它可以反馈一个质子给分子筛骨架,生成二甲苯;也可以脱烷基生成甲烷和乙烯等气相产物.研究发现,甲烷的生成是由于C_8H_(11)~+物种中的一个H质子从苯环上的碳原子转移到甲基上的碳原子造成的,计算得到的对位、间位和邻位C_8H_(11)~+生成甲烷的能垒分别为136,132和134 k J/mol.由于十元环孔道的限制,HZSM-5孔道中很难通过甲苯歧化反应生成苯;偕烷基化生成的碳正离子有可能脱烷基生成乙烯和乙烷等产物,进而生成苯.碳正离子脱烷基反应生成了大量气相产物,造成反应液收降低.碳正离子脱烷基反应与甲醇制烯烃过程的烃池机理相一致,因此甲苯和甲醇烷基化反应也遵循烃池机理.     

含金金属纳米颗粒用于液相化学氢化物催化制氢（英文）

液相化学氢化物以化学键的形式储存氢能,被认为是一类很有前景的化学储氢材料.液相化学氢化物的大规模应用很大程度上依赖于高效催化系统的开发.含金金属纳米颗粒在用于液相化学氢化物催化制氢中表现出优异的催化性能.本文综述了金纳米颗粒和含金异金属纳米颗粒用于液相氢化物催化制氢的最新研究进展.     

CeO_2纳米管负载Pd纳米颗粒催化CO低温氧化（英文）

高效负载型Pd催化剂的制备及其在CO低温氧化反应中的机理探究是近年来的研究热点.普遍认为,Pd催化剂上的CO氧化反应遵循Langmuir-Hinshelwood机理:首先,CO吸附于Pd物种表面;然后,CO与催化剂表面的晶格氧发生反应转化为CO_2,反应发生在金属-载体界面.另外,高分散的Pd活性物种有利于CO氧化反应.同时载体的形貌、暴露的晶面、氧空位以及孔结构等都是影响催化剂活性的重要因素.CeO_2纳米管具有独特的管状特征和较高的比表面积,是一种潜在的CO低温氧化催化剂载体.本文利用乙醇还原法,以CeO_2纳米管为载体,制备不同Pd含量的Pd/CeO_2-nanotube纳米催化剂,并利用N_2吸附脱附、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、CO程序升温脱附(CO-TPD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段,探索纳米催化剂载体形貌对CO氧化反应活性的影响.氮气吸脱附结果表明,Pd/CeO_2-nanotube具有较高的比表面积(58.0 m~2/g),且存在介孔结构.XRD表征发现,Pd/CeO_2-nanotube的衍射峰对应立方萤石型结构的CeO_2的(111),(200),(220),(311)等晶面.TEM结果表明,Pd/CeO_2-nanotube具有均匀的纳米管形貌,其外径为40-60 nm,Pd纳米颗粒均匀分散在其表面.CO-TPD结果表明,Pd/CeO_2-nanotube在110℃附近具有很强的脱附峰,在370℃和600℃附近分别具有较宽和较弱的脱附峰,这表明该催化剂具有较多的吸附位,且具有很强的CO吸附能力;CO不可逆吸附量计算结果表明,该催化剂上的Pd具有很高的表面分散度(23.3%),Pd颗粒尺寸为7.3 nm.XPS表征显示,Pd以Pd~(2+)的形式分散于CeO_2纳米管的表面,且与载体发生相互作用,存在Pd-O-Ce键;同时该催化剂表面存在丰富的Ce~(3+),为反应提供更多的氧空位.0.9Pd/CeO_2-nanotube纳米催化剂在CO氧化反应中表现出优良的活性,能在100℃实现CO的完全转化;通过计算发现,该催化剂具有较高的TOF值(0.63s~(-1)),由Arrhenius曲线可得到该催化剂的活化能为26.5 kJ/mol.综上可见:金属活性组分的尺寸和分散度、载体的结构特征、CO吸附能力以及金属-载体间的相互作用决定催化剂的性能Pd/CeO_2-nanotube的高比表面积有利于Pd的分散;其强CO吸附能力有利于CO吸附于Pd物种表面;催化剂表面丰富的Ce~(3+)能为反应提供更多的氧空位,Pd-O-Ce键的形成能增强金属-载体间的相互作用,有利于CO与催化剂表面晶格氧发生反应.同时催化剂介孔结构有利于反应气体和产物气体的吸附和扩散,因此,Pd/CeO_2-nanotube纳米催化剂在CO氧化反应中表现出优良的活性.     

