酸蒸气水热免洗法制备前驱物ZrMo2-xWxO7(OH,Cl)2·2H2O和立方ZrMo2-xWxO8热收缩化合物

采用酸蒸气水热免洗方法合成了立方ZrW2O8类型化合物的系列前驱物ZrMo2-xWxO7(OH, Cl)2·2H2O(x=0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8), 并由此制备了纯立方相ZrMo2-xWxO8(x=0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8). 提出了用X射线粉末衍射相对积分强度表征有序-无序介稳态晶体有序度的方法, 发现在制备条件下, 随着Mo/W摩尔比的减小, 立方相ZrMo2-xWxO8有序-无序介稳态的饱和有序度增加的规律. 讨论了原料选择以及中间产物的形貌对合成目标产物的影响, 探讨了以铵盐为原料制备前驱物反应的微观过程.     

溶剂热法合成UiO-66金属有机框架限域的钴取代磷钼酸及其催化烯烃环氧化性能

金属有机框架材料是一类新型晶体孔性材料,在气体储存、物质分离、非线性光学及催化等领域中具有潜在应用价值.其中,基于锆氧簇和有机配体构筑的锆基金属有机框架材料(ZrMOFs)因其具有更高的结构稳定性而备受关注.研究表明,将多金属氧酸盐(POM)负载在ZrMOFs载体上能够获得一类新型复合材料催化剂.这类材料具有可调控的酸性和氧化还原性,已在一些固体酸催化及选择氧化(包括烯烃环氧化)等反应中表现出优异的催化性能.多金属氧酸盐通常可以通过简单的浸渍法引入到ZrMOFs载体上,但这种方法制备的催化剂普遍存在活性组分分散不均匀且易于在液相催化反应过程中发生活性组分流失的问题.因此,当前的研究重点主要集中在如何通过简单有效的制备方法获得结构更加稳定、性能更加优异的复合材料催化剂.近期,国内外多个研究小组分别报道了采用溶剂热法能够一步合成出POM@ZrMOFs复合材料,这类材料的主要特点是POM团簇能够均匀的分散在ZrMOFs孔道中,从而使其在氧化脱硫及烯烃选择氧化等反应中表现出更高的稳定性.考虑到POMs及ZrMOFs种类和结构的多样性,可以预期这类复合材料的合成及催化性能研究仍有很大的发展空间.本文采用溶剂热法将磷钼酸(PMo12)及钴取代磷钼酸(PMo11Co)限域在一类ZrMOFs材料(UiO-66)的孔道中,得到了两种复合材料催化剂,分别记为PMo12@UiO-66和PMo11Co@UiO-66.通过以叔丁基过氧化氢(t-BuOOH)为氧化剂烯烃环氧化反应考察了其催化性能.相较于PMo12@UiO-66,含有钴取代磷钼酸的PMo11Co@UiO-66杂化材料表现出了更高的催化活性和稳定性.催化剂经简单的过滤和洗涤后即可循环使用多次,且催化性能基本保持不变.值得一提的是,PMo11Co@UiO-66对多种类型烯烃的环氧化反应均表现出较高的催化活性和环氧选择性.例如,在加入自由基抑制剂对二苯酚后,柠檬烯选择性氧化为柠檬烯-1,2-环氧化物的选择性可以达到91%,性能明显优于文献中报道的其它类型催化剂.此外,溶剂种类对PMo11Co@UiO-66的催化活性有着显著的影响,在极性相对较强的乙醇、乙腈等溶剂中,催化剂的活性较低;在极性较弱的甲苯、氯仿,四氯化碳等溶剂中,催化剂的活性则相对较高.溶剂极性的差异会影响反应物分子与催化剂活性中心的接触情况,继而对催化剂的活性产生较大影响.采用X射线衍射、氮吸附-脱附、X射线光电子能谱、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)等手段对催化反应前后的PMo11Co@UiO-66催化剂进行了表征.结果表明,在溶剂热法合成的杂化材料催化剂中,引入的POM团簇能够均匀的分散在UiO-66框架材料的孔道和笼中;催化剂反应前后的组成与结构没有发生明显的变化.结合相关文献报道的结果,可以认为杂原子Co的引入能够产生类似于Co–O–Mo的新的活性中心,从而使PMo11Co@UiO-66表现出更高的催化活性.催化剂的高稳定性应主要归因于UiO-66框架对PMo11Co团簇的空间限域作用.这种空间限域作用能够使PMo11Co团簇被封装在UiO-66的八面体笼中,且二者之间还存在着较强的金属-载体间相互作用.在后续的工作中,我们还将继续深入研究PMo11Co@UiO-66催化剂的活性中心性质及其对分子氧的活化能力,加深对催化作用机制等问题的理解,进一步扩大这类复合材料催化剂的应用范围.     

