活性炭材料吸附CO_2的研究进展

CO_2排放引起了诸多环境问题,从混合气体中分离、利用CO_2,是近期的研究热点.目前的CO_2捕集和分离技术,大都由于费用高、能耗大等问题难以得到推广.利用多孔材料吸附分离CO_2的方法,因其高效、低能耗、低成本、易再生、易回收等特点得到广泛关注.在实际应用中多孔材料不仅要具备较高的CO_2吸附量、选择性,还要有较好的疏水性能.因此,活性炭被认为是最适合的材料之一.其具有优异的疏水性能,在常压和高压下均呈现出很高的CO_2吸附量,并且容易再生.综述了活性炭材料作为CO_2吸附剂的最新进展,重点介绍活性炭微结构与CO_2吸附性能之间的关系、活性炭表面官能团与CO_2之间的相互作用,最后探讨了目前的研究中存在的问题,并对今后的CO_2吸附分离研究工作进行了展望.     

高分散Ru/FeOx催化剂在二氧化碳选择加氢反应中的应用及其催化活性的调控

由于化石能源的大量开采和利用造成CO2过度排放,从而导致严重的温室效应和气候环境问题,给人类生存带来极大威胁.CO2选择加氢反应可以将CO2催化加氢生成高附加值的CO产物.与其他的CO2转化反应策略相比,该过程中H2的消耗更少,成为可有效处理及转化CO2的手段之一.同时,应尽可能抑制CO2深度加氢以及甲烷的产生,研制及设计具有高CO选择性的新型高效催化剂及其构效关系的分析仍十分重要.据报道,负载型贵金属基催化剂的使用有利于H2分子的活化,具有优异的催化活性,因而广泛应用于多种催化反应中.然而,贵金属催化剂实现工业应用的最大挑战是资源的限制及其高额的成本.近年来,由贵金属制备的负载型亚纳米团簇受到广泛关注,主要包括如Au,Pt,Pd,Ru等贵金属,可有效应用于多相催化反应.人们还致力于提高负载型亚纳米团簇的分散度,促进催化剂活性位点的有效暴露,有利于大幅度提高催化剂的有效利用率.本文采用共沉淀法成功制备了超高分散的负载型Ru基催化剂,通过CO2选择加氢-程序升温表面反应(TPSR)和质谱联用技术测试了催化剂性能,发现CO2加氢反应生成CO选择性达100%.采用XRD,BET和TEM等方法对催化剂结构进行表征,并结合H2-TPR,H2-TPD和XPS等表征结果深入探讨了催化剂构效关系,并提出了针对该催化剂体系较为合理的反应模型.在CO2选择加氢反应的催化性能测试中,2.50%Ru/FeOx催化剂对目标产物CO选择性仅为41%; 随着Ru负载量降低至0.25%和0.1%时,CO选择性明显提高至80%; 当进一步降低Ru含量至0.01%时,CO选择性接近100%,且表现出优异的反应速率.在360 oC时,0.01%Ru/FeOx催化剂的相对反应速率为7.71 molCO2molRu-1 min-1,是2.50%Ru/FeOx催化剂相对反应速率的154倍.H2-TPR结果表明,贵金属Ru可以明显促进载体FeOx的还原,并产生丰富的氧空位,进而促进CO2的吸附、活化.而且CO2选择加氢TPSR结果显示,目标产物CO的起始生成温度总是滞后于原料H2的初始活化温度,与H2-TPR结果及文献报道的CO2选择加氢反应机理一致.通过H2-TPD深入理解H2在催化剂表面的活化和氢溢流现象,以及Hads与不同催化剂之间的相互作用力,0.01%Ru/FeOx催化剂相对较高的H2脱附峰温度表明,该样品中Ru与Hads具有极强的相互作用力,相对抑制了Hads与COads深入加氢生成CH4,从而提高了CO选择性,而2.50%Ru/FeOx催化剂的情况则与此相反.本文提出了从Hads吸附作用力强弱来考虑CO2选择加氢反应选择性的新思路,同时为设计CO2选择加氢制高附加值CO的高催化反应速率、高CO选择性的高分散Ru基催化剂提供了一种经济简易的催化剂设计思路.     