可回收铜纳米颗粒在无溶剂下催化三组分偶联反应合成炔丙基胺（英文）

以硫酸铜为原料,水合肼为还原剂,采用水热法合成了铜纳米粒子.用透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射(XRD)对所得催化剂进行了表征,继而成功地将其用作非均相催化剂,促进了苯乙炔、胺和醛在无溶剂条件下的三组分偶联反应.在Cu NPs (10 mol%)、110℃、10 h反应条件下,催化剂表现出良好的催化活性,产率达88%.值得注意的是,经过4次循环使用后,催化剂体系的催化活性仅略有下降(分离产率84%).本研究结果提供了一种三组分偶联反应合成丙炔胺的方法,该方法具有后处理简单、无溶剂、底物范围广、催化剂可重复使用等优点.     

各向异性金纳米粒子的制备及其在催化中的应用（英文）

尽管有关金纳米粒子催化的研究工作很多,但其中大多数都是采用传统的浸渍法将金盐负载到载体上、共沉淀或沉积-沉淀法制得负载的纳米粒子,但这些方法并未吸收最新的纳米技术.最近,金催化剂的研究者开发了在胶态悬浮液中制取金属纳米粒子,然后进行固载,从而使得单金属和双金属催化剂的催化活性和形貌控制取得较大进展.另一方面,最近十年出现了金纳米粒子合成的高级控制技术,得到了许多各向异性的金纳米粒子,且很容易制得新的形貌,可以控制纳米粒子的表面原子配位数和光学特性(可调的等离子体带),这些都与催化密切相关.这些形貌包括纳米棒、纳米星、纳米花、树枝状纳米结构或多面体纳米粒子等.除了高度关注各向异性金纳米粒子的最新开发的制备方法和性质,本综述也清楚地总结了这些纳米粒子独特的催化性能,以及通过提供更高催化性能的金催化剂、控制暴露的活性位,以及热、电和光催化的鲁棒性和可调性,从而给多相催化领域带来令人惊奇的潜在变革.     

单原子催化:沟通均相催化与多相催化的桥梁（英文）

催化在现代化学工业中占据着极为重要的地位.催化剂是催化过程的核心.均相催化剂由于具有均一、孤立的活性位点,往往具有高活性与高选择性;但是分离困难限制了其实际应用.多相催化剂由于金属原子利用效率低、活性组分不均匀,活性与选择性相对较低;但其稳定易分离的特点使得目前大多数工业催化过程都是多相催化过程.近年来,单原子催化逐渐成为催化领域新的研究热点与前沿,受到相关研究人员的广泛关注.作为一种多相催化剂,单原子催化剂具有稳定易分离的优势.此外,单原子催化剂具有类似均相催化剂的孤立活性位点,可能具有高活性与高选择.因此单原子催化的概念一经提出,便被认为有望成为架起多相催化与均相催化的桥梁;但几年来并未从实验上得到证实.2016年开始,逐渐有单原子催化剂在经典均相催化反应过程中的应用报道,为该观点提供了实验上的证据.本综述概述了2016至2017年单原子催化剂在典型均相催化反应中的成功应用,包括:1)氢甲酰化反应.以烯烃和合成气为原料合成精细化学品醛类化合物的氢甲酰化反应是目前化工生产中典型的均相催化反应之一.2016年,张涛课题组和曾杰课题组先后报道了Rh/ZnO和Rh/CoO单原子催化剂在该反应中的成功应用.催化剂都表现出优异的催化性能,活性与经典均相Wilkinson’s催化剂相当;2)氢硅加成反应.作为合成有机硅产品的重要反应之一,工业上硅氢加成反应主要由Pt基均相催化剂催化.2016年Beller课题组首次报道了将Pt/Al_2O_3单原子催化剂用于烯烃硅氢加成反应中.该催化剂除表现出良好的催化活性和区域选择性外,还具有较高的稳定性和底物普适性;3)C–H键选择性氧化.烷烃部分氧化反应在学术研究和工业应用方面都有重要意义.刘文刚等将M-N-C单原子催化剂(其中M为Fe,Co等金属)成功应用于C–H键的活化反应中,并对催化剂的结构进行了深入剖析.以上实例表明通过调控金属与载体组合、设计开发合适的单原子催化剂,可以达到结合均相催化高活性、高选择性与多相催化稳定易分离的目的,为均相催化多相化提供了一条新途径,也证明单原子催化可望成为沟通均相催化与多相催化的桥梁.     

