冷冻电镜技术——2017年诺贝尔化学奖介绍

介绍了2017年诺贝尔化学奖的3位获得者在冷冻电镜领域的主要贡献,同时介绍了冷冻电镜技术的用途、一般工作流程和其局限性,以及中国学者在冷冻电镜技术应用研究中的贡献。     

三维有序大孔二氧化钛表面超细钯纳米颗粒的构筑及其增强柴油炭烟催化燃烧性能（英文）

柴油机排放颗粒物(主要成分是炭烟)是城市大气PM2.5中一次颗粒物的主要来源和二次颗粒物形成的重要组分,严重危害大气环境和人类健康.利用颗粒物捕集器与催化剂相结合的连续过滤再生技术是满足柴油车国VI炭烟颗粒物排放标准的最有效技术,目前该技术所面临的挑战是研发在排气温度的柴油炭烟颗粒物催化氧化催化剂.柴油炭烟催化燃烧反应的本质是典型的气(氧气)-固(炭烟颗粒)-固(催化剂)三相深度氧化反应,因此我们研究组提出了高活性柴油炭烟燃烧催化剂设计应该遵循优化固-固接触与强化活化分子氧能力二者相结合的研究思路.为满足此设计思路的要求,本课题组前期采用孔径大于200 nm的三维有序大孔(3DOM)结构氧化物作为载体,利用大孔效应来实现PM在催化剂内部的有效扩散,从而提高催化剂与PM的接触效率.采用具有强活化分子氧能力的负载型贵金属(Au,Pt)纳米颗粒或贵金属-氧化物复合纳米颗粒作为活性位来提高催化剂对分子氧的活化能力,进而设计了多个系列高活性催化剂,并形成了担载贵金属纳米颗粒的可控制备方法与装置.然而,Au和Pt昂贵的价格限制了其广泛应用.价格相对便宜的Pd具有与Pt相似的催化性能,是其良好替代品.但是,目前关于3DOM氧化物表面负载型Pd纳米颗粒结构和尺寸与柴油炭烟催化燃烧性能之间的相关研究仍然较少.基于此,本文采用气泡辅助膜还原法制备了3DOM二氧化钛(TiO_2)担载超细Pd纳米颗粒催化剂.利用XRD,Raman,BET,SEM,TEM,ICP,XPS和H2-TPR等技术手段对催化剂进行表征,并以模拟柴油炭烟为研究对象,利用程序升温氧化反应(TPO)对催化剂的活性进行评价,深入探讨了催化剂的制备、结构及物化性质与炭烟催化燃烧反应性能之间的关系.XRD和Raman结果表明,TiO_2载体由锐钛矿(主)和金红石(次)两种物相组成.SEM照片显示,所制催化剂为规整的有序大孔结构,球形孔互相贯通,孔径均一,大孔腔平均尺寸为280 nm,孔窗尺寸为109 nm,这种三维有序大孔TiO_2的结构能够增强炭烟颗粒与催化剂之间的接触效率.TEM表征显示,平均粒径为1.1 nm的超细半球型Pd纳米颗粒高度分散于TiO_2载体的内壁上,两者间的优化界面面积有利于增加活化O2的活性位密度,这些活性位源于Pd与TiO_2间强相互作用.H2-TPR和XPS表征印证了上述观点,具有1.1 nm超细Pd颗粒的Pd/3DOM-TiO_2催化剂表现出强的低温氧化还原特性和丰富的表面吸附氧物种.在TPO测试中,相对于担载5.0 nm Pd颗粒的催化剂,具有1.1 nm尺寸超细Pd颗粒的Pd/3DOM-TiO_2催化剂展示了高的催化炭烟燃烧活性,T10,T50和T90分别为295,370和415 oC,且在5次TPO测试过程中表现出良好的催化和结构稳定性.这种具有3DOM结构和超细Pd纳米颗粒的纳米催化剂能够有效降低Pd的使用量,在催化炭烟燃烧的实际应用中大有潜力.     

