Co3O4纳米晶催化氧化甲烷的理论研究：C-H键活化的晶面效应及活性中心

甲烷是一种在自然界中大量存在的原材料,在取代原油和合成重要化工产品等许多领域具有潜在的应用价值. 然而,由于CH₄中C-H键的键能特别大（约~4.5 eV）,如何实现甲烷的绿色有效转化在化学化工领域仍然是一个挑战. 本文采用密度泛函理论对Co₃O₄（001）和（011）晶面活化甲烷C-H键的机理进行了理论研究,得到了如下结论：（1） CH₄的C-H键在Co₃O₄晶面的解离具有很高的活性,只需要克服大约1 eV的能垒;（2）与Co^2＋相连的Co-O离子对是CH₄活化的活性位点,其中两个带正负电荷的离子对C-H解离起着协同作用,帮助产生Co-CH₃和O-H物种;（3）（011）面的反应活性明显大于（001）面,与实验的观察一致. 本文的计算结果表明,Co₃O₄纳米晶面对CH₄中C-H键的活化表现出明显的晶面效应和结构敏感效应,Co-O离子对活性中心对于活化惰性的C-H键发挥了关键作用.     

Effect of Nanoclay on the Phase Separation Behavior of Poly（methyl methacrylate）/Poly（vinyl acetate） Binary Polymer Blends

The effect of nanoclay on the phase-separation behavior of poly（methyl methacrylate）/poly（vinyl acetate）（PMMA/PVAc） blends has been mainly investigated by small-angle laser light scattering. It is found that the effect of clay on the thermodynamics and kinetics of phase-separation for PMMA/PVAc blends seems inconsistent. The kinetics phaseseparation rate decreases, while the thermodynamics parameters, cloud points Tc and delay time tD of isothermal phaseseparation also decrease, and the variation amplitude depends on the matrix composition. The affinity of clay to PMMA results in the composition difference between the border layer and the polymer matrix and further causes the concentration fluctuation at the early stage of phase separation to reduce Tc and tD. On the other hand, the decrease of phase-separation rate is caused by the mechanical barrier effect of clay on the macromolecular diffusion of blend matrix. Hence, such seemingly counterintuitive results on the thermodynamics and kinetics of phase-separation are attributed to different dominant factors.     

Microstructure characterization of short-chain branching polyethylene with differential scanning calorimetry and successive selfnucleation/annealing thermal fractionation

A series of the copolymers of ethylene with 1-hexene(M1–M9) synthesized by metallocene catalyst Et[Ind]2ZrCl2/MAO was studied by differential scanning calorimetry and successive self-nucleation and annealing(SSA) thermal fractionation. The distribution of methylene sequence length(MSL) in the different copolymers was determined using the SSA method. The comonomer contents of samples M4 and M5 are 2.04 mol% and 2.78 mol%, respectively. Both M4 and M5 have low comonomer content and their MSL distribution profiles exhibit a monotonous increase trend with their MSL. The longest MSL of M5 is 167, and its corresponding molar percent is 43.95%, which is higher than that of M4. Moreover, the melting temperature(Tm) of M5 is also higher than that of M4. The comonomer contents of samples M7, M8, and M9 are 8.73 mol%, 14.18 mol% and 15.05 mol%, respectively. M7, M8, and M9 have high comonomer contents, and their MSL distribution profiles display unimodality. M7 has a lower peak value of 33 and a narrow MSL distribution, resulting in a Tm lower than that of M8 and M9. The MSL and its distribution are also key points that influence the melting behavior of copolymers. Sometimes, MSL and its distribution of copolymers have a greater impact on it than the total comonomer contents, which is different from traditional views.     

基于FeWOx/SiO2载氧体的甲烷化学链部分氧化反应

甲烷具有价格低廉且储量丰富的优点,因此将甲烷转化为合成气(一种H2:CO为2的混合物),从而进一步合成有价值的化学品和液体燃料引起了人们的极大关注.化学链甲烷部分氧化(CLPOM)技术能避免甲烷与空气直接接触而引起爆炸的危险,可以降低后续对合成气与氮气分离操作所带来的费用,因此日益受到关注.CLOPM过程主要分为两步:第一步,CH4被载氧体所携带的氧部分氧化,载氧体被还原;第二步,利用氧化剂(例如空气)将被还原的载氧体再氧化恢复.因此,载氧体在CLOPM过程中起到至关重要的作用.载氧体的选择主要存在两个问题:(1)甲烷被活化所产生含碳产物的能力与晶格氧的给氧能力不匹配所带来的严重碳沉积;(2)金属离子间扩散速率不匹配而造成载氧体在氧化还原过程中结构的不可逆变化.基于上述两个问题,本文设计了FeWOx/SiO2载氧体用于CLPOM.与未改性的WO3/SiO2载氧体相比,甲烷的转化率和合成气的收率都有显著提高.FeWOx/SiO2在900℃、1 atm反应条件下表现出62%的甲烷转化率、93%的CO气相选择性、94%的H2选择性和2.4的H2/CO比值,同时在50个循环中表现出优异的催化活性和稳定性.本工作利用CH4脉冲反应研究了FeWOx/SiO2的甲烷表面反应过程;采用CH4-TPR和H2-TPR相结合探究了甲烷活化速率与晶格氧扩散速率之间的关系;通过XPS和XRD对FeWOx/SiO2在氧化还原过程中的结构稳定性进行了探讨.综合上述实验结果,对FeWOx/SiO2应用于CLPOM的反应机理进行了阐述.H2-TPR结果表明,在FeWOx/SiO2中,相较于Fe2O3/SiO2,Fe-O的活性受到抑制,使其更倾向于与甲烷发生部分氧化反应;相较于WO3/SiO2,W-O的活性得到明显提升,因此更多的晶格氧可以参与到部分氧化反应中来氧化积碳,从而使合成气收率大幅度提升.从CH4-TPR结果可以看出,对于FeWOx/SiO2,CO与H2的生成温度最接近,意味着晶格氧的传输速率较快并且能够与甲烷活化产生含碳中间物种的速率相匹配,将其及时氧化生成CO,避免由于积碳造成的催化剂失活.结合XPS和XRD结果可以得出,在甲烷还原过程中,FeWOx经历一步还原形成Fe-W合金,由于其间存在强相互作用,因而抑制了还原过程中催化剂相分离现象的发生.同时,根据铁钨离子在空气条件下扩散速率的公式计算可以得出,其相近的离子氧化速率也保证了在氧化过程中催化剂结构的稳定性.本工作为进一步构建用于甲烷化学链部分氧化制合成气的复合金属氧化物载氧体提供了研究思路.     