负载纳米钯颗粒在邻位导向磺化反应中的催化特性探究（英文）

报道了一种负载钯纳米颗粒催化2-苯基吡啶与芳磺酰氯的邻位导向磺化反应.对反应前后的负载钯纳米颗粒催化剂进行X射线光电子能谱(XPS)分析,发现反应后钯完全被氧化.结果证明钯催化的邻位导向磺化反应是经由Pd^Ⅱ/Ⅳ催化循环,而不是Pd^0/Ⅱ催化循环.热过滤实验及其催化剂的表征进一步证明了这个假设,提供了在邻位导向磺化反应中确定钯价态变化的直接方法.     

氮掺杂有序介孔碳负载超小尺寸铂纳米颗粒催化硝基苯类化合物选择加氢（英文）

氮掺杂有序介孔碳材料不仅具有高的比表面积、大的孔容和均一可调的孔径等优点,其骨架中丰富的氮原子还可以对材料的物理化学性质、配位金属电荷密度等进行调控,是一类优异的催化剂载体.本文利用软模板(嵌段共聚物F127为模板),以间氨基苯酚为碳源和氮前体,制备出较高含氮量(9.58 wt%)和比表面积(417 m~2/g),以及规则孔径分布的介孔碳材料.结果表明,制备的材料具有三维立方相结构.以该碳材料作为载体,使用传统浸渍氢气还原的策略负载纳米铂颗粒.发现氮掺杂的载体能够有效控制金属纳米颗粒的尺寸,可实现超小尺寸Pt纳米颗粒的有效负载(1.0±0.5 nm),且纳米颗粒均匀分布于介孔碳材料的孔道中.相比而言,使用相同负载方法的情况下,以不掺氮的介孔碳材料为载体,纳米粒子的尺寸较难控制(4.4±1.7 nm)且会发生孔道外颗粒聚集的情况.研究表明,骨架中的氮原子与金属间弱的相互作用对纳米粒子有稳定作用.这对制备超小尺寸的金属纳米粒子催化剂具有一定的指导意义.此外,由于纳米粒子的尺寸将大大影响催化剂活性中心的暴露程度,进而影响催化剂活性.因此,我们以硝基苯类化合物的氢化反应来评价该催化剂的催化性能.在室温和1 MPaH_2的温和条件下,氮掺杂的介孔碳负载催化剂表现出了优异的催化性能.反应0.5 h,对氯硝基苯可完全转化,且选择性高达99%.相比而言,商业化的Pt/C催化剂上反应的转化率和选择性分别为89%和90%.其它传统催化剂的比较,如Pt/SiO_2,Pt/TiO_2,同样表明,氮掺杂介孔碳负载的催化剂具有更优异的催化性能.在相同反应条件下,Pt/SiO_2催化剂只能得到46%的转化率和93%的选择性,而Pt/TiO_2催化剂虽然能够实现完全转化,但选择性也仅为91%.由此可见,氮掺杂的负载催化剂可大大提高反应活性和选择性,能有效抑制脱氯现象的发生.这种高的催化性能可能与催化剂的介孔结构、氮功能化载体以及超小尺寸的Pt纳米粒子的稳定有关.由于氮原子和介孔孔道的限域作用,氮掺杂介孔碳负载的催化剂也具有良好的催化稳定性,循环使用10次后,催化活性和选择性几乎没有下降.结果表明,循环使用后的催化剂金属粒子尺寸变化不大,进一步表明氮掺杂介孔碳载体对金属纳米颗粒的稳定作用.     