金纳米粒子的尺寸以及金-二氧化钛相互作用对表面等离激元光催化产氧的影响（英文）

表面等离激元共振效应具有独特的光-物质相互作用的性质,因而近年来被广泛的应用到太阳能转化科学领域.通过调变金属的性质(例如组分、尺寸、形貌等)可以方便地在整个太阳能光谱范围内调节其等离子共振吸收性质,从而有效地增加光催化剂的捕光效率.尽管如此,等离激元光催化目前的能量转化效率仍处于很低的水平,主要是由于光催化剂中的电荷分离以及利用效率很低.理论上可以通过控制优化金属纳米粒子的尺寸以及金属-半导体的相互作用来促进电荷分离及利用效率,从而提高光催化剂的活性.然而,关于金属纳米粒子的尺寸以及金属-半导体的相互作用在表面等离激元光催化剂中的具体作用还亟待详细研究.本文以金/二氧化钛作为典型的表面等离激元光催化剂,通过简便的焙烧后处理可同时实现金粒子尺寸和金-氧化钛界面相互作用的调控.我们发现,催化剂的可见光产氧活性随着焙烧温度呈现火山型关系,其中600 ℃处理的样品表现出最高的活性,在560 nm出的表观量子效率为0.3%,接近甚至超过文献报道的同类结果.随后通过X射线衍射、扫描电镜、光电子能谱、紫外可见光谱等表征手段系统地研究了煅烧温度对于金粒子尺寸和金-氧化钛相互作用的影响.从结果表明,通过不同温度焙烧并未改变二氧化钛自身的性质,且随着温度的升高,金尺寸在600℃之前变化较小,随后突然快速长大.在排除了不同样品的吸光性能的差异后发现,产氧活性随着Au尺寸长大而减少.从光电子能谱的结果发现,金-二氧化钛的界面相互作用随焙烧温度升高而逐步增强.进一步地,通过界面周长的归一化活性得出界面相互作用与产氧活性呈现近似线性关系.最后,通过对光沉积Au样品进行不同温度的煅烧发现大尺寸Au的粒径不随煅烧温度变化,而此时的产氧活性却随焙烧温度增加而增加,这进一步验证了界面相互作用对光催化水氧化的促进作用.综合以上结果可知,最终的等离激元诱导的可见光产氧活性是由尺寸与界面相互作用共同影响的结果,尺寸和界面相互作用的变化会共同影响热电子转移效率和表面反应效率,从而改变整体的光催化产氧效率.     

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.     

含荧光基团连接链的新型季铵盐型双子表面活性剂的合成及其性能

通过Suzuki偶联反应和傅克酰基化反应制得了一系列新型的以共轭荧光分子噻吩-苯-噻吩为连接链的双子表面活性剂,利用季铵化反应在共轭链的两侧修饰亲水单元,合成了新型的具有不同疏水链长的季铵盐型双子表面活性剂（m-TBT-m）,其结构和性能经UV-Vis, FL和¹H NMR表征。结果表明：8-TBT-8、 10-TBT-10、 12-TBT-12、 14-TBT-14及16-TBT-16的临界胶束浓度（CMC）分别为1×10^-6 mol·L^-1、 4×10^-6 mol·L^-1、 1×10^-5 mol·L^-1、 2×10^-5mol·L^-1和4×10^-5 mol·L^-1。     

