Recent developments in the adsorptive removal of heavy metal ions using metal-organic frameworks and graphene-based adsorbents

Clean and potable water is a growing concern around the globe. Among the different water pollutants, heavy metal ions pose a serious health concern to all living beings. The quest for new adsorbents to remove heavy metal ions received a boost with the development in the field of metal-organic framework (MOF). The advancement in synthetic strategies and designing of MOF enabled the researchers to tune the adsorption characteristics and tailor the material specific to a heavy metal ion. Similar to MOF, graphene-based two-dimensional and three-dimensional materials are also promising due to the diverse functionalization possibilities and cost-effectiveness. There had been growing interest in applying MOF and graphene-based materials for the removal of heavy metal ions in the past decade. This review summarizes these developments in detail.     

电子束敏感材料的原子尺度结构研究

分子筛和金属有机骨架(MOF)材料以其独特的孔道和骨架结构在催化、 储能、 干燥及净化和吸附分离等领域有着广泛应用, 对其结构的原子尺度表征对于深入理解其构效关系具有重要意义. 但其大孔道结构和有机骨架使得它们对电子束辐照极为敏感, 在常规透射电镜成像模式下结构会很快被破坏变为非晶, 从而无法获得孔道和骨架的原子排列信息. 最近发展起来的基于积分差分相位衬度扫描透射电子显微(iDPC-STEM)技术在电子敏感材料和轻元素组分成像方面展现出明显优势, 使得对多孔骨架材料及烃池物种的表征成为了可能. 本文综述了本课题组近期利用该技术对分子筛和MOF材料原子尺度结构方面的研究. 将iDPC-STEM技术应用到ZSM-5分子筛催化剂中, 实现了对该分子筛的原子级骨架结构的成像分析. 在MOF体系中, 利用该技术观察到MIL-101骨架内部有机连接体与金属节点的配位方式, 在此基础上解析了MIL-101结构中有机配体的连接和金属节点的苯环结构, 并观察了MOF的原子级表面、 界面和缺陷等局域结构特征. 最后对iDPC-STEM技术在原子尺度成像方面的应用潜力进行了总结与展望.     

二维金属有机框架材料的合成及电催化应用

二维金属有机框架材料(MOFs)由于具备高比表面积、 多孔性以及丰富的活性位点等优异特性而受到广泛关注, 并且在电催化领域展现出巨大的应用潜力. 研究者们已在二维MOFs的可控制备与电催化性能调控方面取得许多突破性进展, 显示出相关研究对开发高性能电催化剂的关键作用. 本文总结了二维MOFs的自上而下和自下而上合成策略以及二维MOFs衍生物的典型合成方法, 概述了二维MOFs在各尺度下的电催化性能调控策略, 并介绍了各种合成方法和调控策略在电催化中的应用. 最后讨论了该领域面临的挑战, 并对未来的发展方向进行了展望.     

超薄骨架有序介孔CdS/NiS的制备及光催化产氢性能

采用有序介孔氧化硅为硬模板, 通过纳米浇筑法制备了由螺旋骨架构建的有序介孔硫化镉(CdS)光 催化材料. 该光催化材料具有约5 nm厚的超薄骨架和大的比表面积(238 m²/g), 能有效缩短光催化反应中 光生电荷迁移到表面进行反应的距离并同时提供更多的反应活性位点, 从而增强光催化性能. 通过原位化学沉积法将不同量的助催化剂硫化镍(NiS)沉积到有序介孔CdS表面, 得到了一系列超薄骨架有序介孔CdS/NiS复合光催化材料. 可见光照射下的光催化产氢活性测试结果表明, 负载适量NiS的有序介孔CdS具有显著增强的光催化产氢活性(3.84 mmol?h^-1?g^-1), 约为负载相同量NiS的普通商业化CdS材料(0.22 mmol?h^-1?g^-1)的17.5倍.     

MIL-53(Al)衍生的Rh单原子催化剂在间氯硝基苯选择性加氢制间氯苯胺反应中的应用

卤代苯胺是化学工业中重要的中间体,主要用于制造药物、聚合物、染料等含氮化学品,用多相金属催化剂催化卤代硝基芳烃加氢制备卤代苯胺是一种高效,绿色和可持续发展的生产工艺.该过程需要选择性加氢硝基基团,同时避免卤素基团的脱卤副反应发生.然而,化学选择性加氢存在巨大的挑战,难点在于催化剂的精准设计,一方面要求具备对硝基基团合适的加氢能力,另一方面要阻止对卤素基团的脱卤副反应发生.基于此,研制高效多相金属催化剂用于卤代硝基芳烃选择性加氢制备卤代苯胺反应引起了高度关注.近年来,单原子金属催化剂受到越来越多的关注,并在卤代硝基芳烃选择性加氢制备卤代苯胺反应中显现出极大的潜力.本文通过在金属有机骨架材料MIL-53(Al)自组装的过程中将金属Rh原位嫁接其骨架结构中,继而通过限域热解的方法制备了Rh@Al2O3@C单原子催化剂,其在间氯硝基苯(m-CNB)加氢制间氯苯胺(m-CAN)反应中显现了高效催化选择性.球差校正高角度环形暗场模式的透射电镜,CO作为探针分子的红外光谱和X射线光电子能谱等结果发现,Rh是以单原子的形式均匀的分布在Al2O3上并被无定型碳包覆,且Rh化学价态呈正价.而27Al固体核磁共振与密度泛函理论计算的结果则进一步确定Al2O3@C载体中存在的五配位的Al物种(AlV)是锚定Rh单原子的主要位点,AlV的不饱和的配位结构可以有效地稳定Rh单原子,对形成Rh位点的单原子分散至关重要.在间氯硝基苯选择性加氢制间氯苯胺反应中,与等体积浸渍法制备的Rh/C和Rh/γ-Al2O3纳米催化剂相比,Rh@Al2O3@C单原子催化剂表现出优异催化性能:其在313 K,氢气压力为20 bar的温和条件下转换频率(TOF)高达2317 molm-CNB·molRh-1·h-1,优于已报道的多相金属催化剂,是目前的最高值.此外,该催化剂展现出极佳的稳定性能,经过五次循环后,该催化剂对m-CAN的选择性仍旧保持在98％左右.Rh@Al2O3@C单原子催化剂的优异催化性能源自于金属单原子结构的形成对于金属位点电子结构的有效调节,进而调控催化剂加氢性能并实现对加氢脱卤副反应的抑制;与此同时,Rh@Al2O3@C催化剂增进了酸位点的可及性,从而促进了其串联步骤中包含的脱水反应的发生,进而有效提高催化剂的反应活性.     