分级骨架和多层的Pt-Ni纳米晶体用于高效氧还原和甲醇氧化反应

燃料电池是电动汽车和电子设备最有前途的清洁能源之一.Pt催化剂在氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中的电催化性能对电池系统的能源效率和电池的价格起着至关重要的作用,因此设计高效的电催化剂以最大限度地提高铂的利用率,从而增强电催化效果、降低成本,已经成为燃料电池发展的一个重要方向.早期的研究表明,铂基催化剂可以有效地提高电催化性能,并且它们的组成和形貌被认为是影响催化剂活性的两个关键因素.至今,已合成出各种各样的Pt基催化剂,如Pt-Pb/Pt核壳纳米盘、Pt3Co凹面立方体、Pt-Cu-Rh纳米笼、Pt-Pd纳米枝晶等,其中纳米枝晶结构的催化剂表现出很好的氧还原性能,其高效的催化活性被认为是暴露出的较高的比表面积促进了电子转移以及拥有较多的Pt活性位点.本文采用简单的溶剂热法合成了具有大比表面积的Pt-Ni分层骨架结构(Pt-Ni HSNs)催化剂,为了验证反应物所起的作用,通过收集不同反应时间下的产物和控制单一变量,我们发现在合成配方中加入H2SO4是此类Pt-Ni纳米晶体成功生长的关键触发因素.在H2SO4的诱导下,Pt和Ni原子倾向于沉积在(111)面,促使Pt-Ni合金沿晶面方向生长为八面体结构,在此过程中发生了粒子自组装成长以及相分离过程,最后我们用酸蚀法制造了Pt-Ni HSNs,并通过TEM,XRD和XPS表征其微观结构及组成,证实了Pt-Ni HSNs已经形成合金结构.在酸性条件下,Pt-Ni HSNs在ORR反应中展示出比商业Pt/C更好的活性.在0.9 V时的质量活性为1.25 A mgpt–1,是商业Pt/C质量活性的8.9倍,并且在10000圈的耐久性测试中,Pt-Ni HSNs的质量活性仅仅损失了21.6％,远低于Pt/C损失的活性比例.Tafel曲线和旋转环盘测试结果表明,Pt-Ni HSNs在ORR反应中发生的是4电子过程,证实了它的高活性.另外,在酸性溶液中,Pt-Ni HSNs表现出了比商业Pt/C更好的MOR催化活性,且抗CO中毒能力更强.这可归因于两点:(1)Pt-Ni HSNs是由多个小颗粒组装而成,大大提高了与电解液的接触面积;(2)它独特的骨架结构减少了颗粒间团聚的可能性,有利于质子的转移.本文为设计先进的铂基电催化剂提供了一种新的自组装方法.     

分级骨架和多层的Pt-Ni纳米晶体用于高效氧还原和甲醇氧化反应

燃料电池是电动汽车和电子设备最有前途的清洁能源之一.Pt催化剂在氧还原反应(ORR)和甲醇氧化反应(MOR)中的电催化性能对电池系统的能源效率和电池的价格起着至关重要的作用,因此设计高效的电催化剂以最大限度地提高铂的利用率,从而增强电催化效果、降低成本,已经成为燃料电池发展的一个重要方向.早期的研究表明,铂基催化剂可以有效地提高电催化性能,并且它们的组成和形貌被认为是影响催化剂活性的两个关键因素.至今,已合成出各种各样的Pt基催化剂,如Pt-Pb/Pt核壳纳米盘、Pt3Co凹面立方体、Pt-Cu-Rh纳米笼、Pt-Pd纳米枝晶等,其中纳米枝晶结构的催化剂表现出很好的氧还原性能,其高效的催化活性被认为是暴露出的较高的比表面积促进了电子转移以及拥有较多的Pt活性位点.本文采用简单的溶剂热法合成了具有大比表面积的Pt-Ni分层骨架结构(Pt-Ni HSNs)催化剂,为了验证反应物所起的作用,通过收集不同反应时间下的产物和控制单一变量,我们发现在合成配方中加入H2SO4是此类Pt-Ni纳米晶体成功生长的关键触发因素.在H2SO4的诱导下,Pt和Ni原子倾向于沉积在(111)面,促使Pt-Ni合金沿晶面方向生长为八面体结构,在此过程中发生了粒子自组装成长以及相分离过程,最后我们用酸蚀法制造了Pt-Ni HSNs,并通过TEM,XRD和XPS表征其微观结构及组成,证实了Pt-Ni HSNs已经形成合金结构.在酸性条件下,Pt-Ni HSNs在ORR反应中展示出比商业Pt/C更好的活性.在0.9 V时的质量活性为1.25 A mgpt–1,是商业Pt/C质量活性的8.9倍,并且在10000圈的耐久性测试中,Pt-Ni HSNs的质量活性仅仅损失了21.6％,远低于Pt/C损失的活性比例.Tafel曲线和旋转环盘测试结果表明,Pt-Ni HSNs在ORR反应中发生的是4电子过程,证实了它的高活性.另外,在酸性溶液中,Pt-Ni HSNs表现出了比商业Pt/C更好的MOR催化活性,且抗CO中毒能力更强.这可归因于两点:(1)Pt-Ni HSNs是由多个小颗粒组装而成,大大提高了与电解液的接触面积;(2)它独特的骨架结构减少了颗粒间团聚的可能性,有利于质子的转移.本文为设计先进的铂基电催化剂提供了一种新的自组装方法.     