密度泛函理论计算研究金属-N_4大环化合物在酸性介质中的稳定性（英文）

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是一种能够有效地将化学能转换成电能的装置,其具有较高的效率及功率密度,还兼具环境友好的优点,因而在电动车和分布式电站等领域有广泛应用前景.然而,昂贵的价格及较差的耐久性阻碍了PEMFCs的广泛应用.阴极氧还原反应(ORR)缓慢的动力学是限制PEMFCs性能的主要因素.目前,Pt及其合金仍然是最有效的ORR催化剂.有限的Pt供应量是PEMFC商业化的主要障碍之一.因此,具有较高ORR活性的非贵金属催化剂越来越多的引起了人们的关注.在众多非贵金属ORR催化剂中,Fe,Co等金属与氮共掺杂的碳材料最有望取代Pt.一般认为,这类材料中起催化作用的活性中心是与金属酞菁(MPc)和卟啉(MP)等大环分子类似的金属-N4配位结构.无论是MPc和MP,还是掺杂碳材料催化剂,在酸性介质中的耐久性都不够好.具体原因至今仍没有定论.一些研究者认为中心金属离子与酸性介质中的质子交换引起的去金属中心是原因之一.我们通过密度泛函理论计算和热力学分析研究酸性介质(pH=1)中金属大环分子中金属离子和溶液中质子的交换反应,探讨去金属中心是否是造成金属大环类分子催化剂和金属与氮共掺杂碳基催化剂在酸性介质中不稳定的原因.我们建立了研究金属大环化合物中心金属离子与溶液中质子的交换反应的热力学分析方法.在此基础上借助密度泛函理论计算获得各种金属酞菁和卟啉在强酸性介质中的金属离子平衡浓度,以确定相应金属大环分子的稳定性.研究结果表明,在酸性介质中铬、锰、锌类酞菁和卟啉分子很容易被质子化而形成相应的非金属酞菁和卟啉,原因可能是这三类金属的二价阳离子的3d轨道均为半充满或者全充满状态,使得它们与氮的配位能力下降;而铁、钴、镍、铜类酞菁和卟啉在酸性介质中金属化离子的平衡浓度几乎为零,表明它们基本上不发生金属离子与质子的交换反应,且稳定性趋势为Co PcNiPcFePcCuPc和Co PNiPCu PFeP,同时,相应的金属酞菁比金属卟啉更稳定.这表明具有氧还原活性的铁、钴类大环分子催化剂及铁、钴与氮共掺杂的碳材料在酸性溶液中的活性衰减并不是由于金属离子与质子的交换引起的.我们还考察了取代基对大环分子中金属离子与质子交换反应的影响,结果发现,给电子取代基(甲基,氨基,叔丁基)会极大地增强酞菁铁和酞菁钴在酸性介质中的稳定性.对于酞菁铁而言,具有中等强度吸电子效应的四氯、四氟和十六氯取代后,其在酸性中稳定性有一定程度的增强,而具有强烈吸电子效应的四硝基及十六氟取代后,稳定性则降低.对于酞菁钴而言,上面提到的所有吸电子取代基都会使得其在酸性介质中变得更加不稳定,并且其不稳定程度随着取代基吸电子能力的增强而上升.     

聚合物稳定的金纳米簇催化:理论计算与实验的相互影响（英文）

平均粒径为2–10 nm的聚合物稳定的Au纳米簇(NCs)表现出独特的催化性能.多个研究表明,影响聚合物稳定的AuNCs催化活性的主要因素为:AuNC尺寸的控制、聚合物的选择以及反应条件的优化.这是由于聚合物稳定的AuNCs在多个催化反应中表现出明显的尺寸效应,其催化活性也因所采用的聚合物和反应条件的不同而不同.为了阐明影响聚合物稳定的AuNCs催化活性的内在原因,众多研究者关注于聚合物稳定的AuNCs催化中的理论计算与实验的相互影响.本文主要总结了聚合物稳定的AuNCs中这种相互影响的研究进展.     