一锅法可控合成金属有机框架材料Mn-荧光素用于核磁共振/荧光成像

通过一锅法,首次将核磁共振成像试剂Mn²⁺和荧光成像试剂荧光素（FSD）自组装于一个简单的金属有机框架材料（Mn-FSD）上。实验结果表明,Mn-FSD的粒径可被控制在微纳米水平内并进行生物成像。体外和体内实验结果证实,Mn-FSD可在细胞和裸鼠中显示强绿色荧光。同时,Mn-FSD表现出较高的弛豫值（r₁=4.95 L·mmol^-1·s^-1）。     

AMT在青铜器文物表面形成缓蚀膜的计算分析

利用密度泛函(DFT)、概念DFT、Electron Localization Function(ELF)和Fukui函数中的亲电反应函数及Multiwfn软件,在B3LYP/6-311+G(d,p)基组水平上研究了5-氨基-2-巯基-1,3,4-噻二唑[AMT(a)]及其同分异构体[AMT(b)]和四面体型配合物i Thiol-Cu-2AMT的几何构型和反应特性.通过计算研究发现,首先AMT(b)与青铜器表面的Cu2+形成平面型配合物i Thiol-Cu后再与AMT(b)相互作用,并最终形成不规则的四面体型i Thiol-Cu-2AMT.在i Thiol-Cu-2AMT中Cu19能与AMT(b)中的亲核性原子有效地结合,形成四面体结构后将Cu19离子保护起来,达到了保护青铜器不受腐蚀的目的;对i Thiol-Cu-2AMT结构中的活性位置分析及ELF拓扑研究后发现,在i Thiol-Cu-2AMT中N6、N15、S26和S35原子又可以与其它的Cu2+相互作用,逐步形成配位型聚合物保护膜[i Thiol-Cu-2AMT]n.     

半实物仿真中试验总控软件的设计与实现

试验总控软件是应用于半实物仿真中对参试系统进行管理和控制的一种软件,它可以对半实物仿真中的参试系统进行配置,实现对整个试验仿真的管理和监控。解析各参试系统的数据交互协议是试验总控软件对参试系统进行监控和管理的关键功能。通常试验总控软件解析功能代码完全按照各参试系统数据交互协议开发,这样一旦数据交互协议发生更改,解析功能代码需要根据新协议重新开发导致软件重复开发,影响软件开发效率和通用性。为了解决这个问题,文中提出一种试验总控软件设计框架并采用动态解析数据帧技术将解析代码与数据交互协议隔离,不仅提高软件通用性,同时缩短半实物仿真开发周期,减少人力财力开支。     

Progress in Developments of Inorganic Nanocatalysts for Application in Direct Methanol Fuel Cells

Significant progress has been made in the last few years toward synthesizing highly dispersible inorganic catalysts for application in the electrodes of direct methanol fuel cells. In addition, research toward achieving an efficient catalyst supporting matrix has also attracted much attention in recent years. Carbon black- (Vulcan XC-72) supported Platinum and Platinum-Ruthenium catalysts have for long served as the conventional choice as the cathode and the anode catalyst materials, respectively. Oxygen reduction reaction at the cathode and methanol oxidation reaction at the anode occur simultaneously during the operation of a direct methanol fuel cell. However, inefficiencies in these reactions result in a generation of mixed potential. This, in turn, gives rise to reduced cell voltage, increased oxygen stoichiometric ratio, and generation of additional water that is responsible for water flooding in the cathode chamber. In addition, the lack of long-term stability of Pt-Ru anode catalyst, coupled with the tendency of Ru to cross through the polymer electrolyte membrane and eventually get deposited on the cathode, is also a serious drawback. Another source of potential concern is the fact that the natural resource of Pt and the rare earth metal Ru is very limited, and has been predicted to become exhausted very soon. To overcome these problems, new catalyst systems with high methanol tolerance and higher catalytic activity than Pt need to be developed. In addition, the catalyst-supporting matrix is also witnessing a change from traditionally used carbon powder to transition metal carbides and other high-performance materials. This article surveys the recent literature based on the advancements made in the field of highly dispersible inorganic catalysts for application in direct methanol fuel cells, as well as the progress made in the area of catalyst-supporting matrices.     

无机硅酸盐涂料的研制及应用

以硅酸盐溶液为主要原料,利用少量自制的含偶联功能基团的有机硅聚合物乳液与硅酸盐进行杂化反应,同时与填料等有效的结合制备了无机硅酸盐涂料,并对涂料的性能进行研究。结果表明：制备的无机硅酸盐涂层具有优异的贮存稳定性、柔韧性、防水性、耐污性、阻燃性以及耐霉菌性等,满足建筑内外墙涂料的相关标准要求。