生物凝聚态物质的多层次结构表征

在生物体内到处都是由蛋白质、核酸和多糖等生物大分子构成的各种不同生物凝聚态物质,这些生物凝聚态物质形成不同的高级结构,执行不同的生物功能。获取这些生物凝聚态物质的高分辨结构是理解生命过程的重要途径。在离体环境中,获取高分辨结构的手段主要有X-射线晶体衍射、冷冻电镜和核磁共振等,而在活细胞内原位研究生物凝聚体的结构,核磁共振和化学交联质谱具有独特优势。本文总结了利用多种分析手段对生物凝聚态物质进行多层次结构表征的研究进展:包括简单纯化体系下的蛋白质分子机器,蛋白质纤维等;液-液相分离,大分子拥挤、限域等模拟细胞复杂环境下的生物大分子以及活细胞内生物大分子。     

燃料电池用聚合物质子交换膜的研究进展

质子交换膜（PEM）是质子交换膜燃料电池的核心组件之一,具有隔绝阴阳极、提供质子传递通道和阻止燃料渗透的作用. 商业化应用的全氟磺酸PEM存在燃料渗透严重、高温条件下导电性差和成本高的问题,开发性能优良的聚合物PEM显得很有必要. 本文讨论了近年来聚合物PEM的研究进展,分别从聚合物的主链、支链和交联结构角度介绍了分子结构对薄膜相分离、质子导电性、稳定性和电池性能等性能的影响,并讨论了聚合物分子结构设计方面存在的问题,最后对燃料电池用聚合物PEM在未来的发展方向进行了展望.     

激光打孔对氮化铝绝缘性能的影响

氮化铝陶瓷具有优良的绝缘和导热性能,是传导冷却超导电力装置绝缘与导热连接件的首选,激光切割是对其进行加工的最有效方法,但激光切割可能对其绝缘性能产生影响,进而影响超导电力装置的安全运行。基于此,通过对激光打孔前后氮化铝基片孔周区域绝缘电阻的测量、金相结构和扫描电镜成分的比较,分析了激光打孔对氮化铝绝缘性能的影响,并总结了选用氮化铝基片作为超导电力装置电流引线的绝缘与导热垫片应注意的问题。     

Cr掺杂对Nd0.7Sr0.3MnO3电磁性质的影响

我们对多晶样品Nd0.7Sr0.3Mn1-xCrxO3(x≤0.30)进行了X射线衍射谱、电阻温度关系和磁化强度测量.实验发现:随Cr掺杂量的增加,样品的电阻率变大,电阻峰温度和居里温度降低,这是由Cr的介入弱化了双交换作用所致;在x=0.10附近,电阻出现了双峰现象,在其M~T上没有发现与低温峰对应的磁性异常;在锰位磁矩与Cr含量的关系中发现,Cr掺杂对样品的磁性几乎无贡献;通过分析,我们用相分离的图象解释了有关的现象.     

石墨和纳米碳中缺陷和电子密度随温度的变化

测量了石墨和纳米碳在不同温度下的正电子寿命谱,研究了石墨和纳米碳中缺陷和电子密度随温度的变化.结果表明,纳米碳中缺陷的开空间和缺陷浓度分别大于和高于石墨晶体;纳米碳的平均自由电子密度低于石墨晶体.当温度从25K升至295K时,石墨和纳米碳中的平均自由电子密度随温度的升高而下降:石墨晶体中的自由电子密度随温度的升高变化较小;纳米碳的自由电子密度随温度的升高变化较大.随着温度的升高,石墨和纳米碳中的热空位数量增多,而且这些空位可迁移至微孔洞的内表面使微孔洞的开空间增大.     

有特色的选修课教材——《色彩与微观世界》

颜色是物质的基本属性之一,是物质微观结构的宏观表现。围绕颜色这一广泛而生动的话题,化学工业出版社于2004年9月出版的《色彩与微观世界》一书较系统地论述了颜色与物质微观结构理论之间的关系。本书是编著者金增瑗在首都师范大学开设色彩与物质结构选修课9年后精心完成的。全书共9章:第1章,颜色的基本理论。第2章,物质的结构状态与光学颜色。以露珠彩虹、蓝天白云以及多种宝石的彩晕为例,剖析了色散、散射、干涉、衍射等物理效应产生的颜色与物质的微观结构的特有关系。第3章,原子的结构状态与简单激发产生的颜色。介绍了黑体辐射与彩色…