New Approaches to Synthesizing Electroactive Polymers

The chemical oxidative polymerization of aniline in a heterophase system is studied. In the presence of a solid substrate, the aniline polymerization involves two kinetically and chemically independent processes, namely, the polymerization in the bulk solution and at the substrate surface. The growth of the polyaniline coating at the substrate surface includes three successive processes: interfacial polymerization, adsorptive polymerization, and destruction of the polymer chain. The interfacial oxidative polymerization of diphenylamine and phenothiazine is examined. The yield and chemical structure of polymers is shown to depend on the polymerization conditions.     

Kinetics of batch production of single-cell protein from cheese whey

A kinetic model for single-cell protein batch fermentation was developed using the numerical simultaneous integration approach of the fourth-order Runge-Kutta method. The model takes into account the effect of substrate inhibtion, maintenance energy, and cell death on the cell growth and substrate utilization during the fermentation process. The theoretical results obtained from the model compared well with the experimental data. The model was used to study the effect of the initial substrate concentration on the lag period, fermentation time, specific growth rate, population size, and cell productivity of batch fermentation. Increasing the initial substrate concentration increased the lag period and fermentation time and decreased the specific growth rate and cell yield. The growth limiting substrate concentration was 2.9 g/L, whereas the growth inhibiting substrate concentration was 69.0 g/L. Increasing the initial substrate concentration above 150 g/L significantly decreased the yeast population size.     

Fluorometric enzyme immunosensing system based on natural product resveratrol for horseradish peroxidase and Ag/SiO_2 nanoparticles

The properties of resveratrol (3′, 4′, 5-trihydroxystlbene, RST) were for the first time evaluated as a potential substrate for horseradish peroxidase (HRP)-catalyzed fluorogenic reaction. The properties of RST for use as fluorogenic substrates for HRP and its application in immunoassays were compared with commercially available substrates such as p-hydroxyphenylpropionic acid (pHPPA), chavicol and Amplex red by a fluoroimmunosensing method in the use of Schistosomia japonicum antibody (SjAb) as a model analyte. The fluoroimmunosensing device was constructed by dispersing Schistosomia japonicum antigen (SjAg), nano-Ag/SiO2 particles and sol-gel at low temperature. In pH 5.8 Britton-Robinson buffer (B-R), HRP-SjAb conjugates can catalyze the polymerization reaction of RST by H2O2 forming fluorescent dimmers. The increase of the fluorescence intensity of the dimmers product at emission of 462 nm (excitation: 315 nm) is proportional to the concentration of HRP-SjAb binding to the SjAg entrapped in the nano-Ag/SiO2 particles-sol-gel matrix. A competitive binding assay has been used to determine SjAb in rabbit serum with the aid of SjAb labeled with HRP. Substrate RST showed comparable ability for HRP detection and its enzyme-linked immunosensing reaction system, in a linear detection ranging of 1.5×10-6-7.3×10-4 g/L and with a detection limit of 1.5×10-6 g/L. The immobilized biocomposites surface could be regenerated by simply polishing with an alumina paper, with an excellent reproducibility (RSD = 4.7%). The proposed method has been successfully used for analysis of the rabbit serum sample with satisfactory results.     

衬底上石墨烯制备及改性研究

大面积高质量石墨烯的制备对石墨烯电子特性及石墨烯基纳器件相关研究有重要意义。本文综述了近几年来衬底上制备石墨烯的相关实验以及衬底与石墨烯相互作用研究的重要进展。目前,采用化学气相沉积、外延生长等方法可在衬底表面上制备出较大面积、高质量的石墨烯材料。衬底与石墨烯相互作用和界面间晶格匹配、原子成键及电荷转移等密切相关,其对吸附石墨烯的几何结构、能带结构及电子特性等产生明显影响。实验与理论计算的结合可望加深衬底与石墨烯作用机理的理解,指导衬底上石墨烯制备及改性的进一步研究。     

分子印迹聚合物负载纳米金催化剂的制备及其底物识别性能

以4-硝基苯甲醇与氯金酸的络合物为模板,利用聚合物空腔内胺基捕获NaBH4还原的纳米粒子,设计和制备了一种具有底物识别性能的分子印迹聚合物负载纳米Au催化剂(Au/MIP).运用红外光谱、紫外-可见光谱和扫描电镜等方法对催化剂进行了表征.同时以水为溶剂,过氧化氢为氧化剂,考察了催化剂在取代苯甲醇氧化反应中的催化性能.结...     