含酮基团对煤焦异相还原NO的影响

基于量子化学密度泛函理论和过渡态理论研究了含酮基团对煤焦异相还原NO的影响及其产物发生氧脱附的微观反应机理。计算结果表明,NO更易于吸附在含酮基团煤焦表面。椅形含酮基团强化了煤焦异相还原NO;锯齿形含酮煤焦表面与NO异相反应决速步能垒值（495.45 kJ/mol）大于锯齿形纯碳基煤焦表面与NO决速步能垒值（331.32 kJ/mol）,基于锯齿形含酮煤焦模型中的氧浓度不在利于NO还原的范围内而不易于NO的还原。中间产物P1在无CO存在情况下,较纯碳基煤焦表面更易于发生氧脱附而产生表面缺陷;在CO存在条件下,含酮煤焦表面为氧脱附过程提供自由活性位点,降低了过程能垒消耗。     

基于核酸和蛋白的生物大分子热致液晶研究进展

生物固体大分子诸如核酸、蛋白和病毒颗粒,因其尺寸超出了分子间作用力的范围,升温之后会导致它们降解而无法形成生物大分子的液体形态。 因此,发展新型的合成和制备策略,实现无溶剂包覆的生物大分子的流体态及其应用,是一个崭新的研究领域。 结合我们前期工作,简要介绍了核酸、蛋白流体(液晶态和液体态)材料的制备及性质。 借助静电力自组装,上述生物大分子能够与带有相反电荷的表面活性剂结合,形成热致液晶材料,其热致液晶性质使得生物分子具有长程有序性和流动性,在此基础上,可以探索生物大分子在无水环境下的技术应用。     

没食子酸磁性表面分子印迹聚合物的制备与选择性识别性能

羟基苯甲酸类化合物用途广泛,极性较强,在复杂水溶液体系中这些类似物的分离纯化与分析非常困难。 本文以磁性Fe₃O₄纳米颗粒为载体,没食子酸(GA)为模板分子,制备了磁性表面分子印迹聚合物(MIP)。 利用透射电子显微镜、红外光谱、磁强测定等检测手段对MIP进行了结构表征。 并对其吸附性能进行研究,比较了该MIP对GA及其它3种结构类似物的吸附性能差异。 结果表明,制备的以GA为模板的磁性分子印迹聚合物为核壳球形结构,键合牢固,对GA的吸附动力学符合准二级动力学方程模型,吸附过程属于Langmuir单分子层吸附。 该聚合物对GA表现出优异的选择性识别能力,其吸附量(318 K时37.736 mg/g)远远高于结构类似物。 该磁性分子印迹聚合物对模板分子不仅具有特异识别能力,而且能够磁控分离,分离效率高,可用于固相萃取。     

O2和CO在Ni(111)表面的吸附活化

采用高分辨电子能量损失谱(HREELS)、俄歇电子能谱(AES)和低能电子衍射(LEED)研究镍单晶表面氧物种及CO与O₂的共吸附。实验结果表明,Ni(111)表面氧化后存在两种氧物种,位于54 meV能量损失峰的表面化学吸附氧物种和位于69 meV能量损失峰的表面氧化镍。首先,随着暴露氧量的增加,表面化学吸附氧物种的能量损失峰蓝移至58 meV;其次,通过真空退火及与CO相互作用考察,发现表面化学吸附氧物种较不稳定。在室温条件下,表面预吸附形成的表面化学吸附氧物种与CO共吸附,导致端位吸附CO增多,表明氧优先吸附在穴位上,随着CO暴露量的增加化学吸附氧物种与CO反应脱去;而表面氧化镍需在较高温度和较高CO分压下才能被CO还原。预吸附CO可被氧逐渐移去。     

表面修饰的钛酸钡纳米粉体的制备

采用水热法制备出表面包裹有硬脂酸的钛酸钡纳米粉体,并运用一系列手段对其微结构进行了表征.结果表明:产物粒径较小,粒度分布较窄,单分散性较好,其表面为非极性,同时表现出良好的流动性能.认为钛酸钡纳米粉体表面极性的改变是由于其表面包裹了一层硬脂酸,并且包裹层降低了粉体间的相互作用力,从而提高了粉体的流动性.