含钛低聚物合成高结晶度的MIL-125显著提高二甲苯异构体吸附分离选择性

二甲苯作为石油化工行业中的基础原料,其应用价值很大且需求量逐年增加,因此二甲苯分离提纯的研究具有重要理论意义和工业应用价值.同时,二甲苯异构体分离被认为是改变世界的七大分离难题之一.金属有机骨架材料MIL-125是一种典型的含钛金属有机骨架材料,被广泛应用于光催化氧化和吸附分离中.目前传统金属有机骨架材料MIL-125的合成方法需要严格的无水操作环境以及无水级的超纯试剂.由于合成过程中钛源极易水解,很难控制其水解速率.本研究组提出了一种新的MIL-125的合成方法,该法引入了耐水解的含钛无机-有机杂化低聚物,并且可以稳定合成得到高结晶度且形貌规整的MIL-125.由于MIL-125材料本身在二甲苯异构体分离领域展现出的较大优势及潜力,将新方法合成的MIL-125进行了二甲苯分离性能评价,并对其选择性显著增强的原因和不同溶剂体系下分离性能的影响进行了探讨.为了考察新方法合成的MIL-125在液相中二甲苯的分离性能.在25℃的条件下进行了二甲苯异构体的单组分液相吸附实验.单组分等温吸附曲线结果表明,pX(对二甲苯)吸附量最多,其次是oX(间二甲苯)和mX(邻二甲苯),表明MIL-125吸附剂对pX的吸附能力最强,而对mX和oX的吸附能力相对较低.同时双组分竞争吸附实验得到pX/mX的竞争选择性高达13.6,pX/oX的选择性为8左右,这种选择性优于大多数对位选择性的多孔吸附剂材料.为了在更接近工业应用的条件下评估吸附剂的动态分离性能,在造粒后的MIL-125装填的吸附柱中进行了双组分等摩尔pX/mX穿透实验,穿透曲线显示了对pX和mX的理想分离效果,并再次证实该吸附剂对pX/mX具有较高的分离选择性.穿透实验后,用溶剂洗脱吸附柱,由于洗脱过程中mX的快速解吸,pX的纯度高达99.5％.在液相吸附实验和穿透实验中溶剂的选择会影响吸附剂骨架结构对二甲苯异构体分子的分离效果.因此本文通过实验和理论计算结合探讨了不同溶剂种类对MIL-125分离性能的影响.正庚烷和均三甲苯与二甲苯分子的微量热结果表明,二甲苯分子与均三甲苯的相互作用更弱,说明二甲苯分子与骨架的结合作用更强.使用DFT理论计算了不同溶剂体系下二甲苯分子与吸附剂间的相互作用能.在两种类型的溶剂中,pX与MIL-125骨架的相互作用能均低于mX,表明MIL-125更优先吸附pX.值得注意的是,当使用均三甲苯作为溶剂时,骨架与pX/mX之间相互作用能的差异更加明显,从而导致更明显的分离效果.由于规则的晶体形貌和高结晶度,改进方法合成的MIL-125比目前的对位选择性吸附剂具有更高的pX/mX选择性.进一步的量热实验和理论计算证实了不同类型的溶剂对于二甲苯吸附分离的影响.此外,该方法解决了钛源的易水解问题,并通过引入耐水解的含钛低聚物简化了MIL-125的合成条件,这将有助于进一步将MIL-125应用于二甲苯异构体的分离,同时也拓宽了其他新型含钛材料的应用领域.     