聚多巴胺功能化硅胶沉积单分散Pd纳米粒子的简易原位合成及用作醇需氧氧化反应的多相可循环使用的纳米催化剂（英文）

本文报道了一种不使用任何稳定剂或还原剂,原位合成硅胶/聚多巴胺复合物(SiO_2/PDA)负载的Pd纳米颗粒(Pd NPs)的简易方法.该方法先将PDA涂覆的SiO_2颗粒浸在Pd镀液中,然后利用PDA中含N基团的还原能力将Pd物种原位还原为纳米簇合物.并采用高分辨透射电镜、前场扫描电镜、能量散射谱、X射线衍射、X射线光电子能谱、诱导耦合等离子体和红外光谱等手段对所得纳米复合物的结构、形貌和物化性质进行了表征.被PDA基团锚合的Pd NPs具有显著的小颗粒(30–40 nm)特性.作为一个可循环使用的纳米催化剂,SiO_2/PDA/Pd NPs在醇的需氧氧化反应中表现出高活性.另外,催化剂经回收和多次重复使用时未出现明显的失活.     

Gd0.2Ce0.8O1.9纳米颗粒对固体氧化物电解池La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ阳极 析氧反应的影响

化石燃料的使用排放了大量CO2,对气候和环境造成了日益严重的危害.固体氧化物电解池(SOEC)能够利用可再生能源产生的电能将CO2高效转化成CO,降低CO2排放的同时,又能减少化石燃料的使用,近年来受到研究者的广泛关注.相比于低温液相CO2电还原,SOEC高的运行温度保证了其较高的反应速率,即较高的电流密度.典型的SOEC单电池由多孔阴极、致密电解质和多孔阳极以三明治的方式组装而成.CO2分子在阴极得到两个电子解离成CO和一个O2–;生成的O2–通过致密电解质传导至阳极,在阳极失去四个电子发生析氧反应(OER)生成一个O2.相比于两电子的阴极反应,阳极四电子的析氧反应更难进行,可能是整个电极过程的速控步,因此开发高性能的阳极材料有望显著提高SOEC的CO2电还原性能.La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)因具有较高的混合离子-电子导电性而被用作SOEC阳极材料,但受LSCF-气体两相界面的限制,其OER性能较低.研究表明,LSCF-掺杂的CeO2-气体所构成的三相界面相比于LSCF-气体两相界面具有更高的电化学反应活性,即OER反应更易在三相界面进行.因此,本文将Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC)纳米颗粒浸渍到SOEC LSCF阳极来提高其OER活性,考察了纳米颗粒浸渍量(3,5,10和20 wt%)对SOEC电化学性能的影响.结果表明,SOEC的电化学性能随浸渍量的增加而逐渐升高,当GDC纳米颗粒浸渍量为10 wt%时(10GDC/LSCF),SOEC的电化学性能达到最高,在800 oC和1.6 V的电流密度为0.555 A cm–2,是LSCF阳极SOEC性能的1.32倍.继续增加浸渍量到20 wt%,电化学性能反而开始下降.电化学阻抗谱测试结果表明,GDC纳米颗粒的加入减小了SOEC的极化电阻.对应的弛豫时间分布函数解析结果表明10GDC/LSCF阳极上的OER由四个基元反应构成.电镜和O2-程序升温脱附结果表明,GDC纳米颗粒的加入显著增加了10GDC/LSCF阳极三相界面和表面氧空位的数量以及体相氧的流动性,从而促进了OER四个基元反应的反应速率,降低了这几个过程的极化电阻,因而降低了OER反应的极化电阻,提高了SOEC电还原CO2的电化学性能.     

基于零价铁的地下水化学还原修复体系中的电子转移有效性和电子竞争机制

近年来,基于零价铁的化学还原技术因其高效性逐渐被应用于受污染地下水的原位修复。但是,该技术在实际应用中仍面临一些亟待解决的问题。零价铁作为一种高活性的电子供体,除了和目标污染物反应外,还可以与地下水中其他的氧化性物质（如O₂、H⁺或NO₃^-等）反应。这些反应所造成的零价铁腐蚀,不仅会降低修复效率还会增加地下水修复成本。此外,同类或多类污染物间也存在对零价铁所释放电子的相互竞争,从而影响各自的去除效率。本文综述了基于零价铁的地下水修复体系中的电子传递过程和氧化物间的电子竞争机制,从零价铁的腐蚀和电子传递、零价铁电子选择性量化指标的提出和量化方法、地下水体中多种共存氧化物间电子竞争作用、电子效率的影响因素以及强化措施等方面进行详细介绍。最后,对该技术今后发展方向作出了展望,以期为其今后实际的地下水修复应用提供参考。     