轨道对称性匹配:MXene基体上的单原子催化以实现优异的氮还原反应

氨作为一种可被植物直接吸收用以合成其他有机物的重要成分,在化学化工及含氮化合物的生产当中起着至关重要的作用.传统工业生产氨气采用Haber-Bosch工艺,将空气中丰富的氮气转化为氨气,但该工艺需要较高的压强和温度来促进氮气分解,因此会消耗大量能源.近年来,电催化反应发展迅速.在电催化工艺中,通过控制操作电位及电解质便可提高生产效率,降低能源消耗.基于这种策略,各种针对能源环境的催化研究应运而生,如二氧化碳还原、水分解反应等.其中,对于氮还原的催化研究尤其是电催化设计领域研究相对较少.研究发现,在电催化剂中,异构掺杂及原子尺度的调控可以极大地影响催化剂的催化活性.其中,单原子催化(SAC)因其在催化活性和催化选择性上的优势受到广泛关注.MXene是一种二维过渡金属碳化物或氮化物,其优异的化学性能和稳定的表面构型可以对单原子起到良好的锚定与支撑作用,是一种更具潜力的单原子催化基体.本文基于上述思想,利用密度泛函第一性原理等模拟软件,设计并研究了以MXene为基体的28种过渡金属单原子催化体系,计算并分析了各SAC@MXene体系对氮还原反应的催化效果,从限制电势、催化路径、反应机制等方面探索了其催化性能.并对体系进行了态密度、晶体轨道哈密顿量、差分电荷密度等电子结构分析,找到了适用于MXene体系的单原子催化设计原则.通过对限制电势的计算表明,Ni@MXene和Co@MXene体系具有很低的限制电势(-0.13和-0.17 V),说明这些体系在较低的启动电压下即可发生氮还原反应.研究发现了一种新型适用于SAC@MXene氮催化体系的酶促-远端反应机制.电子结构分析得到SAC原子与MXene基体的Ti原子在催化过程中存在一种协同作用.态密度及晶体轨道哈密顿量也显示出SAC原子与MXene基体Ti之间的一种轨道对称性匹配关系,揭示了这种协同作用对催化反应的积极作用.计算的氢析出反应(HER)结果也显示,在相同化学环境下,SAC@MXene体系氮还原反应相对于氢析出反应更易发生.     

表面增强拉曼光谱技术研究进展

表面增强拉曼光谱(SERS)具有检测灵敏度高、分析速度快等优点,是一种颇具潜力的痕量分析技术。SERS技术的关键在于通过机理研究制备出稳定性高、灵敏度高、重现性好的活性基底,从而实现痕量物质的定量分析。对SERS活性基底的发展和SERS在一些领域的应用进行了综述,提出了亟待解决的问题。     

单原子催化剂M1/FeOx(M=Pt,Fe)的理论研究:CO氧化反应

负载型纳米贵金属催化剂是用于多相催化反应的重要的催化剂之一,也是各国催化科学与技术研发的重点,其工业应用也越来越广泛.理论和实验的研究结果均表明,当载体表面的金属粒子尺寸减小至亚纳米级乃至更小的低配位、不饱和的原子团簇时,它们常常成为诱发催化反应的活性中心,呈现更高的催化活性和选择性.将负载的金属尺寸由纳米量级减小至分散的金属团簇甚至单原子而使每个原子成为反应的活性位点已成为研究的重点.最近,由张涛等首次合成的单原子催化剂(SAC)Pt1/FeOx引起了国内外催化及表面科学工作者的极大关注.单原子催化剂作为连接均相催化剂和多相催化剂的桥梁,不仅具有非均相催化剂的稳定、易于与反应体系分离、易表征等优点,而且具有均相催化剂活性中心结构均一、活性中心原子利用率百分之百等优点.一方面,单原子催化剂给多相催化领域注入了新的活力,另一方面也更有利于运用量子与计算化学的研究方法建立与实验相匹配的理论模型并从原子水平上进一步理解多相催化反应的微观作用机理.实验和理论的研究结果表明,其它单原子催化剂如Ir1/FeOx,Au1/FeOx和Ni1/FeOx催化CO氧化反应表现出不同的活性.然而,底物FeOx中的Fe同样是第VIII族中的3d过渡金属,却在低温下对CO氧化反应没有催化活性.我们围绕这一问题,重点研究了底物FeOx在负载单原子Pt1前后催化CO氧化的反应机理和活性,解释了单原子催化剂Pt1/FeOx相比于底物FeOx为何具有如此高的催化活性的原因.我们采用Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)从头算模拟软件和密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)进行了理论计算.其中,选择PBE泛函描述体系的交换关联相互作用,用投影缀加波(PAW)赝势基组方法描述体系中的电子和离子实之间的相互作用,对Fe原子采用了DFT+U方法进行d电子强相关校正,并使用Dimer计算方法搜寻反应过渡态.研究结果表明,底物FeOx中氧空位的再生伴随第二个CO2分子从催化剂表面脱附的过程需要较高的活化势垒(1.09 eV),这一过程是整个CO氧化反应的决速步.与此相比较,Pt1/FeOx催化剂中,由于Pt原子代替了表面Fe原子,导致电子结构及性质的显著变化,有利于CO的活化、氧化和CO2的脱附.我们从电子能量态密度(DOS)和Bader电荷分析及模型分子团簇的轨道相互作用的角度进一步分析了两种催化剂存在差异的本质;揭示了单原子催化剂Pt1/FeOx中Pt1和底物FeOx之间的相互作用的机理及催化剂表面Pt单原子在催化反应过程中的关键作用.     

基于常温无外压的转移印刷技术构筑半球状多级Ag基底

基于自组装技术制备了3种不同粒径的聚苯乙烯微球阵列,并翻制了与微球阵列互补的软模板.基于室温无外压的转移印刷技术制备了聚甲基丙烯酸甲酯半球形微纳阵列,然后基于原位光还原技术在聚甲基丙烯酸甲酯半球表面制备Ag纳米颗粒,构筑了拉曼增强的半球状多级Ag基底.转移印刷技术的关键是利用软模板自身的低表面能和表面羟基化的图案化材料与亲水基底界面间的氢键作用力.