钙钛矿材料制备中的溶剂配位效应

钙钛矿材料具有吸收系数大、载流子迁移率高、可溶液加工等特点,在太阳能电池、发光二极管、光电探测等领域具有潜在的应用价值。钙钛矿的光电性质与其维度、尺寸、形貌密切相关,因此研究材料的生长是实现高性能器件应用的基础。钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿的生长过程具有重要影响。本综述总结了钙钛矿前驱体与溶剂之间的配位作用对钙钛矿单晶、多晶薄膜、量子点三类体系制备的影响,讨论了在上述材料制备中的溶剂配位效应,特别是溶剂配位效应所形成的溶剂化物对材料生长过程,以及所制备的材料(形貌、晶相、缺陷、稳定性)的影响。最后,我们对这一研究方向存在的问题和挑战进行了分析和展望。     

利用L-半胱氨酸自组装膜和混合溶剂协同作用手性拆分DL-谷氨酸

基于L-半胱氨酸(L-Cys)自组装膜(SAMs)在乙醇-水混合溶剂体系中对外消旋谷氨酸展现出的手性识别能力,在含60%(体积分数)乙醇的乙醇-水混合溶剂中,利用L-Cys SAMs对不同手性谷氨酸的选择性结晶作用,通过多次重结晶,分离出纯D-谷氨酸晶体,从而实现了对DL-谷氨酸的手性拆分.     

自缩合乙烯基聚合体系中的环化效应

基于超支化高分子的生长代数模型,利用Monte Carlo模拟方法研究了不同溶剂条件下自缩合乙烯基聚合(SCVP)体系的环化效应.根据SCVP体系的反应机理给出含环反应的微分动力学方程,并通过环化反应的内在特征确定了分子间反应和内环化反应的速率常数.在此基础上,利用Monte Carlo模拟方法得到了高分子的数量分布函数、重均分子量、环数以及含环分子的链段分数等相关物理量,分析了环化效应对于体系平均物理量的影响.进一步根据模拟结果对单体浓度和溶剂效应等对内环化反应的影响予以分析.结果表明,环化效应取决于单体浓度和溶剂效应之间的协同作用,其中单体浓度在环化反应中起着主导作用.     

微波辅助溶剂热法制备Pt/石墨烯-TiO2及其催化性能

质子交换膜燃料电池具有比能量高、结构简单、工作温度低、高效清洁和安静无摩擦等优点,是一种非常具有发展前景的电源.燃料电池借用电催化剂把燃料与氧化剂中的化学能转化为电能,通常采用碳粉负载的Pt催化剂.在燃料电池的工作环境下,碳粉载体容易腐蚀和团聚,降低了催化剂活性和稳定性,进而降低了燃料电池的使用寿命.因此,探索高稳定性的催化剂载体有利于提高催化剂的稳定性,促进燃料电池的实用化进程.为增强催化剂载体的抗腐蚀能力,一些金属氧化物如SnO2,WO3,CeO2和TiO2等被用作催化剂载体.其中,TiO2因具有稳定的化学性能以及与金属之间的"强相互作用"而备受研究者关注.但TiO2载体比表面积小和导电能力弱等缺点限制了它在燃料电池中的应用.石墨烯具有卓越的导电性和比表面积,却容易发生团聚.利用TiO2与碳材料间存在的协同作用,将TiO2与石墨烯复合来制备复合载体,能够增强TiO2的导电能力,抑制石墨烯的团聚,提高催化剂载体的化学稳定性和比表面积.本文采用微波辅助溶剂热法制备了石墨烯-TiO2复合载体和Pt/石墨烯-TiO2催化剂,研究了TiO2含量对催化剂活性和稳定性的影响.采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对制备的样品进行了微观结构和成分表征.结果表明,Pt/石墨烯-TiO2催化剂中TiO2为立方状纳米颗粒,粒径约为60 nm,均匀地分布在石墨烯上;Pt纳米粒子倾向于锚定在TiO2与石墨烯之间,而且分布均匀.采用线性伏安扫描(LSV)和循环伏安法(CV)测试了不同TiO2含量的Pt/石墨烯-TiO2催化剂的活性和稳定性.发现TiO2的加入确实能够提高催化剂的稳定性,随着TiO2含量的提高,催化剂稳定性增加.当TiO2含量为20%时,催化剂的起始电压与极限电流均与Pt/C催化剂接近.经过循环伏安扫描3000圈的快速老化测试后,Pt/石墨烯-TiO2催化剂起始电压的负移明显低于Pt/C催化剂,呈现了优良的稳定性和催化活性.     

快速溶剂提取-高效液相色谱法测定PM2.5中16种多环芳烃

建立大气细颗粒物(PM2.5)中16种多环芳烃(PAHs)的快速溶剂提取-直接进样-高效液相色谱测定方法.PM2.5经玻璃纤维滤膜收集,采样后的滤膜直接用乙腈经快速溶剂萃取仪提取,以乙腈和水作为流动相,提取液通过ZORBAX Eclipse PAH液相色谱柱分离,紫外串联荧光检测器检测.16种PAHs分离效果良好,在0.025~5.000μg/mL范围内线性相关系数r≥0.9998,方法加标回收率为78.3%~113.2%,相对标准偏差为0.5%~9.5%,检出限为0.007~0.062 ng/m3.本方法操作简便、快速、准确、灵敏,适于PM2.5中16种PAHs的同时测定.