螺旋霉素分子印迹磁性纳米吸附剂的合成及应用

制备了一种以螺旋霉素为模板分子的分子印迹磁性纳米吸附剂。以磁性纳米Fe₃O₄为内核,经丙烯酸表面修饰后再以螺旋霉素为模板分子、甲基丙烯酸为功能单体、乙二醇二甲基丙烯酸酯为交联剂,通过表面自由基聚合反应制备得到。该吸附剂对螺旋霉素、交沙霉素、替米考星和酒石酸泰乐菌素4种大环内酯类抗生素表现出良好的富集效果（富集倍数分别为310、118、758和72）,其选择性明显优于常规C₁₈吸附剂。该吸附剂可重复使用至少6次。结合高效液相色谱-紫外检测器建立了上述4种抗生素的分析方法。方法检出限为0.53~2.75 μg/L,定量限为1.78~9.16 μg/L;在50、100和150 μg/L低中高3个添加水平下,方法回收率在80.78%~123.02%之间,相对标准偏差<15.8%（n=5）。该方法被应用于分析蜂蜜中的上述4种抗生素。     

[Fe(CN)6]4-在溴碘化银T-颗粒乳剂中的掺杂

本文研究了K₄[Fe(CN)₆]掺杂对溴碘化银T-颗粒乳剂感光性能的影响.结果表明,掺杂剂的掺杂量以及掺杂位置对乳剂的感光性能都有影响.K₄[Fe(CN)₆]的掺杂量在每克乳剂31×10^-9-31×10^-11mol之间时,乳剂感光度都有提高.最佳掺杂量为每克乳剂31×10-10mol.掺杂位置接近表面时效果相对较好,表明K₄[Fe(CN)₆]是浅电子陷阱掺杂剂.当掺杂剂的掺杂量大于每克乳剂31×10^-8mol,且掺杂位置在乳剂颗粒较深内部时,乳剂的感光度反而下降.     

纳米ZnO颗粒在阳极Al2 O3模板中的强光致发光研究

用金属醇盐水解法在阳极Al2O3模板的有序孔洞中生长了纳米量级的ZnO颗粒,并用扫描电子显微镜(SEM)和高分辨电子显微镜(HRTEM)对其形貌进行观察.对纳米ZnO/多孔阳极Al2O3模板组装体的光致发光谱进行测量,将组装体中纳米ZnO颗粒的发光强度与常规方法制备的纳米ZnO颗粒发光强度做了比较,就发光强度提高的原因进行了讨论.     

pH和温度诱导双亲水嵌段共聚物聚甲基丙烯酸-b-聚N-(2-甲基丙烯酰氧乙基)吡咯烷酮水溶液的胶束化

基于可逆加成裂解链转移自由基(RAFT)聚合法开发了一系列新型双亲水嵌段共聚物——聚甲基丙烯酸-b-聚N-(2-甲基丙烯酰氧乙基)吡咯烷酮(PMAA-b-PNMP),并利用凝胶渗透色谱法(GPC)和¹H NMR对其结构进行了表征。光散射和冷冻电镜的结果表明,此类双亲水嵌段共聚物的水溶液具有pH和温度诱导胶束化的现象,而且PNMP的聚合度对胶束化的pH和温度影响都非常大。一般而言,PNMP的聚合度越大,胶束化的pH值越小,胶束化的温度则越高。pD相关的¹H NMR结果表明,PNMP与PMAA片段和水分子之间氢键的削弱以及PNMP与PMAA链之间相互作用的增强是pH诱导PMAA-b-PNMP胶束形成的主要原因,而PNMP片段与水分子之间氢键的削弱则是温度诱导PMAA-b-PNMP胶束形成的主要原因。此外,我们发现在PMAA-b-PNMP体系中制备的纳米金颗粒的大小可通过溶液pH进行可控调节。总体而言,pH值越高,金纳米颗粒的粒径越小。     

具有隔氧功能的Ru（dpp）3（ClO4）2-聚丙烯腈纳米颗粒的制备

选择对氧有敏感响应的4,7-二苯基-1,10-邻菲咯啉钌[Ru(dpp)]为荧光猝灭探针,通过条件优化,制备了粒径100nm左右且包埋有该荧光探针的聚丙烯腈纳米颗粒。研究结果表明,包埋于聚丙烯腈材料中的Ru(dpp)较好保持了原有的荧光特性和稳定性。丙烯腈纳米颗粒在100%氮氧改变的环境中,其荧光强度变化小于2%,显示了较好的隔氧效果。