钛硅分子筛催化的环己酮非均相氧化反应的实验及密度泛函理论研究（英文）

The reaction mechanism of the oxidation of cyclohexanone catalyzed by titanium silicate zeolite TS-1 using aqueous H2O2 as the oxidant was investigated by combining density function theory(DFT) calculations with experimental studies. DFT calculations showed that H2O2 was adsorbed and activated at the tetrahedral Ti sites. By taking into account the adsorption energy, molecular size, steric hindrance and structural information, a reaction mechanism of Baeyer-Villiger oxidation catalyzed by TS-1 that involves the activation of H2O2 was proposed. Experimental studies showed that the major products of cyclohexanone oxidation by H2O2 catalyzed by a hollow TS-1 zeolite were ε-carprolactone, 6-hydroxyhexanoic acid, and adipic acid. These products were analyzed by GC-MS and were in good agreement with the proposed mechanism. Our studies showed that the reaction mechanism on TS-1 zeolite was different from that on Sn-beta zeolite.     

单原子催化:追寻催化领域的“圣杯”（英文）

在催化领域,“圣杯”反应是指对人类未来具有显著的科学、经济和环境可持续性价值的反应.这些反应利用地球上丰富易得的资源,如CH₄, H₂O, CO₂和N₂等,生产各种有价值的化工产品.尽管意义重大,但由于反应物的化学惰性和产物相对活泼的特点,反应的转化率通常较低,对目标产物的选择性较差.目前,降低“圣杯”反应的活化能垒仍然是一个巨大的挑战,需要开发新型催化剂来应对以上挑战.单原子催化剂(SAC)含有部分带电的金属单原子物种,具有明确的、可调的结构,是一类很有前途的负载型催化剂,不仅可以提升催化性能,也为深入了解反应机制和构效关系提供便利.本文总结和评价了SAC在五个“圣杯”反应中的最新应用.围绕甲烷活化,介绍了甲烷温和氧化制甲醇和无氧甲烷偶联两类反应.热催化甲烷氧化通常需要引入共还原剂来提升催化活性,因此所采用的SAC通过多位点协同作用,实现串联催化过程以有效活化甲烷;而光催化过程则可在无共还原剂的情况下,通过不同单原子金属位点(如Au, Pd, Fe, W)与水或O₂的作用,产...     

十二烷基苯磺酸钠和无机阳离子之间相互作用的密度泛函理论研究（英文）

研究阴离子表面活性剂和阳离子之间的相互作用对于理解阴离子表面活性剂的沉淀和溶解现象具有十分重要的理论和实际意义,但关于两者相互作用的相关理论模型鲜有报道。本文采用密度泛函理论(DFT)方法研究了十二烷基苯磺酸根阴离子(DBS~-)与阳离子(Na~+,Mg~(2+)和Ca~(2+))在溶液内及气/液界面处的相互作用。在溶液内,在两种不同溶液环境中(水相和正十二烷)构建DBS~-/阳离子相互作用模型,并对其进行优化。结果表明,DBS~-能够与阳离子以双齿结构稳定结合。DBS~-与阳离子的结合能不仅取决于参与的无机盐离子种类,还与溶剂的性质有关。在气/液界面处,DBS~-与六个水分子相互作用形成的水合物DBS~-·6H_2O最为稳定。但是,无机盐离子的引入会严重破坏DBS~-·6H_2O水合物的水化层结构。本文定义无量纲参量def用来对水化层结构的变化程度进行评价。无机盐离子对DBS~-·6H_2O水化层结构破坏程度的顺序为:Ca~(2+)Mg~(2+)Na~+。电荷分析结果表明水化层在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)头基与阳离子的相互作用中起了重要作用。     

钯纳米粒子的形貌可控合成与催化性能（英文）

借助于一种全新的表面活性剂N,N-dimethyloctadecylammonium bromide acetate sodium(OTAB-Na),成功实现了对小尺寸钯纳米粒子微结构的控制。通过对合成条件的微扰,高度均匀且分散性良好的枝化结构和凹面体结构的钯纳米粒子被成功地制备。催化测试(利用氨硼烷作为氢化试剂来还原4-硝基苯酚为4-胺基苯酚)发现,钯纳米粒子的催化活性与其微观纳米结构相关,其中枝化结构的钯纳米粒子表现出了更为突出的催化性能。